鐘勝利, 林堯林

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 上海 201620)

隨著我國(guó)城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快、人口的快速增長(zhǎng)及人均居住面積的增加,建筑能源消耗不斷增加.據(jù)統(tǒng)計(jì),2018年我國(guó)建筑能耗占全社會(huì)總能耗的37%[1],與全球比例接近.另外,在一次能源消耗方面,我國(guó)已經(jīng)超越美國(guó),成為全球一次能源消耗量最大的國(guó)家[2].建筑能源消耗過高會(huì)導(dǎo)致中國(guó)能源短缺情況惡化,使人們的生活環(huán)境質(zhì)量降低,不利于可持續(xù)戰(zhàn)略的實(shí)施.因此,在能源匱乏的情況下,發(fā)展零能耗建筑具有十分重要的意義.

環(huán)境污染問題是當(dāng)前中國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展的另一大弊病.從能源結(jié)構(gòu)形式上來看,我國(guó)70%左右的能源是由煤炭提供的[3],燃煤的使用導(dǎo)致二氧化碳、二氧化硫、粉塵等污染物的增加,給城市環(huán)境帶來了極大的威脅.有數(shù)據(jù)表明,2018年我國(guó)建筑建造和運(yùn)行產(chǎn)生的溫室氣體排放量占當(dāng)年全國(guó)溫室氣體排放總量的42%[1],建筑部門是溫室氣體排放量最大的產(chǎn)業(yè).因此,在倡導(dǎo)節(jié)能減排的號(hào)召下,發(fā)展零能耗建筑是減少碳排放的重要途徑.

由于成本、技術(shù)和材料等方面的原因,與其他發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)對(duì)零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)的研究和應(yīng)用起步較晚.另外,我國(guó)疆域遼闊,復(fù)雜的地理環(huán)境導(dǎo)致了不同氣候區(qū)環(huán)境政策和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的差異.因此,我國(guó)零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)的研究與應(yīng)用有自身特點(diǎn).基于上述內(nèi)容,本文首先從外墻、外窗以及屋頂3個(gè)方面介紹零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì),然后研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)建筑能耗的影響,最后針對(duì)零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)難題提供相關(guān)建議.

1 零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括墻體、門窗、屋頂和地面等,其中,墻體、外窗和屋頂是建筑的主體結(jié)構(gòu),起到阻隔室內(nèi)與室外空間的作用,其熱工性能對(duì)建筑能耗有顯著影響.有數(shù)據(jù)表明,圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱造成的能耗損失約占建筑總能耗的75%[4].因此,對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)至關(guān)重要.隨著我國(guó)建筑節(jié)能工作的快速推進(jìn),各種節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品日趨成熟,我國(guó)已經(jīng)在全國(guó)不同地區(qū)進(jìn)行了近零能耗建筑的示范工程建設(shè)實(shí)踐.我國(guó)不同氣候區(qū)零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能措施見表1.從表中可以看出,在我國(guó)五大氣候區(qū)范圍內(nèi),除了溫暖地區(qū),其余氣候區(qū)均有所分布.在寒冷和嚴(yán)寒地區(qū),零能耗建筑外窗采用傳熱系數(shù)小和高氣密性的木質(zhì)框架結(jié)構(gòu);而夏熱冬冷地區(qū)則普遍采用傳熱系數(shù)較大的鋁合金門窗,玻璃采用低輻射(Low-E)玻璃,為防止太陽照射,考慮外遮陽系統(tǒng);對(duì)于夏熱冬暖地區(qū),屋頂采用綠色節(jié)能屋頂,窗戶選擇Low-E隔熱玻璃.

表1 中國(guó)不同氣候區(qū)零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能措施Table 1 Energy-saving measures for zero energy building envelope structure in different climate regions in China

近年來,我國(guó)零能耗建筑發(fā)展迅速,一系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范日趨完善.2017年《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》首次提出“積極開展超低能耗建筑、近零能耗建筑建設(shè)示范,鼓勵(lì)開展零能耗建筑建設(shè)試點(diǎn)”,2019年《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》頒布實(shí)施,我國(guó)零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)指標(biāo)得以明確,同時(shí),也提出了許多相應(yīng)的節(jié)能措施,如:光伏建筑一體化已經(jīng)成為零能耗建筑應(yīng)用的主流趨勢(shì),其結(jié)合形式主要包括光伏屋面、光伏幕墻、光伏遮陽板、光伏瓦和光伏門窗等.光伏建筑一體化在不占用建筑面積的基礎(chǔ)上為建筑提供電能,可以實(shí)現(xiàn)建筑用電自給自足.位于上海的“漢堡之家”在屋面安裝了450 m2的光伏發(fā)電設(shè)備,可滿足建筑80%左右的能源需求[9].另外,集熱蓄熱墻和集熱蓄熱屋頂?shù)膽?yīng)用也可達(dá)到降低建筑能耗和維持室內(nèi)熱濕環(huán)境的要求.王登甲等[10]研究了青藏高原地區(qū)Trombe墻式太陽房的供暖性能.與無集熱蓄熱墻普通建筑相比,集熱蓄熱墻全天可多得到52.6 MJ熱量,節(jié)能率可達(dá)72.8%.陳濱等[11]研究了被動(dòng)式太陽能集熱蓄熱墻對(duì)室內(nèi)濕度的調(diào)節(jié)作用,對(duì)比分析兩棟不同墻體建筑的物性參數(shù),結(jié)果表明采用被動(dòng)式太陽能集熱蓄熱墻體的建筑比采用普通保溫節(jié)能墻體的建筑室內(nèi)相對(duì)濕度低20%左右,其熱舒適性更好.

1.1 零能耗建筑外墻節(jié)能設(shè)計(jì)

墻體是建筑的重要外部結(jié)構(gòu),其產(chǎn)生的能耗占建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗的比重很大.有數(shù)據(jù)表明,外墻的熱損失占圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗的30%左右[12].因此,提高墻體的熱工性能是建筑節(jié)能的關(guān)鍵一步.我國(guó)對(duì)墻體節(jié)能的研究最早開始于20世紀(jì)80年代,經(jīng)過30多年的研究與發(fā)展,墻體隔熱保溫技術(shù)有了一定的研究成果.新型墻體結(jié)構(gòu)已成為我國(guó)零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)的研究熱點(diǎn).華中科技大學(xué)的張輝[13]對(duì)采用主動(dòng)式動(dòng)態(tài)空心墻的“000PK建筑”進(jìn)行研究,結(jié)果表明該墻體的傳熱系數(shù)可達(dá)0.078 W/(m2·K),具有良好的保溫隔熱性能.朱麗等[14]研究熱質(zhì)墻體在零能耗建筑中的傳熱性能,結(jié)果表明熱質(zhì)墻體在我國(guó)晝夜溫差大、室內(nèi)外平均溫差大的地區(qū)具有較好的適應(yīng)性.武漢科技大學(xué)的童亮[15]研究了半導(dǎo)體電熱堆冷熱墻在近零能耗建筑中的應(yīng)用,結(jié)果表明其具有良好的制冷和制熱效果.

墻體保溫材料是圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)的另一大熱門研究方向,不同保溫材料性能差異較大,導(dǎo)致其節(jié)能效果與適應(yīng)性也會(huì)有所不同.鄧琴琴等[16]研究了北方地區(qū)近零能耗建筑外墻外保溫系統(tǒng)6種保溫材料對(duì)系統(tǒng)耐候、抗剪、防火等性能影響的問題,結(jié)果表明,擠塑聚苯板、模塑聚苯板、石墨模塑聚苯板、聚氨酯、巖棉帶和真空絕熱板在近零能耗建筑中具有較好的適應(yīng)性.同時(shí)還指出,在保溫層厚度一定時(shí),保溫效果相對(duì)較好的是真空絕熱板.李德英等[17]通過調(diào)研我國(guó)近幾年近零能耗示范項(xiàng)目得出,在嚴(yán)寒地區(qū)，近零能耗建筑外墻保溫材料主要以石墨改性聚苯板(SEPS)外保溫體系為主;在寒冷地區(qū),巖棉條和石墨改性聚苯板外墻外保溫體系應(yīng)用較多.

對(duì)于墻體的保溫層厚度,并不是保溫層越厚建筑能耗越低,廟詩祥等[18]研究得出外墻保溫層厚度與相對(duì)節(jié)能量呈對(duì)數(shù)關(guān)系.一般來說,保溫層存在一個(gè)經(jīng)濟(jì)厚度,該厚度可使建筑節(jié)能程度最大化.石俊龍等[19]采用理論計(jì)算法和生命周期價(jià)值法研究了嚴(yán)寒地區(qū)被動(dòng)式低能耗建筑外墻最佳保護(hù)層厚度,結(jié)果表明,當(dāng)保溫層采用可發(fā)性聚苯乙烯(EPS)板時(shí),外墻最佳保護(hù)層厚度為220 mm,當(dāng)厚度超過220 mm,沒有明顯的節(jié)能效果及經(jīng)濟(jì)性.

從以上研究可以看出,零能耗建筑外墻的節(jié)能設(shè)計(jì)措施主要是墻體的保溫隔熱技術(shù).通過一些新型墻體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,可以明顯地降低墻體的傳熱系數(shù),同時(shí),不同氣候區(qū)保溫材料的選擇和保溫層厚度的確定需要因地制宜.

1.2 零能耗建筑外窗節(jié)能設(shè)計(jì)

外窗是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)不可缺少的一部分,是圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱保溫最薄弱的構(gòu)件.據(jù)資料介紹,通過門窗的傳熱損失與空氣滲透熱損失的熱量之和占到整個(gè)建筑物熱量損失的50%[20].因此,對(duì)零能耗建筑外窗進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)也是一個(gè)重要的環(huán)節(jié).我國(guó)對(duì)零能耗建筑外窗傳熱系數(shù)還沒有制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)最新的近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),最低的外窗傳熱系數(shù)限值為1.0 W/(m2·K)[21],而一般的木、塑料、鋼等普通窗戶根本無法達(dá)到這一限值.目前,我國(guó)大多采用斷橋鋁合金和塑鋼等新型建筑外窗,選用中空玻璃、Low-E玻璃和真空玻璃,它們都具有很好的隔熱保溫性能.有研究表明,雙層中空玻璃比普通單層透明玻璃可降低約一半的熱散失.陳一飛等[22]介紹了一種基于陽光輻射的電色層玻璃EC,在此基礎(chǔ)上,科研人員提出了一種更高性能的接近于零能耗的窗體結(jié)構(gòu),經(jīng)測(cè)試這種零能耗窗體模型的傳熱系數(shù)可達(dá)0.3 W/(m2·K)以下.

外窗的氣密性跟窗框材料、開關(guān)窗形式、使用時(shí)間以及外窗所處的環(huán)境緊密相關(guān),其等級(jí)大小可以反映外窗保溫隔熱性能的優(yōu)劣.外窗的氣密性等級(jí)一般分為1～8級(jí),氣密性等級(jí)越高,外窗的熱損失越小,保溫隔熱性能就越好.白濤[23]研究了建筑外窗氣密性與建筑能耗之間的關(guān)系,結(jié)果表明不同氣密性等級(jí)對(duì)建筑能耗影響有所差異,外窗氣密性從1級(jí)提高到8級(jí),房間能耗可以降低25%～37%.

外窗的朝向和窗墻比是影響建筑能耗的重要因素:一方面由于外窗的傳熱系數(shù)一般高于墻體的傳熱系數(shù),窗墻面積比過大必然引起建筑能耗增加;另一方面由于建筑的采光、通風(fēng)以及太陽能的利用主要是通過窗戶來實(shí)現(xiàn),因此在控制建筑窗墻面積比時(shí),要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件,在滿足通風(fēng)采光的條件下,考慮節(jié)能要求,從而確定適宜的窗墻比.《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 134—2010)中規(guī)定,北向窗墻比不宜超過0.40,東西向不宜超過0.35,南向不宜超過0.45.

從以上研究可以看出,外窗的傳熱系數(shù)、氣密性、朝向和窗墻比是影響建筑能耗的主要因素,為提高外窗的熱工性能,降低建筑能耗,我國(guó)采取的主要節(jié)能措施有:合理設(shè)置不同朝向窗墻比,采用氣密性高、傳熱系數(shù)小的外窗材料和設(shè)置外窗遮陽構(gòu)件等.

1.3 零能耗建筑屋頂節(jié)能設(shè)計(jì)

屋頂是建筑物最頂部的外圍護(hù)結(jié)構(gòu),是造成室內(nèi)冷熱損失的主要路徑之一.有研究表明,通過屋面產(chǎn)生的能耗占建筑總能耗的8%～10%[24].因此,在零能耗建筑設(shè)計(jì)中,屋頂?shù)墓?jié)能設(shè)計(jì)必不可少.對(duì)零能耗建筑屋頂進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則:1) 選擇傳熱系數(shù)低、抗壓強(qiáng)度高、吸水率低及重量輕的新型保溫材料;2) 適當(dāng)增加保溫層的厚度,降低熱量損失;3) 布置防水排汽層,使保溫層的含水率保持平衡;4) 采用具有保溫隔熱效果的生態(tài)節(jié)能屋面.

目前,我國(guó)對(duì)零能耗建筑屋頂?shù)难芯恐饕性诒馗魺嵝阅芊矫?綠化屋頂可以增強(qiáng)屋面對(duì)室外熱作用的抗干擾能力,同時(shí)還可以減少空調(diào)能耗,改善室內(nèi)熱環(huán)境.有研究表明,建筑屋頂綠化設(shè)計(jì)能夠使建筑的室內(nèi)和周圍環(huán)境溫度最高下降4 K,同時(shí)建筑環(huán)境溫度每下降1 K,建筑內(nèi)部空調(diào)在容量方面可減少6%[25].任婧等[26]研究了屋頂綠化對(duì)建筑能耗的影響,結(jié)果表明采用屋頂綠化措施后,濟(jì)南、上海、廣州全年能耗最大節(jié)能率分別為5%、6.6%、9.3%.劉慧慧等[27]對(duì)綠化屋頂?shù)臉?gòu)造及其熱工性能進(jìn)行了分析,并研究了其節(jié)能降溫效應(yīng),結(jié)果表明屋頂綠化可使建筑屋面平均溫度降低3 K,從而可以相應(yīng)地降低室內(nèi)空調(diào)能耗.

從以上研究可以看出,對(duì)零能耗建筑屋頂?shù)墓?jié)能措施主要從屋頂?shù)谋馗魺崛胧?可以選擇合適的保溫材料和保溫層厚度,同時(shí),采用綠色節(jié)能屋頂可以起到很好的節(jié)能效果.

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)建筑能耗的影響

許多學(xué)者對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)展開了大量的研究,通過減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù),從而有效地達(dá)到降低建筑能耗的目的.許多國(guó)家還制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來對(duì)零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)進(jìn)行限制.我國(guó)在2019年制定的《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》也給出不同氣候區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值,見表2.從表中可以看出,對(duì)于嚴(yán)寒和寒冷地區(qū),公共建筑外墻的傳熱系數(shù)限值高于居住建筑;對(duì)于屋面的傳熱系數(shù)限值,除了夏熱冬冷地區(qū),其他氣候區(qū)公共建筑屋面的傳熱系數(shù)限值均高于居住建筑;對(duì)于外窗,所有氣候區(qū)公共建筑的傳熱系數(shù)限值均高于居住建筑.這主要是由于公共建筑空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng),能耗高,所以對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱性能要求較高.圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的界定對(duì)今后零能耗建筑的發(fā)展具有十分重要的參考與借鑒意義.

表2 不同氣候區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值Table 2 Heat transfer coefficients limits of envelope structure in different climate regions W/(m2·K)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的好壞直接反映了建筑的節(jié)能水平,不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能技術(shù)對(duì)建筑能耗的貢獻(xiàn)率有所不同.在我國(guó),對(duì)建筑能耗影響因素的研究主要集中在單一的圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)方面,而通常單一節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用無法達(dá)到建筑耗能的限值標(biāo)準(zhǔn).在零能耗建筑的設(shè)計(jì)中,往往需要考慮多種設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)建筑能耗的影響,通過分析各個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)能耗的影響程度,將關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合配置,可以實(shí)現(xiàn)建筑側(cè)能耗需求最小化目標(biāo).不同氣候區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)建筑能耗的影響見表3.從表3可以看出,在寒冷和嚴(yán)寒地區(qū),窗墻比是影響建筑能耗的主要因素;在夏熱冬冷地區(qū),圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫系統(tǒng)則需要主要考慮;在夏熱冬暖地區(qū),外墻的傳熱系數(shù)對(duì)建筑節(jié)能的貢獻(xiàn)率較低,提高其值對(duì)建筑節(jié)能作用不大.

表3 不同氣候區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)建筑能耗的影響Table 3 Influence of envelope structure design parameters on building energy consumption in different climate regions

3 結(jié) 語

本文通過對(duì)零能耗建筑的研究分析,總結(jié)得出我國(guó)不同氣候區(qū)零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)建筑能耗的影響程度.對(duì)于寒冷和嚴(yán)寒地區(qū),窗墻比是影響建筑能耗的主要因素;在夏熱冬冷地區(qū),圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫系統(tǒng)是節(jié)能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù);在夏熱冬暖地區(qū),外墻傳熱系數(shù)對(duì)建筑能耗的貢獻(xiàn)率最低.本文還針對(duì)我國(guó)不同氣候區(qū)零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)提出了相應(yīng)的節(jié)能設(shè)計(jì)措施.在寒冷和嚴(yán)寒地區(qū),應(yīng)優(yōu)先選擇傳熱系數(shù)小和高氣密性的木質(zhì)框架結(jié)構(gòu);在夏熱冬冷地區(qū),玻璃應(yīng)采用低輻射Low-E玻璃,并設(shè)置外遮陽;對(duì)于夏熱冬暖地區(qū),應(yīng)選擇綠色節(jié)能屋頂和Low-E隔熱玻璃;光伏設(shè)備和集熱蓄熱技術(shù)的應(yīng)用可以起到很好的節(jié)能效果,更好地實(shí)現(xiàn)建筑零能耗目標(biāo).

零能耗建筑已成為國(guó)際發(fā)展的大趨勢(shì),是建筑節(jié)能發(fā)展的新方向.由于我國(guó)零能耗建筑的發(fā)展還處在初步探索階段,在零能耗建筑技術(shù)方面,還缺乏成熟的技術(shù)體系.因此,在進(jìn)行零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)在吸取和借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家成功經(jīng)驗(yàn)以及先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國(guó)基本國(guó)情,提高企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力,大力推進(jìn)零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)的技術(shù)進(jìn)步,從而促進(jìn)我國(guó)零能耗建筑的健康穩(wěn)定發(fā)展.