低碳經(jīng)濟(jì)背景下綠色建筑節(jié)能的發(fā)展方向及技術(shù)措施

徐 蛟

(中交一公局集團(tuán)建筑工程有限公司 北京 100024)

1 低碳經(jīng)濟(jì)背景下綠色建筑的節(jié)能發(fā)展方向

1.1 能耗模擬

建筑節(jié)能設(shè)計(jì)是一項(xiàng)專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)的活動(dòng),涉及到建筑布局、朝向、當(dāng)?shù)貧夂驐l件等多項(xiàng)因素。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式下,憑借設(shè)計(jì)人員工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)制定設(shè)計(jì)方案、論證節(jié)能設(shè)計(jì)措施可行性,難免會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤決策問(wèn)題,無(wú)法取得理想的建筑節(jié)能效果,或是設(shè)計(jì)方案實(shí)施情況和預(yù)期要求產(chǎn)生明顯出入。而隨著信息化時(shí)代的到來(lái),BIM 等信息化工具在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用,可以替代人工完成信息收集等基礎(chǔ)性工作,并通過(guò)模擬試驗(yàn)手段來(lái)真實(shí)反映設(shè)計(jì)成果,幫助設(shè)計(jì)人員在初步設(shè)計(jì)方案中找出不合理問(wèn)題、明確深化設(shè)計(jì)方向。

1.2 強(qiáng)化熱工性能

在建筑物使用期間,室內(nèi)外環(huán)境熱量會(huì)通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系中的外墻、門(mén)窗、屋面等部位進(jìn)行交換,在寒冷冬季導(dǎo)致室內(nèi)熱量持續(xù)逸散,在炎熱夏季導(dǎo)致室內(nèi)冷量向外滲透。為滿足建筑物使用需求、營(yíng)造恒定的室內(nèi)環(huán)境條件,需要長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)啟空調(diào)系統(tǒng)或是暖通系統(tǒng),由此產(chǎn)生高昂的用電成本[1]。因此,為降低建筑總體能耗水平,減少因熱損失而產(chǎn)生的能耗量,建筑企業(yè)需要把強(qiáng)化熱工性能作為節(jié)能發(fā)展方向,具體可采取選用新型窗戶、鋪設(shè)外墻與屋面保溫層等措施,增強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能,阻隔室內(nèi)外熱量交換,最終通過(guò)維持室內(nèi)恒溫狀態(tài)來(lái)減少空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷量、暖通系統(tǒng)熱負(fù)荷量(見(jiàn)圖1)。

圖1 新型中空百葉窗

1.3 利用可再生能源

在早期建筑工程,主要依賴(lài)外部能源來(lái)維持建筑運(yùn)行,通過(guò)市電向建筑用能設(shè)施提供電源。一方面,市電網(wǎng)與建筑物用能設(shè)施的間隔距離較遠(yuǎn),電能在傳輸期間會(huì)產(chǎn)生一定比例的線損量,造成能源浪費(fèi)。另一方面,我國(guó)當(dāng)前主要采取火力發(fā)電方式,持續(xù)消耗煤炭等不可再生的化石能源進(jìn)行發(fā)電,在建筑物投運(yùn)使用期間,會(huì)間接造成加劇化石能源供需矛盾、破壞生態(tài)環(huán)境的后果,違背了可持續(xù)發(fā)展理念。因此,建筑企業(yè)需要把利用可再生能源作為建筑節(jié)能發(fā)展方向,充分利用建筑物周邊環(huán)境中分布的風(fēng)能、地?zé)崮?、太?yáng)能等自然能源,由可再生能源逐漸取代傳統(tǒng)電能,將打造“近零能耗建筑”、“零能耗建筑”作為最終目標(biāo)(見(jiàn)圖2)。如此,建筑物在全壽命周期內(nèi),可以降低對(duì)市電網(wǎng)的依賴(lài)程度,把總體使用成本、碳排放量控制在較低程度。

圖2 太陽(yáng)能零耗能建筑

2 低碳經(jīng)濟(jì)背景下綠色建筑的節(jié)能技術(shù)措施

2.1 BIM 節(jié)能技術(shù)

在建筑設(shè)計(jì)階段,需要應(yīng)用到BIM 技術(shù),在軟件內(nèi)導(dǎo)入設(shè)計(jì)方案與工程資料來(lái)搭建能耗模擬模型,設(shè)定冬季室溫、夏季室溫、圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料熱工特性、配套系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷及時(shí)長(zhǎng)等關(guān)鍵參數(shù)。隨后,開(kāi)展模擬試驗(yàn),模擬建筑物在不同假定條件下的運(yùn)行過(guò)程,統(tǒng)計(jì)空調(diào)通風(fēng)、暖通、照明、電梯等系統(tǒng)的運(yùn)行能耗,根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)判斷建筑節(jié)能系數(shù)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求,如果未達(dá)到要求則對(duì)高能耗部位的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),如在圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失量超標(biāo)時(shí)著手更換圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料材質(zhì),在照明系統(tǒng)能耗超標(biāo)時(shí)更換高效光源和改善室內(nèi)自然采光條件。最后,待方案深化設(shè)計(jì)完畢后,再把方案導(dǎo)入軟件開(kāi)展模擬試驗(yàn),直至能耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求為止[2]。

此外,設(shè)計(jì)人員還可以應(yīng)用BIM 技術(shù)開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)模擬試驗(yàn),用于反映建筑在單個(gè)方面的節(jié)能設(shè)計(jì)效果,并判斷建筑是否存在尚待挖掘的節(jié)能潛力(見(jiàn)圖3)。例如,開(kāi)展日照模擬試驗(yàn),在模型內(nèi)加載當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境與設(shè)定日照標(biāo)準(zhǔn),模擬建筑物在使用期間的當(dāng)?shù)厝照涨闆r、所接收太陽(yáng)能量,掌握建筑物自然采光條件,以及日照情況對(duì)建筑物室內(nèi)溫度變化造成的具體影響。后續(xù),調(diào)整布局朝向來(lái)改善自然采光條件、縮短照明系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。以及調(diào)整圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫構(gòu)造形式、增加保溫層厚度、選用新型鍍膜玻璃和設(shè)置遮陽(yáng)設(shè)施,消除太陽(yáng)光照射對(duì)室內(nèi)溫度造成的影響。

圖3 場(chǎng)地日照分析

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)

第一,對(duì)于外墻部位,具體采取墻體保溫、預(yù)留空氣間層兩項(xiàng)節(jié)能措施。其中,墻體保溫是在外墻的內(nèi)側(cè)或是外側(cè)加鋪保溫層,或是在內(nèi)外墻葉中間部位設(shè)置保溫芯板,利用保溫層來(lái)阻隔室內(nèi)外熱量交換,通過(guò)減少熱損失量來(lái)降低空調(diào)與暖通系統(tǒng)的能耗水平,優(yōu)先采取外保溫或是夾芯保溫形式,不推薦采取內(nèi)保溫形式,這會(huì)占用室內(nèi)空間。預(yù)留空氣間層是把建筑外墻分為雙層表皮結(jié)構(gòu),在內(nèi)外側(cè)表皮間隔部位預(yù)留空氣間層,空氣間層保持通風(fēng)狀態(tài)。在炎熱夏季開(kāi)啟通風(fēng)口,外部新鮮冷空氣通過(guò)空氣間層吹入室內(nèi),起到降低室內(nèi)溫度、改善空氣質(zhì)量的作用,可以減輕空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。而在寒冷冬季,則關(guān)閉通風(fēng)口,并利用空氣間層來(lái)增強(qiáng)外墻熱工性能,進(jìn)一步減小熱損失量[3]。

第二,對(duì)于門(mén)窗部位,具體采取控制窗墻比、保溫隔熱、遮陽(yáng)防曬三項(xiàng)節(jié)能措施。其中,控制窗墻比是遵循相關(guān)規(guī)范與結(jié)合工程情況來(lái)計(jì)算最佳窗墻比,由于窗戶熱阻較小,窗墻比過(guò)大會(huì)削弱圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能,窗墻比過(guò)小則會(huì)影響到室內(nèi)自然采光與通風(fēng)條件。例如,對(duì)于住宅建筑,遵循GB50352-2019 民用建筑設(shè)計(jì)規(guī)范。保溫隔熱是選用具備阻擋紅外線功能的鍍膜玻璃作為外窗,或是選用LOW-E 雙層中空玻璃作為外窗,阻擋室內(nèi)外熱量交換,減少室內(nèi)太陽(yáng)光攜帶的熱輻射量。遮陽(yáng)防曬是在外窗內(nèi)側(cè)或是外側(cè)安裝遮陽(yáng)百葉,炎熱夏季開(kāi)啟遮陽(yáng)百葉來(lái)阻隔太陽(yáng)光輻射熱量進(jìn)入室內(nèi),寒冷冬季則關(guān)閉遮陽(yáng)百葉,起到改善室內(nèi)自然采光條件、利用太陽(yáng)光提高室內(nèi)溫度的效果。

第三,對(duì)于屋面部位,具體采取保溫屋面、蓄水屋面、綠化屋面三項(xiàng)節(jié)能措施,這也是屋面構(gòu)造的主要形式。其中,保溫屋面是在屋面防水層上方加鋪保溫層,起到保護(hù)防水層、阻隔室內(nèi)外熱量交換的作用,主要使用聚乙烯泡沫塑料作為保溫材料。蓄水屋面是在防水層上方蓄水,采取普通蓄水或是深蓄水方式,在水體流動(dòng)、水分蒸發(fā)期間帶走熱量、調(diào)節(jié)屋面溫度。綠化屋面是在屋面上方鋪設(shè)種植土層與栽植綠化植物,憑借植物枝葉來(lái)遮擋太陽(yáng)光照射屋面,并在植物生長(zhǎng)期間營(yíng)造微氣候、調(diào)節(jié)屋面溫度。同時(shí),綠化屋面還具備防噪功能,避免室外噪音對(duì)使用者的日常生活造成干擾。

2.3 光伏建筑一體化技術(shù)

第一,光伏幕墻。以玻璃幕墻作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式,并在玻璃面板內(nèi)部嵌入PVC 膠片電池片,通過(guò)導(dǎo)線連通光伏組件與轉(zhuǎn)換器等配套裝置。在建筑物使用期間,光伏組件持續(xù)把玻璃幕墻上照射的太陽(yáng)光輻射能量轉(zhuǎn)換為直流電,再轉(zhuǎn)換為交流電供給至供配電系統(tǒng)。此類(lèi)光伏建筑有著無(wú)需占用額外空間、外立面造型美觀、光伏組件覆蓋面積大的優(yōu)勢(shì),但系統(tǒng)發(fā)電容量及輸出功率略有不足[4]。

第二,光伏屋面。在建筑屋面 部位鋪設(shè)光伏屋面瓦,瓦片內(nèi)置光伏電池,持續(xù)把太陽(yáng)光輻射熱量轉(zhuǎn)換為電能,或是搭設(shè)支架結(jié)構(gòu)與擺放光伏組件。根據(jù)應(yīng)用情況來(lái)看,此類(lèi)光伏建筑有著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、發(fā)電容量大、發(fā)電效果穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì),光伏區(qū)域基本不會(huì)受到周邊建筑物遮擋,但光伏組件裸露在外,容易出現(xiàn)故障問(wèn)題。

第三,光伏采光頂。在屋頂部位安裝半透明光伏組件來(lái)替代傳統(tǒng)的屋面構(gòu)造形式,取消原有的防水層、保溫層、混凝土基層。此類(lèi)光伏建筑有著光伏發(fā)電容量大、室內(nèi)采光條件號(hào)、外立面造型美觀的優(yōu)勢(shì),但由于光伏玻璃組件的熱工性能較差,會(huì)增加室內(nèi)熱損失量。

2.4 用能設(shè)施節(jié)能技術(shù)

第一,對(duì)于照明系統(tǒng),具體采取選用高效光源、智能控制兩項(xiàng)節(jié)能措施。高效光源是選用熒光燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈或是LED 白燈作為照明光源,取代傳統(tǒng)的白熾燈,此類(lèi)照明燈具有著光通量好、能耗低的優(yōu)勢(shì)。智能控制是在照明系統(tǒng)內(nèi)加裝控制器,定時(shí)啟閉照明燈具,或是安裝感控?zé)?檢測(cè)到周邊環(huán)境有人時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟燈具,無(wú)人時(shí)關(guān)閉燈具。

第二,對(duì)于空調(diào)系統(tǒng),采取變頻調(diào)控、動(dòng)態(tài)蓄冷節(jié)能措施。變頻調(diào)控是在系統(tǒng)內(nèi)加裝變頻控制器與傳感器,通過(guò)傳感器來(lái)感知室內(nèi)環(huán)境,再通過(guò)變頻器來(lái)調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),避免因空調(diào)長(zhǎng)時(shí)間維持恒定運(yùn)行負(fù)荷而產(chǎn)生過(guò)高能耗。動(dòng)態(tài)蓄冷是在電力負(fù)荷低谷期把水分凍結(jié)成冰,在電力高峰期通過(guò)冰塊融化來(lái)向外釋放冷量,以此來(lái)減少建筑用電成本[5]。

第三,對(duì)于暖通系統(tǒng),具體采取地?zé)岜P(pán)管、熱能回收兩項(xiàng)節(jié)能措施。其中,地?zé)岜P(pán)管是在房間地面上鋪設(shè)盤(pán)管,盤(pán)管內(nèi)循環(huán)流通熱水,通過(guò)盤(pán)管持續(xù)向外釋放熱量,由于熱空氣具備上升特性,可以把熱量擴(kuò)散到室內(nèi)房間的各處區(qū)域,提高熱能利用率。熱能回收是在暖通系統(tǒng)內(nèi)加裝板式顯熱交換器、轉(zhuǎn)輪全熱交換器等裝置,把暖通系統(tǒng)運(yùn)行期間釋放的部分熱量進(jìn)行回收處理,后續(xù)可用于淋浴水加熱、制冷機(jī)組冷凝熱等用途。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,為保證低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念得到貫徹落實(shí),建筑企業(yè)需要把低碳節(jié)能理念有效融入到建筑設(shè)計(jì)與建造技術(shù)體系當(dāng)中,推動(dòng)綠色建筑向能耗模擬、強(qiáng)化熱工性能、利用可再生能源、優(yōu)化用能設(shè)施方向發(fā)展,推動(dòng)我國(guó)建筑行業(yè)邁入全新發(fā)展階段。