建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能方法研究

顧明麗 聶成才

（1.萬科（沈陽）企業(yè)管理有限公司，遼寧 沈陽 110000；2.沈陽萬宸建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，遼寧 沈陽 110005）

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，城市規(guī)模日益擴(kuò)大也帶動(dòng)了城市建筑的增多。商用和民用建筑消耗了更多的城市能源，帶來了相當(dāng)程度的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染[1]。因此，如何提升建筑的節(jié)能效果是建筑設(shè)計(jì)中日益重要的工作。建筑物的能量消耗主要與圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部設(shè)備有關(guān)，尤其是圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮著冬季保溫和夏季隔熱的重要效果，如果圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選材和設(shè)計(jì)合理，就可以更大效率地避免建筑物內(nèi)的能量損失，從而減少取暖或制冷等帶來的更高的能源消耗[2]?？梢?，對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更好的設(shè)計(jì)，是建筑節(jié)能的關(guān)鍵所在。但是，圍護(hù)結(jié)構(gòu)包含了眾多的組成單元，對(duì)應(yīng)著復(fù)雜的能量關(guān)聯(lián)參數(shù)，只有綜合這些單元和參數(shù)，在節(jié)能的總體目標(biāo)下統(tǒng)籌兼顧，才能達(dá)到最佳的節(jié)能效果[3]。為此，該文從多目標(biāo)優(yōu)化理論出發(fā)，構(gòu)建建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能優(yōu)化模型和方法，進(jìn)而通過試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)構(gòu)成及多目標(biāo)節(jié)能模型

建筑物要保持室內(nèi)居住或工作的人群的舒適程度，就必須要提供與季節(jié)相適宜的溫度。而當(dāng)溫度達(dá)不到宜居的情況時(shí)，就需要通過各種設(shè)備進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)，從而容易造成能源的浪費(fèi)。所以，如果圍護(hù)結(jié)構(gòu)能夠起到更好的保溫和隔熱的效果，就可以減少設(shè)備調(diào)控引起的能源浪費(fèi)，從而達(dá)到節(jié)能的效果。

建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，一般由5類單元構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)成

從圖1中可以看出，建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要包括墻體單元、門窗單元、屋面單元、地面單元和樓板單元。

其中，墻體單元是圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，是建筑物合圍空間形成、建筑物整體支撐的重要單元，又有外墻單元和內(nèi)墻單元的區(qū)別。其中，外墻單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 外墻單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，外墻單元以層級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，從居住空間由內(nèi)而外，首先是主體層，由輕質(zhì)砂和混凝土砌塊構(gòu)成，內(nèi)部按一定規(guī)律植入方鋼龍骨。輕質(zhì)砂混凝土砌塊層以外，是第一界面劑層，其上覆蓋找平層和黏膠劑層，再其上是第二界面劑層。第二界面劑層上面是保溫層，保溫層上面是第三界面劑層，其上覆蓋第一聚合物砂漿層，再其上覆蓋纖維格布。纖維格布層上是第二聚合物砂漿層，最外層是用于美觀的涂料層。可見，外墻單元的節(jié)能效果，與整體厚度有關(guān)，而外墻整體厚度又與各層厚度有關(guān)，如公式（1）所示。

式中：M為外墻單元的整體厚度，mi為第i層構(gòu)成的厚度。當(dāng)i=1時(shí)，m1為外墻單元中輕質(zhì)砂混凝土砌塊層的厚度；當(dāng)i=2時(shí)，m2為外墻單元中第一界面劑層的厚度；當(dāng)i=3時(shí)，m3為外墻單元中找平層的厚度；當(dāng)i=4時(shí)，m4為外墻單元中黏膠劑層的厚度；當(dāng)i=5時(shí)，m5為外墻單元中第二界面劑層的厚度；當(dāng)i=6時(shí)，m6為外墻單元中保溫層的厚度；當(dāng)i=7時(shí)，m7為外墻單元中第三界面劑層的厚度；當(dāng)i=8時(shí)，m8為外墻單元中第一聚合物砂漿層的厚度；當(dāng)i=9時(shí)，m9為外墻單元中纖維格布層的厚度；當(dāng)i=10時(shí)，m10為外墻單元中第二聚合物砂漿層的厚度；當(dāng)i=11時(shí)，m11為外墻單元中涂料層的厚度。

相比外墻單元，內(nèi)墻單元的厚度要薄，由內(nèi)而外依次是輕質(zhì)砂混凝土砌塊層、素水泥砂漿層、水泥石灰膏砂漿層、找平層、封底漆層、飾面層。內(nèi)墻單元的節(jié)能效果也與層厚有關(guān)，具體如公式（2）所示。

式中：N為內(nèi)墻單元的整體厚度，ni為第i層構(gòu)成的厚度。當(dāng)i=1時(shí)，n1為內(nèi)墻單元中輕質(zhì)砂混凝土砌塊層的厚度；當(dāng)i=2時(shí)，n2為內(nèi)墻單元中素水泥砂漿層的厚度；當(dāng)i=3時(shí)，n3為內(nèi)墻單元中水泥石灰膏砂漿層的厚度；當(dāng)i=4時(shí)，n4為內(nèi)墻單元中找平層的厚度；當(dāng)i=5時(shí)，n5為內(nèi)墻單元中封底漆層的厚度；當(dāng)i=6時(shí)，n6為內(nèi)墻單元中飾面層的厚度，飾面層可以由樹脂乳液噴涂形成。

對(duì)門窗單元也要進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，才能盡可能地提高保溫和隔熱效果，同時(shí)注意密封性，避免風(fēng)冷因素導(dǎo)致節(jié)能效率降低。商用建筑一般可以采用鋁合金框架配合三層玻璃兩層中空夾氣層的設(shè)計(jì)方案；對(duì)于民用建筑，一般可以采用塑鋼框架配合三層玻璃兩層中空夾氣層的設(shè)計(jì)方案。

門窗單元的厚度計(jì)算如公式（3）所示。

式中：Z為門窗單元的總體厚度，B1為門窗單元第一層玻璃的厚度，B2為門窗單元第二層玻璃的厚度，B3為門窗單元第三層玻璃的厚度，K1為門窗單元第一層中空夾氣層的厚度，K2為門窗單元第二層中空夾氣層的厚度。

屋面單元一般由7層構(gòu)成，包括鋼筋混凝土基底層，水泥砂漿找平層，水泥增稠粉砂漿找平層，改性瀝青防水層，聚苯板保溫層，塑料基座層，仿石磚層。

屋面單元的保溫和隔熱性能，也與層厚有關(guān)，具體如公式（4）所示。

式中：W為屋面單元的整體厚度，wi為第i層的厚度。當(dāng)i=1時(shí)，w1為屋面單元中鋼筋混凝土基底層的厚度；當(dāng)i=2時(shí)，w2為屋面單元中水泥砂漿找平層的厚度；當(dāng)i=3時(shí)，w3為屋面單元中水泥增稠粉砂漿找平層的厚度；當(dāng)i=4時(shí)，w4為屋面單元中改性瀝青防水層的厚度；當(dāng)i=5時(shí)，w5為屋面單元中聚苯板保溫層的厚度；當(dāng)i=6時(shí)，w6為屋面單元中塑料基座層的厚度；當(dāng)i=7時(shí)，w7為屋面單元中仿石磚層的厚度。

地面單元一般由七層構(gòu)成，包括素土夯實(shí)層、碎石夯實(shí)層、細(xì)石混凝土層、水泥砂漿找平層、水涂膜防水層、水泥砂漿結(jié)合層和水泥擦縫層。

地面單元的保溫和隔熱性能，也與層厚有關(guān)，具體如公式（5）所示。

式中：D為地面單元的整體厚度，di為第i層的厚度。當(dāng)i=1時(shí)，d1為地面單元中素土夯實(shí)層的厚度；當(dāng)i=2時(shí)，d2為地面單元中碎石夯實(shí)層的厚度；當(dāng)i=3時(shí)，d3為地面單元中細(xì)石混凝土層的厚度；當(dāng)i=4時(shí)，d4為地面單元中水泥砂漿找平層的厚度；當(dāng)i=5時(shí)，d5為地面單元中水涂膜防水層的厚度；當(dāng)i=6時(shí)，d6為地面單元中水泥砂漿結(jié)合層的厚度；當(dāng)i=7時(shí)，d7為地面單元中水泥擦縫層的厚度。

樓板單元一般由5層構(gòu)成，包括鋼筋混凝土樓板層，水泥陶粒墊層，水泥砂漿找平層，水泥砂漿結(jié)合層，水泥擦縫層。

樓板單元的保溫和隔熱性能，也與層厚有關(guān)，具體如公式（6）所示。

式中：L為樓板單元的整體厚度，li為第i層的厚度。當(dāng)i=1時(shí)，l1為樓板單元中鋼筋混凝土樓板層的厚度；當(dāng)i=2時(shí)，l2為樓板單元中水泥陶粒墊層的厚度；當(dāng)i=3時(shí)，l3為樓板單元中水泥砂漿找平層的厚度；當(dāng)i=4時(shí)，l4為樓板單元中水泥砂漿結(jié)合層的厚度；當(dāng)i=5時(shí)，l5為樓板單元中水泥擦縫層的厚度。

由此可見，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能與5類構(gòu)成單元有關(guān)，而各個(gè)構(gòu)成單元又有自己的結(jié)構(gòu)，這就形成了對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能效果的分層細(xì)化影響。為此，該文根據(jù)多目標(biāo)優(yōu)化理論，構(gòu)建節(jié)能控制模型，如公式（7）所示。

式中：E為綜合考慮5類構(gòu)成單元的圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體節(jié)能情況，E1為外墻單元的節(jié)能情況，E2為內(nèi)墻單元的節(jié)能情況，E3為門窗單元的節(jié)能情況，E4為屋面單元的節(jié)能情況，E5為地面單元的節(jié)能情況，E6為樓板單元的節(jié)能情況，TEi為第i類節(jié)能單元的厚度，Ti為第i類節(jié)能單元的最大厚度界限值。

可見，圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體節(jié)能最佳效果的達(dá)成，和各單元的節(jié)能效果密切相關(guān)。

2 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能試驗(yàn)結(jié)果與分析

在前面的工作中，綜合考慮了圍護(hù)結(jié)構(gòu)5大類構(gòu)成單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)，構(gòu)建了多目標(biāo)優(yōu)化節(jié)能模型，此處進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能效果進(jìn)行驗(yàn)證和分析。

按照公式（7）給出的優(yōu)化模型，對(duì)試驗(yàn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，得到的冬季節(jié)能情況，如圖3所示。

圖3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)冬季節(jié)能情況

圖3中，橫坐標(biāo)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體和各類構(gòu)成單元的類別，縱坐標(biāo)為節(jié)能比例。從圖3中的柱狀圖結(jié)果可以看出，通過該文的多目標(biāo)節(jié)能優(yōu)化、各構(gòu)成單元的合理配置，可以使圍護(hù)結(jié)構(gòu)在冬季整體節(jié)能超過20%。其中，門窗單元的節(jié)能效果最顯著，可以達(dá)到35%。

其次是外墻單元，節(jié)能達(dá)到25%。再次是樓板單元和屋面單元，節(jié)能都超過了15%。地面單元的節(jié)能，正好在15%左右。節(jié)能最少的是內(nèi)墻單元，但節(jié)能也超過了13%。從圖3的結(jié)果可以看出，在綜合考慮了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)各構(gòu)成成分后，綜合它們各自的特點(diǎn)，在多目標(biāo)函數(shù)的統(tǒng)一約束下進(jìn)行綜合優(yōu)化，不僅可以使每一項(xiàng)都發(fā)揮出節(jié)能效果，而且可以達(dá)到使建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體上能耗降低的目的。

按照公式（7）給出的優(yōu)化模型，對(duì)試驗(yàn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，得到的夏季節(jié)能情況，如圖4所示。

圖4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)夏季節(jié)能情況

圖4中，橫坐標(biāo)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體和各類構(gòu)成單元的類別，縱坐標(biāo)為節(jié)能比例。從圖4中的柱狀圖結(jié)果可以看出，通過該文的多目標(biāo)節(jié)能優(yōu)化、各構(gòu)成單元的合理配置，可以使圍護(hù)結(jié)構(gòu)在夏季節(jié)能整體上超過18%。其中，門窗單元的節(jié)能效果最顯著，可以達(dá)到27%。其次是外墻單元，夏季節(jié)能達(dá)到22%。再次是地面單元，節(jié)能超過16%。從次是屋面單元，節(jié)能達(dá)到14%。最后是樓板單元節(jié)，能達(dá)到13%。另外內(nèi)墻單元節(jié)能達(dá)到12%。通過和圖3的對(duì)比可知，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在夏季的節(jié)能效果比冬季節(jié)能效果要差一些，但依然取得了較為顯著的節(jié)能效果。之所以會(huì)出現(xiàn)這種季節(jié)性差異，可能源于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫作用得到了更大的提升，因此有效地解決了冬季的能源消耗問題。綜合兩項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，充分表明了該文方法對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)起到了明顯的節(jié)能提升作用。

3 結(jié)論

圍護(hù)結(jié)構(gòu)是建筑設(shè)計(jì)中的重要組成部分，對(duì)于建筑節(jié)能具有十分重要的意義。該文詳細(xì)地分析了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的組成部分，包括為外墻單元、內(nèi)墻單元、門窗單元、屋面單元、地面單元以及樓板單元，并對(duì)各單元構(gòu)成參數(shù)進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了多目標(biāo)節(jié)能優(yōu)化模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，依托該文提出的多目標(biāo)節(jié)能模型，通過對(duì)各個(gè)構(gòu)成單元的節(jié)能控制，可以達(dá)到圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體節(jié)能的最佳效果，在冬季和夏季都可以達(dá)到很好的節(jié)能目標(biāo)。