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建立健全建筑节能的法规体系,加强对有关标准执行的监督。
在以上种种努力之下,我国的建筑节能工作已经大有起色。
二、建筑节能用材及建筑节能基本结构
根据现有的建筑节能技术,下面我们将简单介绍建筑节能的基本构成,并重点对外墙的建筑材料及结合DOE2模拟学校西区综合楼建筑能耗进行探讨。
2.1常用保温保温材料
常用的墙面及屋面保温材料从形式上可以分为板材、块材、卷材和散料。
其中板材有憎水性水泥膨胀珍珠岩保温板、发泡聚苯乙烯保温板、挤塑型聚苯乙烯保温板、硬质和半硬质的玻璃棉或岩棉保温板;
块材有水泥聚苯空心砌块等;
卷材有玻璃棉毡和岩棉毡等;
散料有膨胀珍珠岩、发泡聚苯乙烯颗粒等。
其中挤塑型聚苯乙烯保温板因为表面结构全部封闭,不透水,所以可以不考虑防水的问题。
其余材料用作保温层时大多需要采取防水及隔蒸汽的措施。
2.2建筑外门窗保温构造
据有关方面调查发现,在北方冬季采暖的建筑物中,窗户的传热耗能加上其空气渗透耗热量,可以占到全部耗热量的一半甚至更多。
因此外窗的保温隔热性能,是围护结构节能设计的重点。
(1)在保证日照、采光、通风、观景条件下,尽量减少外门窗洞口的面积。
(2)提高窗的保温隔热性能。
玻璃的导热系数很大,必须考虑采用双层玻璃、中空玻璃、低辐射玻璃等保温性能较好的玻璃来做窗户。
事实上,经过有关部门的测试和研究,双层单玻璃的保温效果不如单层单框双玻璃的保温效果来得好。
主要是因为双玻璃能够发挥两层玻璃之间密封间层的作用,而双层窗之间的间层难以做到密封,对热流的阻挡作用就有限。
此外对外窗户的框材也要加以考虑。
(3)合理设置遮阳设施。
遮阳是窗户等透明围护结构进行隔热处理的重要措施。
遮阳形式对遮阳效果有很大的影响。
外遮阳的效果好些。
2.3屋面节能构造
屋面节能是围护结构节能的关键部位,屋面保温节能对建筑造价影响不大,但节能效益显著。
屋面导热系数在整个系统中所占比例不大,但对整体结构节能影响重大。
通常,屋面保温设计和防水设计协同考虑,这是因为:
冬季降雪覆盖屋面,融化时间较长,若防水构造出现问题,则导致屋面整体导热系数上升,保温效果下降;
同样,如坡度设计不宜,在多雨季节屋面排水就会出现问题,同然考验防水设计的有效性。
目前,常用的隔热构造措施有实体材料隔热屋顶和通风降温屋顶,如蓄水种植隔热屋面、保温材料填充屋面以及通风屋面等
在我国冬暖夏凉的广大地区,通风屋面的应用有许多优越性,多数屋盖由实体结构变为带有通风空气层的结构,把屋面的通风与冬季充分利用太阳能采暖结合起来,大大提高了屋盖的隔热能力,下图图1中的几种屋面构造就是充分利用了材料的集散热性能,通过添加空气层(a)或者是利用水的比热性能(f),降低了热的传导速度,从而提高隔热能力。
图一图二
图二中的通风降温屋顶,主要用于气候炎热的地区,通过将预置拱壳放置在平屋顶上,中间预留空隙,这样增加了空气的流通,并且通风层在防水层之上,不会影响屋顶结构,起到了较好的降温作用。
种植隔热屋面在南方多见,利用植物的天然优势,不仅能缓解室外高温带来的不适,起到降温作用,在一定程度上还具有观赏价值。
2.4地面节能构造
底层地面的基本构造以为屋面、垫层和地基为主,楼面的基本构造层宜为面层找平层和楼板,当底层的面和楼面层的基本构造不能满足节能要求时,可增设结合层、隔离层、填充层、找平层等其他构造层。
在严寒地区,建筑底层室内如果采用石铺地面构造,则对于直接接触地面的周边地区,也就是从外墙内侧算起2.0m的范围之内,应当作保温处理。
此外,如果底层地面之下还有不采暖的地下室。
保温层除了放在底层地面的结构面板与地面的饰面层之间之外,还可以考虑放在底层地面的结构面板,即地下室的顶板之下。
2.5围护结构节能
建筑节能的内容通常包含两方面的内容。
一部分是加强围护结构的保温隔热能力,另一部分就是从供暖、供冷的热源、输送渠道及实现方式来节约能源。
如今,国际上公认的建筑节能的意义,已经从单纯节约及保持能源,发展到需要提高能源的利用效率。
这样,就对围护结构节能提出了更加苛刻的要求。
围护结构是指建筑物及房间各面的围护物,分为透明及不透明两种类型:
不透明围护结构有墙、屋面、地板、顶棚等;
透明围护结构有窗户、天窗,阳台门、玻璃隔断等。
按是否与空气直接接触又分为外围护结构和内维护结构。
围护结构节能技术就是通过改善建筑维护结构的热工性能,达到夏季隔热冬季保温的效果,最终达到节能目的。
三、墙体节能构造:
墙体是围护结构的主体,目前采用重质材料和轻质高效保温材料的复合墙体已成为主流,根据保温材料在复合承重材料的内侧、外侧还是中间,墙体保温形式可分为外墙内保温、外墙外保温和外墙中保温。
(1)外墙内保温(见图3)是在墙体结构内侧覆盖一层保温材料,通过粘贴剂固定在墙体结构内,并在保温材料外侧作保护面和饰面。
一般有如下几种构造方法:
1)硬质保温制品内贴;
2)保温层挂装;
3)内贴增强粉刷石膏聚苯板;
4)内抹胶粉聚苯颗粒保温浆料。
外墙内保温的优点是不影响外墙外饰面及防水等构造做法,但需要占据较多的室内空间,减少了建筑物的使用面积,会给用户的自主装修带来一定的麻烦。
图3
(2)外墙外保温技术(图4)起源与上世纪四十年代的瑞典和德国,现已成为应用最广泛,效果最优良的技术方法。
外墙保温系统由以下部分组成:
1、基层墙体;
2、粘结层;
3、保温层;
4、抹面防护层;
5、饰面层,外保温系统外饰层面。
外墙外保温常用构造有以下几种:
保温浆料外粉刷:
具体做法是先在外墙外表面做一道界面砂浆,然后粉胶粉聚苯颗粒保温浆料等保温砂浆。
2)外贴保温板材:
基本做法是用粘贴胶浆与辅助机械锚固方法一起固定保温材料。
3)外加保温砌块墙:
可以全部或局部
图4在结构外墙的外面再砌一道墙。
与内保温比较起来,其优点是可以不占用室内使用面积,而且可以是整个外墙墙体处于保温层的保护之下,冬季不至于发生冻融破坏。
但外保温结构构造在对抗变形因素的影响和纺织材料脱落,以及防火等安全方面的要求更高。
从下表可以更加直观比较外墙内保温及外墙外保温的差异:
外墙内保温及外墙外保温对比
内保温
外保温
对墙体的保护
墙体易遭损害
对墙体无损害
热桥(建筑外围护局部存在的易于传热的热流密集的通道)
产生冷热桥
产生温热桥,不会带来危害
表面结露
停止供暖时内表面易结露
停止供暖时内表面不易结露
内部结露
内部易结露
内部不易结露
室温变化
波动大
波动小
适用建筑
间歇使用
连续使用
(3)外墙中保温(见图5)在按照不同的使用功能设置多道墙板或者做双层砌体墙的建筑物中,外墙保温材料可以放置在这些墙体或砌体墙的夹层中,或者并不放入保温材料,只是封闭夹层空间形成静止的空气间层,并在里面设置具有较强反射功能的铝箔等,起到阻挡热量外流的作用。
与外保温、内保温比较,有如下优缺点。
优点:
1、防水、内热等性能均良好,对内侧墙片和保温材料形成有效的保护;
2、对保温材料的选材要求不高,聚苯乙烯、玻璃棉、岩棉等各种材料均可使用;
3、对施工季节和施工条件的要求不高,不影响冬季施工。
图4
不足:
1、非严寒地区此类墙体与传统墙体相比偏厚;
2、内、外侧墙片之间需要有连接杆连接,构造较传统墙体复杂,抗震性能差;
3、圈梁和构造柱设置尚有热桥存在,保温材料性能仍然得不到充分发挥;
4、外叶砌体的抗震性能不好,尤其高层建筑和地震烈度较高的地区更不
宜采用。
四、建筑能耗模拟分析实例
高校建筑节能工程涉及规划设计、施工调试、运行管理、设备维护、设备更新一系列环节,只要有一个环节没做好,就会影响整个工程所能达到的实际节能效果。
据《高等学校节约型校园建设管理与技术导则》中介绍,高等学校要注意节材与材料资源利用,要求校园“建筑造型要素简约,应避免大量装饰性构建”、“在保证建筑物性能的前提下,积极采用新型墙体材料”。
建筑外墙体材料的选用对整幢建筑物能耗是否有积极影响?
我们结合本校实例,并运用DOE-2建筑能耗模拟软件对这一问题进行了探讨。
4.1DOE-2软件的能耗计算原理
该程序是美国国家能源局开发的大型标准程序,是建筑制冷、制热能耗计算中广泛使用的有效工具。
建筑的传热过程是一个动态过程,建筑的得热或失热随室内外气候条件的变化而变化。
DOE-2软件正是运用动态计算方法分析建筑的能耗及其影响因素,它采用反应系数法计算建筑围护结构的传热量。
反应系数法是先计算围护结构内外表面温度和热流对一个单位三角波温度扰量的反应,计算出围护结构的吸热、放热和传热反应系数,然后将任意变化的室外温度分解成一个个可叠加的三角波,利用导热微分方程可叠加的性质,将围护结构对每个温度三角波的反应叠加起来,得到任一时刻围护结构表面的温度和热流。
DOE-2软件的计算过程是一个动态平衡的过程,后一时刻室内温度、冷热负荷以及供暖空调设备的耗电量要受前一时刻的影响。
DOE-2软件根据输入的建筑情况(建筑结构、围护结构材料、供暖空调方式与系统布置形式、室内人员活动规律、照明设备情况)和室内设计温度值,动态地计算出建筑的全年能耗。
其流程如下:
4.2实例模拟:
下面我们大致模拟出学校西区建设工程B区建筑物(图6),接着我们仍采用同样的保温材料,改变保温材料相对于墙体的位置,运用建筑能耗分析软件DOE-2来分析三种保温构造方法的保温效果:
地上四层,窗墙面积比为:
南向0.09,西向0.13,东向0.12,北向0.12,建筑层高2.8米,总面积7427.32m*m。
图6
指标
保温方式
中保温
组成方式
10mm水泥砂浆1700+70mm聚苯乙烯泡沫塑料30+150mm钢筋混凝土2500+石灰水泥砂浆1700
10mm水泥砂浆1700+75mm钢筋混凝土2500+70mm聚苯乙烯泡沫塑料30+75mm钢筋混凝土2500+石灰水泥砂浆1700
10mm水泥砂浆1700+150mm钢筋混凝土2500+70mm聚苯乙烯泡沫塑料30+石灰水泥砂浆1700
外墙传热系数W/(m*m*K)
0.52
单位建筑面积制冷量(kWh/m*m)
15.58
15.84
15.80
单位建筑面积供热量(kWh/m*m)
-20.73
-20.46
-20.32
单位建筑面积总用电量(kWh/m*m)
32.57
32.68
32.66
表中明显可以看出在同样的外墙传热系数条件下,使用外墙保温技术的单位建筑面积总用电量明显低于内保温和中保温技术,而且正如上面说分析的外墙保温的实际优势,我们下面将着重对目前流行的主要三种建筑保温材料进行DOE-2能耗分析。
这里我们依旧使用上面的模型,同时保留的是外保温方式,只是改变保温材料品种。
不同材料得到的能耗分析结果
性能指标
保温材料
材料
EPS聚苯板
XPS挤塑板
聚氨酯
保温材料导热系数W/(m*m*K)
0.042
0.028
0.027
0.36
0.35
15.16
-16.32
32.37
表中XPS挤塑板与聚氨酯的导热系数和单位建筑面积总用电量较EPS聚苯板低,而XPS挤塑板和聚氨酯的热工性能基本没有什么区别,但如果从项目的经济性来看,EPS聚苯板的经济效益相当可观。
市场上,EPS聚苯板的价格在200~~300元/m3,XPS挤塑板价格在1300元左右,聚氨酯现场发泡保温材料也在1300元左右,三种保温板的粘板材料、罩面材料、饰面材料安全一样。
因此现阶段,EPS聚苯板成为主要推广的外保温材料。
XPS板的主要技术性能
项目密度/(kg/m3)热导率/[W/(m·
K)]抗压强度/MPa拉伸强度/MPa剪切强度/MPa
性能指标≥30≤0.028≥0.30≥0.50≥0.25
项目吸水率/%透湿系数/[ng/(m·
s·
Pa)]毛细作用线性膨胀系数/[mm/(m·
K)]边缘表面
性能指标≤1.5≤3.5无0.07平口、毛面
EPS聚苯板技术性能要求
表面密度
(kg/m3)
导热系数
(w/m·
k)
吸水率
%(v/v)
氧指数
(%)
抗拉强度(kpa)
抗压强度(kpa)
厚度
(mm)
厚度偏差
20
≤0.042
≤4
≥30
≥103
≥69
50、90
±
2
利用控制变量法,我们使用EPS聚苯板作为外墙外保温材料,改变节能材料的厚度,看看这对于整体建筑能耗的影响程度大小。
EPS
厚度mm
外墙传热系数
W/(m*m*K)
单位建筑面积
制冷量
(kWh/m*m)
供热量
总用电量
3.43
22.68
-43.00
35.59
40
0.82
16.45
-24.66
32.96
50
0.69
16.07
-23.00
32.79
60
0.58
-21.72
32.67
70
80
0.46
15.41
-19.92
32.50
90
0.41
15.28
-19.26
32.44
100
0.38
15.17
-18.72
32.39
110
15.08
-18.25
32.35
120
0.32
15.02
-17.86
32.33
130
0.30
14.95
-17.51
32.30
模拟结果得出,加了保温材料之后,传热系数显著降低,冷热负荷和总耗电量都降低。
对于有40mm厚的保温材料,外墙传热系数从3.43W/(m2·
K)降到0.87W/(m2·
K),保温效果相当明显,符合建筑节能外墙传热系数的标准。
90mm厚的保温材料降低单位建筑用电总量3150w,可见节能效果显著。
传热系数随着保温材料的厚度增加而不断减少,但从环形图可见,当EPS聚苯板厚度在80~90mm后节能效果趋于平缓,这说明在建筑构件中,并不是保温材料越厚越好,迎综合考虑其经济性,一般选用90mm就够了。
本工程是以90mm聚苯乙烯泡沫塑料为保温材料,耐碱玻纤网格布为增强材料,外墙外保温专用粘接砂浆和外墙外保温专用罩面砂浆作面层的建筑外墙外保温体系的施工标准和验收标准。
该外墙外保温体系基本构造见下表:
外墙
外保温作法
构造示意图
粘结层
保温层
保护层
外饰面
钢筋混凝土墙、砌块墙、粘土砖墙等
①
外保温粘结砂浆
②
聚苯乙烯泡沫塑料板
③
耐碱玻纤网格布增强
3-5mm外保温用罩面砂浆
④
按设计要求做外饰面
⑤
外墙外保温基本构造
聚苯板技术性能要求
≤0.041
聚苯乙烯泡沫塑料是以聚苯乙烯树脂为主要原料,经发泡剂发泡而制成的内部具有无数封闭微孔的材料。
其表观密度小,导热系数小,吸水率低,隔音性能好、机械强度高,而且尺寸精度高,结构均匀。
因此在外墙保温中其占有率很高。
结合之前的计算结果,可见选用既具有明显保温效果又经济实惠的聚苯乙烯泡沫塑料板作为保温材料,对于适应高校建筑节能的需求一个效果显著的途径。
五、新材料,新能源,新方案
随着对外墙建筑设计的深入探究,目前已经出现了很多运用新材料,新能源的设计方案。
外墙作为建筑最大的维护面,在建筑节能设计中有很大的潜力,例如近些年太阳房技术的应用就是这方面的成功尝试。
被动式太阳房(见图7)具有集热、蓄热、保温、等功能,冬暖夏凉,在无辅助热源的情况下,被动式太阳房比普通住房冬季可提高室内温度8摄氏度以上,室内外温差达到15摄氏度;
夏季可降低室温2~3摄氏度,造价仅增加10%~15%,且能收到很好的节能保温效果。
图7被动式太阳房
总之,要实现围护结构节能,首先要控制建筑形体系数,其次要在墙体、屋面、地面、门窗等部位,尤其是外墙外保温部分应详细考虑细部构造,对突出或是容易形成热桥的构建及部位,应采取一些特殊的保温措施。
从而使建筑物围护结构处于一个较封闭的整体保温层中。
地热能的利用地热资源,在所有地壳中都有储存,在我国的利用前景十分广阔。
目前地热资源的利用,主要通过地源热泵完成,地源热泵是通过冬夏的温差,夏季吸收多余热能,冬季吸收多余冷能,以达到冬暖夏凉的目的。
六、新型建筑结构设计
6.1改变建筑整体结构形式
改变建筑整体结构形式,能够彻底改变建筑的围护结构及各种热学性能。
在德国,有一种新型节能住宅,叫做“小丘住宅”,这种住宅不占用地面,由天然建材制成,能耗很低。
这种生态住宅由建筑师格尔德·
汉森设计,他的设计灵感来源于美洲印地安人用粘土制造的房屋,这种住宅以土地为自然外衣,使用废纸作为绝热层,卧室的小壁炉为整个住宅供暖,热交换器为换气扇提供能源。
小丘住宅利用大地的调节作用,节约了能源,同时其造价不比面积相仿的独户住宅贵,约为1500欧元/m2。
可以看出,小丘住宅与我国陕北的窑洞十分相似,在我国有着广阔的使用前景,可以在土质合适的丘陵起伏的山城及乡村推广建造,并且可以在屋顶种植花草树木,既节能,又美观,让城市与自然协调起来。
6.2改变建筑部分结构形式
改变建筑部分结构形式,能够就建筑节能的薄弱点进行改造,从而达到整体的节能。
如北京的锦秋国际大厦,采用双核心筒,薄板楼体设计,采用多种西方最先进的环保建筑材质,营造高雅、生动且现代感极强的建筑效果,建筑立面采用当代高端的施工技艺和先进的建筑材料,运用太阳能设计原理来减少室内空间的热负荷。
其中shadowbox(LOW2E玻璃内衬高级铝板幕墙技术)、彩釉玻璃遮阳幕墙是首次在北京的建筑立面中出现,让大厦在隔噪音、防辐射、防止热量散失方面达到了写字楼环保节能的全新高度,比普通写字楼可节约能源30%。
目前我国外墙保温技术发展很快,是节能工作的重点。
外墙保温技术的发展与节能材料的革新是密不可分的,建筑节能必须以发展新型节能材料为前提,必须有足够的保温绝热材料做基础。
节能材料的发展又必须与外墙保温技术相结合,才能真正发挥其作用。
正是由于节能材料的不断革新,外墙保温技术的优越性才日益受到人们重视。
所以在大力推广外墙保温技术的同时,要加强新型节能材料的开发和利用,从而真正地实现建筑节能。
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(1).
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