建筑節(jié)能實(shí)用技術(shù)應(yīng)用的研究

江蘇 王凌杰 岳嶺

引言

建筑能耗包括空調(diào)、采暖、生活熱水供應(yīng)、照明、電器、電梯等方面的能耗，建筑節(jié)能的中心就是減少建筑耗能，即在保證建筑熱環(huán)境舒適性和工藝性要求的條件下，合理使用能源、提高能源利用效率。在我國(guó)建筑業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，建筑能耗的總量也在逐年上升。國(guó)家建設(shè)部科技司研究表明，伴隨城市化進(jìn)程的加快和人民生活質(zhì)量的改善，我國(guó)建筑能耗占全國(guó)總能耗的比例最終將上升至35%左右，龐大的建筑能耗比重已經(jīng)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的阻礙。我國(guó)目前每年建成的房屋97%以上是高能耗建筑，如果不注重降低建筑能耗，將直接加劇能源危機(jī)，因此，要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)環(huán)境必須實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能。

建筑節(jié)能應(yīng)該主要從優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)、采用新型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料、提高終端用戶用能效率、提高總的能源利用效率等方面著手，鑒于空調(diào)系統(tǒng)的能耗在建筑能耗中占有較大的比重，本文擬以空調(diào)的觀點(diǎn)論述建筑節(jié)能幾個(gè)方面的實(shí)用技術(shù)措施。

1 節(jié)能型建筑材料的選擇與應(yīng)用

在建筑的熱量組成中，外界環(huán)境通過(guò)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲入室內(nèi)的熱量在總熱量中占比較大，通過(guò)改善建筑材料結(jié)構(gòu)的熱工性能，夏季可減少室外熱量傳入室內(nèi)，冬季可減少室內(nèi)熱量的流失，使建筑熱環(huán)境質(zhì)量得以改善，從而降低配置空調(diào)機(jī)組的功率。

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)部件(屋頂、墻、地基、隔熱材料、密封材料、門(mén)和窗、遮陽(yáng)設(shè)施)材料的選擇與設(shè)計(jì)對(duì)建筑能耗、環(huán)境性能、室內(nèi)空氣質(zhì)量與用戶的熱舒適環(huán)境有根本的影響。

1.1 選擇節(jié)能型墻體材料

節(jié)能型墻體材料主要是以砂石、頁(yè)巖、工業(yè)固體廢渣、建筑余土等非粘土資源為原材料，具有保護(hù)土地、節(jié)能利廢、保溫、隔熱、輕質(zhì)高強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)適用等特性，用于建筑墻體的材料。節(jié)能型墻體材料改善了傳統(tǒng)砌筑材料導(dǎo)熱系數(shù)大、吸濕性強(qiáng)等方面的缺點(diǎn)。

墻體材料主要包括磚、板、塊三大類，比較實(shí)用的砌塊一般有加氣混凝土砌塊、石膏砌塊、混凝土小型砌塊等。墻板主要產(chǎn)品有GRC板、蒸壓加氣混凝土板、輕集料混凝土條板、鋼絲網(wǎng)架夾芯板、石膏墻板、金屬面夾芯板、復(fù)合墻板等。

加氣混凝土砌塊作為一種新型的建筑材料，具有重量輕、保溫隔熱性能優(yōu)良、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。使用這種材料，可以使整個(gè)建筑的自重比普通磚混結(jié)構(gòu)建筑的自重降低40%以上，不僅抗震能力高，而且保溫隔熱性能好。加氣混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)一般為0.128～0.209W/（m·K），僅為粘土磚和灰砂磚的1/4～1/5（粘土磚的導(dǎo)熱系數(shù)為0.464～0.673W/（m·K）；灰砂磚的導(dǎo)熱系數(shù)為0.612W/（m·K）），為普通混凝土的1/6左右。實(shí)踐證明：200mm厚的加氣混凝土墻體的保溫效果相當(dāng)于490mm厚的粘土磚墻的保溫效果，隔熱性能也大大優(yōu)于240mm磚墻。

石膏類墻體材料具有可循環(huán)使用性，無(wú)毒無(wú)害、具有良好的耐熱、耐火性，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.404W/（m·K）左右，也是一種良好的砌筑材料。

國(guó)內(nèi)自主研發(fā)新型復(fù)合自保溫砌塊，是由主體砌塊、外保溫層、保溫芯料、保護(hù)層及連接主體砌塊與保護(hù)層并貫通保溫層的“保溫連接柱銷(xiāo)”組成，具有優(yōu)異的保溫性能和性價(jià)比。其導(dǎo)熱系數(shù)為0.21W/（m·K），240mm厚時(shí)即可滿足節(jié)能50%～85%的要求。

泡沫玻璃是采用玻璃纖維下腳料或平板玻璃磨成粉狀與發(fā)泡劑（石墨、碳黑）混合后，經(jīng)烘干在發(fā)泡爐內(nèi)發(fā)泡，再緩慢退火而成。其密度約為150～220kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)約為0.042W/（m·K）左右，結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙完全封閉，不易受潮，既能承重又能隔熱防潮，是節(jié)能型建筑最理想的材料之一。

1.2 墻體保溫措施

墻體保溫分為外墻面保溫與內(nèi)墻面保溫，由于外保溫墻體控制裂縫的產(chǎn)生要比內(nèi)保溫墻體控制裂縫容易得多，因此，國(guó)內(nèi)大多數(shù)建筑均采用外墻面保溫。徹底的外墻外保溫可使建筑物完全處于室內(nèi)的溫度環(huán)境下，年溫差一般波動(dòng)不大，受環(huán)境溫度影響較大的只是外保溫層的外表面。

目前施工的建筑中，保溫材料的使用以擠密苯板、聚苯板保溫材料為主。擠密苯板具有密度大，導(dǎo)熱系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，它的導(dǎo)熱系數(shù)為0.029W/（m·K），而抗裂砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)為0.93W/（m·K），兩種材料的導(dǎo)熱系數(shù)相差32倍。聚苯板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.042W/（m·K），與抗裂砂漿相差22倍。

實(shí)際建筑施工中還可以采用硅酸鹽復(fù)合絕熱砂漿，這是一種新型墻體保溫材料，保溫隔熱性能好，不僅可以直接涂抹，還解決了板材拼接處罩面層開(kāi)裂現(xiàn)象。

1.3 采用節(jié)能門(mén)窗和節(jié)能玻璃

目前我國(guó)市場(chǎng)上的節(jié)能門(mén)窗主要有：PVC門(mén)窗、鋁塑復(fù)合門(mén)窗、玻璃鋼門(mén)窗等。玻璃鋼門(mén)窗的型材具有極高的強(qiáng)度和極低的膨脹系數(shù)，且熱工和物理性能優(yōu)良，具有廣闊的發(fā)展前景。

玻璃的性能對(duì)門(mén)窗節(jié)能性影響最大。目前國(guó)內(nèi)外研究并推廣使用的節(jié)能玻璃主要有：中空玻璃、真空玻璃和鍍膜玻璃等。真空玻璃在節(jié)能方面要優(yōu)于中空玻璃，從節(jié)能性方面比較，真空玻璃比中空玻璃節(jié)電16%～18%；熱反射鍍膜玻璃不僅具有節(jié)能和裝飾作用，還可起到防眩、單面透視和提高舒適度等效果，可有效降低空調(diào)的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用；鍍膜低輻射玻璃又稱Low-E玻璃，這種玻璃對(duì)380nm～780nm的可見(jiàn)光具有較高的透射率，同時(shí)對(duì)紅外光（特別是中遠(yuǎn)紅外光）具有較高的反射率，既可以保證室內(nèi)的能見(jiàn)度，又能減少冬季室內(nèi)熱量的向外發(fā)散，還能控制夏季戶外熱量過(guò)多地進(jìn)入室內(nèi)。Low-E中空玻璃和真空玻璃的熱工性能比較好，可以在條件具備的建筑項(xiàng)目上優(yōu)先采用。

從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，中空玻璃窗保溫性能明顯優(yōu)于單玻窗，即使是保溫性能好的PVC塑料單玻窗的傳熱系數(shù)值也可能高達(dá)4.8W/（m2·K），而PVC塑料中空玻璃窗傳熱系數(shù)值在2.1～2.7W/（m2·K）之間，鋁合金斷熱中空玻璃窗的K值在2.8～3.5W/（m2·K）之間；PVC塑料Low-E中空玻璃窗傳熱系數(shù)的最小值可達(dá)1.4W/（m2·K），鋁合金斷熱Low-E中空玻璃窗的K值可降到1.9W/（m2·K）。

2 太陽(yáng)能制冷技術(shù)的應(yīng)用

在節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境方面，太陽(yáng)能的利用起著至關(guān)重要的作用。目前我國(guó)對(duì)太陽(yáng)能的利用主要是采用太陽(yáng)能熱水器提供生活熱水和采暖。而在建筑節(jié)能方面，太陽(yáng)能制冷技術(shù)將是今后主要的節(jié)能方向。

目前實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能制冷有兩條途徑：一是太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成電能驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)工作，如光電制冷，熱電制冷等；二是光熱轉(zhuǎn)換，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成熱能，利用熱能進(jìn)行制冷，如吸收式制冷、噴射式制冷、吸附式制冷等。以熱制冷主要的應(yīng)用方向是太陽(yáng)能吸收式制冷。吸收式制冷以氨或水為制冷劑，是利用溶液濃度的變化來(lái)獲取冷量的裝置。稀溶液在被太陽(yáng)能加熱濃縮成濃溶液的情況下蒸發(fā)出制冷劑，制冷劑經(jīng)冷凝、節(jié)流后，在蒸發(fā)器內(nèi)吸收被冷卻介質(zhì)的熱量而蒸發(fā)，濃溶液吸收制冷劑蒸氣再次變成稀溶液，周而復(fù)始地完成這一循環(huán)過(guò)程，即可獲取冷量。

但該系統(tǒng)存在一些問(wèn)題，如蒸發(fā)溫度不能低于0℃，要降低系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度必須提高驅(qū)動(dòng)熱源的溫度；在太陽(yáng)能供給不足或不穩(wěn)定的情況下要使系統(tǒng)運(yùn)行，需要其它熱源進(jìn)行加熱，此時(shí)系統(tǒng)的效率將會(huì)變得非常低。一種新型的太陽(yáng)能吸收制冷系統(tǒng)，可使這些問(wèn)題得到改善和解決，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

該吸收式制冷系統(tǒng)在太陽(yáng)能供給不充足時(shí)仍可高效地運(yùn)行。太陽(yáng)能主要用于對(duì)壓縮制冷系統(tǒng)的制冷劑進(jìn)行過(guò)冷，同時(shí)壓縮制冷系統(tǒng)的高溫高壓的制冷劑可有效地使吸收制冷系統(tǒng)的稀溶液的溫度得到提升，從而對(duì)能量進(jìn)行回收。這一制冷系統(tǒng)由于有了過(guò)冷部分的存在，比起常規(guī)壓縮制冷系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，也可節(jié)約一些能源。在完全沒(méi)有太陽(yáng)能的情況下，系統(tǒng)相當(dāng)于普通的水冷式壓縮制冷系統(tǒng)，較之常規(guī)空冷式制冷系統(tǒng)，仍具有極高的能效比。

太陽(yáng)能吸收式制冷技術(shù)與蓄冷技術(shù)結(jié)合，可改造成太陽(yáng)能蓄冷系統(tǒng)，尤其適用于民用住宅。白天在太陽(yáng)能充足的情況下，制冷系統(tǒng)運(yùn)行將冷量?jī)?chǔ)存起來(lái)（儲(chǔ)冰或儲(chǔ)存冷水），在夜晚，冷量可以逐步釋放出來(lái)調(diào)節(jié)房間的溫度。這將是今后太陽(yáng)能制冷技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的方向之一。

3 采用水源熱泵、土壤源熱泵技術(shù)

水源熱泵、土壤源熱泵是近年來(lái)應(yīng)用較快的熱泵新技術(shù)，與空氣源熱泵不同，水源熱泵、土壤源熱泵基本不受大氣條件的影響，具有運(yùn)行工況穩(wěn)定、效率高等特點(diǎn)。

水源熱泵主要包括地下水源熱泵、地表水水源熱泵與水環(huán)熱泵，它利用江、河、湖、海、地下水來(lái)作為水源熱泵的冷熱源，這些水源溫度穩(wěn)定，冬季水溫在10～22℃，高于大氣溫度，夏季水溫18～35℃，低于大氣溫度。水源熱泵的制冷、制熱性能系數(shù)可達(dá)3.5～4.4，高于空氣源熱泵。

土壤源熱泵則是利用土壤作為冷熱源。在地下的一定深度下，土壤的溫度變化很小，夏季比大氣溫度低，冬季比大氣溫度高，因此土壤源熱泵工況穩(wěn)定、制冷、制熱性能系數(shù)較大。土壤源熱泵一般不將制冷系統(tǒng)的冷凝器（或蒸發(fā)器）直接埋入地下，而是通過(guò)地下?lián)Q熱器與大地進(jìn)行熱量交換，通過(guò)水循環(huán)實(shí)現(xiàn)地下能量與制冷劑的能量交換。土壤源熱泵系統(tǒng)地埋管的形式、分布、循環(huán)介質(zhì)流量、土壤的地質(zhì)狀況等因素，直接影響埋管換熱器的工作性能，故土壤源熱泵地埋管的設(shè)計(jì)與施工是該熱泵技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。土壤源熱泵還可以與太陽(yáng)能集熱器組合成混合地源熱泵系統(tǒng)，在供熱過(guò)程中更加節(jié)能。

4 空調(diào)系統(tǒng)能量回收利用

在建筑空調(diào)系統(tǒng)中，能量的回收利用也是一項(xiàng)重要的節(jié)能措施。如制冷機(jī)組冷凝熱回收、排風(fēng)顯熱回收、冷凝水回收利用等，由于這些節(jié)能措施投入成本低，且易于實(shí)現(xiàn)，故此在建筑節(jié)能中應(yīng)用廣泛。

例如北京國(guó)家游泳中心—水立方空調(diào)系統(tǒng)對(duì)制冷機(jī)組冷凝熱進(jìn)行了回收，該空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置了一臺(tái)小型冷凝熱回收型冷水機(jī)組將冷凝熱用于生活熱水的預(yù)熱和休閑池池水加熱。此外，為比賽大廳、跳水池廳、熱身池廳、戲水池廳、俱樂(lè)部池廳等常年要求的高溫高濕區(qū)域服務(wù)的空調(diào)機(jī)組采用了低溫?zé)峁苁斤@熱回收空調(diào)機(jī)組，回收排放的預(yù)熱，用于預(yù)熱新風(fēng)。這些措施的采用都大大得減少了電能的消耗。

對(duì)冷凝水回收利用的方法主要是：對(duì)水冷機(jī)組，空調(diào)冷凝水回收后，利用動(dòng)力泵將其輸送至水冷冷凝器進(jìn)口處，使溫度較低的冷凝水與冷卻水混合，有效降低冷卻水的溫度，從而提高制冷系數(shù)。對(duì)于風(fēng)冷機(jī)組，則可利用噴嘴將冷凝水噴灑在翅片盤(pán)管式冷凝器的表面，利用冷凝水的蒸發(fā)吸收部分冷凝熱。實(shí)驗(yàn)表明，采用以上冷凝水回收利用的措施，可使制冷機(jī)組的性能系數(shù)提高5%～10%。

5 蒸發(fā)冷卻方法的應(yīng)用

在我國(guó)，屋頂綠化工程作為一項(xiàng)重要的節(jié)能技術(shù)，越來(lái)越多地應(yīng)用于現(xiàn)代建筑。由于濕潤(rùn)土壤的水分蒸發(fā)，可使土壤層的溫度維持在15℃～25℃，可有效減少建筑屋頂室內(nèi)外溫差傳熱（耗散）熱量。

本文提出的蒸發(fā)冷卻方法也可以應(yīng)用于屋頂。在屋面的保溫隔熱、防水處理完畢后，考慮在屋面上方布置水管網(wǎng)，各支水管下方安裝噴嘴，自來(lái)水（或其它硬度符合要求的水）通過(guò)噴嘴被分散成細(xì)小的水滴，均勻噴灑在屋面上。在炎熱的夏季，通過(guò)水的蒸發(fā)吸熱可將屋面冷卻，使其表面溫度保持在25℃以下，減少由于太陽(yáng)輻射傳入建筑物內(nèi)部的熱量，降低空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷。蒸發(fā)冷卻方法也可應(yīng)用于建筑物的外墻面。如果從建筑美觀方面考慮，也可考慮在屋面上進(jìn)行水循環(huán)，將水直接輸送至屋面中間，水在重力作用下流向整個(gè)屋面，并在屋面上形成水膜，保證水的蒸發(fā)速度。

上海世博會(huì)期間，美國(guó)館的一面景觀外墻設(shè)計(jì)成與地面傾斜一定角度，循環(huán)水由墻體上部呈水膜狀流下。該墻面的表面溫度與其它墻面的溫度相差近20℃，與室內(nèi)環(huán)境溫度相差僅3～5℃，通過(guò)景觀墻滲入室內(nèi)的熱量極少。美國(guó)館室外排隊(duì)等候區(qū)采用的也是霧化水冷卻空氣技術(shù)，保證了參觀者在炎熱的室外不致中暑。可以說(shuō)，美國(guó)館是蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用的典型。

另外，蒸發(fā)冷卻技術(shù)也可應(yīng)用于置換通風(fēng)工程。置換通風(fēng)是將新鮮空氣直接送入工作區(qū)，并在地板上擴(kuò)散形成一層較薄的空氣湖，室內(nèi)熱源產(chǎn)生向上的對(duì)流氣流，新鮮空氣隨對(duì)流氣流向室內(nèi)上部流動(dòng)，形成室內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)氣流，房間頂部設(shè)置排風(fēng)口，將污染空氣排出。熱源引起的熱對(duì)流氣流，使室內(nèi)產(chǎn)生垂直的溫度梯度。送風(fēng)口送入室內(nèi)的新鮮空氣的溫度通常低于室內(nèi)工作區(qū)的溫度，且其送風(fēng)速度約為0.25m/s，動(dòng)量很低，對(duì)室內(nèi)主導(dǎo)氣流不產(chǎn)生實(shí)際的影響。夏季，當(dāng)室外新鮮空氣的溫度較高時(shí)，可以使空氣首先通過(guò)蒸發(fā)冷卻箱，與霧化的水（可以是自來(lái)水或深井水）進(jìn)行熱濕交換，降低溫度后再送入室內(nèi)。

6 結(jié)束語(yǔ)

建筑節(jié)能在其它方面還有很多方法可以利用，如增加綠化面積，通過(guò)植被的光合作用和蒸騰作用使太陽(yáng)輻射熱能轉(zhuǎn)化，降低環(huán)境溫度；采用熱電冷聯(lián)產(chǎn)技術(shù)、空調(diào)蓄冷技術(shù)，提高系統(tǒng)性能及建筑節(jié)能效果；在太陽(yáng)能制冷方面，還有太陽(yáng)能吸附式制冷與太陽(yáng)能?chē)娚渲评?，但這些制冷技術(shù)正處于實(shí)驗(yàn)階段，全面推廣應(yīng)用尚需時(shí)日。

我國(guó)建筑節(jié)能起步較晚，建筑能耗要比發(fā)達(dá)國(guó)家高很多，另一方面，也意味著降低建筑能耗的空間也很大。為此，不斷地開(kāi)發(fā)和利用建筑節(jié)能技術(shù)，提高建筑物的能源利用效率至關(guān)重要。

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