建筑節(jié)能構(gòu)造設(shè)計(jì)探析
——基于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)建筑總體能耗的影響

廖小明

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

2014 年11 月12日，中國(guó)和美國(guó)共同發(fā)表了具有歷史意義和里程碑式的《中美氣候變化聯(lián)合聲明》，中國(guó)政府提出在2030 年左右二氧化碳排放達(dá)到峰值且將努力早日達(dá)峰。為了實(shí)現(xiàn)這一減排目標(biāo)，我國(guó)將加緊推進(jìn)節(jié)能減排工作。從終端能耗角度看，工業(yè)、交通和建筑并稱(chēng)能源消耗三大部門(mén)，而目前建筑的能耗已經(jīng)占到全社會(huì)終端能耗的33%左右，同時(shí)在快速城鎮(zhèn)化的推動(dòng)之下，建筑耗能將保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)既有建筑達(dá)400 億m2，僅有1%為節(jié)能建筑，因此建筑節(jié)能作為節(jié)能減排過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)將起到至關(guān)重要的作用。

1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能原理

圍護(hù)結(jié)構(gòu)是指建筑物及房間各面的圍護(hù)物，分為透明和不透明兩種類(lèi)型，不透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)有墻、屋面、地板、頂棚等；透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)有窗戶(hù)、天窗、陽(yáng)臺(tái)門(mén)、玻璃隔斷等。按是否與室外空氣直接接觸，又可以將圍護(hù)結(jié)構(gòu)分為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)。在不需要特別加以指明的情況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)通常是指外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，包括外墻、屋面、窗戶(hù)、陽(yáng)臺(tái)門(mén)、外門(mén)，以及不供暖樓梯間的隔墻和戶(hù)門(mén)等。保持建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能是建筑節(jié)能的主要途徑。在建筑物的四大圍護(hù)結(jié)構(gòu)門(mén)窗、墻體、屋頂和地面中，以面積與能量損失率計(jì)算，能量損失排首位的是門(mén)窗，其次是墻體，再次是屋頂，最后是地面。門(mén)窗損耗的能量約占建筑使用過(guò)程總能耗的50%，其能耗是墻體的4 倍、屋頂?shù)? 倍、地面的20 多倍。

1.1 屋面節(jié)能

屋面作為建筑頂部的圍護(hù)構(gòu)件和承重構(gòu)件占用大量的建筑外表面積，因此也是建筑節(jié)能構(gòu)造設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。常用屋面構(gòu)造形式一般包括正置/倒置式屋面、通風(fēng)屋面、閣樓屋面、種植屋面、蓄水屋面等，雖然屋頂構(gòu)造形式各樣但其保溫隔熱原理都是通過(guò)保溫材料減少外界溫度、濕度、紫外線對(duì)屋面的影響，同時(shí)也起到減小主體結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力[1]和保護(hù)屋面結(jié)構(gòu)的目的。

1.2 外墻節(jié)能

外墻作為建筑中外表面積最大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在建筑保溫隔熱當(dāng)中占據(jù)著相當(dāng)重要的位置。外墻節(jié)能保溫構(gòu)造可分為外墻內(nèi)保溫、夾層保溫和外保溫三大類(lèi)，其節(jié)能原理是通過(guò)依附在墻體結(jié)構(gòu)上的保溫材料阻隔熱量傳遞減少室內(nèi)外空氣熱交換，從而達(dá)到隔熱保溫的目的。透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要是由金屬構(gòu)件與玻璃板組成的建筑非承重外圍護(hù)結(jié)構(gòu)[2]，通過(guò)控制材料的熱工值（傳熱系數(shù)、熱阻、遮陽(yáng)系數(shù)等）來(lái)影響建筑的對(duì)流傳熱和輻射傳熱。

1.3 地面節(jié)能

地面是底層房間與地基土層相接的構(gòu)件，起到承受底層房間荷載的作用。在保溫隔熱上由于熱量通過(guò)地面的傳熱并不屬于一維傳熱，地面以下接觸的是土壤層，同時(shí)周邊的土壤層薄，熱阻小，熱量損失多，尤其是在沿外墻內(nèi)側(cè)周邊約1 m 的范圍內(nèi)，地面流失熱量最大[3]，因此，地面外墻沿地面周邊（2 m范圍內(nèi)）也要做隔熱保溫處理。

2 主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能構(gòu)造設(shè)計(jì)

2.1 屋面節(jié)能設(shè)計(jì)

屋面構(gòu)造一般可分為結(jié)構(gòu)層、找坡層、保溫隔熱層、找平層、防水層、隔離層、隔汽層、保護(hù)層、裝飾面層等，而其中起到核心節(jié)能作用的是保溫層，因此選用合適的保溫材料尤其關(guān)鍵。常用屋面保溫材料的主要性能指標(biāo)如表1 所示。

表1 常用屋面保溫材料的主要性能指標(biāo)

從表 1 中選取λ≤0.06（真空保溫板、PU、XPS、EPS）的材料進(jìn)行橫向?qū)Ρ取Ｗ鳛閭鹘y(tǒng)的保溫隔熱板材，XPS 和EPS 以其合理的價(jià)格和便利的施工常被用于屋面保溫構(gòu)造。但隨著建筑節(jié)能要求的進(jìn)一步提高，傳統(tǒng)的保溫材料已到達(dá)其性能的瓶頸，因此λ 值最低的真空保溫板或許是理想的代替方案。該材料是一種高效、環(huán)保的新型絕熱材料，其絕熱性能相當(dāng)于普通保溫材料的10 倍甚至更高，而厚度僅為普通材料的1/7，同時(shí)強(qiáng)度更高，燃燒性能為A 級(jí)，吸水率低，因此該材料成為工業(yè)和信息化部公布的《建材工業(yè)鼓勵(lì)推廣應(yīng)用的技術(shù)和產(chǎn)品目錄（2018—2019 年本）》中唯一上榜的建筑保溫材料。盡管該材料存在成本較高、現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法切割定型產(chǎn)品、工序復(fù)雜、工期較長(zhǎng)等，但從建筑整體耗能和應(yīng)用的角度上看，以真空保溫板為代表的“超級(jí)絕熱材料”（supper insulation）將會(huì)成為今后保溫隔熱材料的重要發(fā)展方向。

保溫材料的用量會(huì)對(duì)建筑節(jié)能產(chǎn)生決定性效果，用量少建筑則不節(jié)能，用量多則會(huì)產(chǎn)生材料浪費(fèi)問(wèn)題。以南方某辦公項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目通過(guò)節(jié)能軟件BECS 對(duì)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)建模且賦值后，對(duì)其進(jìn)行能耗量化分析。在保證其他節(jié)能參數(shù)不變的前提下，只調(diào)整屋面保溫材料厚度（選用XPS 為例），節(jié)能模型以10 mm 為每次保溫材料增加的單位，厚度區(qū)間從0~100 mm 逐次計(jì)算建筑耗能值（圖1）。從圖中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)保溫材料厚度在0~50 mm 時(shí)，耗能指數(shù)下降最多（斜率最大），在50~100 mm 時(shí)耗能下行幅度趨于平緩，并在80 mm 時(shí)達(dá)到斜率極限。該對(duì)照試驗(yàn)基本符合邊際效用遞減規(guī)律，由此可得出保溫材料用量（厚度）與節(jié)能效果之間呈非線性增長(zhǎng)，節(jié)能效果大概率符合L 型曲線形態(tài)特性。因此，只有合理地選擇材料厚度才能讓建筑高效節(jié)能的同時(shí)又具備經(jīng)濟(jì)性。

圖1 建筑耗能與保溫材料厚度的關(guān)系（附節(jié)能計(jì)算模型）

2.2 外墻節(jié)能設(shè)計(jì)

外墻保溫系統(tǒng)分為內(nèi)保溫系統(tǒng)、夾心保溫系統(tǒng)和外保溫系統(tǒng)，前兩個(gè)系統(tǒng)因熱工效率較低、占用室內(nèi)空間及生產(chǎn)方式復(fù)雜等因素而被外保溫系統(tǒng)逐漸取代。外保溫系統(tǒng)一般由保溫層、抹面層、固定材料和裝飾面構(gòu)成，并固定在外墻表面。常用外墻保溫材料的主要性能指標(biāo)如表2 所示。

表2 常用外墻保溫材料的主要性能指標(biāo)

保溫材料的選用應(yīng)主要從以下5 個(gè)因素進(jìn)行綜合考慮。

（1）保溫性能。從表2 中可看出前3 種材料（PU、XPS、EPS）均為有機(jī)材料，在導(dǎo)熱系數(shù)上均比無(wú)機(jī)材料（巖棉、發(fā)泡水泥板、玻化微珠保溫砂漿）要小，這也意味著具有更出色的保溫性能。

（2）材料自重與安全性。無(wú)機(jī)材料干密度一般都比有機(jī)材料要大，同時(shí)在較高的導(dǎo)熱系數(shù)的因素影響下，無(wú)機(jī)材料的使用厚度將大大高于有機(jī)材料，因此較大的自重會(huì)增加建筑外墻的安全隱患。

（3）耐水性。保溫材料吸水后導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)增加，因此應(yīng)選用吸水率低或不吸水的保溫材料，而有機(jī)材料比無(wú)機(jī)材料的吸水率更低，保溫穩(wěn)定性更好。

（4）燃燒性能。從建筑防火角度考慮，外墻應(yīng)首選A 級(jí)不燃材料，即無(wú)機(jī)材料，而大多數(shù)有機(jī)材料屬于B 級(jí)難燃材料，因此在選用B 級(jí)材料時(shí)要加設(shè)防燃燒性能為A 級(jí)的水平防火隔離帶。由于有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料在外墻保溫使用中各有優(yōu)缺，因此在材料革新的推動(dòng)下出現(xiàn)了一些低導(dǎo)熱、輕質(zhì)量、低吸水性的A 級(jí)不燃新型復(fù)合保溫產(chǎn)品。如添加了阻燃劑的復(fù)合A 級(jí)聚氨酯保溫板和將聚氨酯樹(shù)脂噴涂在巖棉表面經(jīng)發(fā)泡成型的聚氨酯巖棉板[4]等。由于這些新型材料同時(shí)具備了有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料的優(yōu)點(diǎn)，因此在節(jié)能設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)此類(lèi)材料多加考慮。

（5）飾面材料部位。由于建筑飾面材料會(huì)直接影響太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)，因此在炎熱地區(qū)應(yīng)優(yōu)先選擇能降低輻射系數(shù)的飾面材料，如采用淺色面磚或飾面層上噴涂熱反射涂料。

2.3 門(mén)窗節(jié)能設(shè)計(jì)

門(mén)窗構(gòu)造作為外圍護(hù)構(gòu)造上的重要節(jié)點(diǎn)，在建筑節(jié)能效果上也同樣至關(guān)重要。對(duì)于其中占比最大的透明部分即外窗或幕墻系統(tǒng)，除了控制適合的窗墻比外，還應(yīng)控制材料的傳熱系數(shù)及遮陽(yáng)系數(shù)。常見(jiàn)玻璃的熱工參數(shù)如表3 所示。

表3 常見(jiàn)玻璃的熱工參數(shù)

從表3 中可以直觀看出，中空玻璃比單層玻璃傳熱系數(shù)低，鍍膜玻璃比非鍍膜玻璃傳熱系數(shù)低，因此在透明門(mén)窗組合中選用Low-e 中空玻璃是節(jié)能的首選。玻璃的傳熱系數(shù)K 值在節(jié)能中并非是單一計(jì)算指標(biāo)，與之匹配且同樣重要的還有玻璃遮陽(yáng)系數(shù)Sc，遮陽(yáng)系數(shù)越低則阻擋陽(yáng)光熱量向室內(nèi)輻射的性能越好，因此低傳熱系數(shù)配合低遮陽(yáng)系數(shù)才是玻璃節(jié)能的黃金組合。但需要注意較低的玻璃遮陽(yáng)系數(shù)意味著室內(nèi)從室外獲得的自然光更少，室內(nèi)更暗，在玻璃參數(shù)上則體現(xiàn)為透光率更低。由于過(guò)低的透光率無(wú)法滿(mǎn)足室內(nèi)空間對(duì)自然光的正常使用需求，因此為了同時(shí)滿(mǎn)足低遮陽(yáng)和高透光率這兩種特性，在設(shè)計(jì)中可選用中空百葉玻璃（Sc≤30%，透光率≥80%），同時(shí)輔以斷橋鋁合金窗框和Low-e 玻璃以達(dá)到玻璃外門(mén)窗最優(yōu)的節(jié)能效果。

2.4 地面節(jié)能設(shè)計(jì)

在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，由于大部分的熱量是通過(guò)地坪直接接觸的土壤面進(jìn)行傳遞的，因此會(huì)在地面結(jié)構(gòu)層之下設(shè)置保溫層，同時(shí)為了防止保溫材料因土壤的潮氣而受潮，會(huì)在保溫層結(jié)構(gòu)層之間增加隔離層。對(duì)于保溫材料的選擇，在寒冷地區(qū)的建筑，若持力層以上土壤層的熱阻已符合地面熱阻規(guī)定值，則應(yīng)在地面層下鋪設(shè)適當(dāng)厚度的板狀保溫材料[5]，以便能達(dá)到較好的保溫與防潮效果。同時(shí)對(duì)于沿外墻內(nèi)側(cè)周邊約1 m 范圍內(nèi)的地面，應(yīng)根據(jù)其所承受的荷載選用抗壓強(qiáng)度較高的保溫材料，如PU、EPS、XPS 等。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)建筑整體耗能起著重要作用，尤其是不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)部位中的構(gòu)造做法及其核心保溫材料的使用將決定建筑的節(jié)能效率。本文通過(guò)對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)重要節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造及保溫材料的比選，得出相應(yīng)部位較為合理的節(jié)能設(shè)計(jì)方案，為優(yōu)化建筑節(jié)能提供合理可靠的設(shè)計(jì)方法。