嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑節(jié)能65%關(guān)鍵技術(shù)研究

王麗穎，牛雪柔，周廣忻

(長春工程學(xué)院建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院，長春 130021)

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嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑節(jié)能65%關(guān)鍵技術(shù)研究

王麗穎，牛雪柔，周廣忻

(長春工程學(xué)院建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院，長春 130021)

通過對公共建筑節(jié)能影響因素的分析，探討了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體、地面、屋頂?shù)炔课槐夭牧系倪x取及構(gòu)造做法，提出了嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑節(jié)能65%的關(guān)鍵技術(shù)。

公共建筑；建筑節(jié)能；圍護(hù)結(jié)構(gòu)

0　引言

隨著社會的發(fā)展，城市化的步伐大大加快，公共建筑建筑節(jié)能的相關(guān)性問題已經(jīng)越來越受到人們的重視。自2005年GB 50189—2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》頒布實(shí)施以來，對我國公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)起到了規(guī)范和約束的作用。節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范的頒布，反映了我國建筑節(jié)能的發(fā)展軌跡。住房城鄉(xiāng)建設(shè)部于2012年6月組織修訂編制工作會議，并于2013年11月通過標(biāo)準(zhǔn)審查。在住房城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)公共建筑節(jié)能工作的通知》中，倡導(dǎo)并正式提出了“十二五”期間我國公共建筑力爭實(shí)現(xiàn)單位面積能耗下降10%，大型公共建筑能耗降低15%的目標(biāo)。本文主要針對公共建筑節(jié)能的現(xiàn)狀，開展對嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑節(jié)能65%關(guān)鍵技術(shù)的研究與探索。

1　公共建筑節(jié)能的主要影響因素

1.1自然環(huán)境因素

溫度是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中重要的指標(biāo)。在嚴(yán)寒地區(qū)，夏季太陽高度較大且日照時(shí)間長，氣溫較高，冬季太陽高度較低且日照時(shí)間短，氣溫偏低。影響溫度的因素除了日照還有自然風(fēng)，對于溫度的把控應(yīng)具體分析公共建筑的風(fēng)環(huán)境，有效避免冬季冷風(fēng)對建筑造成的熱損失。在嚴(yán)寒地區(qū)，冬季低溫會使一些建筑材料、結(jié)構(gòu)甚至是設(shè)備受到損壞。當(dāng)空氣濕度大時(shí)，空氣中或材料中的水分含量增大，會影響建筑材料的強(qiáng)度、耐久性和傳導(dǎo)系數(shù)等。在嚴(yán)寒地區(qū)，冬季室內(nèi)外溫差較大，容易產(chǎn)生結(jié)露的現(xiàn)象，結(jié)露會導(dǎo)致墻壁發(fā)霉、發(fā)臭，甚至裂變。因此，需要采用高效率的保溫材料提高室內(nèi)的溫度。

1.2建筑自身因素

1.2.1建筑布局

建筑宜采用南北朝向布置，避免東西朝向。南北向的建筑不僅可以取得高質(zhì)量的太陽光，夏季還可利用夏季風(fēng)對建筑進(jìn)行散熱降溫，同時(shí)能有效降低西曬對建筑的影響。建筑宜建設(shè)在南低北高的地勢上，當(dāng)建筑的北向有遮擋物時(shí)，可抵御冬季風(fēng)的侵襲。在受到地形條件限制時(shí)，可利用種植樹木來對建筑的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行改善。利用植物配合建筑布局不僅可以達(dá)到通風(fēng)、節(jié)能的效果，選擇適宜當(dāng)?shù)貧夂虻闹参镞€可起到美化環(huán)境的作用，改善建筑周圍的微氣候。另需注意的是，不應(yīng)在山谷、洼地等處安置建筑，因?yàn)橐壮霈F(xiàn)冷空氣聚集在低洼地帶造成的氣溫低于地面上空氣溫度的現(xiàn)象。洼地建筑還不利于自然通風(fēng)和采光。

1.2.2體形系數(shù)

體形系數(shù)往往反映出建筑形體的復(fù)雜程度，當(dāng)體形系數(shù)過小，建筑會顯得過于呆板，增加平面布局的難度系數(shù)；體形系數(shù)過大，則單位建筑面積所對應(yīng)的外表面積越大，外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱損失越大。在GB 50189—2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中第4.1.2條規(guī)定，位于嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)的建筑，體形系數(shù)應(yīng)小于或等于0.40。突破了限值則需按照圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的情況進(jìn)行權(quán)衡判斷。建筑體型系數(shù)受到長、寬、高等諸多因素的制約影響，必須綜合考量，適當(dāng)取舍，探尋最佳、最節(jié)能的體形系數(shù)。

1.2.3窗墻面積比

窗墻面積比是公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中的重要指標(biāo)，對建筑能耗有重要影響。門窗的能耗大約占建筑總能耗的57%左右，在夏季，窗墻比越大，采光率越高，空調(diào)的冷負(fù)荷就越大；在冬季，窗墻比越大，則室內(nèi)接受太陽輻射越多，可彌補(bǔ)部分因窗墻比增大而產(chǎn)生的熱損耗。嚴(yán)寒地區(qū)窗墻比過大易導(dǎo)致熱量從門窗散失。應(yīng)盡量選擇較好的朝向設(shè)置窗戶，保證高質(zhì)量的陽光和夏季風(fēng)的引入。

2　公共建筑節(jié)能65%技術(shù)措施

2.1外墻

2.1.1外保溫材料的選擇

復(fù)合墻體是嚴(yán)寒地區(qū)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能保溫的必然選擇，共分為外墻內(nèi)保溫、夾芯保溫、外墻外保溫3種形式，其中嚴(yán)寒地區(qū)主要選擇外墻外保溫。最新的防火規(guī)范中要求公共建筑的保溫層采用A級防火材料，現(xiàn)行市場上A級防火保溫材料都是無機(jī)保溫材料，其密度大、自重大，若大面積用作外墻保溫容易脫落，且保溫性能不如有機(jī)保溫材料。常用的保溫材料——EPS聚苯板、擠塑聚苯板、石墨聚苯板都是B級防火保溫材料，在嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑中無法使用?，F(xiàn)在市面上常用的A級保溫防火材料有4種，表1是對這4種材料的性能和優(yōu)缺點(diǎn)的總結(jié)分析。

表1　4種A級防火保溫材料對比

2.1.2集成式中間夾芯保溫板

集成式建筑模式主要是研究采用鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制保溫板裝配式結(jié)構(gòu)形式。公共建筑是人流比較集中的場所，因此，在墻體保溫材料上，必須采用A級防火材料，這種復(fù)合墻體構(gòu)造可應(yīng)用在嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑的外墻上，保證了安裝時(shí)不會因?yàn)楸夭牧线^厚而出現(xiàn)連接不牢的弊端。保溫板由50厚火山灰混凝土，200厚EPS板保溫層，50厚火山灰混凝土組成?；鹕交一炷辆哂蟹浅：玫男顭峁δ?，預(yù)制的夾芯保溫板具備A級防火等級防火性能優(yōu)良，預(yù)制板可以在現(xiàn)場直接安裝。傳熱系數(shù)可達(dá)到0.17 W/(m2·K)，如果將預(yù)制夾芯板與其他保溫材料復(fù)合，可增加墻體的保溫效果，其傳熱系數(shù)可達(dá)到0.15 W/(m2·K)，能夠達(dá)到被動式建筑對墻體傳熱系數(shù)的要求。建筑采用預(yù)制夾芯板、鋼結(jié)構(gòu)墻體，施工速度快、噪聲小、操作簡單、更加環(huán)保。

2.2門窗

隨著我國對建筑節(jié)能要求的提高，尤其在嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)，建筑對門窗的要求也越來越嚴(yán)格，包括材料的選擇、門窗的性能參數(shù)以及門窗安裝的氣密性等方面。

2.2.1門窗材料的選取

門窗材料的選取影響著窗戶的傳熱系數(shù)、太陽的熱系數(shù)，窗戶的傳熱系數(shù)越大，則透過窗戶的能量損失就越大。隨著建筑材料的發(fā)展，窗戶材料也具有越來越多的選擇。較早時(shí)期，我國較多使用的窗戶種類有鋼窗、鋁合金窗、塑料窗、玻璃鋼窗等，這些材料都各有優(yōu)勢。隨著節(jié)能觀念的深入人心和科研人員的不斷探索，具有節(jié)能優(yōu)勢的窗戶材料越來越多。目前，可以用在節(jié)能門窗中的玻璃有：Low-e漫反射玻璃、中空玻璃、真空玻璃、夾層玻璃等。這些特種玻璃的光學(xué)特性、光線透過率均較好，其導(dǎo)熱系數(shù)低，具有優(yōu)越的保溫隔熱性能、隔聲性能，同時(shí)還能夠防止結(jié)露，抵抗惡劣的氣候環(huán)境，具有耐高溫、耐低溫的特性。

2.2.2門窗型材

在我國嚴(yán)寒地區(qū)，傳統(tǒng)建筑中使用較多的是實(shí)木門窗，因其浪費(fèi)大量的木材，逐漸被鋼門窗、鋁合金門窗所取代。目前在我國嚴(yán)寒地區(qū)使用最成熟的是PVC塑鋼復(fù)合門窗。在建筑門窗中選用性能優(yōu)良的玻璃，同時(shí)不能忽略建筑門窗的支撐系統(tǒng)。門窗的支撐系統(tǒng)是由各種型材構(gòu)成，型材種類有:木材、鋼材、鋁合金型材、PVC塑料型材、玻璃鋼型材等。嚴(yán)寒地區(qū)值得推廣的為復(fù)合型材。由兩種或兩種以上材料構(gòu)成的型材，各種材料之間能夠優(yōu)勢互補(bǔ)，其中鋼材和PVC塑料組合優(yōu)勢最為明顯。在塑鋼復(fù)合型材中，金屬材料起到骨架支撐作用，塑料起到保溫隔熱的作用，而且能夠保護(hù)金屬骨架防止銹蝕。因此，復(fù)合型材能夠保證門窗具有很好的壽命，同時(shí)又有優(yōu)異的保溫性能。

2.3地面

地面作為建筑結(jié)構(gòu)的一部分，在對室內(nèi)環(huán)境的維護(hù)中起到至關(guān)重要的作用。本文談到的地面節(jié)能優(yōu)化既包括地板、地面的保溫性能，也包括通過一些地面節(jié)能優(yōu)化的技術(shù)手段改善室內(nèi)的熱環(huán)境和減少能量的消耗。

我國嚴(yán)寒地區(qū)冬季地面表面溫度較低，尤其是靠近外墻附近的地面，常會因?yàn)榈蜏囟a(chǎn)生結(jié)露的現(xiàn)象，對房間的美觀性和使用功能都產(chǎn)生了極大的影響，應(yīng)做成保溫地面，甚至做成采暖地面的形式。根據(jù)對公共建筑節(jié)能率提高到65%的要求，對公共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和使用經(jīng)驗(yàn)，我們對嚴(yán)寒地區(qū)擬定了建筑地面熱阻的參考值。我們對嚴(yán)寒地區(qū)擬定了建筑地面熱阻值在1.8～2.0之間，對周邊地面和非周邊地面的熱阻值要求有所不同，對于周邊地面要求的熱阻值更高，因此，當(dāng)進(jìn)行地面的節(jié)能優(yōu)化時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對周邊地面的保溫做法。對嚴(yán)寒地區(qū)的非采暖型地面，僅需要做好保溫措施，確保達(dá)到規(guī)定的地面熱阻值即可。地面保溫主要依靠增設(shè)保溫層來實(shí)現(xiàn)，地面保溫選用的保溫材料需具有較高的密度和較大的抗壓強(qiáng)度，必要時(shí)可使用半剛性或剛性的保溫材料。其剖面構(gòu)造通常由絕熱層、加熱層、填充層(輻射層)和面層組成，樓面通常處于室內(nèi)環(huán)境，無需進(jìn)行節(jié)能處理，但對于出挑部分或裸露于室外環(huán)境的樓板，在我國嚴(yán)寒地區(qū)必須做好保溫節(jié)能處理。

2.4屋面

屋頂作為建筑物的頂蓋，除了建筑造型，還具有承重、防水、保溫、隔熱等作用。例如，在南方濕熱的地方降水量較大，為了方便排水和遮陽，多選用坡度較大的坡屋頂。而在寒冷干旱的地區(qū)，降水多以降雪的形式出現(xiàn)，而降雪會加重屋頂?shù)呢?fù)擔(dān)，因此，屋頂形式的影響因素更為復(fù)雜。對于保溫型屋頂，常用的有正置式屋頂和倒置式屋頂。

3　太陽能和空氣源熱泵聯(lián)合采暖系統(tǒng)

在公共建筑中可采用太陽能和空氣源熱泵聯(lián)合采暖系統(tǒng)，其由太陽能集熱器、空氣源熱泵、儲熱水箱、循環(huán)水泵、散熱末端(散熱器、地?zé)岬?以及控制系統(tǒng)組成。太陽能是指將太陽能通過集熱器(如平板太陽能集熱板、真空太陽能管、太陽能熱管等吸收太陽能的收集設(shè)備)把太陽能轉(zhuǎn)換成方便使用的熱水，通過熱水輸送到發(fā)熱末端(如地?zé)帷⑸崞?、毛?xì)輻射板等)提供房間采暖的系統(tǒng)。太陽能作為清潔和可再生的能源，在能源日益短缺的今天，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。在寒冷地區(qū)利用太陽能技術(shù)不僅能有效緩解生活用能緊張，還能改善能源結(jié)構(gòu)、提高生活質(zhì)量和減少環(huán)境污染。由于太陽能的輻射在寒冷地區(qū)時(shí)空分布不均勻，冬季日照率較低，因此，采用空氣源熱泵輔助太陽能是必要的手段之一?？諝庠礋岜檬俏湛諝庵械牡蜏?zé)崮?，?jīng)過壓縮機(jī)壓縮后轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崮?，加熱水溫?/p>

工作原理是：太陽能在陽光較好的白天，充分利用光熱作用，吸收太陽能，將熱水加熱并儲備在儲水箱中。在夜間和天氣不具備使用太陽能條件的時(shí)候，啟動空氣源熱泵，加熱水箱中的熱水，水箱溫度在達(dá)到設(shè)定值后熱泵自動停止工作。儲水箱中的水由另外一套設(shè)備向外輸送熱量到室內(nèi)，通過地?zé)峄蛎?xì)輻射板進(jìn)行散熱。太陽能與水箱之間、空氣源熱泵與水箱之間、水箱與室內(nèi)散熱末端之間都有循環(huán)水泵，能夠?qū)崿F(xiàn)自動切換或起停。

4　結(jié)語

我國的建筑節(jié)能步伐正在不斷加快，建筑節(jié)能工作的重心也由住宅擴(kuò)展到公共建筑。研究意義在于順應(yīng)公共建筑節(jié)能的發(fā)展趨勢，引導(dǎo)我國公共建筑按新觀念、新技術(shù)、新方法和新材料建造節(jié)能房屋、生態(tài)房屋。改變現(xiàn)有條件，使使用者更真實(shí)真切地體會到了節(jié)能所帶來的好處。

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The Study on 65% of Key Technology on Energy Saving for Public Buildings in Severe Cold Areas

WANG Li-ying，etc.

(SchoolofArchitecture&Design，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130021，China)

Through the analysis of the factors affecting the energy efficiency of public buildings，this paper has discusses the thermal insulation materials selection and construction method of envelope structure such as walls，floors，and roofs of public buildings，and puts forward 65% key technology on energy saving for public buildings in severe cold areas.

public building；building energy efficiency；envelope structure

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.03.012

2016-06-30

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(201403005SF)

王麗穎(1962-)，女(漢)，吉林通榆，教授

主要研究建筑設(shè)計(jì)。

TU201.5

A

1009-8984(2016)03-0051-04