基于物理學(xué)角度探究建筑節(jié)能問題

凡學(xué)梅

（南京工程高等職業(yè)學(xué)校 江蘇·南京 211135）

據(jù)相關(guān)部門預(yù)測，截止到21世紀(jì)中期，人類生活中最重要的兩大能源——石油與天然氣，將會枯竭，節(jié)能已經(jīng)成為一個(gè)世界性的話題。中國建筑能源消耗占據(jù)總能源消耗的25%，位居能源消耗量的榜首，隨著人類生活水平的提高，建筑能耗量將會不斷攀升。建筑節(jié)能是中國緩解能源緊張問題的重要途徑之一，它不僅能夠改善民眾日常工作生活的環(huán)境，也能降低污染物質(zhì)的排放，促進(jìn)社會的可持續(xù)發(fā)展。所謂建筑節(jié)能就是通過改進(jìn)建筑方法，在建筑物中引用多種技術(shù)手段，在保障人們生活工作需求的同時(shí)最大限度的減少能耗。物理學(xué)是一切工程的基礎(chǔ)，建筑領(lǐng)域的很多現(xiàn)象與結(jié)論都是源于物理學(xué)，同樣建筑節(jié)能也不例外，各種物理知識在建筑物中的應(yīng)用能夠大大降低其能耗。

一、物理學(xué)是建筑節(jié)能的基礎(chǔ)

（一）能源與能耗本身屬于物理學(xué)范疇

從某種意義上來說，物理學(xué)是建筑節(jié)能的基礎(chǔ)，建筑中的一切規(guī)律與結(jié)論可以說都是從物理知識衍生而來。能源本身就屬于物理學(xué)范疇，能源消耗也是一種物理學(xué)現(xiàn)象，物理學(xué)中的“能”是指某個(gè)物體做功的能力，其中包含有動(dòng)能、勢能、熱能、電能、核能、化學(xué)能、輻射能等，其中動(dòng)能與勢能統(tǒng)屬于機(jī)械能，光能則歸于輻射能的范疇，這些不同的代名詞是人類對“能”的基本認(rèn)知。而能源則是直接或間接為人類提供日常生活所需熱能、電能、光能一切能量的基本載體，能源的消耗則是物體從一種形態(tài)變?yōu)榱硪环N形態(tài)的過程，在這個(gè)變化過程中它為人類提供必需的能源，所以說能源與能源消耗本身都屬于物理學(xué)范疇。我們消耗能源的目的是為了獲取某種服務(wù)，如通過電能對某個(gè)物品進(jìn)行加熱或者制冷，通過光能將房間照亮，通過熱能加工食品等，這些服務(wù)都是通過現(xiàn)代技術(shù)手段轉(zhuǎn)換而來，現(xiàn)代社會的能源服務(wù)主要分為三大類：將一個(gè)物品從甲地移到乙地的移動(dòng)力，用于加熱和制冷的熱力，用于啟動(dòng)機(jī)械設(shè)備的電力。

（二）從物理學(xué)角度看能量的轉(zhuǎn)換

在物理學(xué)看來，能量從一種形式轉(zhuǎn)換成另外一種形式時(shí)它的總能并沒有發(fā)生變化，其中所蘊(yùn)含的能量既不會增加也不會減少，既不會自行產(chǎn)生也不會憑空消失。這就是熱力學(xué)第一定律的基本思想——能量守恒定律，但是這一定律只規(guī)定了能量的數(shù)量關(guān)系，并沒有涉及到能量的轉(zhuǎn)換過程。熱力學(xué)第二定律——能量不能自發(fā)地從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體，就解釋了能量轉(zhuǎn)換的基本方向。熱力學(xué)第二定律表明，只會做功而不消耗能量的永動(dòng)機(jī)是永遠(yuǎn)不可能制成的，孤立系統(tǒng)中實(shí)際發(fā)生的過程必然會導(dǎo)致其中的熵不斷增加，它永遠(yuǎn)沒有減少的可能。最早提出熱力學(xué)第二定律的學(xué)者是麥克斯韋，后期有許多學(xué)者試圖證明這一理論的錯(cuò)誤性，但終究還是沒有成功，直到1951年法國物理學(xué)家布里淵將信息論與統(tǒng)計(jì)物理聯(lián)合起來進(jìn)行研究，才證實(shí)了麥克斯韋的這一假設(shè)。這一假設(shè)中的事物交換與信息交換存在本質(zhì)的區(qū)別，在事物交換中不可能出現(xiàn)兩者共同擁有的情況，一方的增加勢必導(dǎo)致另一方的減少，但是信息交換則不同，它不必遵循熱力學(xué)定律。

（三）建筑節(jié)能的物理學(xué)基礎(chǔ)

可以說信息替代能源是建筑節(jié)能的基礎(chǔ)，從布里淵的研究可以看出，信息的傳遞不遵循熱力學(xué)定律，可以利用這一規(guī)律在熱力學(xué)允許的范圍內(nèi)做許多事情，例如通過技術(shù)手段降低孤立系統(tǒng)中熵的增長速率，在生產(chǎn)消費(fèi)過程中用信息替代能源。能源是有限的，但是信息資源卻是取之不盡用之不竭的，當(dāng)前社會面臨的問題是社會發(fā)展導(dǎo)致能源在不斷減少，能源消耗造成的環(huán)境污染問題也在不斷增加，而環(huán)境污染反過來又會嚴(yán)重阻礙社會的發(fā)展，如果一直糾結(jié)于物質(zhì)系統(tǒng)，很難找出解決矛盾的方法，而用信息資源代替物質(zhì)能源就難很好地解決這一問題。日常生活中有許多利用信息來降低能耗的實(shí)例：出行前預(yù)先在地圖上標(biāo)明線路，既能節(jié)省時(shí)間又可以降低汽車的能耗；在房間安裝溫控設(shè)施，隨時(shí)了解房間的溫度可以降低取暖能耗；新信息技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備中可以提高機(jī)械設(shè)備的工作效率，降低設(shè)備的能耗。信息的使用能夠有效降低能耗，同時(shí)信息在建筑節(jié)能方面也有著十分重要的意義，當(dāng)前我國引起我國建筑界普遍關(guān)注的高層建筑節(jié)能問題，就是因?yàn)閷ㄖ?jié)能信息了解的缺乏，才導(dǎo)致了設(shè)計(jì)不合理現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，忽視信息的建筑工程必然會對整個(gè)建筑造成極壞的影響。

二、物理學(xué)知識在建筑節(jié)能中的運(yùn)用

（一）以物理手段實(shí)現(xiàn)太陽光照明

經(jīng)醫(yī)學(xué)專家研究證明，太陽光可以降低諸如憂郁癥、慢性疲勞綜合征之類疾病產(chǎn)生的幾率，采用物理方法將太陽光引進(jìn)室內(nèi)不僅可以增加曬太陽的機(jī)會，更有利于人的身體健康。在沒有機(jī)會到戶外享受陽光的時(shí)候，采用導(dǎo)光管裝置就能將陽光引入室內(nèi)，它主要是通過物理學(xué)中的反射原理傳遞光線，但是光線的每一次傳遞都會造成能量的損失，這種導(dǎo)光管裝置不適合長距離的光線傳遞。物理學(xué)家愛德曼茲發(fā)明了一種神奇的裝置，這個(gè)裝置的主體是一個(gè)塑料控板，控板上安裝了許多由激光切割而成的鏡片，這些鏡片按照一定的規(guī)律進(jìn)行排列，當(dāng)太陽光照射到塑料控板上時(shí)亮度便會增強(qiáng)，然后傳遞到每一個(gè)角落。許多科學(xué)家開始將研究的重點(diǎn)放在彩色熒光塑料上，他們試圖采用熒光塑料來采集陽光，這項(xiàng)研究的原理是：白色是由紅、綠、藍(lán)三個(gè)顏色組合而成，科學(xué)家們嘗試將由這三種顏色的塑料收集到的陽光進(jìn)行重新組合，然后就形成了人類生活中所需要的白色太陽光。通過這種物理手段形成的太陽光所發(fā)出的亮度相當(dāng)于兩個(gè)75瓦燈泡所發(fā)出的亮度。

（二）利用太陽能取暖

要利用太陽能進(jìn)行取暖就必須選用熱阻和吸熱系數(shù)較大的材料，熱阻是指材阻擋能量進(jìn)行傳遞的能力，吸熱系數(shù)是指物體本身吸取熱量的能力。在傳統(tǒng)熱學(xué)工藝中這種方式較為常見，為了滿足工藝需求一般使用熱阻與吸熱系數(shù)較高的材料，在減緩熱量傳遞的同時(shí)最大限度地吸收熱量。太陽能是取之不盡用之不竭的，充分利用太陽能不僅有利于節(jié)能，更有利于降低環(huán)境污染，建筑選址最好是選擇陽光充足的地方，有利于陽光的接受。建筑中的玻璃選用熱阻與吸熱系數(shù)較大的材料能夠有效地進(jìn)行能量儲存，這些材料在白天吸收大量的熱量，然后使用儲熱墻或者其他儲熱工具將熱量儲存起來，在夜間溫度降低時(shí)這些儲熱工具便可釋放出熱量，增加室內(nèi)溫度。對于冬冷夏熱地區(qū)的建筑，要組織調(diào)溫，窗外應(yīng)當(dāng)設(shè)有可以操控的遮陽設(shè)備，夏日溫度較高時(shí)這些遮陽設(shè)備可以阻擋高角度陽光的照射，冬季溫度較高時(shí)這些遮陽設(shè)備又可以將低角度陽光引進(jìn)室內(nèi)；也可以在遮陽裝置中安裝雙層玻璃，在冬季檔有日照的時(shí)候雙層玻璃的吸熱作用能夠提升室內(nèi)溫度，晚上關(guān)閉反射膜或者百葉窗，能夠有效的組織熱量的散失，起到保溫節(jié)能的作用。

（三）納米技術(shù)在建筑材料中的應(yīng)用

納米原本只是一種計(jì)量單位，當(dāng)某種材料的粒徑小于100nm時(shí)，它便可以稱作是納米材料。納米技術(shù)是上世紀(jì)八十年代興起的新興技術(shù)，制作具有小粒徑材料的技術(shù)就是所謂的納米技術(shù)，納米科學(xué)是原子物理、量子物理等多種學(xué)科的聚集點(diǎn)，納米材料具有體積尺寸小的特性，從而就成就了它不同于一般材料的特質(zhì)，如納米材料具有表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等特殊性質(zhì)。納米技術(shù)在混凝土生產(chǎn)中的應(yīng)用能夠有效地提高混凝土的強(qiáng)度，通過對堿骨反應(yīng)的抑制能夠有效地提高混凝土材料的耐久性。由于納米材料具有量子尺寸、光催化效應(yīng)等性質(zhì)，因此采用納米技術(shù)制作而成的混凝土具有分解有毒物質(zhì)、凈化空氣的功效。納米材料的其它功能能夠制成不同功能的混凝土材料，如能夠進(jìn)行智能報(bào)警與自我修復(fù)的納米材料。納米材料的特殊性能能夠使材料的剛度、強(qiáng)度、韌度等發(fā)生變化，利用這些特殊的性能就可以生產(chǎn)出各種不同的材料，如彈性水泥、延性水泥，抗菌陶瓷、保溫隔熱玻璃、抗菌塑料等具有高性能的材料，這些材料不僅能夠提高建筑物的使用性能，更能降低建筑物的能耗，有效的降低因能源消耗而造成的環(huán)境污染。

（四）毛細(xì)現(xiàn)象在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

當(dāng)液體接觸到具有細(xì)微裂縫的物體或者具有較小管徑的細(xì)管時(shí)，就會沿著裂縫與細(xì)管上升或下降，這種現(xiàn)象就被稱作是毛細(xì)現(xiàn)象。毛細(xì)現(xiàn)象是由于分子間相互作用而產(chǎn)生的結(jié)果，紙張吸水、地下水沿著細(xì)縫上升等都屬于毛細(xì)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在建筑中的應(yīng)用能夠解決許多難題。例如在裝有空調(diào)的室內(nèi)，無論是夏天的冷風(fēng)還是冬天的熱風(fēng)都會使人感覺不舒適，這主要是由于空調(diào)吹出的“風(fēng)”會帶走人體的水分，從而引發(fā)脫水等“空調(diào)病”，而新型建筑中的溫控裝置則用水這一傳熱載體取代了傳統(tǒng)建筑中的空氣，這種新型技術(shù)能夠有效的降低人體的不適感。這一技術(shù)正是使用了毛細(xì)現(xiàn)象的原理，建筑物的天花板上布滿了網(wǎng)柵，它是由一根根細(xì)小的毛細(xì)管組成，這些毛細(xì)管縱橫交錯(cuò)形成一張網(wǎng)，毛細(xì)管中流通著水，冬季溫度較低時(shí)發(fā)電所產(chǎn)生的余熱使管中的熱水不斷流動(dòng)，熱水的流動(dòng)使室內(nèi)溫度上升，發(fā)電所產(chǎn)生的余熱又使管中的冷水不斷流動(dòng)，從而降低室內(nèi)溫度。采用毛細(xì)現(xiàn)象制成的制冷系統(tǒng)大大優(yōu)于傳統(tǒng)的制冷模式，不僅能夠降低能耗，更能降低身體的不舒適感。

（五）太陽墻技術(shù)的應(yīng)用

太陽墻技術(shù)的應(yīng)用實(shí)際上是太陽能技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)范疇，太陽能可再生、環(huán)保、便宜等特性一直是能源研究專家觀眾的焦點(diǎn)，人們不斷開發(fā)探索新的途徑來實(shí)現(xiàn)對太陽能的利用。采用太陽墻空氣集熱器可以回收墻體的散熱，解決新風(fēng)的預(yù)熱問題，在增強(qiáng)室內(nèi)空氣供給量的同時(shí)能夠有效的節(jié)省能源。制作太陽墻主要采用鍍鋅鋼薄板或鋁制薄板，這些薄板外擁有許多褶皺和小孔，薄板的表面顏色較深，這些板材一般安裝在距離建筑外墻20厘米的地方，并和建筑物頂部的遮雨板連接在一起形成太陽墻即熱系統(tǒng)一個(gè)組成部分，另外一個(gè)部分由室內(nèi)風(fēng)機(jī)與管道組成，這兩大部分就構(gòu)成太陽集熱系統(tǒng)的整體。其中薄板上的褶皺主要是用來增加板材的強(qiáng)度，褶皺可以根據(jù)需要的不同而設(shè)計(jì)不同的形狀，板材上孔洞的數(shù)量以及分布規(guī)律則是根據(jù)實(shí)際需求確定，這主要要考慮到建筑物的功能、特點(diǎn)、所處地理位置、陽光充足程度等。冬季，空氣通過板材上的孔洞進(jìn)入集熱墻，空氣在流動(dòng)的過程中汲取板材上吸收的熱量，隨后空腔的溫度上升，空氣就受到氣壓的作用進(jìn)入沿著管道進(jìn)入各個(gè)房間，為房間供暖；在夜間可以用風(fēng)扇將由室內(nèi)散失到空腔中的熱空氣重新扇回室內(nèi)，這樣既能為房間供暖，又能夠?yàn)榉块g不斷輸入新鮮空氣。在夏季則停止風(fēng)扇的運(yùn)作，室外的熱空氣從孔洞中進(jìn)入空腔，然后又沿著空腔上端和周圍的空隙流出，空氣源源不斷的在空腔內(nèi)流動(dòng)，不僅帶走了室內(nèi)的熱量，也阻擋了熱量進(jìn)入室內(nèi)。

三、物理學(xué)知識在世博館建設(shè)中的應(yīng)用

隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭，環(huán)境的日益惡化，人們將更多的目光集中到節(jié)能型建筑上，中國2010年第41屆上海世博會上低碳節(jié)能型場館成為了全世界矚目的焦點(diǎn)，其場館建設(shè)中許多技術(shù)與知識都和物理學(xué)息息相關(guān)。

（一）馬德里竹屋和空氣生態(tài)樹

從名稱上就可以知道馬德里竹屋建筑材料同其它場館的不同之處，其外墻用一層厚厚的竹窗進(jìn)行覆蓋，竹窗由縱橫交織的竹子編制，在空氣清新的早晨將竹窗打開既可以更新室內(nèi)的空氣又能降低溫度，在中午將竹窗關(guān)上能夠抵擋熱量的進(jìn)入但又不會閉塞阻擋室內(nèi)的空氣流通，竹子由于其空心的特質(zhì)能夠起到很好的隔熱與保溫效果?？諝馍鷳B(tài)樹整體是由鋼鐵構(gòu)建而成，其外觀為十邊形，整個(gè)場館的直徑為12米，空氣生態(tài)樹內(nèi)部安裝有可以自動(dòng)開合的百葉窗與直徑為7米的大型“引風(fēng)機(jī)”，建筑物頂端安裝有太陽能電池板，整個(gè)建筑可以實(shí)現(xiàn)能源自給，不必消耗額外的能源。生態(tài)樹外圍用黑色遮陽網(wǎng)遮擋陽光，雖然白色遮陽網(wǎng)能有有效地反射太陽光，但由于遮陽網(wǎng)表面不平整，太陽光在其表面會形成漫反射，白色遮陽網(wǎng)不利于散熱，而黑色遮陽網(wǎng)則能吸收太陽光，同時(shí)遮陽網(wǎng)的結(jié)構(gòu)又能有效阻擋熱量的擴(kuò)散。

（二）倫敦零碳館

倫敦零碳館最為特別的就是安裝在建筑物頂端的可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)帽，由于夏天上海的溫度較高，空氣很難進(jìn)入室內(nèi)，風(fēng)帽的自由轉(zhuǎn)動(dòng)就能將室外的新鮮空氣引入場館中。另外工作人員將黃浦江底層的水通過管道引入場館下方，底層的江水溫度較低，用于對空氣降溫再好不過，由風(fēng)帽采集而來的新鮮空氣經(jīng)過江水的降溫后就被輸入場館中。熱空氣中的水蒸氣較多，會使人感到沉悶，經(jīng)過江水冷卻后空氣中的部分水蒸氣會液化，空氣濕度相對較低。零碳館還采用了許多技術(shù)用于節(jié)能減排：屋頂鋪設(shè)的太陽能電池與熱水器能夠有效的將太陽能轉(zhuǎn)化成熱能，供給室內(nèi)的能量需求；場館玻璃上安裝的太陽能電池不僅能夠增加室內(nèi)的光亮度，又能為室內(nèi)提供必要的電能；場館外墻上涂有熒光材料，白天墻壁能夠吸收太陽能并將其儲存起來，到了夜間就能發(fā)出光亮用于照明。這些節(jié)能技術(shù)基本上都是建立在物理學(xué)的基礎(chǔ)上，諸如太陽能電池、熒光涂料等能夠有效降低場館的能源消耗。

（三）漢堡之家館

漢堡之家館外形就如同是四個(gè)打開的抽屜，這個(gè)場館的神奇之處就在于它能夠不消耗任何的能源而使場館的溫度永遠(yuǎn)維持在25℃左右。漢堡之家之所以具備如此生氣的功能主要就在于其建筑中使用熱傳遞與新能源。漢堡館的朝向同一般建筑物有很大區(qū)別，它的整體設(shè)計(jì)是坐北朝南。設(shè)計(jì)師為了擴(kuò)大北面墻體的面積，將北邊一大部分墻體向抽屜一樣向外延伸，而南向則采用了百葉窗與遮陽網(wǎng)的設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)既能保證場館內(nèi)的光亮程度，又能有效地避免陽光直射，減少場館的受熱面積。漢堡館的墻體有三層結(jié)構(gòu)組成，其中設(shè)有很好的保溫層，能夠有效地阻擋室外的熱量進(jìn)入場館內(nèi)部；漢堡館的每一塊玻璃都是雙層結(jié)構(gòu)，其中充滿了惰性氣體，不僅能夠進(jìn)行保溫，同時(shí)還能有效地隔絕室外噪音；漢堡館只要能量來源就是太陽能和地?zé)幔責(zé)崴捎玫木褪堑叵滤臎龅脑?，冬季溫暖的地下水能夠給場館供暖，夏季涼爽的地下水又能降低室內(nèi)溫度，而其中地下水的抽取與輸送則完全有場館頂部的太陽能電池提供。漢堡館擁有完整的能源系統(tǒng)，完全不需要額外供電。

（四）新加坡館

新加坡館最為顯著的特征就是場館表面擁有許多開縫，這些開縫朝著不同方向延伸，場館頂端一個(gè)橫向的360度的大口子特別顯眼。新加坡館整體向內(nèi)傾斜，下方的陰影帶中不僅設(shè)有水池還有綠色植被，風(fēng)從場館上方的大口子吹入場館內(nèi)部，場館頂端的空氣流通速度同場館內(nèi)部形成極大的反差，由物理學(xué)知識可以知道空氣流動(dòng)迅速的地方具有較大的壓強(qiáng)，這樣場館內(nèi)部的熱空氣就從頂端的口子流向室外，而場館外部的空氣則經(jīng)過陰影帶流入場館；空氣流經(jīng)陰影帶時(shí)會使得陰影帶中水分蒸發(fā)，變成水蒸氣，而水分蒸發(fā)需要吸收熱量，場館內(nèi)部的熱量就這樣被陰影帶降低，所以場館內(nèi)部即使沒有開設(shè)空調(diào)也可以很涼爽。

四、總結(jié)

在中國的能源消耗排行榜中，建筑耗能位居榜首，而且隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的加劇，能源的消耗與日俱增，我國每年建成的房屋總共有16－20億平方米，超過了所有發(fā)達(dá)國家年建筑面積的綜合，這些建筑物95%以上屬于高能耗建筑，且建筑單位面積的能耗差不多是發(fā)達(dá)國家能耗的三倍。在這種形式下，相關(guān)部門迫切需要采取必要手段降低建筑物的能耗，以低能耗作為建筑設(shè)計(jì)的核心思想。建筑與物理學(xué)有著密不可分的關(guān)系，建筑學(xué)的理論與思想基本上都來源于物理學(xué)知識，物理科學(xué)在環(huán)保建筑中的應(yīng)用能夠有效的降低能耗，2010年中國世博會的成功也證明了這一點(diǎn)，世博會建筑的核心思想就是低碳、低能耗，而物理知識的應(yīng)用恰恰就幫助其實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，相信物理技術(shù)在今后勢必會更多的應(yīng)用與建筑節(jié)能，為社會的可持續(xù)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。

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