浅谈建筑节能设计

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  【摘要】建筑节能包括建筑采暖、空调和照明的节能,并与改善建筑舒适性相结合。建筑节能是一项综合型性工作,它涉及建筑材料、设计、构造、物理和施工,以及暖通空调、物业管理、政策法规等方面,随着现代化建设和人民生活水平的提高,舒适的建筑热环境日益成为人们生活的需要。
  【关键词】建筑节能;设计
  
  一、建筑节能的概论
  我国建筑用能已超过全国能源消费总量的1/4,并将随着人民生活水平的提高逐步增加到1/3以上。民用建筑用能的数量巨大,浪费严重。我国严寒和寒冷地区(包括东北、华北和西北地区),其面积约占我国国土面积的70%。在采暖居住建筑中,从总体上看,平房和低层建筑仍占大多数,近年来,新建中高层和高层建筑增多了。平房和低层建筑,在围护结构保温水平大体相同条件下,其耗热量指标要比多层建筑高10%~30%。我国长期以来,因片面强调降低建筑造价,没有建筑热工和建筑节能方面的标准规范可供依据,导致建筑围护结构过于单薄,门窗缝隙过大,采暖能耗过高。
  建筑节能的重要性:1、可以缓解能源资源的紧张局面,建筑节能是社会经济发展的需要。2、建筑节能是减轻大气污染的需要,建筑采暖和饮食用能量是造成大气污染的两个主要因素,如重庆受灰尘和酸雨严重危害,空气污染情况严重。3、建筑节能可以保护生态环境和提高建筑热环境的质量,随着现代化建设和人民生活水平的提高,舒适的建筑热环境日益成为人们生活的需要。4、建筑节能是发展建筑业的需要。我国建筑节能包括建筑采暖、空调和照明的节能,并与改善建筑舒适性相结合。
  二、我国建筑节能现状
  由于建筑用能排放大量CO2使地球變暖,危及生态平衡与人类生存,为了拯救环境,必须重视建筑节能,发达国家将建筑节能作为一项重要国策,并制定了符合本国建筑节能要求的法规,取得了显著的社会效益和经济效益。
  我国的建筑节能工作与发达国家相比起步较晚,1986年,建设部颁布实施了第一部法规《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》(JGJ26-86),节能率要求30%。 1995年12月,建设部发布了第二个节能标准《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》(JGJ26-95),节能率要求50%。1993年出台了一部规范旅游旅馆建筑节能设计的《旅游旅馆建筑热工与空气调节节能设计标准》(GB50189-93)。1998年1月1日起实施的《中华人民共和国节约能源法》,是指导全国节能的大法,也是中国建筑节能工作的立法依据,对建筑节能工作具有重大的指导意义,进一步促进了建筑节能事业的发展。
  三、在建筑设计中常用的几种节能方法
  1.墙体节能。墙体是建筑外围护结构的主体,所用材料的保温性能直接影响建筑的耗热量。我国以实心粘土砖为墙体材料,保温性能不能满足设计标准。以外墙为例,JGJ26-1995标准规定,在建筑物形体系数(建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的体积的比值)小于0.3时,北京地区传热系数不超过1.16W/(m2·K),目前常用的内抹灰砖墙,传热系数都大于上述节能标准数值。在节能的前提下,应进一步推广空心砖墙及其复合墙体技术。
  在实践中多采用承重材料与高效保温材料(如岩棉板或聚苯板等)组成复合墙体。按保温材料所处位置不同,又分有多种方式,其中外墙内保温和外墙外保温是目前最常采用的两种方式。复合墙体很好地发挥了两种材料的长处,既不会使墙体过厚,又能承重,保温效果又好,因此,发达国家新建建筑基本上采用了此种方式。我国若想达到节能50%的要求,除一部分可采用加厚的加气混凝土单一墙体外,使用复合墙体将大势所趋。在北方地区多采用外墙外保温方式,其主要因素是由于外墙外保温有以下优势:
  一是保护主体结构,延长建筑物寿命。对消费者而言,房屋拥有70年的产权,买房是一次性投入,如果建筑物质量受损,大修一次,花费若干,岂不是很不合算?采用外保温技术,由于保温层置于建筑物围护结构外侧,缓冲了因温度变化导致结构变形产生的应力,避免了雨、雪、冻、融、干、湿循环造成的结构破坏,减少了空气中有害气体和紫外线对围护结构的侵蚀。事实证明,只要墙体和屋面保温隔热材料选材适当,厚度合理,外保温可以有效防止和减少墙体与屋面的温度变形,有效地消除常见的斜裂缝或八字裂缝。因此,外保温有效地提高了主体结构的使用寿命,减少了长期维修费用。
  二是基本消除“热桥”的影响。热桥是指在内外墙交界处、构造柱、框架梁、门窗洞等部位,形成的散热的主要渠道。对内保温而言,热桥是难以避免的,而外保温可以防止热桥部位产生结露,消除热桥造成的热损失。
  三是使墙体潮湿情况得到改善。一般情况下,内保温须设置隔汽层,而采用外保温时,由于蒸汽渗透性高的主体结构材料处于保温层的内侧,只要保温材料选材适当,在墙体内部一般不会发生冷凝现象,故无需设置隔汽层。采取外保温措施后,结构层的整个墙身温度提高了,降低了它的含温量,进一步改善了墙体的保温性能。
  四是有利于室温保持稳定。家中如果有老人或小孩,温差较大,常常使抵抗力弱的老人小孩患病,而外保温墙体由于蓄热能力较大的结构层在墙体内侧,当室内受到不稳定热作用时,室内空气温度上升或下降,墙体结构层能够吸引或释放热量,故有利于室温保持稳定。
  五是便于旧建筑物进行节能改造。以前的建筑物一般都不能满足节能要求,因此对旧房进行节能改造,已提上议事日程,与内保温相比,采用外保温方式对旧房进行节能改造,最大的优点是无需临时搬迁,基本不影响用户的室内生活和正常生活。
  六是可以避免装修对保温层的破坏。购买新房或二手房,消费者一般都需要按照自己喜好进行装修,在装修中,内保温层容易遭到破坏,外保温则可以避免发生这种问题。
  七是增加房屋使用面积。消费者买房最关心的就是房屋的使用面积,由于外保温技术保温材料贴在墙体的外侧,其保温、隔热效果优于内保温,故可使主体结构墙体减薄,从而增加每户的使用面积。但是复合墙目前存在主要问题是墙体易产生裂缝,这就对产品质量及施工质量要求比较高,这方面需要进一步提高。
  2.门窗节能。外门窗是住宅能耗散失的最薄弱部位,其能耗占住宅总能耗的比例较大,其中传热损失为1/3,冷风渗透为1/3,所以在保证日照、采光、通风、观景要求的条件下,尽量减小住宅外门窗洞口的面积,提高外门窗的气密性,减少冷风渗透,提高外门窗本身的保温性能,减少外门窗本身的传热量。其节能措施有:
  (1)控制住宅窗墙比。住宅窗墙比是指住宅窗户洞口面积与住宅立面单元面积的比值,JGJ26-1995《民用建筑节能设计标准(采暖居住部分)》对不同朝向的住宅窗墙比做了严格的规定,指出“北向、东向和西向、南向的窗墙比分别不应超过20%、30%、35%”。
  (2)提高住宅外窗的气密性,减少冷空气渗透。如设置泡沫塑料密封条,使用新型的、密封性能良好的门窗材料。而门窗框与墙间的缝隙可用弹性松软型材料(如毛毡)、弹性密闭型材料(如聚乙烯泡沫材料)、密封膏和边框设灰口等密封;框与扇的密封可用橡胶、橡塑或泡沫密封条和高低缝、回风槽等;扇与扇之间的密封可用密封条、高低缝和缝外压条等;扇与玻璃之间的密封可用各种弹性压条等。
  (3)改善住宅门窗的保温性能。户门和阳台门应结合防火、防盗要求,在门的空腹内填充聚苯乙烯板或岩棉板,以增加其绝热性能;窗户最好采用钢塑复合窗和塑料窗,这样可避免金属窗产生的冷桥,可设置双玻璃或三玻璃,并采用中空玻璃、镀膜玻璃,有条件的住宅可采用低辐射玻璃;缩短窗扇的缝隙长度,采用大窗扇,减少小窗扇,扩大单块玻璃的面积,减少窗芯,合理地减少可开启的窗扇面积,适当增加固定玻璃及固定窗扇的面积。
  (4)设置“温度阻尼区”。阻尼区是在室内和室外之间设有中间层次,该层次象热闸一样,可阻止室外冷风的直接渗透,减少外墙、外窗的热耗损。在住宅中,将北阳台的外门、窗全部用密封阳台封闭起来,外门设防风门斗,防止冷风倒灌,楼梯间设计成封闭式的,对屋顶上的入孔处进行封闭处理等措施均能收到良好的节能效果。
  3.屋面节能。在不断改进建筑外墙、外窗的保温性能后,要加强屋面保温隔热的研究。屋面节能措施的要点:一是屋面保温层不宜选用密度较大、导热系数较高的保温材料,以免屋面重量、厚度过大;二是屋面保温层不宜选用吸水率较强的保温材料,以防屋面湿作业时,因保温层大量吸水而降低保温效果,如选用吸水率较高的保温材料,屋面上应设置排气孔以排除保温层内不易排出的水分。现在,高效保温材料已经开始应用于屋面,一些建筑的屋面保温,采用膨胀珍珠岩保温芯板保温层,代替常规的沥青珍珠岩或水泥珍珠岩做法,就克服了常规作法的诸多缺点。这种保温芯板施工方便、价格低廉、不污染环境;芯板为柔性制品,适用于具有平面的屋面和带有曲面的屋面,其保温工程更显示出它的优越性。其主要技术指标:表观密度为110~150kg/m3;导热系数为0.04~0.06W/m·K;蓄热系数为0.90~0.11m2·K。抗压强度大于0.2MPa;吸水率小于0.01%;蒸汽渗透系数为2.18×10-7g/m.n.Pa。这些指标充分体现了膨胀珍珠岩密度较小,导热系数较低,且吸水率和蒸汽渗透系数都很低。这是保温性能好的材料所必须具备的。2001年已经在西宁污水处理厂的数百平方米屋面工程中使用,收到好的技术经济效果。4.利用太阳能。地球拦截的太阳辐射能相当于目前全球电力消费量的1500倍。而在现有技术、经济条件下,可供开发利用的太阳能只占理论资源量的很小一部分。据美国能源部评估,1990年美国太阳能经济可开发资源量约为22Mtce/年,仅为技术可开发量的0.6%。所以,太阳能的开发利用有巨大的潜力。太阳能作为一种可再生的洁净能源,是建筑上很具有利用潜力的新能源之一。太阳能在建筑上的利用方式主要有:被动式太阳能采暖、太阳能供热水、主动式太阳能采暖与空调和太阳能发电等。我国太阳能资源丰富,陆地每年接受的太阳辐射能,相当于2.4×1012tec,三分之二国土面积的太阳能总辐射量超过0.6MJ/m2。如果将太阳能源充分加以利用,不仅有可能节省大量常规能源,而且有可能在某些区域完全利用太阳能采暖。
  四、建筑節能设计方法现状
  目前常用的建筑节能设计方法有两种:按规定性指标设计和按性能性指标设计。按规定性指标设计是指建筑物体形特征和围护结构热工性能等,均按有关建筑节能标准进行设计。性能性指标由建筑热环境质量指标和能耗指标两部分组成,按性能性指标设计是指在同时满足建筑热环境质量指标和能耗指标的前提下,设计人员可自行确定建筑物体形特征和围护结构热工性能等的具体技术参数。
  按规定性指标设计使设计人员摆脱了复杂的计算分析,在保证工程设计的合理性和成功方面有重大作用,但由于确定规定性指标主要考虑普遍情况,而每一个工程都有不同与普遍情况的特殊性,因此,规定性指标对适用范围内的一个具体工程不是最佳的,即按规定性指标很难进行优化设计,同时按规定性指标设计容易阻碍新技术的应用和压抑设计人员的创造性。按性能性指标设计使建筑节能设计标准具有充分的灵活性,为新技术的采用和具体工程项目的最优化创造了条件。
  按性能性指标设计需要对所设计建筑进行能耗分析,进而评价所设计的建筑是否节能,建筑能耗计算方法和节能评价方法的选择,成为这种设计方法的重要内容。国内对建筑节能评价的研究相对缺乏,目前建筑节能评价通常采用比较建筑能耗计算值和相关节能标准指标值的方法,建筑能耗计算值则通过相应的能耗分析软件获得,若评价结果表明所设计的建筑并不节能,则需要设计人员凭借个人的设计经验对设计方案进行反复修改。国外已基本解决建筑节能设计标准灵活性和建筑节能评价方法问题,初步实现了建筑围护结构的节能平衡分析,但设计信息与评价信息之间缺乏沟通,尚未实现建筑设计过程的动态评价和建筑设计的全局优化。可见,按性能性指标进行建筑节能设计存在如下缺点:(1)过于依赖能耗分析软件。(2)过于依赖设计人员的设计经验。实际上,目前得到权威结构确认的能耗分析软件数量不多且推广程度不大,就能耗分析软件本身而言,仍存在提高运行速度、改进人机界面等问题;而设计人员的经验需要长期积累。鉴于现有建筑节能设计方法的局限性,探索新的设计方法成为必然。
  五、我国建筑节能前景展望
  在我国建筑中提高能源利用率潜力十分巨大。建筑节能是缓解我国能源紧缺矛盾、改善人民生活工作条件、减轻环境污染、促进经济可持续发展的一项最直接、最廉价的根本措施,也是深化经济体制改革的一项重要组成部分。总结我国近20年来建筑节能工作的进展情况,就我国建筑节能工作发展前景作如下分析:
  (1) 建筑节能是贯彻可持续发展战略的一件大事,是世界建筑发展的大潮流、大趋势。因此,我国建筑节能事业将在克服诸多困难中逐步前进,只要加快技术、组织和政策方面措施的落实,在不久的将来,建筑节能定将结出丰硕之果,接近或赶上发达国家的节能水平。
  (2) 在当前和今后若干年内,建筑节能的进展主要依靠政府的强制推动,依靠立法执法。只要各级领导重视,加强建筑节能工作的行政监督,建筑节能工作必将出现一个崭新的面貌。
  (3) 建筑节能在20年前从北方采暖居住建筑启动,是由于当时北方采暖能耗占建筑能耗的主要部分。随着我国经济的快速发展,国家住房货币化政策的实施,购房消费已成为我国新的经济增长点,人们改善建筑热环境的要求日益迫切,因此,南方地区建筑节能的工作也将得到推广。建议加快节能示范建筑、示范区、示范村建设,让广大群众从亲身的感受中得到启发,形成共识,得到实惠,总结经验,推动我国建筑节能事业的更快发展。
  (4) 我国建设部颁布的《建筑节能“九五”计划和2010年规划》、《建筑节能技术政策》,对于促进各地抓紧建筑节能工作,引导建筑节能技术进步,正发挥着重要的作用。
  建筑节能是一项综合型性工作,它涉及建筑材料、建筑设计、建筑构造、建筑物理、建筑施工、暖通空调、物业管理、政策法规等方面,因此,作好建筑节能工作,必须加强协作、共同努力,在建设项目进行的不同时期,依据不同准则对节能进行研究,建筑节能事业发展前景灿烂。
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