夏热冬冷地区高校既有建筑智能节能优化

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  摘要:通过调研发现夏热冬冷地区高校既有建筑主要存在围护结构热工性能差、遮阳效果差、采光设备落后等问题。针对这些问题,在对气候条件进行定性分析的基础上,以技术层面和空间层面的改造为主,用户层面为辅助层面,探索合适的节能改造策略。
  关键词:夏热冬冷地区;高校既有建筑;智能节能优化
  一、夏热冬冷地区既有建筑改造要点
  建筑的主要功能是提供舒适的室内环境。室内环境质量受四个因素影响:热环境、光环境、声环境和空气质量。高校建筑室内环境质量直接影响师生身心健康、生活质量和工作学习效率。舒适的室内环境是师生正常学习和工作的基本条件。通过对高校既有建筑进行节能改造,提高高校建筑室内环境质量,节约能耗,建设绿色校园。从建筑环境的主要传热过程来看,建筑传热过程分为三个部分。一、通过不透明围护结构的传热,包括墙壁、门和屋顶的传热过程。二、通过透明围护结构传热,包括窗、幕墙等传热过程;第三,室内空气的热平衡,包括自然通风、空调系统和室内热量。因此,高校既有建筑节能改造可以通过提高围护结构的热工性能、提高空调系统的效率、降低照明设备的能耗、合理设计等方式来改善室内环境。
  二、改善围护结构热工性能
  建筑围护结构主要包括墙体、屋面、地板和门窗,其中围护结构(外墙、窗、屋顶)是影响室内热环境的关键因素,室内热环境在很大程度上取决于室外的优劣。
  (1)外墙节能改造
  外墙是建筑与外界环境交流的最大构件。夏热冬暖地区现有的围护结构一般采用240厚、180厚粘土砖或190厚空心粘土砖墙。传热系数K>1.8W/m2·K,绝热性能较差,尤其是西墙内表面温度夏季可达35-36℃。外墙保温设计可有效降低墙体导热系数,减少热桥现象造成的热损失,有效降低能耗。
  1增设保温层
  外壁传热包括三个过程:外表面传热过程、内表面传热过程和壁面热传导过程。
  因此,外墙的保温方式分为外保温、自保温、夹层保温、内保温四种形式。外墙自保温是指墙体本身材料具有节能、耐热功能,将围护结构与保温隔热功能相结合,不另加其他保温隔热材料,满足建筑围护结构的要求。和隔热节能。外墙自保温特别适用于夏冬季暖气候地區,只要窗墙面积比和窗地面积比合适,建筑朝向南北,采用自保温,一般能达到节能标准,同时结构简单,工艺成熟,省工省料。外墙夹层保温系统是在同一外墙的内外墙片之间放置保温材料。内、外墙件可采用普通混凝土空心砌块、轻骨料混凝土空心砌块等。绝缘材料。施工季节和条件要求不高,造价中等。
  外墙自保夹层保温方式在新建建筑中表现出良好的节能效果,但不建议在既有建筑改造中采用主体结构材料置换,相当于改造,需要大量工程.外墙保温系统则是在外墙外添加的保温性能系统,能够更有效地保护主体建筑,并增长建筑的寿命。同时可有效地降低建筑物结构的热桥现象,减少水凝露,从而增加住宅舒适性。在建筑外墙构件的内表层增加了保温板材,在外墙的内侧放置保温材料是一项成熟的技术。外保温与内保温的性能系统不但应用在新建建筑,也同时运用在为既有建筑节能改造中发挥重要作用。
  2浅色饰面
  在墙壁外面使用较浅颜色饰面施工建筑材料(如浅色灰泥、油漆和面砖等)时,在夏季可能反映更多的太阳光放射热量,这样一来就可能减少从室内外的太阳光辐照获得建筑围护结构内的热量和表面温度,在白天缺乏日光和夜晚时,较浅色调围护结构外的表面也可能把建筑物围护结构的热量放射到室外,进而大大降低了居室环境温度。尤其是东西外墙,一方面受太阳辐射影响较大,另一方面南楼东西窗较少,墙体面积大,节能效果好使用浅色饰面材料更明显。
  3反射隔热涂料
  建筑物反射隔热涂层一般是采用太阳光反照率高、地半球反照率高的建筑材质,并选择适当的原材料和配方生产,主要由合成树脂作为基材,再添加功能性颜料、填料,如红外色素、煤胞、金属颗粒等)和添加剂等配置,并应用在建筑物表面,具有明显的隔热效果。建筑反射隔热涂料具有物理和化学稳定性,能适应广州地区室外气候的影响,在正常使用和维护中,涂料使用寿命设计不应低于10年。反射隔热涂层,尤其适合用在太阳辐射较强烈的屋顶和东西外墙。反光式隔热涂层的使用也有助于减少空调功率,从而提高了室内环境。白色和浅色反光隔热涂层由于对太阳辐射的吸附相对较少,所以隔热效果也更为显着,因此选择白色或浅色为宜。反射隔热涂料施工简单,技术难度小。同时,随着国内外学者对反射隔热涂料的深入研究,各种新型材料应运而生,既能满足隔热功能,又能起到装饰作用。防辐射隔热涂层也在既有建筑物改造中广泛的运用,可参考图。如果现有建筑外墙已贴砖,且砖块完好,无需更换,则做好界面层有良好的附着性能,才能进行反射隔热涂料施工。对于传热系数高的既有建筑墙体,采用反射隔热涂料技术可起到经济节能的效果。
  4墙体绿化
  墙体绿化是指在墙体外表面种植各种植物或攀援植物,形成绿色生态植物墙。墙面绿化又称垂直绿化或立面绿化。绿色植物通过光合作用吸收太阳辐射能,从而降低太阳辐射对建筑表面的强度。同时,绿色植物的蒸腾作用在水分蒸发过程中增加了外墙表面的湿度,从而降低了温度。绿色植物与建筑的结合,为建筑增添了活力,营造出优美的户外环境。过渡季节开窗通风,室外植物光合作用释放的氧气进入室内,带来新鲜空气,有助于消除疲劳,提高工作效率。
  (2)外窗节能改造
  在所有的围护结构中,外窗的保温性能最差。据资料统计,窗户的能耗约为墙体能耗的4倍,屋顶能耗的5倍,占建筑围护结构总能耗的40%-50%,而空调夏季太阳辐射的制冷量约为空调负荷的20%-30%。因此,外窗是影响室内热环境和空调能耗的主要因素。外窗将室外热量通过传导、辐射、对流换热和空气渗透四种方式传递到室内。因此,可以通过降低窗框型材的传热系数,减少玻璃的辐射热,提高窗户的气密性来实现窗户的节能。   (3)屋顶节能改造
  1倒置式保温屋面
  传统屋面结构是把防水层放在整个屋面的最外层,保温层放在防水层里面,防水层长期暴露在阳光直射下,老化脆裂,造成不同的屋面漏水程度大,保温层吸潮后保温效果大打折扣。倒置式屋面,是传统屋面结构中的保温层和防水层,保温层在防水层的顶部,防水层可以防止阳光直射,延缓老化过程,延长使用寿命,同时,屋顶用蓄热系数材料作为保护层,使室内热容量增加,蓄热增加,室内温度变化小,空调负荷相应降低。与传统屋面相比,倒屋面简化了施工过程,显着降低了造价。
  2浅色饰面或反射隔热涂料
  屋面采用浅色饰面或浅色反射隔热涂料,原理与外墙相同。有学者做过测试,两个房间位于顶部,两年前屋顶外表面用保温漆刷白,两年后一个又白,另一个保持原状,外表面的测试结果表明粉刷房屋顶比粉刷房低4.8℃,屋顶表面低1.7℃,室内温度低1.1℃。这说明浅色外墙能有效改善室内热环境。
  3蓄水屋面
  储水屋顶主要适用于平屋顶。在平屋顶上建有浅水池,用来储存一定量的水,形成保护层。储水屋顶是屋顶保温的有效方式之一,其保温原理是当水分蒸发时带走屋顶的太阳辐射热,从而减少进入室内的热量,从而减轻空调负荷。.蓄水屋面一般是在混凝土刚性防水层蓄水,既可以起到隔热降温的作用,又可以改善混凝土的使用条件。通过水层的保护,混凝土屋面避免了阳光的直接照射,同时长期浸泡在水中有利于混凝土后期强度的增长,并且由于混凝土的某些成分在水中继续水化产生湿涨,使水中的混凝土具有较好的防渗性能。使用蓄水屋顶时,水面上应有漂浮植物或白色漂浮物,以降低对太阳辐射的吸收率。
  4绿化层面
  改善城市生态环境需要大量绿化。在地面绿化面积有限的情况下,屋顶绿化有着巨大的发展空间。屋顶绿化不仅可以改善建筑的外观,赋予建筑绿色生态氛围,给人视觉享受,还可以改善建筑的室内热环境,改善城市生态环境。绿化后的屋顶可以成为人们的休闲区,充分利用建筑的闲置空间。屋顶绿化可以提高屋顶的隔热性能,减少太阳辐射热。其保温原理是:植物光合作用需要消耗太阳能;植被基地水分蒸发消耗太阳能。植物茎叶的遮阳作用可防止阳光直射屋顶并降低屋顶外表面的温度。因此,绿色屋顶是一种有效的隔热节能屋顶,绿色植物吸收二氧化碳释放氧气,具有良好的生态功能。
  三、遮阳设计
  (1)外遮阳设计
  外遮阳设施按其可调节性可分为固定式遮阳系统和移动式遮阳系统。固定遮阳系统称为安装遮阳设施后无法调整的固定遮阳系统,建筑物窗户上的突出屋檐就是典型的固定遮阳系统。固定着色形式有水平、垂直和综合性。水平遮阳适用于夏季太阳高度角变化较大的地区,可以有效阻挡从窗户上方投射出来的直射阳光。研究表明,水平遮阳对于朝南、略东略西的窗户最有效。垂直遮阳有利于挡住太阳高度角小,阳光从窗户的两边倾斜,所以适合在窗户附近的北、东北、西北;综合遮阳由水平和垂直遮阳组成,可以有效阻挡从窗户上部投射的直射阳光和从窗户两侧倾斜的太阳高角大和太阳高角小的阳光。可适用于东窗、西窗、南窗、东南窗、西南窗,适用范围广。
  固定遮阳不能根据光线自行调节,所以室内采光、通风不好的情况,在建筑设计中需要根据地理位置和气象条件,通过计算机模拟软件计算,选择遮阳板宽度和遮阳板窗沿等参数。拉远距离,发挥外遮阳节能功能。主动式外遮阳系统在使用过程中可根据日照高度的变化和建筑的不同需求灵活调节,充分考虑室内采光和热舒适性,使用外遮阳篷、卷帘、外遮阳百叶窗等。
  (2)内遮阳设计
  从遮阳的角度来看,内部遮阳系统可以同时反射、吸收和通过太阳辐射。吸收和透射的太阳辐射成为室内热扰动的一部分,增加了空调的冷负荷,而反射部分由于玻璃的二次反射,又进入室内,增加了空调的冷负荷,所以内遮阳系统的遮阳效果不如外遮阳系统。内部遮阳系统虽然是可调的,但也阻挡了来自太阳的直射和散射光,对室内自然采光有负面影响。
  (3)玻璃自遮阳
  窗户的自遮阳主要是指通过降低玻璃的遮阳系数来实现遮阳。镀膜玻璃是实现玻璃自遮光的有效途径之一。镀膜玻璃是在玻璃表面镀上一层或多层金属、合金或金属化合物薄膜,以改变玻璃的光学性能,以满足某些特定要求。普通热反射玻璃,低辐射玻璃(low-E玻璃),对可见光有适当的透过率,对红外线的反射率高,隔热性能好。
  四、照明系统的节能策略
  (1)增设天窗或增加窗墙比
  在屋顶节能改造中,考虑到自然采光,可以加装天窗。考虑到室内采光和热控制,可采用高边窗的天窗形式。比如中庭设计了多排高边窗,自然采光,大大降低了照明能耗。窗墙比的增加,增加了透明围护结构的面积,自然光可以通过玻璃进入室内,改善室内光环境。但是室内的热环境会变差,通过玻璃进入室内的太阳辐射热量增加,空调负荷增加。因此,考虑室内光环境和热环境,设计合理的窗墙比是节能设计的重要环节。
  (2)采用节能灯具
  根据《照明节能设计规范》的要求,更换非节能灯,选用高效、安全、环保、寿命长的节能灯,如节能灯、LED光源等。从能源审计报告的数据来看,T8日光灯在大多数大学建筑中使用,T5日光灯在一些地区使用。虽然按平方面积计算,功率比较低,但照度普遍低于GB50034《建筑照明设计标准》的要求,不利于教学和办公。因此,各校可根据实际情况对节能灯成功率低的大功率灯管,或直接进行LED照明改造。理论上,5WLED灯的亮度可与40W日光灯相当,节能空间大。
  (3)设置智能照明控制系统
  照明控制方式是照明节能的核心问题。在高校既有建筑改造中,楼梯、走道、卫生间等可设计具有声感或光感的智能控制系统。智能照明控制系统可以根据人员的出现和离开时间控制灯的开关,使人们可以开灯和关灯。工作台面的照度水平影響人们的学习和工作效率,因此可在教学楼、图书馆、行政楼等重要学习工作场所设置光感智能控制系统,并根据实际情况进行相应调整。室内照度水平。在实际研究中发现,室内照度水平是一个不断变化的值,随着室外照度和气候变化而变化。因此,智能控制可以及时调整,减少大量浪费。在需要手动开关调节的房间,照明开关设计应充分考虑窗位,实现窗位与非窗位的独立切换。师生应根据室内实际光环境选择开关灯数量。
  结束语:高校既有建筑节能改造是一项长期工程,应在保护的基础上,结合设计和运营进行合理再利用。同时,节能策略的应用具有很强的气候性,不同地区由于气候条件不同,同样的节能策略会产生不同的节能效果。同时,节能策略的应用在一定程度上有针对性,与一般公共建筑或住宅建筑相比,高校建筑使用时间特殊,冬冷夏热在夏季和夏季。寒假,校园建筑利用率低,因此在根据寒暑假差异的特殊情况进行节能策略选择和技术分析时,才能得到合适的节能改造方案。
  参考文献
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  基金项目:嘉兴南洋职业技术学院院级一般课题(课题立项号:Ky21004)
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