建筑設(shè)計(jì)中超低能耗技術(shù)的運(yùn)用研究

桑映輝，崔乃夫

（中國城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100000）

1 引言

相比于其他建筑類型，超低能耗建筑技術(shù)所追求的是近零能耗，為使用者提供舒適的空間，展示以人文本的設(shè)計(jì)理念，從室內(nèi)溫度、空氣以及濕度等多個(gè)角度展開研究，在外墻保溫系統(tǒng)中采用升級(jí)版石墨聚苯板保證室內(nèi)恒溫；在外窗系統(tǒng)中確保氣密性；在新風(fēng)能系統(tǒng)中采用新風(fēng)機(jī)組保留室內(nèi)熱量；利用太陽能技術(shù)實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電降低能耗，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)利用。

2 工程概況

某建筑工程小區(qū)位于市中環(huán)與內(nèi)環(huán)之間，共占地面積為78 378 m2，其中相關(guān)能耗指標(biāo)如表1 所示。

表1 能耗關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

3 超低能耗技術(shù)核心

3.1 外墻保溫技術(shù)

3.1.1 墻體保溫類型

外墻保溫主要分為3 道工序，分別為外墻內(nèi)保溫、外墻夾心保溫以及外墻外保溫，其中超低能耗建筑的施工過程中往往會(huì)選擇后兩者，根據(jù)類型和特點(diǎn)如表2 所示。

表2 不同保溫類型及特點(diǎn)

3.1.2 墻體保溫材料及應(yīng)用

外墻保溫技術(shù)是否能發(fā)揮其效能的決定性因素在于材料的選擇，通常會(huì)根據(jù)其性質(zhì)劃分為有機(jī)材料和無機(jī)材料。有機(jī)材料常見于擠塑聚苯乙烯泡沫板、芬酸樹脂保溫板等，具有質(zhì)量輕、吸水性弱的優(yōu)勢(shì)，這類材料熱傳導(dǎo)系數(shù)在0.3 W/（m·K）以下。無機(jī)材料有巖棉、中空玻化微珠等，這類材料優(yōu)勢(shì)在于耐久性高，不易燃燒，但保溫性相對(duì)較差。目前，應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)中的低能耗材料在不斷升級(jí)，并衍生出更多新材料，如VIP真空絕熱板、石墨聚苯板以及STP 超薄真空保溫板，其導(dǎo)熱系數(shù)≤0.008 W/（m·K）。石墨聚苯板導(dǎo)熱系數(shù)0.032 W/（m·K），適用于多種建筑結(jié)構(gòu)中[1]。

外墻外保溫系統(tǒng)主要為了提升建筑的憎水性，實(shí)現(xiàn)方式有涂抹聚苯顆粒漿料、聚苯板薄抹灰等，首先聚苯顆粒需要去除墻面浮灰或其他物質(zhì)以免影響其黏結(jié)強(qiáng)度，再將TS201、32.5水泥和中砂按照1∶（1.1~1.2）∶（1~1.2） 的比例拌和后涂抹墻體表面，第一遍厚度在30 mm 左右，當(dāng)對(duì)表面用手按壓不留痕跡時(shí)進(jìn)行第二遍，厚度控制在4 mm 左右。需要注意的是，已經(jīng)攪拌均勻的保溫材料為避免其變質(zhì)需要在3 h 內(nèi)用完。完成以上工序3~7 d 后再抹保護(hù)層，將TS20R、32.5 水泥以及中砂按照（0.6~0.8）∶1∶3 的比例攪拌均勻涂抹兩遍，約3~5 mm 厚，刮涂1~2 遍后等材料變干后涂抹防水材料，檢查表面是否平整[2]。

3.2 氣密結(jié)構(gòu)

關(guān)于氣密性膜的類型主要分為抹膠型氣密性膜和自黏型氣密性膜，在建筑超低能耗設(shè)計(jì)中比較常見的底涂膠是MS膠。通常情況下，抹膠型氣密性膜不僅擁有自己的背膠部分，還要有與之相匹配的底涂膠，而自黏型氣密性膜則只要有背膠即可?；谑褂梅绞降牟町?，二者的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)也存在一定差異，這里主要檢測(cè)二者的黏結(jié)強(qiáng)度、耐低溫程度以及耐紫外線檢測(cè)這3 種性能。

首先，抹膠型氣密性膜和自黏型氣密性膜的背膠檢測(cè)所需制樣尺寸為300 mm×12 mm，實(shí)驗(yàn)材料分為木材、塑料和鋁合金；針對(duì)底涂膠黏性的檢測(cè)，通常會(huì)選用尺寸為150 mm×25 mm 的制樣，并用2 kg 的壓輥滾動(dòng)碾壓，速度控制在10 mm/s，并將制樣靜置7 d 左右等待其固化再檢測(cè)其氣密性。

其次，是耐低溫檢測(cè)技術(shù)，采用服役耐溫檢測(cè)方案，將所收集的制樣放置在低溫狀態(tài)下，經(jīng)過一定時(shí)間后查看制樣的黏結(jié)強(qiáng)度，再與常溫下的黏結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，最佳條件為低溫-30 ℃，保留時(shí)間控制在16~24 h。

最后，是耐紫外檢測(cè)。氣密性膜會(huì)受到光照的影響，導(dǎo)致建筑內(nèi)部氣密情況不佳，因此，要對(duì)氣密性膜進(jìn)行耐紫外檢測(cè)。經(jīng)計(jì)算結(jié)果顯示，全年太陽輻射能在6 000 MJ/m2，氣密性膜室外檢測(cè)計(jì)劃要進(jìn)行3 個(gè)月測(cè)試，得出3 個(gè)月紫外線能量為120 MJ/m2，再根據(jù)天數(shù)換算為1 388.4 W/（m3·340 nm）。在檢測(cè)過程中利用專用輻射儀器，能量為140 W/m2，最終得出實(shí)驗(yàn)時(shí)間為1 388/140=9.9 d。因此，最終的檢測(cè)方案是在輻照度1.55 W/（m2·340 nm）的紫外燈下照射10 d，再將其結(jié)果與正常狀態(tài)下的氣密性膜進(jìn)行對(duì)比，從而明確其耐紫外性能[3]。

其中，針對(duì)外窗氣密性的檢測(cè)主要依靠硬件系統(tǒng)，包括供風(fēng)系統(tǒng)檢測(cè)、主機(jī)檢測(cè)、高級(jí)密封塑料布與管組等，同時(shí)配合軟件系統(tǒng)。在建筑設(shè)計(jì)相關(guān)工序完成后需要裁剪一個(gè)適合風(fēng)管的尺寸，并將其密封于窗件上，連接計(jì)算機(jī)與主機(jī)，對(duì)環(huán)境、窗件等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。系統(tǒng)正向加壓檢測(cè)流程如下所示：（1）正向預(yù)備加壓；（2） 自動(dòng)控制并記錄靜壓箱100 Pa 和150 Pa 的風(fēng)量值；（3）將密封膠帶去除，并控制變頻風(fēng)機(jī)完成升壓和降壓的動(dòng)作，記錄靜壓箱100 Pa 和150 Pa 的風(fēng)量值。

結(jié)合流體力學(xué)的相關(guān)內(nèi)容可以得出，圓管內(nèi)的管壁處的速度值為0，相比下管中心部分的流體黏性作用逐漸隨著與管壁距離的增大，黏性會(huì)逐漸變小，流速最大值為μmax，圖1 為管內(nèi)流速分布圖。

圖1 管內(nèi)流速分布圖

在計(jì)算風(fēng)量測(cè)量指數(shù)時(shí)需要求平均流速，數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（1）：

對(duì)于圓管有：

式（2）代入式（1）得：

式中，qv為管道的流量，m3/h；A 為管道內(nèi)部的橫截面積，m2；μx為管道界面速度分布情況，m/h；r 和R 分別為在管道截面流速值達(dá)到μx時(shí)所對(duì)應(yīng)的半徑與實(shí)際管道截面半徑，m。

3.3 新風(fēng)熱回收系統(tǒng)

新風(fēng)熱回收系統(tǒng)的研究主要針對(duì)新風(fēng)風(fēng)管放樣和安裝技術(shù)，有酚醛彩鋼復(fù)合新風(fēng)管，T 形、矩形風(fēng)管以及矩形彎管，變徑管等，按照BIM 模型畫出切割線。關(guān)于PVC 管的安裝需要嚴(yán)格遵循圖紙進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)定位，明確管道走向和各個(gè)風(fēng)口的位置，做好前期安裝準(zhǔn)備工作。在熟悉圖紙的過程中需要核實(shí)風(fēng)管系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)是否正確，包括預(yù)留孔洞、軸線以及標(biāo)高等，再進(jìn)行后續(xù)工作，若存在問題需及時(shí)向監(jiān)理匯報(bào)，以免造成損失。首先，需要對(duì)PVC 管路進(jìn)行規(guī)定，采用支吊架、吊卡使其緊貼管壁以免松動(dòng)。其次，需要用打孔機(jī)完成打孔工序，務(wù)必保證孔徑和位置與設(shè)計(jì)圖紙相一致，若存在問題需要聯(lián)系相關(guān)單位。最后，是吊架、風(fēng)管之間距的問題，水平方向固定卡的最佳距離為1 m，垂直方向則為1.5 m。

3.4 可再生能源

我國太陽能資源全面總量在3 350~8 370 MJ/（m2·a），每年2/3 地區(qū)的太陽輻射量在5 000 MJ/m2以上，將太陽能技術(shù)應(yīng)用于超低能耗建筑中能夠進(jìn)一步緩解能源消耗問題，實(shí)現(xiàn)資源利用最大化。在應(yīng)用過程中分為主動(dòng)式和被動(dòng)式技術(shù)兩種，主動(dòng)式包括太陽能熱利用和光伏發(fā)電，被動(dòng)式技術(shù)主要為集熱儲(chǔ)熱墻。在建筑設(shè)計(jì)超低能耗技術(shù)中，光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用能夠直接轉(zhuǎn)換太陽能，成為能夠并入電網(wǎng)供建筑使用的能源，將電池板安裝在屋面，并根據(jù)建筑的具體結(jié)構(gòu)，形成里面與玻璃結(jié)合的幕墻，從而最大化地利用建筑自身結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，既不會(huì)造成其他影響，又能適當(dāng)遮陽。在設(shè)置太陽能光伏板時(shí)需要結(jié)合建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，確保將二者分離開，以免由于溫度過高對(duì)建筑外表的材料造成影響，尤其針對(duì)防火效果弱的材料。在隔離的空腔中需要做好通風(fēng)處理，分為自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)。自然通風(fēng)主要依靠建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況，機(jī)械通風(fēng)則用排風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備。針對(duì)太陽能光伏發(fā)電，相關(guān)研究者提出設(shè)計(jì)立面開口的光伏幕墻，能夠降低空氣夾層溫度。

太陽能空調(diào)系統(tǒng)所采用的超低能耗技術(shù)是利用集熱器來驅(qū)動(dòng)熱力制冷，通過集熱系統(tǒng)、蓄能系統(tǒng)、空調(diào)末端系統(tǒng)等組合而成。在應(yīng)用過程中，單效溴化鋰與水吸收式制冷技術(shù)逐漸完善，具有循環(huán)性能系數(shù)COP 高、對(duì)溫度條件依賴性不強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，得到建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的青睞。部分研究人員對(duì)熱源泵系統(tǒng)進(jìn)行研究，能夠起到直接取暖的作用，太陽能集熱器能夠回收一部分新風(fēng)，并采取加熱的方式為室內(nèi)提供暖氣，通過建模分析發(fā)現(xiàn)，太陽能空氣源耦合系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)70%以上的熱源供給，熱源泵系統(tǒng)能夠充分利用太陽輻射。

4 結(jié)語

在多數(shù)資源不可再生的大環(huán)境下，節(jié)能一直是我國建筑領(lǐng)域的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，為了進(jìn)一步降低建筑對(duì)能源資源的消耗，需要從多個(gè)角度進(jìn)行分析，在確保建筑室內(nèi)舒適度的同時(shí)兼顧節(jié)能效果。從外墻保溫的角度分析，根據(jù)不同地區(qū)的需求采用適當(dāng)材料，能夠提升建筑的保溫性和隔熱性，降低夏季和冬季的空調(diào)能源消耗，同時(shí)確保外窗結(jié)構(gòu)的氣密性和穩(wěn)定性，采用多種檢測(cè)方式加以檢測(cè)，提升資源的循環(huán)利用。加大對(duì)可再生資源的研發(fā)力度，利用建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)開發(fā)太陽能資源，有效降低能耗問題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。