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摘要：節能是涉及人類可持續發展和生存環境的大課題，建筑節能是目前建筑發展的一個極為重要的熱點；本文對建筑節能特別是建筑外圍護結構(外墻)的材質及保溫進行了初步分析探討，指出了采用外保溫方案的墻體需要解決關鍵技術問題。...

節能建筑的設計

楊莉輝

青海省土木建筑設計院

    當今世界能源短缺日益嚴重，全世界有很多國家和地區都在從事節能建筑的技術研究，他們開發新能源，利用再生能源設計和建造節能建筑。節能是涉及人類可持續發展和生存環境的大課題，其戰略目標不僅是要節約有限的資源，造福子孫萬代，同時也是要改善被能耗所污染的環境，使人類賴以生存的空間更潔凈，更舒適。作為節能的主要內容，建節能近些年來已經受到越來越多國家的高度重視，用最少的能耗和對大氣最低限度的污染來達到高舒適度的居住環境是人們刻意追求的目標，能源意識漸漸地進入到建筑的各個領域和各個環節，低能高效的節能技術不斷涌現和發展。

    我國人均能源儲備并不富裕，提高建筑能源的利用效率，以有限的能源來最大限度地滿足建筑設計的需求，是擺在我們面前的一項非常重要的課題。

1、建筑節能方面存在的問題

    1.1建筑標準提高，建筑能耗增大

    隨著我國的經濟總量增長，人均收入的提高，大量的建筑已經開始逐步改善其室內使用環境的合適度，人們的住房需求正朝著小康水平的方向發展。花園、別墅式的建筑正在各地大量的建設。

    由于建筑設計中未能充分考慮氣象因素，使得建筑上動用了大量的供暖和制冷設備來解決舒適問題。比如北方的暖氣設備和南方的空調設備，這些設施改善了室內使用環境的舒適度，但也帶來了大量的能源消耗。最明顯的就是電力和煤炭資源的需求量大增。據不完全統計，在長江地區，夏季住宅建筑耗電量已占整個供電量的1/3。特別是去年夏季持續高溫時間較長，空調、冰箱等制冷設備的數量較之往年有了突飛猛進的增長。這必然會帶來能源的巨大消耗。如果這種狀況持續發展，再加上人H的不斷增長，將會導致巨大的能源需求和嚴重的能源短缺，其后果不堪設想。同時，建筑物對能源的需求也會造成大量的環境污染。因此在建筑上需要采取緊急而有效的節能措施，避免能源的大量消耗。

    1.2建筑節能技術和外墻保溫技術

    建筑節能技術包括：建筑的節能材料，節能工藝，節能設備和節能方法。

    目前，在設計上還沒有卓有成效的節能手段；建筑材料的節能指標均不夠理想；在建筑上使用的某些供暖和制冷設備還缺乏對氣候條件的了解，能量消耗大，效益較差。但是，建筑物圍護結構的保溫技術通過人們大量的工程實踐，已形成一個新的建筑門類和產業。在無數有識之士的共同努力下，很多好的保溫材料和新的構造做法被廣泛應用在圍護結構中，其中包括建筑物的墻體，屋面以及地面．為提高人們的居住環境做出了積極的貢獻。在各種外墻保溫技術體系中，北京振利高新技術公司開發研制的“zL膠粉聚苯顆粒保溫材料及外墻保溫成套技術”是目前我國技術水平達到國際先進，產品配套齊全，能系統有效地解決保溫

    隔熱，抗裂，抗風壓，抗震，耐火，憎水，耐候，透氣等問題的新型外墻保溫技術體系。該成套技術確立了“外保溫優于內保溫”的技術理念，其科學性就在于外保溫有利于建筑物外圍護結構的保護，有效地避免了內保溫給建筑結構帶來的不安定性；確立了外墻外保溫“逐層漸變柔性抗震的技術路線”，徹底解決了外保溫面層易裂縫的關鍵性技術難題，同時實現了涂料，粘貼面磚等保溫飾面層做法的多樣化；確立了外墻外保溫無空腔體系做法，杜絕了風壓特別是負風壓對高層建筑保溫層的破壞。

    1.3建筑設計人員對建筑節能的技術缺乏足夠的認識

    大多數建筑師還不了解節能建筑的最重要的手段是什麼，他們所采用的方法和手段還停留在傳統的建筑材料技術和落后的經濟條件下的被動狀態，對新技術，新材料的使用往往裹足不前，無法滿足現代建筑的要求。

2、節能建筑設計的技術理論  

    2.1節能建筑的概念

    節能建筑亦稱適應氣候條件的建筑，是指采取相應的措施，利用當地有利的氣象條件，避免不利的氣象條件設計的低能耗的建筑。或者說，使設計的建筑在少使用或不使用供暖、制冷設備的前提下，讓一年四季的室內氣溫盡可能地維持或接近在舒適的范圍內。在這里，我們把只考慮在氣候條件影響下的室內氣溫稱為室內自然溫度。如果保持室內自然溫度在舒適范圍內的時間越長，相應的其他設備所消耗的能量就越小。事實上，我們所使用的供暖和制冷設備的主要任務，就是輔助調整室內自然溫度使之達到舒適范圍之內。

    2.2影響能耗的建筑因素

    (1)外圍護結構的總傳熱系數K(w/m2·k)：它表示建筑外圍護結構每度每平方米所損失的熱量值。

    (2)太陽能通過外圍護結構的總平均透射系數G：它表示外圍護結構中透明部分(窗)的面積與非透明部分(墻)的面積之比。

    (3)房間內部的蓄熱能力C：它表示建筑內部結構(樓板、地面和內墻)的總蓄熱量與外圍護結構散熱面積之比。

    通過分析以上三個因素，我們還可以推出以下兩個重要的參數：

    1)熱得失率r=G/K0，它表明了太陽能穿過建筑物透明部分對建筑室內自然溫度的影響。

    2)熱量的時間常數t=n/K0。它表明了室內熱慣性的一個量。這兩個參數對室內自然溫度的影響是很大的。

    熱得失率r，可以影響每日室內自然溫度變化的平均值和浮動幅度。r值越大，室內日平均自然溫度越高，浮動幅度也越大。

    時間常數t，影響和改變室內平均溫度的變化幅度，保持室內自然溫度變化的穩定性。t值越大，室內溫度變化幅度越小，穩定性越好。

    在設計中，我們可以利用r來調整室內自然溫度，使之盡可能地接近室內舒適溫度范圍；利用t來控制每天溫度變化幅度在舒適范圍之內。

3、節能建筑設計的手段

    3.1實現節能建筑的關鍵

    由于影響建筑能耗的三個因素是外圍護結構的傳熱系數，太陽能通過外圍護結構時的透射系數和房間內部的蓄熱能力。因此，我們便會考慮到，實現節能建筑的關鍵在于以下三個方面：

    (1)建筑外圍護結構的材料性能。墻體、屋頂和窗等各自的傳熱系數，結構的密閉性等都直接髟響得失率。

    (2)窗的面積。玻璃的保溫隔熱和可調的遮陽設施，都決定了太陽投射性的平均值。

    (3)建筑結構。組成建筑內部結構的樓板，內墻體等材料的蓄熱能量以及外墻體材料的散熱面積等決定了建筑室內的蓄熱能力。

    3.2實現節能建筑的方法   

    在建筑設計中，如果對以下幾個方面采取相應的設計措施，就能夠使能耗降低，達到節能的目的。

    (1)墻體(外墻外保溫)

    相對于外墻內保溫，外墻外保溫主要有以下優點：   

    1)適用范圍廣

    外保溫適用于供暖和空調的工業與民用建筑，既可用于新建工程，又可用于舊房改造，適用范圍較廣。

    2)保護主體結構，延長建筑物的壽命

    采用外墻外保溫方案，由于保溫層置于建筑物圍護結構外側，緩沖了因溫度變化導致結構變形產生的應力，避免了雨，雪，凍，融，干，濕循環造成的結構破壞，減少了空氣中有害氣體和紫外線對圍護結構的侵蝕。事實證明，只要墻體和屋面保溫隔熱材料選材適當，厚度合理，外保溫可有效防止和減少墻體和屋面的溫度變形，有效地消除了頂層橫墻常見的斜裂縫或八字裂縫。因此，外保溫既可減少圍護結構的溫度應力，又對主體結構起保護作用，從而有效地提高了主體結構的耐久性，故比內保溫更科學合理。

    3)基本消除了“熱橋”的影響

    采用外保溫在避免“熱橋”方面比內保溫更有利，如在內外墻交界部位，外墻圈梁，構造柱，框架梁，柱，門窗洞口以及頂層女兒墻與屋面板交界周邊所產生的“熱橋”。經統計，底層房間“熱橋”附加熱負荷約占總熱負荷的23．7％；中間層房間占21．7％；頂層房間24．3％。可見，“熱橋”的影響還是較大的。上述“熱橋”對內保溫和夾心保溫而言，幾乎難以避免，而外保溫既可防止“熱橋”部位產生的結露，又可消除“熱橋”造成的附加熱損失。計算表明，在厚度為370mm磚墻內保溫條件下，周邊“熱橋”使墻體平均傳熱系數比主體部位傳熱系數增加10％左右：在厚度為240mm磚墻內保溫條件下，周邊“熱橋”使墻體平均傳熱系數比主體部位傳熱系數增加51％一59％，而在厚度為240mm磚墻內保溫條件下，這種影響僅為2％～5％。

    4)使墻體潮濕情況得到改善

    一般情況下，內保溫須設置隔汽層，而采用外保溫時，由于蒸汽滲透性高的主體結構材料處于保溫層的內側，用穩態傳濕理論進行冷凝分析，只要保溫材料選材適當，在墻體內部一般不會發生冷凝現象，故無需設置隔汽層。同時，由于采取外保溫措施后，結構層的整個墻身溫度提高了，降低了它的含濕量，因而進一步改善了墻體的保溫性能。

    5)有利于室溫保持穩定

    外保溫墻體由于蓄熱能力較大的結構層在墻體內側，當室內受到不穩定熱作用，室內空氣溫度上升或下降時，墻體結構層能夠吸收或釋放能量，因而進一步改善了墻體的保溫性能。

    6)有利于提高墻體的防水和氣密性

加氣混凝土、混凝土空心砌塊等墻體，在砌筑灰縫和面磚粘貼不密實的情況下，其防水和氣密性較差，采用外保溫構造，則可大大提高墻體的防水和氣密性能。

    7)有利于改善室內熱環境質量

    室內熱環境質量受室內空氣溫度和圍護結構表面溫度的影響。如采用外保溫墻體，全面提高墻體的保溫性能，則有利于保持室內空氣和墻體內表面有較高溫度，從而有利于改善室內熱環境。

    8)便于舊建筑物進行節能改造

    20世紀80年代以前建造的工業與民用建筑一般都不滿足節能要求。因此，對舊房進行節能改造，已提上議事日程。與內保溫相比，采用外保溫方式對舊房進行節能改造，其最大優點之一是無需臨時搬遷，基本不影響用戶的室內活動和正常生活。

    9)可減少保溫材料用量

    達到同樣節能效果的條件下，采用外保溫墻體，由于基本消除了“熱橋”的影響，故可以節約保溫材料用量。據統計，以北京，沈陽，哈爾濱，蘭州四城市的塔式建筑為例，與內保溫相比，保溫材料分別節省44％(北京)；48％(沈陽)；58％(哈爾濱)；45％(蘭州)。

    lO)增加房屋的使用面積     

    由于保溫材料貼在墻體的外側，其保溫、隔熱效果優于內保溫和夾心保溫，故可使主體結構墻體減薄，從而增加每戶的使用面積。采用良好的隔熱墻體材料，利用更好的隔熱磚代替導熱系數為0．75w/m·K的傳統實心磚，可使傳熱系數降低。比如，空心磚、空心砌塊和其它具有保溫、隔熱性能好的復合墻體。據統計，以北京，沈陽，哈爾濱．蘭州四城市的塔式建筑為例：當主體結構為實心磚墻時，每戶使用面積分別可增加1.2m2(北京)；2.4m2 (沈陽)；4.2m2 (哈爾濱)；1.3m2 (蘭州)。當主體結構為混凝土空心砌塊時，每戶使用面積分別可增加l.6m2(北京)；2.5m2 (沈陽)；4.6m2 (哈爾濱)；1.7m2 (蘭州)。可見，其經濟效益是十分顯著的。

    以上所述外墻外保溫十大優點可以看出，無論從建筑節能的機理或從實際節能效果來衡量，外保溫做法是最佳選擇。在國外采用外保溫的建筑已有40余年的歷史，近年來，在我國北京，天津，蘭州，大連，哈爾濱，太原，山東，河北，新疆，浙江等地也相繼建造了一批外保溫的建筑，取得了良好的效果和較成功的經驗。因此，在寒冷或嚴寒地區推廣外保溫節能方案乃是勢在必行，也一定會在第二階段的節能工作中，取得良好的經濟效益，社會效益和環境效益。這種保溫形式對夏熱冬冷地區及炎熱地區同樣也會收到很好的節能效果。

    (2)外門窗

    選擇充有惰性氣體和選擇性鍍膜的窗，它的傳熱系數為l.5～0.5w/In2.k，保溫性相當于0.5～1.5m厚實心磚墻；而普通單層窗的傳熱系數為5.5 w/m2.k，保溫性相當于0.13m厚實心磚墻；普通雙層窗的傳熱系數為2.8w/m2.k，保溫性相當于0.27m厚實心磚墻。由此我們可以看出，充有惰性氣體和選擇性鍍膜的窗，具有很強的保溫和吸收太陽輻射能量的能力。

    (3)屋頂

    屋頂的材料應采用輕質高效，吸水率低或不吸水的可長期使用、性能穩定的保溫材料作為保溫隔熱層。比如苯板，加氣混凝土砌塊等材料。

    (4)遮陽

    使用輕便、可調的遮陽設備，可以有效地抵御夏季太陽問接或直接輻射對室內氣溫的影響，降低了夏季室內溫度。

    通過以上的設計手段，可以使建筑室內自然溫度處在一個良好的狀態。只需要非常低功能率的輔助供暖或制冷設備，就可以對室內自然溫度的不足進行調整。這樣，就能起到降低能耗的作用。舉例說明一下：國外有一公共建筑建于60年代．它的外圍護結構采用的是雙層玻璃幕墻，其傳熱系數2.8w/m2.k，建筑使用時，能耗很大。l986年由于新技術的出現，該建筑的外圍護結構用現代的先進窗技術進行改造。其改造后的傳熱系數為0.6w/m2.k。改造后的各項能耗指標見下表：

    由此看來，新技術的使用使該建筑物的能耗降低了l0倍，大大地節約了能源。

4、相對于外墻內保溫。外墻外保溫的經濟性綜合優勢

    在我國長江中、下游廣大的夏熱冬冷地區，夏季炎熱，冬季濕冷。特別是夏季高溫持續時間長，太陽輻射照度大，包括了我國幾個著名的“火爐”城市，最高溫度可達42.2。C(2001年夏季重慶市已達43％，國家標準對該地區建筑物的熱工設計要求是“必須滿足夏季防熱要求，適當兼顧冬季保溫”。但是，如果采用內保溫，其隔熱的效果較差，而把保溫層放在墻體外側，由于保溫材料熱阻很大，可有效阻止夏季室外熱流進入墻體，從而有效地降低墻體的內表面溫度(與采用同樣厚度保溫材料的墻體，外保溫要比內保溫低1.5。C，達到改善室內熱環境并節約空調或供暖耗能的目的。因此，夏熱冬冷地區現在也積極采用并推廣墻體外保溫技術，從而達到建筑節能的要求。

    (1)減少了保溫材料的使用厚度，北京地區至少可節省40％保溫材料的用量。

    (2)在進入裝修階段，內外墻可同時進行，內保溫則要待完成保溫層才能進行，因此外保溫工期短，施工速度快，節約人工費。

    (3)保溫效果好，可減少暖氣散熱器的面積，減少鍋爐房建筑面積，減少總投資預算。增加房屋的使用面積，在塔形建筑中平均每戶可增加使用面積l.3～1.8m2。

    (4)能延長建筑物的使用壽命，減少長期維修費用，同時可享受墻改節能的政策優惠。

5、采用外保溫方案的墻體需要解決的關鍵技術問題

    外墻外保溫是由功能分明的墻體結構層，保溫層，保護層及飾面層四部分組成。做好外保溫墻體的關鍵技術問題包括：

    (1)安全。保溫層與結構層以及保溫層與保護層應有良好的結構和安全的構造措施。

    (2)防裂。防止和消除保護層和飾面層出現裂縫，采取減少保溫層及其保護層應力集中和收縮變形的措施。

    (3)耐久。解決好保護層與飾面層的抗老化和耐侯性問題。

    總的來說，先進的節能建筑設計技術，不僅能使建筑物本身具有良好的節能效果，也能使設備的功率和能耗大大降低，起到了雙重節能的作用。這些便會大幅度地降低了建筑物的綜合造價，綜合節能效果和經濟效益是相當可觀的。不斷開發和利用新材料，新技術，新設備來設計和建造節能建筑，是我們在新世紀里，需要深入研究和解決的課題。

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  尚雯瀟  尹維維 編輯 文徑 審核)

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