裝配式近零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能應(yīng)用設(shè)計(jì)

摘 要：為解決裝配式建筑能耗大，無(wú)法滿足建筑節(jié)能建設(shè)要求的問題，本文對(duì)裝配式近零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了節(jié)能應(yīng)用設(shè)計(jì)研究。以某裝配式建筑為例，對(duì)其節(jié)能設(shè)計(jì)方法進(jìn)行構(gòu)思，完成對(duì)能耗的相關(guān)測(cè)算。結(jié)合得到的測(cè)算數(shù)據(jù)，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的外墻、屋面、地面和窗戶等結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能方案設(shè)計(jì)。通過最終能耗測(cè)算得出，新的設(shè)計(jì)思路不僅可以達(dá)到近零能耗的目標(biāo)，還可以提高裝配式建筑的節(jié)能性，解決裝配式建筑與近零能耗建筑融合和發(fā)展的問題。

關(guān)鍵詞：裝配式建筑；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；節(jié)能；保溫

中圖分類號(hào)：TU 201" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

裝配式建筑具有高品質(zhì)、快速、節(jié)省勞動(dòng)投入、不受氣候條件制約等優(yōu)點(diǎn)。預(yù)制房屋建造所用的部件，例如外墻板，內(nèi)墻板等，都是在工廠內(nèi)進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的[1]。采用現(xiàn)場(chǎng)拼裝，可大幅減少現(xiàn)澆工作量，極大地提高了裝配式住宅的總體建設(shè)效率。本項(xiàng)目提出適用于裝配式節(jié)能建筑的設(shè)計(jì)方法，當(dāng)對(duì)其進(jìn)行總體節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證其熱工技術(shù)指標(biāo)滿足相關(guān)文件規(guī)定。

由于能源緊缺、環(huán)境污染等問題日趨嚴(yán)峻，因此，“綠色”與“節(jié)能”已成為當(dāng)今建筑設(shè)計(jì)界的研究熱點(diǎn)。裝配式近零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)的研究，旨在開發(fā)出更高效、更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，以滿足人們對(duì)綠色建筑和節(jié)能建筑的需求[2]。通過裝配式近零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)的研究，可以推動(dòng)綠色建筑的發(fā)展，提高建筑的能源利用效率，減少能源消耗和環(huán)境污染，為建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)做出貢獻(xiàn)。為深化此方面內(nèi)容的設(shè)計(jì)，全面推進(jìn)裝配式結(jié)構(gòu)建筑在市場(chǎng)內(nèi)的建設(shè)與發(fā)展，本文將某地區(qū)示范工程作為樣板，進(jìn)行近零能耗建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)，以促進(jìn)建筑業(yè)的綠色發(fā)展和節(jié)能減排。

1 案例概況

本次研究的建筑設(shè)計(jì)高度為20m，總建設(shè)面積超過5800m2，建筑工程共由4層構(gòu)成，預(yù)期此建筑建成后將用于日常辦公[3]。建筑立面示意圖如圖1所示。

2 節(jié)能設(shè)計(jì)方法構(gòu)思

為確保節(jié)能設(shè)計(jì)可以達(dá)到預(yù)期需求，分析裝配式結(jié)構(gòu)建筑中的主要參數(shù)與能耗兩者之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，見表1。

綜合表1中的內(nèi)容，根據(jù)裝配式結(jié)構(gòu)建筑中的主要參數(shù)與能耗兩者之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以采用調(diào)節(jié)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的方式，保證裝配式建筑在建成后可以達(dá)到總體零能耗的標(biāo)準(zhǔn)，可以采用調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中其他參數(shù)的方式，調(diào)節(jié)整體能耗[4]。例如，在設(shè)計(jì)中，當(dāng)外窗的傳熱系數(shù)為1W/（m2·K）時(shí)，會(huì)存在造價(jià)昂貴的問題，但此時(shí)如果采用2W/（m2·K）的外窗代替1W/（m2·K）的外窗，就會(huì)在一定程度上增加建筑的冬季采暖能耗，可以通過增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體氣密性、提高建筑太陽(yáng)能總透射比等方式，解決建筑在冬季時(shí)期供暖能耗增加的問題[5]。參照這個(gè)理論，設(shè)計(jì)節(jié)能設(shè)計(jì)方案，如圖2所示。

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能方案設(shè)計(jì)

3.1 外墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合上述得到的圍護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)，采用三明治板作為裝配式建筑的基礎(chǔ)，結(jié)合施工工藝，采用一體澆筑、預(yù)制和現(xiàn)澆結(jié)合的方式進(jìn)行施工[6]。針對(duì)外墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，采用外保溫構(gòu)造體系，板內(nèi)保溫材料選用厚度為100mm的聚氨酯硬泡沫保溫板。與外窗通過氣密膜解決氣密性問題的設(shè)計(jì)思路不同，當(dāng)墻板拼接時(shí)處理方式更復(fù)雜。常見氣密層形式包括設(shè)置構(gòu)造柱、粘貼氣密膜、設(shè)置混凝土層等[7]。圖3為裝配式建筑外墻圍護(hù)構(gòu)造圖。

確定不同圍護(hù)層相應(yīng)的厚度、導(dǎo)熱系數(shù)以及傳熱系數(shù)，并記錄數(shù)據(jù)，見表2。

結(jié)合熱工測(cè)算，裝配式建筑外墻圍護(hù)構(gòu)造的整體傳熱系數(shù)為0.15W/（㎡·K），熱流密度為4.52W/㎡，不存在熱橋，且室內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。

3.2 屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以上所述的裝配式建筑，其屋頂部分為外保溫，部分為預(yù)制，以樓板結(jié)構(gòu)為主。對(duì)保溫層材料的選擇來(lái)說(shuō)，選用厚度180mm的擠塑聚苯板[8]。屋面構(gòu)造從內(nèi)到外依次為：鋼筋混凝土2400、水泥砂漿找平層、SBS防水卷材、擠塑聚苯板、SBS防水卷材、細(xì)石混凝土、面層。同樣按照上述邏輯，記錄各結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，見表3。

對(duì)其進(jìn)行熱工測(cè)算，得出屋面的傳熱系數(shù)為0.16W/（m2·K），熱流密度為5.03W/㎡，不存在熱橋現(xiàn)象，并且不會(huì)造成室內(nèi)凝露問題產(chǎn)生。

3.3 地面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)裝配式建筑地面，保溫結(jié)構(gòu)也是一樣的，部分是預(yù)制的，保溫層、防水層、找平層都是在現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制的。絕熱層選擇了厚250mm的泡沫玻璃板作為隔熱層。地面構(gòu)造從上到下依次為面層、水泥砂漿找平層、PE輕質(zhì)泡沫層、SBS防水卷材層、鋼筋混凝土層、泡沫玻璃板層、細(xì)石混凝土2400、砂石排水層、PP過濾紙、土壤。針對(duì)裝配式建筑地面主體結(jié)構(gòu)，對(duì)其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行記錄，見表4。

對(duì)其進(jìn)行熱工測(cè)算，得出地面的傳熱系數(shù)為0.17 W/m2·K，熱流密度為4.25W/m2，同樣不存在熱橋現(xiàn)象，并且不會(huì)造成室內(nèi)凝露問題產(chǎn)生。

3.4 窗戶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)裝配式建筑窗戶結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，外窗采用PA斷橋鋁合金，雙玻中空單層Low-E，所述玻璃和所述隔離層的厚度為6mm+12mm+6mm。裝配式近零能耗建筑需要保證外窗的氣密性良好，氣密性包括窗體自身氣密性和環(huán)繞窗體連接位置的氣密性。針對(duì)這兩部分氣密性要求，采用三層高強(qiáng)度的密封材料，達(dá)到8級(jí)以上、防水4級(jí)以上的氣密性。對(duì)長(zhǎng)期暴露在太陽(yáng)照射環(huán)境下的外窗來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)選擇具備優(yōu)質(zhì)氣密性的材料，從而避免外窗老化、開裂、失去彈性等問題。為保證環(huán)繞窗體連接位置的氣密性，采用具有優(yōu)良耐久性能的防水隔汽膜及不透蒸汽的薄膜對(duì)其進(jìn)行密封。根據(jù)上述論述，確定外窗基本結(jié)構(gòu)。具體傳熱參數(shù)見表5。

安裝外窗結(jié)構(gòu)需要結(jié)合上述傳熱性能。一般情況下，外窗都要安裝在隔熱材料里面，根據(jù)窗戶的位置是在隔熱材料上還是在外面，可以分成兩種情況。PHII通常將外窗安裝在構(gòu)件保溫層內(nèi)的，在裝配式建筑中，這種安裝方式對(duì)預(yù)制構(gòu)件的施工造成了很大的損害，而且施工不便，在建造過程中需要大量拆除和修補(bǔ)，外立面、隔熱、防水等都不能達(dá)到預(yù)期的效果。只有做好隔熱層間的銜接，才能使外窗不同安裝形式對(duì)熱工性能的影響接近。與將外窗設(shè)置在保溫層外相比，將外窗設(shè)置在構(gòu)件的隔熱層外能夠有效地防止或者減少預(yù)制構(gòu)件損傷，并且更有利于裝配式建筑的施工。因此，采用將外窗安裝在構(gòu)件保溫層外的安裝方式。

4 能耗測(cè)算

根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容可知，本次研究的建筑采用了全包裹的設(shè)計(jì)方式，設(shè)計(jì)范圍如圖4所示。

對(duì)研究中的建筑中存在熱橋的位置進(jìn)行分析，見表6。

由于兩種類型熱橋?qū)ㄖw能耗的影響較為微弱，因此，在綜合測(cè)算中可以忽略。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，對(duì)試點(diǎn)工程進(jìn)行建模，使用DeST計(jì)算工程能耗，計(jì)算前，設(shè)定裝配式建筑結(jié)構(gòu)的不同參數(shù)取值，具體內(nèi)容見表7。

掌握建筑結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的基礎(chǔ)上，按照圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能方案設(shè)計(jì)內(nèi)容與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)樣板工程進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)后對(duì)裝配式建筑結(jié)構(gòu)中不同參數(shù)取值進(jìn)行調(diào)整，見表8。

對(duì)裝配式建筑結(jié)構(gòu)中不同參數(shù)取值調(diào)整前、后各階段的熱需求與冷需求進(jìn)行分析，將其作為檢驗(yàn)維護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)的依據(jù)，使用DeST軟件對(duì)此進(jìn)行研究，具體內(nèi)容如圖5所示。

從圖中可以看出，參數(shù)取值調(diào)整前，建筑的熱需求與冷需求相對(duì)較高，而參數(shù)取值調(diào)整后，建筑的熱需求與冷需求呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，在4月與10月，建筑的熱需求與冷需求近乎為0，由此可以證明，本文設(shè)計(jì)的節(jié)能方法在應(yīng)用中可以解決建筑供冷、供熱中的高能耗問題。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)裝配式近零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，可以得出，這種設(shè)計(jì)方法在提高建筑質(zhì)量、降低能耗、減少環(huán)境污染等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，裝配式建筑的發(fā)展也符合國(guó)家政策導(dǎo)向和市場(chǎng)需求，具有良好的發(fā)展前景。然而，裝配式建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)涉及多個(gè)領(lǐng)域，需要不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)，以實(shí)現(xiàn)更高效、環(huán)保、可持續(xù)的建筑發(fā)展。

未來(lái)，隨著科技的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，裝配式建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)也將不斷優(yōu)化和完善。通過引入新型材料、高效保溫技術(shù)、智能控制技術(shù)等，可以實(shí)現(xiàn)更高效、環(huán)保的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，國(guó)家將繼續(xù)推出相關(guān)政策，鼓勵(lì)建筑業(yè)向工業(yè)化、裝配化、智能化方向發(fā)展。政策將更注重推動(dòng)裝配式建筑及其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)，促進(jìn)綠色建筑和節(jié)能減排的發(fā)展。隨著人們對(duì)建筑居住環(huán)境要求的不斷提高，越來(lái)越多的人開始向往高效、環(huán)保、節(jié)能的裝配式建筑，此類建筑在市場(chǎng)內(nèi)的需求也呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)。與此同時(shí)，將有更多的企業(yè)加入裝配式建筑及其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的研發(fā)和生產(chǎn)中，促進(jìn)建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

裝配式近零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)的未來(lái)發(fā)展將受到多方面的影響。只有結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新、政策推動(dòng)、市場(chǎng)需求和產(chǎn)業(yè)升級(jí)等方面的努力，才能實(shí)現(xiàn)更高效、環(huán)保、可持續(xù)的建筑發(fā)展。

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