四步建筑節(jié)能——我國(guó)未來(lái)建筑發(fā)展值得研究探索的課題

□文/劉瑞光 王敏杰 閆春霞 李志國(guó)

□王敏杰/天津大學(xué)建筑工程學(xué)院土木系。

□閆春霞、李志國(guó)/天津大學(xué)建筑工程學(xué)院土木系、濱海土木工程結(jié)構(gòu)與耐久性教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

四步建筑節(jié)能
——我國(guó)未來(lái)建筑發(fā)展值得研究探索的課題

□文/劉瑞光 王敏杰 閆春霞 李志國(guó)

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，城市化進(jìn)程的逐步加快，我國(guó)部分城市建筑“三步節(jié)能”試點(diǎn)已取得成功，相關(guān)技術(shù)措施也在全國(guó)部分地區(qū)全面推進(jìn)并取得顯著成效。建筑節(jié)能發(fā)達(dá)城市經(jīng)過(guò)“三步節(jié)能”的實(shí)踐，已經(jīng)具備了開(kāi)發(fā)、研究建筑“四步節(jié)能”的基礎(chǔ)和能力。隨著城市建設(shè)綜合技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和社會(huì)整體的飛躍，推進(jìn)建筑節(jié)能第四階段的研究與工程實(shí)踐勢(shì)在必行。

四步節(jié)能；建筑；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；墻體

隨著國(guó)家城市化進(jìn)程的逐步加快，我國(guó)的建筑節(jié)能戰(zhàn)略也在全面推進(jìn)。為大力推進(jìn)建設(shè)領(lǐng)域節(jié)能減排，降低民用建筑能耗，“十一五”期間，國(guó)家加強(qiáng)了建筑節(jié)能法規(guī)和強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，嚴(yán)格執(zhí)行建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)施財(cái)政激勵(lì)政策和目標(biāo)考核制度，重點(diǎn)從新建建筑、既有建筑節(jié)能改造、可再生能源建筑應(yīng)用、國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)管、供熱計(jì)量等5個(gè)方面全面推進(jìn)建筑節(jié)能，取得了顯著成效。我國(guó)建筑節(jié)能發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)步驟，第一步是以1980—1981年當(dāng)?shù)赝ㄓ迷O(shè)計(jì)的采暖能耗為基線，實(shí)現(xiàn)節(jié)能30%的目標(biāo)，1986年建設(shè)部頒發(fā)了JGJ26—1986《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)》；第二步是從1996年開(kāi)始推行二步節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，是在第一步節(jié)能目標(biāo)的基礎(chǔ)上再節(jié)能30%，節(jié)能率累計(jì)達(dá)到50%；第三步是在第二步節(jié)能目標(biāo)的基礎(chǔ)上再節(jié)能30%，節(jié)能率累計(jì)達(dá)到65%，采取以北京、天津等重點(diǎn)城市率先推行三步節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，逐步向其他省市擴(kuò)展的策略，目前吉林、黑龍江、山東、沈陽(yáng)、青島等省市相繼實(shí)施三步節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，建筑節(jié)能逐步向不斷提高標(biāo)準(zhǔn)的趨勢(shì)發(fā)展。目前我國(guó)大規(guī)模的城鎮(zhèn)化建設(shè)還將持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間，建筑能耗已與工業(yè)能耗、交通能耗并列成為我國(guó)能源消耗的三大“耗能大戶”，建筑能耗約占總能耗的30%，其中最主要的是采暖與空調(diào)能耗，占到20%左右。新建建筑預(yù)計(jì)每年新增10億m2以上，建筑總能耗將呈不斷增長(zhǎng)趨勢(shì)，進(jìn)一步降低建筑用能負(fù)荷，提高建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)是非常必要的。

目前，我國(guó)北方采暖地區(qū)推行三步節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐，無(wú)論是在設(shè)計(jì)、施工、建筑材料，還是在建筑節(jié)能的檢測(cè)和評(píng)價(jià)機(jī)制以及監(jiān)督管理方面都積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，建筑節(jié)能的基本體系和模塊單元已經(jīng)開(kāi)發(fā)并投放到建筑市場(chǎng)，取得了初步的效果。由于我國(guó)城市發(fā)展的不均衡，有些城市的建筑節(jié)能正處于開(kāi)展第三步節(jié)能的初期階段，而部分發(fā)達(dá)城市則具備了進(jìn)行下一階段節(jié)能開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)條件，隨著社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展和國(guó)家“十二五”規(guī)劃的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)建筑的進(jìn)一步節(jié)能也必將被提上日程。

1 我國(guó)的建筑節(jié)能現(xiàn)狀

1.1 “三步節(jié)能”技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)情況

我國(guó)實(shí)行的“三步節(jié)能”戰(zhàn)略，與北方采暖地區(qū)二步節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)相比，主要是通過(guò)提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能和門窗的氣密性能，同時(shí)提高供熱熱源和管網(wǎng)系統(tǒng)的效率，達(dá)到降低建筑耗熱量指標(biāo)的目標(biāo)。具體做法是將保溫材料科學(xué)的加厚，發(fā)展新型的保溫材料以降低其傳熱系數(shù)，基本可以實(shí)現(xiàn)墻體的高效保溫，以達(dá)到“三步節(jié)能”的效果。

在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外墻、門窗、屋面、地面的四大圍護(hù)部件中，相比較而言控制門窗的絕熱性能是難點(diǎn)，這是影響室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量和建筑節(jié)能的主要因素之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)門窗的能耗約為墻體的4倍，屋面的5倍，地面的20多倍，約占建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗的40%～50%。

屋頂傳熱耗熱量大于任何一面外墻或地面的耗熱量，因此提高建筑物屋面的保溫隔熱能力，能有效地抵御室外冷熱空氣的傳遞，減少供熱空調(diào)能耗。目前，屋頂?shù)墓?jié)能技術(shù)主要有利用保溫隔熱材料改善屋面層的熱工性能，阻止熱量的傳遞；隔離太陽(yáng)輻射熱，架空通風(fēng)屋面；對(duì)屋面進(jìn)行綠色覆蓋等。

在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，通過(guò)地面向外傳遞的熱量約占圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量的3%～5%。地面主要包括3部分：一是直接接觸土壤的地面；二是與室外空氣接觸的架空樓板地面；三是地下室、半地下室與土壤接觸的外墻。

1.2 三步節(jié)能與發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)比較

我國(guó)國(guó)家現(xiàn)行建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)與氣候相近的發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定差距，建筑總耗熱量為發(fā)達(dá)國(guó)家的4～5倍，外墻耗熱量為1.5～2.2倍，門窗耗熱量為3～6倍，屋頂耗熱量為2.5～5.5倍左右。從建筑結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)角度講，即便按三步節(jié)能建成的建筑，在我國(guó)寒冷地區(qū)（B）建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)（以9層居住建筑為例）仍高于發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。我國(guó)建筑三步節(jié)能之后的傳熱系數(shù)大概是瑞典的1.3倍，加拿大的1.1倍，美國(guó)的1.41倍，德國(guó)的1.63倍，所以我國(guó)的建筑節(jié)能還有很大地提升空間。見(jiàn)表1和表2。

表2 北京天津地區(qū)住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)比較W/(m2·K)（9層居住建筑）

2 四步建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的探索

按照國(guó)家確定的居住建筑能耗基線和每一階段節(jié)能的比例來(lái)看，四步節(jié)能應(yīng)該是在三步節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上再節(jié)能30%，累計(jì)節(jié)能率達(dá)到75%，基本達(dá)到同緯度發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)行的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)水平。實(shí)現(xiàn)四步節(jié)能主要是從提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能、采暖熱源和管網(wǎng)效率，最大程度使用可再生能源等三個(gè)途徑，合理確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)和采暖系統(tǒng)的分擔(dān)比例。

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能潛力

1)最大限度提高屋面保溫性能。屋面占建筑總面積的比例較小，對(duì)整體建筑造價(jià)影響較小，目前保溫材料和施工技術(shù)比較成熟，將屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低到0.30 W/(m2·K)以下是最簡(jiǎn)便的技術(shù)途徑。

2)適度提高墻體保溫性能。按照國(guó)家現(xiàn)行居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合目前普遍使用的外墻保溫系統(tǒng)，對(duì)于寒冷地區(qū)選取導(dǎo)熱系數(shù)為0.025～0.030W/(m·K)的保溫材料，保溫材料厚度控制在100mm左右，針對(duì)不同高度建筑墻體平均傳熱系數(shù)要求，可以控制在 0.40W/(m2·K)左右。

3）提高門窗保溫性能。根據(jù)我國(guó)門窗型材、中空玻璃、五金件、密封材料和安裝技術(shù)水平，制作中空三玻窗的技術(shù)條件比較成熟，使門窗傳熱系數(shù)達(dá)到1.8W/(m2·K)左右相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)有的技術(shù)水平上，可以使圍護(hù)結(jié)構(gòu)分擔(dān)節(jié)能率達(dá)到20%以上。

2.2 熱源和管網(wǎng)在進(jìn)一步建筑節(jié)能中的潛力

鍋爐效率是指煤炭、石油或燃?xì)饽芰颗c能轉(zhuǎn)換成熱水或蒸氣能量的百分比。大多數(shù)爐排鍋爐的效率在65%～85%，所以尋求減少15%～35%熱損耗的途徑和方法，是提高建筑進(jìn)一步節(jié)能的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

目前鍋爐的損耗主要包括：排煙損耗、輻射損耗、排污損耗以及其他損耗?？梢匝芯浚菏瑰仩t在符合系統(tǒng)和鍋爐制造商要求的前提下，在最低溫度下運(yùn)行；對(duì)鍋爐外表面進(jìn)行有效絕熱處理，設(shè)計(jì)新型的管網(wǎng)保溫系統(tǒng)以減小熱輻射損耗；保證燃料和空氣精確的混合比，使燃料充分燃燒以減少排污損耗；對(duì)現(xiàn)有的鍋爐進(jìn)行整定，用高效率的鍋爐替換現(xiàn)有鍋爐，使用多功能鍋爐，利用太陽(yáng)能、熱泵、地?zé)?、光伏技術(shù)，盡可能讓熱源、管網(wǎng)系統(tǒng)承擔(dān)更多的節(jié)能分額，從而達(dá)到節(jié)能目的。供熱系統(tǒng)可以分擔(dān)5%～8%。

2.3 降低建筑物的體形系數(shù)

在節(jié)能設(shè)計(jì)中，建筑的外表面積與建筑體積的比值，即建筑的體形系數(shù)。體形系數(shù)反映單位建筑空間熱散失面積的大小，對(duì)建筑的節(jié)能有重要意義。體形系數(shù)越大，單位建筑體積對(duì)應(yīng)的外表面積越大，能耗就越高。因此要實(shí)現(xiàn)建筑物的進(jìn)一步節(jié)能，設(shè)計(jì)單位一定要通過(guò)計(jì)算來(lái)控制建筑物的體形系數(shù)。

首先要使建筑的平面形狀盡可能規(guī)整，減小凹凸變化；另外，圓形平面或是正方形平面也是一種理想狀態(tài)下的有利于節(jié)能的平面形式，有研究資料表明，建筑物的體形系數(shù)每增加0.01，耗熱量指標(biāo)約增加2.5%，一般應(yīng)控制在0.30以下；從夏季得熱的角度來(lái)說(shuō)，建筑應(yīng)有合適的長(zhǎng)寬比。加大進(jìn)深由8m增加到14m，可以使建筑耗熱指標(biāo)降低11%～33%，對(duì)于lO00～8000 m2住宅，進(jìn)深控制在12～14m有利于建筑節(jié)能；同時(shí)應(yīng)盡量減少外墻的凸凹面和架空樓板，不應(yīng)設(shè)置外墻洞口處無(wú)窗戶的凸(飄)窗，坡屋頂宜設(shè)置結(jié)構(gòu)平頂棚或降低坡度，應(yīng)采用封閉式樓梯等。

以一個(gè)半徑為10m的圓形建筑物和邊長(zhǎng)為20m的正方體建筑為例，其體形系數(shù)大約為0.3左右；一個(gè)底面半徑為10m，高為10m的圓柱形建筑物，其體形系數(shù)為0.2。相比較規(guī)范限定的0.4而言，耗熱量指標(biāo)大約可以減少25%和50%左右，所以在設(shè)計(jì)階段把體形系數(shù)控制在0.3以下是實(shí)現(xiàn)“四步節(jié)能”的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

2.4 加強(qiáng)對(duì)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)細(xì)部的節(jié)能設(shè)計(jì)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造，對(duì)整個(gè)建筑物的節(jié)能設(shè)計(jì)而言是不可忽視的，正確處理好細(xì)部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，能大大提高節(jié)能設(shè)計(jì)效率。對(duì)于墻體熱橋部位應(yīng)該采可靠的保溫與“斷橋”措施，外墻出挑構(gòu)件及附墻部件，如陽(yáng)臺(tái)、雨罩、靠外墻陽(yáng)臺(tái)欄板、空調(diào)室外機(jī)擱板、附壁柱、凸窗、裝飾線等均應(yīng)采取隔斷熱橋和保溫措施；窗外側(cè)四周墻面，應(yīng)進(jìn)行保溫處理；門、窗框與墻體之間的縫隙，應(yīng)采取用高效保溫材料填堵；門、窗框四周與抹灰層之間的縫隙，宜采用保溫材料和嵌縫密封膏密封，避免不同材料界面開(kāi)裂，影響門、窗的熱工性能。

2.5 加大可再生清潔能源的利用

1）太陽(yáng)能利用與建筑的一體化

太陽(yáng)能是清潔能源，在建筑節(jié)能方面可以發(fā)揮極其重要的作用。通過(guò)將太陽(yáng)能的集熱系統(tǒng)與建筑有機(jī)的組合起來(lái)，形成一個(gè)有機(jī)的整體，而避免將太陽(yáng)能系統(tǒng)作為一個(gè)附加構(gòu)件。

2）地?zé)豳Y源

地?zé)豳Y源是可再生資源，每年從地球內(nèi)部傳到地面的熱能相當(dāng)于100PW·h，應(yīng)充分利用地?zé)豳Y源為建筑提供熱源，減少化石能源消耗，提高節(jié)能效率。也是實(shí)現(xiàn)“四步節(jié)能”的關(guān)鍵步驟。

2.6 大力發(fā)展熱泵技術(shù)

熱泵是一種把熱量從低溫端送向高溫端的專用設(shè)備，是節(jié)能的新裝置。在建筑供熱空調(diào)中采用熱泵技術(shù)可以有效提高一次能源的利用率，具有高效節(jié)能的特點(diǎn)。將地?zé)豳Y源與熱泵組合并與建筑有機(jī)的結(jié)合，可以大幅提高供熱效率并且供暖區(qū)無(wú)污染，環(huán)保效益好，是一種有益于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的“綠色空調(diào)技術(shù)”，同時(shí)更是一種高效的節(jié)能方式。

3 結(jié)語(yǔ)

1）目前國(guó)家的“三步節(jié)能”發(fā)展戰(zhàn)略正在全面推進(jìn)，而北京、天津、吉林、黑龍江、山東、沈陽(yáng)、青島等省市“三步節(jié)能”標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施取得較好效果，及時(shí)發(fā)展和推進(jìn)四步節(jié)能，有利于推進(jìn)城市化進(jìn)程，提高人民的生活水平，是建筑節(jié)能減排領(lǐng)域的重要組成部分。

2）要實(shí)現(xiàn)建筑的四步節(jié)能，就要合理提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能，進(jìn)一步減小墻體的外表面積；重點(diǎn)研發(fā)保溫隔熱、傳熱系數(shù)小的新型墻體材料；降低建筑物的體形系數(shù)，減少能耗；提高供熱系統(tǒng)效率，加大對(duì)太陽(yáng)能、淺層地能、深層地?zé)崮艿惹鍧嵞茉吹目蒲型度?，促進(jìn)清潔能源的推廣與普及。

3）積極推進(jìn)四步節(jié)能戰(zhàn)略，不僅有利于節(jié)約有限的資源，緩解日趨緊張的能源壓力，而且可以使我國(guó)的建筑節(jié)能逐步接近并達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家水平，提高我國(guó)人民的生活質(zhì)量，也是構(gòu)建資源節(jié)約型與環(huán)境友好型社會(huì)的重要組成部分。因此，注重對(duì)“四步節(jié)能”的理論研究與工程實(shí)踐都具有十分重要的意義。

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TU201.5

C

1008-3197（2011）03-01-03

2010-12-08

劉瑞光/男，1956年出生，高級(jí)工程師，天津市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通委員會(huì)建筑節(jié)能和科技處處長(zhǎng)，從事工程技術(shù)管理工作。

□王敏杰/天津大學(xué)建筑工程學(xué)院土木系。

□閆春霞、李志國(guó)/天津大學(xué)建筑工程學(xué)院土木系、濱海土木工程結(jié)構(gòu)與耐久性教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。