公共建筑节能现状与严寒地区节能 65%关键技术的探讨

背景

随着社会的发展，城镇化步伐大大加快，公共建筑节能的相关性越来越受到重视。自2005年GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》颁布实施以来，对公共建筑节能设计起到了规范和约束的作用。节能设计规范的颁布体现了我国建筑节能的发展轨迹。 住房城乡建设部于2012年6月组织了修订编制工作会议，并于2013年11月通过了标准审查。住房城乡建设部在《关于进一步推进公共建筑节能工作的通知》中倡导并正式提出，“十二五”期间，我国公共建筑力争实现单位面积能耗降低10%，大型公共建筑力争实现单位面积能耗降低10%。本文主要针对公共建筑节能现状，对严寒地区公共建筑节能65%关键技术进行研究探索。

影响公共建筑节能的主要因素

1.1 自然环境因素

温度是建筑节能设计中的一个重要指标，寒冷地区夏季阳光高，日照时间长，所以温度高。冬季冬季阳光低，日照时间短，所以温度低。除了阳光，影响温度的因素还有自然风，对于温度的控制，要具体分析公共建筑的风环境，有效避免冬季冷风带来的热量损失。寒冷地区冬季低温会对一些建筑材料、结构甚至设备造成损坏，温度高时，空气或材料中的含水量增加，会影响建筑材料的强度、耐久性和导电性。寒冷地区冬季室内外温差大，容易产生结露现象，结露会导致墙体发霉、发臭，甚至开裂。因此，需要采用高效的保温材料，提高室内温度。

1.2 建筑因素

1.2.1 建筑布局

建筑应以南北向布置，避免东西向。南北向建筑不仅能获得优质日照，夏季可利用风向散热降温，同时有效减少西晒对建筑的影响。在南低北高的地形上，如果建筑北侧有遮蔽处，可抵御冬季风的侵袭。当地形条件受限时，可利用植树造林来改善建筑的风环境。

利用植物配合建筑布局，不但可以达到通风节能的效果，还可以选择适合当地气候的植物，美化环境，改善建筑周围的小气候。建筑的重新安置不利于自然通风和采光，因为低洼处容易聚集冷空气，导致温度低于地面气温。凹陷处的建筑也不利于自然通风和采光。

1.2.2 体形系数

体形系数往往体现了建筑外形的复杂程度，体形系数过小，建筑会显得过于呆板，增加了平面布置的难度；体形系数过大，单位建筑面积对应的表面积就会越大，外围护结构越复杂，结构的传热损失就越大。GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》第4.1.2条规定，位于严寒、寒冷地区的建筑，体形系数宜小于或等于0.40，若超过该限值，则必须根据建筑围护结构的热工性能进行权衡判断。建筑体形系数受长度、宽度、高度等多种因素的影响，必须综合考虑，适当选取，探索出最佳、最节能的体形系数。

1.2.3 窗墙面积比

窗墙比是公共建筑节能设计中的重要指标，对建筑能耗有重大影响。门窗能耗约占建筑总能耗的57%。夏季，窗墙比越大，采光率越高。窗墙比越高，空调冷负荷越大；冬季，窗墙比越大，房间接收到的太阳辐射越多，可以弥补因窗墙比增加而造成的部分热量损失。这就使得热量通过门窗散失。窗户应设置在较好的朝向，以保证引入高质量的阳光和夏日微风。

公共建筑能耗降低65%的技术措施

2.1 外墙

2.1.1外保温材料的选择

复合墙体是严寒地区建筑围护结构节能保温的必然选择，分为外墙内保温、夹层保温、外墙外保温三种形式，其中严寒地区主要选择外墙外保温，最新防火规范要求公共建筑保温层应使用A级防火材料，目前市场上的A级防火保温材料均为无机保温材料，密度大，重量重，若大面积用于外墙保温，易脱落，保温性能不如其他有机保温材料。常用的保温材料—EPS聚苯板、挤塑聚苯板、石墨聚苯板均为B级防火保温材料，不能用于寒冷地区的公共建筑。市场上常用的A级保温材料有四种保温防火材料，表1对这四种材料的性能、优缺点进行了总结和分析。

2.1.2一体化夹芯保温板

一体化建筑模型主要研究采用钢结构预制保温板装配式结构，公共建筑是人员集中的场所，因此墙体保温材料必须采用A级防火材料，这种复合墙体结构可以应用于寒冷地区的公共建筑外墙，保证安装时不会因为保温材料厚度过大而造成连接松动的弊端，保温板由50厚火山灰混凝土、200厚EPS板保温层、50厚火山灰混凝土组成，火山灰混凝土有很好的蓄热功能，预制夹芯保温板具有A级防火等级，防火性能优良，预制板可现场直接安装，传热系数可达0.17W/(m2·K)，若将预制夹芯板与其他保温材料结合可增加墙体的保温效果。 其传热系数可达0.15W/(m2·K)，可满足被动式建筑对于墙体传热系数的要求，该建筑采用预制夹芯板、钢结构墙体，施工速度快、噪音小、操作简单，更环保。

2.2 门窗

随着我国对建筑节能要求的提高，特别是高寒、寒冷地区，对门窗的要求也越来越严格，包括材料的选用、门窗的性能参数、门窗安装的气密性等。

2.2.1门窗材料的选择

门窗材料的选择影响着窗户的传热系数和太阳热系数，窗户的传热系数越大，通过窗户损失的能量就越大，随着建筑材料的发展，窗户材料也越来越多地选择。早期，我国最常用的窗户类型是钢窗、铝合金窗、塑料窗、玻璃纤维窗等，这些材料各有优势。随着节能理念的普及和科研人员的不断探索，越来越多的窗户材料具备节能优势。目前，可用于节能门窗的玻璃包括：Low-e漫反射玻璃、中空玻璃、真空玻璃、夹层玻璃等，这些特种玻璃的光学性能、透光率好、导热系数低，具有优良的保温、隔音性能，同时能防结露、抵抗恶劣气候环境，具有耐高温、耐低温的特点。

2.2.2 门窗型材

在我国严寒地区，传统建筑多采用实木门窗，浪费了大量木材，逐渐被钢门窗、铝合金门窗所取代。目前，在我国严寒地区应用最为成熟的是PVC塑钢复合门窗。建筑门窗应选用优良的玻璃，但建筑门窗的支撑系统也不容忽视。门窗的支撑系统由各种型材组成，有木材、钢、铝合金型材、PVC塑料型材、玻璃钢型材等。复合型材值得在该地区推广。两种或两种以上材料制成的型材可以取长补短，其中钢与PVC塑料的结合优势最为明显。塑钢复合型材中，金属材料起骨架作用，塑料起支撑作用，塑料起隔热作用，可以保护金属框架不生锈，因此复合型材在保证门窗使用寿命长的同时，还具有优良的保温性能。

2.3 地面

楼板作为建筑结构的一部分，对维持室内环境起着至关重要的作用，本文所讨论的楼板节能优化既包括楼板和地板的保温性能，也包括改善室内热环境、降低能耗。

在我国严寒地区，冬季地面温度较低，特别是外墙附近，由于温度较低，经常出现结露现象，对居室的美观度和使用性影响很大，应采用保温地板，甚至采用地暖地板的形式。根据公共建筑节能率提高到65%的要求、公共建筑节能标准及使用经验，我们制定了寒冷地区建筑地坪热阻的参考值。

我们针对寒冷地区提出了建筑地面热阻值在1.8~2.0之间，对周围地面和非周围地面的热阻要求是不一样的，周围地面要求的热阻更高，因此，当地面进行节能优化时，应加强周围地面保温。对于寒冷地区非采暖地面，只需采取保温措施，保证达到规定的地面热阻值即可。

地面保温主要通过增加保温层来实现，地面保温所用的保温材料必须具有较高的密度和较大的抗压强度，必要时可以采用半刚性或刚性的保温材料，其截面结构通常由保温层组成，楼板通常处于室内环境，不需要做节能处理，但对于悬挑部分或者暴露在室外环境中的楼板，在我国寒冷地区必须做保温节能处理。

2.4 屋顶

屋顶作为建筑物的顶盖，除建筑造型外，还具有承重、防水、保温、隔热等作用，如在炎热潮湿的南方，降水量多，为了便于排水、遮阳，常采用坡度较大的斜屋顶。在寒冷干旱地区，降水多以雪的形式出现，会增加屋顶的负担，因此影响屋顶形态的因素比较复杂，对于保温屋顶，常用的有直立式屋顶和倒置式屋顶。

太阳能与空气源热泵联合供暖系统

在公共建筑中，可采用太阳能与空气源热泵联合供暖系统，该系统由太阳能集热器、空气源热泵、热水储水箱、循环水泵、散热终端（散热器、地暖等）及控制系统组成。是指通过集热器（如平板太阳能集热器、真空太阳管、太阳能热管等）将太阳能转化为热水，再输送到供暖端（如地热、散热等），利用辐射装置、毛细管辐射板等为房间供暖的系统。

太阳能作为一种清洁的可再生能源，在能源日益紧缺的今天有着非常广阔的应用前景，在寒冷地区利用太阳能技术，不仅可以有效缓解生活中能源消耗的短缺问题，而且可以改善能源结构，提高生活质量，减少环境污染。由于寒冷地区太阳辐射在时间和空间上分布不均匀，冬季日照率较低，因此利用空气源热泵辅助太阳能是必要手段之一，空气源热泵吸收空气中的低温热能，将其压缩成空气再转化为高温热能，对水进行加热。

其工作原理是：白天阳光充足时，太阳能充分利用光热效应，吸收太阳能，加热成热水并储存在水箱中。晚上及天气不适合利用太阳能时，启动空气源热泵，对水进行加热。将水箱中的热水，当水箱温度达到设定值时，热泵自动停止工作。水箱中的水由另一套设备输送到室内，通过地热或毛细辐射板将热量散发出去。空气源热泵与水箱之间、水箱与室内散热终端之间均设有循环水泵，可实现自动切换或启停。

结论

我国建筑节能步伐不断加快，建筑节能工作重点也由居住建筑拓展到公共建筑，研究的意义在于顺应公共建筑节能发展趋势，引导我国公共建筑按照新理念、新技术、新方法、新材料建设节能住宅、生态住宅。改变现有条件，让用户真正感受到节能带来的好处。

（作者：王丽英、牛雪柔、周光新；长春工程学院建筑与设计学院）

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