中國建筑節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展趨勢

尹婧

中國建筑節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展趨勢

尹婧

（紐約大學(xué)坦登工程學(xué)院，美國 紐約 112202）

運(yùn)用文獻(xiàn)資料法、比較分析等研究方法，針對建筑節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)中有關(guān)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、建筑設(shè)備、采光照明及太陽能利用等方面的節(jié)能設(shè)計(jì)以及節(jié)能設(shè)備技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)研究，進(jìn)而探析BIM技術(shù)、新能源、建筑材料、規(guī)劃設(shè)計(jì)等在未來建筑節(jié)能技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

建筑節(jié)能；關(guān)鍵技術(shù)；太陽能；圍護(hù)結(jié)構(gòu)

隨著中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展及建筑業(yè)行業(yè)的擴(kuò)大，建筑能耗在國家總能耗中所占據(jù)的比例在逐年增長，目前建筑總能耗在社會終端能耗中約占20.7%，并且隨著人們生活水平的提高這個(gè)數(shù)值還在不斷增長。要緩解建筑高能耗的現(xiàn)狀，必須重視節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)研究新型節(jié)能技術(shù)以減少能源的浪費(fèi)，有效解決人類面臨的生存發(fā)展問題。本文著重從圍護(hù)結(jié)構(gòu)、建筑設(shè)備和太陽能設(shè)備等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)研究，進(jìn)而探析未來建筑節(jié)能技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中非常重要的部分，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗在建筑總能耗中約占70%，因此建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)對降低建筑能耗而言至關(guān)重要。

1.1 墻體節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

墻體是圍護(hù)結(jié)構(gòu)最為重要的部分，墻體的傳熱所造成的熱能損失占圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總能耗的25%，由此可見提高墻體保溫技術(shù)的重要性。目前較常見的墻體保溫技術(shù)有外墻外保溫技術(shù)、外墻內(nèi)保溫技術(shù)及外墻夾心保溫技術(shù)。

1.1.1 外墻外保溫技術(shù)

外墻外保溫技術(shù)是通過在墻體外側(cè)布置保溫材料以增強(qiáng)墻體保溫性能。目前EPS板（可發(fā)性聚苯乙烯板）是應(yīng)用較普遍的保溫材料，通常是將EPS板用聚合物水泥砂漿作為膠黏劑粘在外墻上，再在EPS板表面鋪設(shè)玻纖網(wǎng)后抹上聚合物水泥抹面膠漿，最后再涂抹飾面砂漿并貼上面磚。EPS板的導(dǎo)熱系數(shù)小、質(zhì)量較輕且易于施工，因此在國內(nèi)外的使用都十分普遍。EPS板保溫系統(tǒng)如圖1所示。

1.1.2 外墻內(nèi)保溫技術(shù)

外墻內(nèi)保溫技術(shù)是將保溫材料布置在墻體外側(cè)以提高墻體保溫性能的方法。在外墻內(nèi)保溫工程施工過程中，通常選用傳熱系數(shù)較低且性能較好的材料如EPS板、石膏聚苯復(fù)合板、膨脹珍珠巖版等，向材料中添加水泥外加劑、高分子聚合物并結(jié)合合理的保溫設(shè)計(jì)方案，從結(jié)構(gòu)上盡可能消除冷熱橋，加快升溫降溫的速度。通過保護(hù)層將冷熱橋阻斷從而減少氣體的流入，使室內(nèi)熱環(huán)境達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，以此達(dá)到節(jié)能的目的。

1—粘結(jié)層；2—EPS板；3—抗裂砂漿；4—網(wǎng)絡(luò)布或熱鋒鋼絲網(wǎng)；5—抗裂砂漿；6—面磚飾面。

1.1.3 外墻夾心保溫技術(shù)

外墻夾心保溫技術(shù)是在外墻片與內(nèi)墻片之間用保溫材料進(jìn)行填充從而保溫的技術(shù)。其中外墻片和內(nèi)墻片的厚度分別為24 cm和12 cm，填充材料可選擇EPS板、XPS板或巖棉等。外墻夾心保溫技術(shù)有較好的防水性和防火性，且不受施工季節(jié)和條件的影響，但是存在較為嚴(yán)重的冷熱橋現(xiàn)象。

1.2 門窗節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

門窗起著連接室內(nèi)外熱量、光線和通風(fēng)的重要作用，其在圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗中約占40%，門窗的節(jié)能技術(shù)主要有三個(gè)方面：控制窗墻比、采用高效節(jié)能玻璃和提高門窗的保溫性和氣密性。

1.2.1 控制窗墻比

窗墻比指建筑窗戶面積與該朝向建筑外墻面積的比值，需要綜合建筑所處地區(qū)氣候環(huán)境和窗戶朝向而確定。根據(jù)《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，建筑各朝向的窗墻比應(yīng)小于0.7，北向應(yīng)小于0.45，南向應(yīng)小于0.5，東、西向應(yīng)小于0.3，天窗面積應(yīng)小于屋頂面積的4%。

1.2.2 采用高效節(jié)能玻璃

low-e玻璃可降低門窗的太陽輻射，因?yàn)閘ow-e玻璃表面鍍了一層對紅外線具有較高反射率的薄膜，這層薄膜可以在夏季阻擋大部分室外的遠(yuǎn)紅外熱輻射，在冬季屋內(nèi)的熱輻射也會被這層薄膜反射回室內(nèi)，從而降低室內(nèi)熱量的流失。

中空玻璃可以減少門窗傳熱量，在兩層玻璃間沖入干燥的惰性氣體并使其保持穩(wěn)定的氣壓值，從而降低外窗的傳熱系數(shù)，改善其保溫隔熱性能。

1.2.3 提高門窗的保溫性和氣密性

為提高門窗的保溫性，可以在門和門框中間添加絕熱材料如巖棉或聚苯乙烯，將窗與窗框間的縫隙進(jìn)行密封，另外在窗戶的保溫措施上除了可以增加玻璃的層數(shù)外，也可以選用塑鋼窗以避免冷橋現(xiàn)象。

提高門窗氣密性可以通過使用聚氨酯發(fā)泡材料填充在窗框與洞口的間隙中，也可使用發(fā)泡膠條在玻璃與窗框之間進(jìn)行密封從而減少滲透量。同時(shí)，通過提升窗框材料的規(guī)格和組裝精確度提高窗戶密閉性也可以很好地增加窗戶氣密性，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

1.3 屋面節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

在圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗中，屋面的能耗約占其10%，屋面節(jié)能技術(shù)目前主要有蓄水屋面、綠化屋面和通風(fēng)屋面三類。

1.3.1 蓄水屋面的應(yīng)用

蓄水屋面節(jié)能技術(shù)是通過在屋面存蓄一定量的水，通過水的蒸發(fā)吸熱為屋面降溫的方法。但蓄水屋對防水要求較高，并且存在水源補(bǔ)給不及時(shí)的問題，因此這種節(jié)能技術(shù)使用率相對較低。

1.3.2 綠化屋面的應(yīng)用

綠化屋面節(jié)能技術(shù)是目前應(yīng)用較普遍的方法，它通常選用抗旱的草本或蕨類植物布置在屋面上以達(dá)到隔熱降溫的目的，在美化屋頂環(huán)境的同時(shí)降低建筑能耗。并且這些植物價(jià)格低廉又易于維護(hù)，是今后屋面節(jié)能技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。

1.3.3 通風(fēng)屋面的應(yīng)用

通風(fēng)屋面節(jié)能技術(shù)是較為傳統(tǒng)的屋面設(shè)計(jì)。在兩層屋面間存在一個(gè)間層，在風(fēng)壓和熱壓的作用下間層的空氣被抽出從而為建筑隔熱。通風(fēng)屋面節(jié)能技術(shù)具有構(gòu)造簡單、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，但是其隔熱效果要差于蓄水屋面和綠化屋面。

1.4 相變儲能建筑材料的應(yīng)用

相變儲能建筑材料是由普通建筑材料與相變材料相結(jié)合而成的，這種材料能從環(huán)境中吸收或釋放熱能，具有較高熱容。低溫相變材料可用于蓄冷和跨季節(jié)蓄冷，中溫相變材料可用于提高房屋熱惰性，使室內(nèi)溫度維持在一個(gè)穩(wěn)定的區(qū)間，在保證室內(nèi)人員的舒適度的同時(shí)降低空調(diào)能耗。

2 建筑設(shè)備節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

2.1 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

空調(diào)能耗約占總能耗的50%，是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)研究的對象，因此發(fā)展空調(diào)節(jié)能技術(shù)，盡量降低運(yùn)行能耗對建筑的節(jié)能起著十分重要的作用。

2.1.1 熱能再回收技術(shù)的應(yīng)用

當(dāng)空調(diào)為房間提供熱能時(shí)，由于用戶的個(gè)體差異和時(shí)間段的不同，會出現(xiàn)所需的熱能不同的情況，因此會導(dǎo)致提供的熱能無法充分利用而浪費(fèi)。為避免這部分熱能的損失，可在空調(diào)的制冷機(jī)處安裝一個(gè)熱能回收裝置來回收余熱，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

2.1.2 水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用

由于地下水的溫度常年維持在一個(gè)穩(wěn)定的溫度，因此在夏季，水源熱泵技術(shù)利用地下水與空調(diào)冷卻水之間的溫差進(jìn)行換熱，由此使冷卻水溫度降低為室內(nèi)供冷。在冬季則是從地下水中吸收能量為室內(nèi)供熱。水源熱泵運(yùn)行穩(wěn)定、效率高且有很好的節(jié)能效果，近年來被廣泛使用。

2.1.3 蓄冰空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用

蓄冰空調(diào)采用的是冰蓄冷技術(shù)，其工作原理是利用夜間低谷負(fù)荷電力制冰，將能量以冰的形式存蓄，到了白天再將冰用能量轉(zhuǎn)化裝置為空調(diào)系統(tǒng)供冷。冰蓄冷技術(shù)很大程度上均衡了電力負(fù)荷，提高了發(fā)電設(shè)備的利用率并降低了系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，是一個(gè)一舉多得的節(jié)能技術(shù)。

2.1.4 變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用

變頻調(diào)速系統(tǒng)是在不同時(shí)間不同要求下相應(yīng)調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的冷量。在室內(nèi)溫度達(dá)到舒適度時(shí)減少冷量的輸出，避免了夏季由于室內(nèi)溫度過低而導(dǎo)致的能源浪費(fèi)，由此達(dá)到節(jié)能的目的。相比于傳統(tǒng)的閥門調(diào)節(jié)，該技術(shù)在降低能耗的同時(shí)也減少了系統(tǒng)的折舊損耗。相關(guān)數(shù)據(jù)表明變頻調(diào)速系統(tǒng)在提高室內(nèi)舒適度的同時(shí)可節(jié)約30%的能耗。

2.2 照明系統(tǒng)的應(yīng)用

照明系統(tǒng)的能耗是建筑能耗中重要部分，在商用建筑中和住宅建筑中照明系統(tǒng)分別占到總能耗的30%和10%。照明系統(tǒng)不僅消耗了建筑內(nèi)的部分電能也增加了房間的冷負(fù)荷，因此，提高照明系統(tǒng)的效率不僅可以減少電能消耗，也可以在夏季減少空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷，有效節(jié)約能耗。

2.2.1 節(jié)能燈泡的應(yīng)用

節(jié)能燈是由熒光燈和鎮(zhèn)流器組成，其尺寸與白熾燈相近，然而在同樣光能輸出的情況下節(jié)能燈的耗電量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于白熾燈。在發(fā)光效率方面節(jié)能燈泡也具有明顯的優(yōu)勢，白熾燈和熒光燈的發(fā)光效率約為10%和30%，而高效節(jié)能燈的發(fā)光效率可達(dá)到70%。由此可見，節(jié)能燈泡在提高室內(nèi)照明質(zhì)量的同時(shí)可以大幅度節(jié)約電能。

2.2.2 智能照明系統(tǒng)的應(yīng)用

智能照明系統(tǒng)具有節(jié)能、管理方便的優(yōu)勢，它不僅可以改善光環(huán)境，并且可以很大程度上延長燈具的壽命。通過照度傳感器和調(diào)光器的控制，更加合理利用照明以減少額外的損耗，十分有效地節(jié)約能源。

2.2.3 天然光源采光技術(shù)的應(yīng)用

天然光是人們習(xí)慣的光源，在室內(nèi)盡可能利用天然光作為光源不僅可以節(jié)約用電量，也可以提高室內(nèi)的采光質(zhì)量?，F(xiàn)在各種新型的采光技術(shù)層出不窮，導(dǎo)光棱鏡窗、采光板、光導(dǎo)纖維等都是現(xiàn)在得到普遍應(yīng)用的采光技術(shù)，這些技術(shù)利用光反射、折射、衍射的特性將室外自然光傳輸?shù)绞覂?nèi)需要光源的地方，降低了照明設(shè)備所造成的能源消耗。

3 太陽能設(shè)備的應(yīng)用

在當(dāng)今眾多可再生能源中，太陽能的應(yīng)用較為廣泛和普及，它是自然界中最為豐富的可再生能源。對太陽能進(jìn)行合理利用和開發(fā)并降低轉(zhuǎn)化的成本是建筑節(jié)能工作中的重點(diǎn)。太陽能設(shè)備的工作原理是把太陽能轉(zhuǎn)化成電能和熱能，進(jìn)而將其用于采暖、照明等方面。

3.1 太陽能熱水器的應(yīng)用

太陽能熱水器是眾多太陽能設(shè)備里比較常見的節(jié)能設(shè)備，它的類型很多且應(yīng)用十分廣泛。在人們?nèi)粘Ｖ凶顬槌Ｒ姷氖瞧桨鍩崴鳎话惚环胖糜谖蓓敼莾?nèi)用戶洗澡使用。太陽能熱水器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)如今已經(jīng)十分成熟，在建筑設(shè)計(jì)時(shí)將太陽能設(shè)備與之相結(jié)合是今后研究的重要方向，前景十分廣闊。

3.2 太陽能供暖系統(tǒng)的應(yīng)用

太陽能供暖系統(tǒng)大致可以分成兩種：主動式系統(tǒng)、被動式系統(tǒng)。主動式系統(tǒng)由集熱器、儲熱體、散熱器和管道組成，還需要配有水泵或風(fēng)機(jī)等電動機(jī)械，因此投資較大，一般較少被采用。

被動式系統(tǒng)是將建筑物作為集熱器、儲熱器和散熱器對太陽能進(jìn)行采集，主要分為間接得熱系統(tǒng)和直接得熱系統(tǒng)兩種。

3.2.1 間接得熱系統(tǒng)墻體的應(yīng)用

間接得熱系統(tǒng)的墻體由熱惰性材料制成，在夏季則通過活動隔熱層和空氣循環(huán)層為室內(nèi)進(jìn)行降溫。在冬季則是利用墻體收集的太陽輻射熱作為室內(nèi)供熱源為室內(nèi)供暖。

間接得熱系統(tǒng)的墻體基本型式有：特朗博墻、充水墻、水墻等。這些方法的構(gòu)造較為復(fù)雜，需不定時(shí)地打開通氣孔和隔熱層，使用較為煩瑣。

3.2.2 直接得熱系統(tǒng)的應(yīng)用

直接得熱系統(tǒng)是通過在建筑與環(huán)境之間設(shè)置一個(gè)緩沖層，以減小天氣對建筑內(nèi)環(huán)境的影響?，F(xiàn)在應(yīng)用較為普遍的有雙層玻璃幕墻系統(tǒng)，它在滿足室內(nèi)自然光照和太陽能吸收的情況下可減少室內(nèi)的熱損失并防止過度熱輻射。

在夏季，空氣腔中的氣體因受太陽輻射吸熱溫度升高而后上浮，由此排出室內(nèi)熱空氣。在冬季則可打開遮陽裝置，通過吸收太陽輻射吸熱提高室內(nèi)溫度。該系統(tǒng)具有優(yōu)于雙層窗的隔熱、隔音的特性，并且還能將室內(nèi)的能量進(jìn)行回收，是非常實(shí)用的節(jié)能設(shè)施，目前應(yīng)用領(lǐng)域也最為廣泛。

4 建筑節(jié)能技術(shù)發(fā)展趨勢

4.1 BIM技術(shù)的應(yīng)用呈加速趨勢

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模版技術(shù)，近年來在國內(nèi)工程設(shè)計(jì)中得以廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展。設(shè)計(jì)人員利用BIM技術(shù)可以建立虛擬模型進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，例如在設(shè)計(jì)室內(nèi)采光時(shí)可以非常直觀展現(xiàn)實(shí)體建筑完成后的節(jié)能效果，BIM技術(shù)對建筑節(jié)能技術(shù)的發(fā)展有重要意義。

4.2 新能源利用更趨廣泛

自然可循環(huán)新型能源的開發(fā)和使用可以很大程度上節(jié)約能源，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的目的。其中太陽能作為應(yīng)用最廣且技術(shù)相對成熟的一種清潔能源，可在建筑施工及后期充分利用，將其轉(zhuǎn)化為建筑所需的能源。此外，也可以考慮充分利用風(fēng)能以節(jié)約建筑能源。例如確保自然風(fēng)在建筑中對流換氣，或是安裝風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為建筑直接需要的能源。另外還可以在建筑中設(shè)計(jì)雨水收集裝置，用雨水對建筑內(nèi)的植物進(jìn)行灌溉，從而實(shí)現(xiàn)水資源的二次利用。

4.3 科學(xué)利用建筑材料

建筑材料是建筑工程中的基石，在節(jié)能建筑的設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量選擇節(jié)能高效的建筑材料，也可通過回收利用舊的建筑材料以提高材料的利用率。這樣不僅緩解了廢棄的建材可能造成的生態(tài)污染，也可以減少建材被浪費(fèi)的情況。

4.4 合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)

在對建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃時(shí)，建筑所處的地理環(huán)境、建筑朝向及外部形體都是需要重點(diǎn)考慮的因素。結(jié)合不同地區(qū)的實(shí)際環(huán)境及氣候特點(diǎn)，考慮通風(fēng)采光等因素對建筑節(jié)能的影響，以此更好地實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的效果。高溫地區(qū)的建筑要做好散熱和遮陽工作，寒冷地區(qū)的建筑要做好保溫工作，減少建筑能源的消耗。

5 結(jié)語

建筑節(jié)能對一個(gè)國家的發(fā)展而言起到至關(guān)重要的作用，它直接影響到國家的可持續(xù)發(fā)展、資源戰(zhàn)略、環(huán)境保護(hù)等諸多問題。隨著中國建筑行業(yè)的發(fā)展，中國的建筑能耗也在逐年上升，消耗了很大部分的社會能源。雖然近年來中國在建筑節(jié)能方面所做的許多工作都卓有成效，但在技術(shù)、理念和管理方面與發(fā)達(dá)國家相比仍然較為落后。建筑節(jié)能技術(shù)的發(fā)展需要國家的重視和建筑行業(yè)人員的共同努力，在設(shè)計(jì)施工時(shí)牢固節(jié)能的理念，研發(fā)出更多新型的節(jié)能材料和技術(shù)并不斷更新建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。加快建筑節(jié)能技術(shù)的研究不僅可以利于建筑行業(yè)的發(fā)展，也有利于中國可持續(xù)發(fā)展的順利進(jìn)行。

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TU201.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.22.003

2095－6835（2020）22－0006－04

尹婧（1997—），女，北京人，現(xiàn)在美國紐約大學(xué)坦登工程學(xué)院（New York University Tandon School of Engineering）攻讀機(jī)械工程專業(yè)碩士學(xué)位，主要從事建筑節(jié)能技術(shù)研究。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕