建筑被動(dòng)式外墻環(huán)境調(diào)控技術(shù)研究

楊梅蘭

(東莞理工學(xué)院城市學(xué)院 城市與環(huán)境科學(xué)系,廣東 東莞 523419)

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人民的生活水平不斷提高,對(duì)居住環(huán)境的舒適度提出了更高的要求。如今,在南方無論是城市還是農(nóng)村,都在大量的使用空調(diào),在炎熱的夏季家家戶戶都開著空間,有些家庭甚至二十四不間斷開著,導(dǎo)致熱島效應(yīng)越來越嚴(yán)重,人們感覺到氣候一年比一年熱。經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí),建筑節(jié)能技術(shù)在國(guó)內(nèi)得到了迅速發(fā)展,主動(dòng)式節(jié)能技術(shù)的弊端逐漸顯現(xiàn),被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)受到青睞。越來越多的工程師從初步設(shè)計(jì)階段就開始把綠色、環(huán)保的節(jié)能技術(shù)融入建筑物。被動(dòng)式住宅建筑環(huán)境調(diào)控技術(shù)就是根據(jù)所在地區(qū)的氣候條件,風(fēng)向、常年的溫度、濕度,從建筑本身出發(fā),做出合理的體型設(shè)計(jì)、朝向設(shè)計(jì)、通風(fēng)換氣設(shè)計(jì)、利用太陽(yáng)能及風(fēng)能、利用墻體變色等來保證屋內(nèi)的人體感覺到舒適的溫度、濕度。東莞市南亞熱帶季風(fēng)氣候顯著,具有長(zhǎng)夏短冬,光照充足,熱量豐富,氣候溫暖,溫度變幅小,雨量充沛,干濕季明顯的特點(diǎn),適合的被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)如下所述。

2 被動(dòng)式保溫隔熱材料環(huán)境調(diào)控技術(shù)

2.1 住宅外維護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫材料隔熱特性

在東莞地區(qū)夏季較長(zhǎng),要長(zhǎng)時(shí)間的保持建筑物中維持人體舒適的冷量,要么不斷地補(bǔ)充新的冷量,要么采取措施防止冷量流失,將冷量留在建筑物內(nèi)。冷量總是從低溫區(qū)流向高溫區(qū),冷量的流失主要有三種方式：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。

冷量的傳導(dǎo)主要發(fā)生在建筑物各個(gè)構(gòu)件之間以及建筑物之間。維護(hù)結(jié)構(gòu)是建筑物中面積最大的構(gòu)件,因此,冷量通過墻體散失是最普遍的。圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的一些金屬構(gòu)配件是良好的導(dǎo)體,也會(huì)導(dǎo)致冷量的流失。內(nèi)環(huán)境空氣發(fā)生對(duì)流會(huì)導(dǎo)致冷量的流失。粗糙的墻表面比光滑的墻表面阻礙空氣流動(dòng)的效果要好。一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射,溫度愈高,輻射出的總能量就愈大,保溫隔熱材料可以降低輻射的效果。要做好建筑物的隔熱工作,就要從冷量流失的三種方式著手。

要做好住宅建筑的隔熱工作,關(guān)鍵點(diǎn)是選擇適合的隔熱材料。隔熱材料最重要的特性就是熱阻,熱阻越大隔熱性能越好。市面上的隔熱材料種類繁多,主要分為無機(jī)隔熱材料和有機(jī)隔熱材料,選擇合適的隔熱材料還需要考慮消防要求,必須符合所在地區(qū)的消防標(biāo)準(zhǔn)。

整個(gè)住宅建筑中,應(yīng)該對(duì)主要的構(gòu)件做隔熱處理,整個(gè)屋面需要鋪上隔熱層,內(nèi)墻及外墻更要加強(qiáng)隔熱措施。綜合考慮節(jié)能隔熱效果和建造成本之后,內(nèi)墻隔熱層厚度一般做到23-31cm比較合適；外墻隔熱層厚度一般做到20-26cm較適宜。當(dāng)然,具體施工時(shí)的厚度還應(yīng)該結(jié)合隔熱材料的熱阻適當(dāng)調(diào)整,熱阻高的材料,哪怕僅有幾厘米也可以起到非常好的隔熱作用,可以保持室內(nèi)的舒適度。在隔熱商品有質(zhì)量保證的前提下,施工技術(shù)與施工工藝也非常重要,稍有偏差就會(huì)大幅度降低隔熱效果。隔熱材料若與墻體沒有完美的貼合,空隙處會(huì)出現(xiàn)熱橋現(xiàn)象,達(dá)到一定時(shí)間就會(huì)在該部位出現(xiàn)發(fā)霉現(xiàn)象。

2.2 住宅墻體外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱技術(shù)

住宅建筑外維護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱措施是在建筑結(jié)構(gòu)部分的基礎(chǔ)上設(shè)置保溫層,目前市面上的保溫材料,如保溫砂漿、保溫涂料等,其保溫性能只有新型保溫材料的一半,而且其砂漿本身無法替代保溫層。外維護(hù)結(jié)構(gòu)中的墻體保溫有兩種方式：建筑外墻在外側(cè)設(shè)置保溫層；建筑外墻在內(nèi)側(cè)設(shè)置保溫層。建筑外墻外側(cè)保溫層貼在外墻的表面,不管是施工技術(shù)、施工工藝方面,還是保溫效果方面都是最優(yōu)的解決方案。在南方地區(qū),琳瑯滿目的保溫方式中應(yīng)該首選外墻外保溫的形式。住宅建筑外墻外側(cè)保溫可以防止室內(nèi)墻體表面發(fā)生霉變,目前比較流行的保溫材料厚度在8-18厘米。住宅建筑的各個(gè)外墻立面如窗戶、陽(yáng)臺(tái)、勒腳等部位應(yīng)該處理得當(dāng),否則會(huì)引起熱橋現(xiàn)象。保溫層最好應(yīng)做到窗框與外墻體連接的內(nèi)側(cè)點(diǎn)。施工時(shí)應(yīng)注意做完主體結(jié)構(gòu)后再安裝窗戶,最后設(shè)置保溫層,如果做好保溫層再安裝窗戶容易發(fā)生熱橋現(xiàn)象。

當(dāng)住宅建筑外墻外保溫?zé)o法實(shí)現(xiàn)時(shí),才會(huì)使用建筑外墻內(nèi)側(cè)保溫的方式,內(nèi)側(cè)保溫應(yīng)該由專業(yè)的公司來完成,而且必須選用內(nèi)保溫專用的保溫材料,選用最先進(jìn)的施工技術(shù)與施工工藝,即使這樣還會(huì)出現(xiàn)雨水倒灌及出現(xiàn)冷凝水等問題。所以,在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段在選擇保溫方式時(shí),應(yīng)該慎重選擇。

眾所周知冷量下降熱量上升,所以屋頂?shù)谋馗魺峁ぷ鞣浅Ｖ匾?。一般需要在屋面結(jié)構(gòu)層之上鋪設(shè)隔熱層。屋頂綠化也是一種不錯(cuò)的保溫措施,植被綠化可以起到遮陰和減少冷量從內(nèi)部輻射散失的作用,還能保護(hù)屋頂免受雨水的侵蝕。提高室內(nèi)人體舒適度并且可以起到隔離噪音和防止火災(zāi)的作用,植被發(fā)生光合作用吸收二氧化碳釋放氧氣,還可以調(diào)節(jié)空氣濕度,非常好的保護(hù)了屋頂表層結(jié)構(gòu),延長(zhǎng)了屋面結(jié)構(gòu)的使用壽命。

3 建筑外墻立體綠化環(huán)境調(diào)控技術(shù)

東莞地區(qū)炎熱的夏季持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),以住宅建筑的外墻體作為載體,發(fā)展空間的綠化模式,不占用土地,又可以美化環(huán)境。有綠色植物遮擋的地方,太陽(yáng)輻射強(qiáng)度僅有陽(yáng)光直射地區(qū)的幾十分之一甚至百分之一。濃密的枝葉象一層厚厚的外衣,可以大幅度降低太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度,同時(shí)也降低溫度。尤其是城市墻面的反射熱比較強(qiáng)烈,對(duì)住宅建筑外墻面進(jìn)行空間綠化,就可以明顯減少這方面的影響。凡是有植被遮擋的墻面溫度可以降低3-8度,特別是朝西的外墻面,綠化覆蓋后降溫的效果尤其顯著。與此同時(shí),建筑外墻面種植綠化植被后空氣相對(duì)濕度可以提高11-22%,在東莞地區(qū)炎熱的夏季這將大幅度的降低人們的排汗量。建筑物外墻面用綠色植被覆蓋以后,不僅具有良好的裝飾效果,還具有良好的生態(tài)功能,而且可以降低室內(nèi)溫度,提高室內(nèi)的舒適度。

住宅建筑外墻面綠化可以減少夏季墻體對(duì)太陽(yáng)輻射熱的吸收,從而可以降低室內(nèi)溫度,植物葉面蒸發(fā)水分,也可以降低降低外墻的溫度,增加室內(nèi)人體舒適度,因而減少空調(diào)的使用,墻體綠化具有節(jié)約能源降低能耗的作用。建筑外墻面綠化的主要方式有：(1)利用藤蔓植物的吸附特性使其攀附于墻面上,或在墻面前利用支撐構(gòu)件引導(dǎo)植物攀爬使其遮蔽墻面；(2)將預(yù)先種入容器中的植物安裝到墻面上；(3)在墻面的底部栽種園林樹木或藤蔓植物,通過引導(dǎo)將樹的枝葉引向墻面,起到遮擋作用。

由于東莞地區(qū)夏季氣溫較為炎熱,墻體綠化的主要功能即為夏季降低太陽(yáng)輻射得熱,因此,對(duì)北京地區(qū)墻體綠化應(yīng)遵循以下原則為了在夏季降溫應(yīng)選擇葉大,葉密的藤蔓植物,這有利于夏季光合作用及植物自身吸熱、遮擋對(duì)建筑的降溫,如爬山虎應(yīng)選擇構(gòu)造形式中植物與墻體之間存在一定間距的垂直綠化形式,這有利于葉片與墻面之間的空氣流動(dòng),在一定程度上降低室內(nèi)溫度。

4 窗戶環(huán)境調(diào)控技術(shù)

外維護(hù)結(jié)構(gòu)上的窗戶具有通風(fēng)、采光的功能,然而在夏季較長(zhǎng)的東莞地區(qū),通過窗戶損失能耗的現(xiàn)象不可避免。因此,平衡好保留窗戶本身的功能和避免冷量散失之間的關(guān)系至關(guān)重要。然而,通過窗戶流失冷量的現(xiàn)象不容忽視,最理想的情況是保證采光通風(fēng)的同時(shí)盡可能減少通過窗戶流失的冷量。除了選擇熱阻高的窗玻璃外,還應(yīng)該考慮窗框處的密封性,相對(duì)于窗玻璃節(jié)能而言,窗框處損失的冷量更多?；谏鲜龇治?窗戶這里的節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)該從如下兩個(gè)原則考慮：第一,盡量選擇熱阻高的窗玻璃；第二,盡量增加密封性,即增加玻璃與窗框的密封性,增加窗框與墻體的密封性以及增加窗框與窗框之間的密封性。

隨著科技的迅猛發(fā)展,現(xiàn)代化的窗玻璃具有隔熱、絕緣的性能,這樣,窗玻璃與各個(gè)部位的連接情況就決定了窗戶的節(jié)能狀況。隔熱玻璃表面有一層金屬涂層,保證透光性的同時(shí)可以有效的阻止輻射,所以可以達(dá)到很好的隔熱效果,防止室外熱量進(jìn)入室內(nèi),特別適用于大面積的朝陽(yáng)窗戶,尤其適用于像東莞一樣炎熱的地區(qū)。絕緣玻璃一般由兩層甚至更多層質(zhì)量較高的玻璃,玻璃之間采用真空絕熱處理,或者在玻璃之間填充惰性氣體,這些氣體可以發(fā)揮比較好的絕緣隔熱作用。對(duì)于被動(dòng)式建筑來說,多層充入惰性氣體的玻璃具有更高的熱阻,更低的冷量損失。此外,通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),使用質(zhì)量較好的隔熱玻璃或者絕緣玻璃,朝陽(yáng)的窗墻比達(dá)到42%時(shí),冷量收支盈余減少,當(dāng)窗墻比達(dá)到82%時(shí),冷量收支沒有盈余,基本達(dá)到平衡。

窗框結(jié)構(gòu)的密封性及導(dǎo)熱性能對(duì)窗戶部分的節(jié)能至關(guān)重要,導(dǎo)熱好密封差的窗框結(jié)構(gòu)用再好的絕緣隔熱玻璃都于事無補(bǔ)。因此,選擇窗框的材料是至關(guān)重要的環(huán)節(jié),常用的有塑鋼、木材等多種復(fù)合物。注重材料選擇的同時(shí),還要注意窗框各個(gè)接口處的密封性,好的密封性可以阻止冷量的散失。

東莞地區(qū)夏季較長(zhǎng),在朝陽(yáng)的窗戶上方設(shè)置遮陽(yáng)板裝置可以降低窗戶收集太陽(yáng)熱能的效果；懸掛淺色不透光的窗簾,在窗簾和窗玻璃之間可以形成一個(gè)空氣隔熱帶,從而提高窗戶的節(jié)能效果。

總之,在設(shè)計(jì)窗戶時(shí),盡量選用絕緣隔熱玻璃,全部接口密封性良好的窗框,選擇適宜的窗墻比,選擇合適的窗簾及遮陽(yáng)裝置,就可以達(dá)到比較好的節(jié)能效果。

5 被動(dòng)式太陽(yáng)能變色墻環(huán)境調(diào)控技術(shù)

在我們的生活中有一種普遍的現(xiàn)象：在炎熱季節(jié),人們穿衣服會(huì)選擇淺色為主,而寒冷季節(jié)的外衣則多以深色為主。這是因?yàn)闇\色衣服能夠儲(chǔ)存的熱量比較少升溫慢,太陽(yáng)熱輻射大部分都會(huì)被反射到周圍環(huán)境；深色的衣服就有所不同,其吸收熱量的能力比較強(qiáng)且升溫快,可以儲(chǔ)存大部分的熱量。所以,深色的衣服儲(chǔ)存熱量的能力比淺色衣服要多,因此,人們冬季大多會(huì)選擇深色的外衣,夏季會(huì)選擇淺色的衣服。依此可知,住宅的外維護(hù)結(jié)構(gòu)可以看作建筑物的外衣,只要給它增加根據(jù)溫度變色的功能,就可以根據(jù)不同地區(qū)不同氣候特征,變換外維護(hù)部分的顏色來調(diào)節(jié)室內(nèi)的舒適度。

根據(jù)這種想法,太陽(yáng)光常年能照射到的外墻可以設(shè)為變色墻,并利用太陽(yáng)能來制冷。溫度較低的季節(jié),讓變色墻變換為深色吸收并儲(chǔ)存熱量并向室內(nèi)輻射,提高室內(nèi)溫度。溫度較高的季節(jié),讓變色墻的顏色變?yōu)闇\色較少的儲(chǔ)存熱量并發(fā)射大部分太陽(yáng)熱,降低室內(nèi)溫度,不足的部分利用太陽(yáng)能制冷補(bǔ)充?？梢愿鶕?jù)溫度變色的部分設(shè)置成可以正反面旋轉(zhuǎn)的裝置,并起到窗戶的作用。也就是說,冬季旋轉(zhuǎn)變色墻讓深色部分朝陽(yáng),大量的吸收儲(chǔ)存并向室內(nèi)提供熱量；夏季旋轉(zhuǎn)變色墻讓淺色部分朝陽(yáng),反射大部分的太陽(yáng)熱,為室內(nèi)降溫,同時(shí)開啟集熱組建件利用太陽(yáng)能制冷。

由此可知,利用墻體變色的被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)的核心部分是控制墻體變色的構(gòu)件,溫度調(diào)控不足的部分由太陽(yáng)能制冷構(gòu)件補(bǔ)給。目前,已有的太陽(yáng)能集熱板固定在外墻上不能改變位置,更換電池極為不方便,如果出現(xiàn)故障維修也比較麻煩,所以,在市場(chǎng)上不受歡迎很難普及推廣。利用太陽(yáng)能的變色技術(shù)是把集熱構(gòu)件以單獨(dú)產(chǎn)品的方式,可以根據(jù)需要放置在任意位置,安裝、維修和拆卸都特別方便。太陽(yáng)能變色墻的顏色與功能,在選擇時(shí)應(yīng)該考慮與住宅建筑整體色調(diào)及自然環(huán)境和諧統(tǒng)一；變色構(gòu)件的翻轉(zhuǎn)采用溫控自動(dòng)變換裝置,使用者可以根據(jù)自己感覺舒適的溫度自由設(shè)定；集熱器部分收集的熱能在超過設(shè)定溫度時(shí)可以自動(dòng)運(yùn)行轉(zhuǎn)化成冷量送入室內(nèi),這樣,就可以解決東莞地區(qū)夏季炎熱的問題。要實(shí)現(xiàn)這三個(gè)目標(biāo),太陽(yáng)能變色墻應(yīng)該滿足以下三個(gè)原則：第一,構(gòu)件質(zhì)量輕,耐久性好,投入使用的安全性能好。第二,要迎合普通大眾的居家生活習(xí)慣,符合群眾的審美,更要實(shí)用,操控簡(jiǎn)單并實(shí)現(xiàn)降溫的作用。第三,老百姓能接受的合理性價(jià)比。

6 結(jié)束語

建筑外墻被動(dòng)式環(huán)境調(diào)控技術(shù)的目的是節(jié)約能源,降低建筑物的耗能,提高室內(nèi)的舒適度。在進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)該考慮建筑物與周圍生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)一致,根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驙顩r選擇適宜的節(jié)能技術(shù),盡可能利用清潔自然的綠色能源。東莞地區(qū)住宅建筑可以通過選擇合適的保溫隔熱材料來達(dá)到環(huán)境調(diào)控的目標(biāo),也可以利用空間綠化減少外墻對(duì)太陽(yáng)輻射熱的吸收,增加窗戶的密閉性,同時(shí)配備節(jié)能玻璃,甚至可以采用被動(dòng)式太陽(yáng)能變色墻節(jié)能技術(shù)來增加室內(nèi)人體的舒適度。在進(jìn)行環(huán)境調(diào)控設(shè)計(jì)時(shí),盡可能采用被動(dòng)式的節(jié)能技術(shù),整合理念,從總體上進(jìn)行考慮和設(shè)計(jì)。