圍護結構節(jié)能技術淺談

余奉卓 曹雙華 楊 兵 呂 靜

上海理工大學環(huán)境與建筑學院

1 引言

據(jù)相關數(shù)據(jù)顯示，2015年在我國的能源消費中，建筑能源消費總量為8.57億t標準煤，占全國能源消費總量的20%。當今城市化發(fā)展的進程越來越快，全國建筑能耗總量每年以5%的增速增加[1]，建筑節(jié)能問題迫在眉睫。其中，通過圍護結構的傳熱損失占建筑總損失的70%～80%，因此，圍護結構的節(jié)能將是建筑節(jié)能的重要途徑之一。圍護結構是指建筑物及房間各面的圍護物，通常情況下，是指外墻、屋面、窗戶、地面等。外墻是圍護建筑物，使之形成室內(nèi)、室外的構件；外門窗是聯(lián)系室內(nèi)外空間的屏障，在室外環(huán)境良好時建立室內(nèi)外的聯(lián)系，在環(huán)境惡劣時阻斷其聯(lián)系，保障室內(nèi)環(huán)境。

在我國每年近20億m2的竣工房屋面積中，97%是高能耗建筑，節(jié)能建筑只有3%[2]，建筑節(jié)能水平相對滯后。與發(fā)達國家相比，我國多數(shù)地區(qū)的圍護結構熱工性能，差距明顯：外窗傳熱系數(shù)為發(fā)達國家2～3倍，外墻的傳熱系數(shù)為3～5倍，屋面為3～6倍，門窗的空氣滲透為3～6倍[3]，因此圍護結構的節(jié)能水平有較大的提升空間。

2 建筑圍護結構節(jié)能技術

圍護結構的節(jié)能是開發(fā)高效經(jīng)濟的保溫、隔熱材料和先進的構造技術，以提高結構的保溫、隔熱性能和門窗的氣密性能等，從而改善建筑物的圍護結構性能，達到隔熱保溫的效果（夏季防止熱量進入室內(nèi)，冬季阻止室內(nèi)熱量散出室外），減少室內(nèi)采暖和制冷設備的負荷，實現(xiàn)節(jié)能的最終目標。本文分別就墻體節(jié)能技術、門窗節(jié)能措施、屋面隔熱保溫技術與被動式太陽能建筑四個方面進行介紹。

2.1 墻體節(jié)能技術

墻體是圍護結構的重要組成部分，墻體的傳熱損失約占圍護結構的25%，因此墻體的節(jié)能措施十分重要。目前主要是提高墻體的保溫隔熱性能來達到節(jié)能目的。

外墻保溫按材料組成的不同可以分為兩類，墻體自保溫技術和復合墻體保溫技術。墻體自保溫是由單一的低熱導率材料構成，無外保溫層，僅依靠材料自身的性能達到節(jié)能的技術。墻體自保溫技術所用的材料目前有：空芯磚、混凝土承重空芯砌塊和加氣混凝土砌塊等。復合墻體技術目前可以分為外墻外保溫、外墻內(nèi)保溫和外墻夾心保溫3類，其中膨脹聚苯板（EPS）薄抹灰外保溫是目前應用最廣泛的保溫技術。

外墻隔熱技術有通風外墻，管道嵌入式墻體等。通風外墻的通風形式有自然通風，主動通風。Patania等對通風外墻進行完整的熱流體動態(tài)分析，利用FLUENT對三種不同材料外飾面板的通風外墻進行數(shù)值模擬與比較研究，提出了在強對流的情況下最適合的通風外墻[4]；劉琳等采用CFD模擬，分析了利用室內(nèi)排風的主動通風式外墻的傳熱過程，比較研究了不同空氣間層通風量與外墻面溫度對墻體隔熱性能的影響，結果表明該墻體具有很好的隔熱特性[5]。

沈翀等提出了嵌入冷卻管道的外墻，采用綜合數(shù)值模式模擬夏季通過管道嵌入式外墻的共軛傳熱，分析在中國三個典型城市不同朝向的表現(xiàn)，結果表明此結構可以降低傳熱，提高舒適性[6]。

2.2 門窗節(jié)能措施

外窗的能耗占圍護結構的總能耗的40%至50%，因此外窗的節(jié)能顯得格外重要。對外窗的節(jié)能主要從三個方面入手：控制滲透量，傳熱量和太陽輻射。

控制滲透量，改善外窗的密閉性。可以使用聚氨酯發(fā)泡材料填充窗框與洞口的空隙；使用發(fā)泡膠條在玻璃與窗框之間的密封；提高窗框材料的規(guī)格精確度和和組裝精確度等。

減少傳熱量，提高外窗的保溫性?？梢圆捎弥锌詹ＡВ河蓛蓪硬ＡЫM成，中間充入干燥的惰性氣體，如氬氣，并使其內(nèi)部保持一個穩(wěn)定合理的氣壓，達到傳熱系數(shù)低，保溫隔熱性能良好的目的。

采用low-e玻璃來減少太陽的輻射。low-e玻璃是在玻璃表面鍍一層表面輻射率極低的薄膜，對紅外線具有很高的反射率。夏季時，阻擋室外的遠紅外熱輻射進入室內(nèi)，減低室內(nèi)的冷負荷。冬季時，將室內(nèi)的熱輻射反射回屋內(nèi)，以降低熱量散失。

結合門窗的氣密性、保溫性和減少輻射等性能，節(jié)能門窗與遮陽一體化可以是節(jié)能門窗的一個發(fā)展方向。夏磊等提出了內(nèi)置可調(diào)遮陽膜的中空玻璃窗，論述了該中空玻璃窗的構造形式、工作原理和控制模式[7]；蓋凱凱研究了LOW-E真空中空復合玻璃，用Design Builder軟件計算采用不同組合玻璃時的建筑全年的能耗，證明了此復合玻璃的優(yōu)勢[8]。

2.3 屋面隔熱保溫技術

屋面能耗在圍護結構的總能耗中占比8%～10%，它的保溫隔熱對建筑的節(jié)能也有著重要的意義。蓄水屋面、綠化屋面與通風屋面是屋面隔熱節(jié)能技術中具有廣闊發(fā)展前景的技術，因此針對這三類屋面提出相應的優(yōu)化方法。

蓄水屋面:在屋面上蓄積一定高度的水，太陽輻射因為水的蒸發(fā)吸熱而消耗，從而降低屋面的溫度，減少傳熱量。從磚蓄水深度方面來研究蓄水屋面的隔熱保溫性能，通過實驗對比分析三種屋面溫度的變化規(guī)律及特征，實驗結果表明水深為8cm時性能最佳[9]；蓄水屋面存在著補水，夏季夜晚降溫慢和水質變壞的問題，一種結合了遮擋、綠化和蒸發(fā)冷卻并帶有通氣孔的新型蓄水屋面漂浮蓋板可以解決此類問題。同時為了利用雨水，提出把蓄水屋面水池與中水系統(tǒng)相連取代溢流管的設計方法[10]。

綠化屋面：主要由植被層，保溫層，防水層等組成。屋面的種植環(huán)境特殊，抗旱、耐瘠薄的植物是綠化屋面的首選，而佛甲草綠化屋面隔熱性能良好、內(nèi)表面溫度波幅較小，可以將此類綠化屋面進行推廣[11]；綠化屋面的防水問題復雜，運營維護投入大，采用硫化型橡膠防水卷材（三元乙丙、EPDM等），以及剛性防水與柔性防水相結合的防水方案，可以解決防水層滲漏的問題[12]。

通風屋面：帶有通風空氣間層的雙層屋面結構形式，利用風壓和熱壓將間層的空氣帶走，減少傳入室內(nèi)的熱量，達到隔熱目的。增強空氣間層的隔熱性能是通風屋面可以優(yōu)化的一個方向。采用在平屋頂通風道上表面或下表面貼鋁箔的措施，利用CFD針對不同工況進行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)鋁箔在間層中任何位置放置都可以提高屋頂?shù)母魺崮芰13]；在通風間層增加低發(fā)射率的金屬片，進行數(shù)值模擬研究，得出雙層屋頂最佳效率的參數(shù)是：0.15反射率的金屬片，5cm的保溫層，10cm寬的腔體和超過30°的傾角[14]。

近年來，共享經(jīng)濟十分流行，共享單車的出現(xiàn)有效打通了城市交通最后一公里，給市民的出行帶來了極大便利，得到了廣大市民的認可，但隨之而來的涉自行車事故數(shù)量不斷攀升，問題日益凸顯，給城市道路交通管理帶來了新的挑戰(zhàn)。我們統(tǒng)計單車事故得出，事故發(fā)生造成傷亡一大原因就是，騎行者沒有任何安全措施的保護。由此可見，騎行佩戴頭盔的重要性。而計劃在新領域推動本來普及度就不高的騎行頭盔，產(chǎn)品本身則顯得至關重要。

3 被動式太陽能建筑

除了以上相關技術，被動式太陽能建筑也有著廣闊應用的空間。被動式太陽能建筑不使用機械設備,只依靠加強建筑物的遮擋功能,通過建筑上的方法,達到隔熱保溫，使室內(nèi)環(huán)境舒適的環(huán)保型建筑[15]。該技術是在20世紀80年代德國低能耗建筑的基礎上發(fā)展而來的，也稱為“被動房”。它構造簡單，經(jīng)濟性優(yōu)越，運行費用較低，主要有直接受益式、附加陽光間式和蓄熱集熱墻式三類。

直接受益式的設計比較普遍，與普通住房建筑幾乎沒有差別。它主要是通過較大面積的南向玻璃窗,使太陽射入房間內(nèi)的熱量盡可能的增大，室內(nèi)溫度升高。采用這種方式的建筑，窗戶的設計是關鍵。李靜等運用數(shù)值模擬的方法，對昆明地區(qū)某直接受益式太陽房的溫度場進行模擬，得出結論：改變南面玻璃幕墻的窗墻比可以改變室內(nèi)溫度分布不均的情況[16]；于濤等運用DeST-h對北京地區(qū)的農(nóng)宅模擬，結果表明：直接受益式太陽房南墻窗墻比以0.3～0.5最佳，玻璃選擇普通6mm的單層玻璃并增加窗簾保溫，圍護結構應設計外保溫[17]。

附加陽光間式設計的基本結構是在房屋南側設立陽光間，其圍護結構的全部或部分由玻璃等透光材料構成，陽光間與房間之間的公共墻上開有門、窗等孔洞。陽光間得到陽光照射被加熱，通過空氣對流將熱量傳送到建筑主體。李恩等以拉薩地區(qū)附加陽光間為基礎建立模型，研究結果表明：陽光間進深1.2m為佳、外窗不適用單玻璃、外墻應有保溫設計[18]；陳明東等將附加陽光間與節(jié)能火墻耦合，得出耦合房屋節(jié)能率為72.8%，證明了可行性[19]。

集熱蓄熱墻式設計主要是利用南向蓄熱墻的蓄熱能力和延遲傳熱的性能吸收太陽輻射，將熱量傳送至建筑空間。王臣臣等提出在該墻體空氣夾層中懸掛百葉窗簾的百葉型太陽能集熱墻，測試了不同葉片角度下集熱蓄熱墻對室內(nèi)熱環(huán)境的影響。經(jīng)過對比分析，葉片角度為45°時，集熱效果最好[20]；莊智等利用模型計算，得出適當增大體型比、百葉角度和風口尺寸有助于提高新型百葉太陽集熱器的熱性能的結論[21]。

4 相關技術的發(fā)展趨勢

以上對圍護結構節(jié)能技術和被動式太陽能建筑進行了介紹，并論述了相應的優(yōu)化方法，隨著建筑節(jié)能發(fā)展的日趨成熟，提出相關技術可以考慮的發(fā)展方向。

（1）外墻外保溫技術目前在大規(guī)模推廣，相應缺點隨之暴露：初期投資較高，耐火性、耐久性差。而自保溫技術避免了以上問題，同時考慮將自保溫技術與隔熱技術相結合是節(jié)能墻體的未來發(fā)展趨勢；

（3）屋面節(jié)能可以將隔熱技術相互結合，如將自然通風屋面與綠化屋面相結合、在通風屋面安置蓄水塊等，是未來屋面節(jié)能的一個發(fā)展方向；

（4）被動式建筑發(fā)展的核心問題是通過合理的布局，有效利用自然光和自然通風，采用太陽能技術和室內(nèi)非供暖熱源的熱等被動式技術手段，解決夏季室內(nèi)過熱和室內(nèi)熱環(huán)境舒適性等問題。

5 結語

建筑節(jié)能直接關系到國家的資源戰(zhàn)略、可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護，同時可以擴大內(nèi)需、促進國民經(jīng)濟增長、改善人民生活水平。本文針對圍護結構節(jié)能技術，從墻體、門窗、屋面方面進行了系統(tǒng)的闡述并提出相應的優(yōu)化方法，隨著節(jié)能技術的逐步成熟和工程實踐中經(jīng)驗的不斷積累，對建筑的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護都有著極為重要的意義。