淺析建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計優(yōu)化

【摘要】建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)對能源消耗貢獻(xiàn)很大，尤其是使用大量玻璃外墻的辦公樓對能源消耗更大，據(jù)統(tǒng)計，建筑物能源使用量占全球的35%以上。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要包括外墻的各種構(gòu)件，如墻、屋頂、窗戶和遮陽元件。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計影響相鄰空間的視覺和熱舒適性，無法滿足室內(nèi)空間的視覺和熱舒適性要求，會導(dǎo)致居住者依賴機(jī)械調(diào)節(jié)系統(tǒng)和電氣照明系統(tǒng)增加建筑能耗。因此，優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)將大大有助于建筑節(jié)能。研究結(jié)果表明，提供適當(dāng)?shù)恼陉栐O(shè)備是通過減少太陽熱量獲取來實現(xiàn)能源效率目標(biāo)的最大貢獻(xiàn)者，因為它會顯著改變集成建筑的其他組件的性能，即暖通空調(diào)和人工照明系統(tǒng)，因此，在設(shè)計遮陽元件時必須充分考慮其節(jié)能設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu);建筑節(jié)能;能源評估;能量優(yōu)化;生命周期;被動系統(tǒng)

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

1、概述

近幾年，建筑能耗增長越來越快，世界各地產(chǎn)生的總能量大部分用于暖通空調(diào)，全球住宅和商業(yè)部門的能源消耗也在增加，全球住宅和商業(yè)建筑的交付能耗預(yù)計在2015年至2040年期間平均每年增加1.4%，是全球平均增幅的兩倍多，這一增長的大部分是由于電力份額和天然氣使用的增加，以及電器和能源密集型設(shè)備使用的增加，以取代部分煤炭消費。

決定建筑能耗的兩個因素是建筑的主動系統(tǒng)（暖通空調(diào)、照明、設(shè)備等）和被動的建筑設(shè)計策略（形式、朝向、圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工等），在所有上述因素中，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對各種研究中確定的總能耗貢獻(xiàn)很大。商業(yè)、住宅、醫(yī)院、辦公室、車間等不同應(yīng)用類型的建筑消耗的能量不同，建筑位置、氣候條件、朝向形狀、陽光直射面積以及其他因素也是影響建筑節(jié)能的重要因素。監(jiān)測建筑物的能源性能是一項挑戰(zhàn)，因為大多數(shù)建筑物沒有安裝或沒有運行能源信息系統(tǒng)。在封裝方面，借助熱能儲存，使用合適的相變材料、相變材料混合導(dǎo)熱增強(qiáng)劑來冷卻和加熱建筑物是一個優(yōu)化的選擇，通過改變幾何形狀、相變溫度、平均粒徑、化學(xué)穩(wěn)定性及其加熱冷卻循環(huán)，對建筑節(jié)能效果顯著。

香港的一項研究發(fā)現(xiàn)，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計占辦公樓峰值冷負(fù)荷的36%，另一項研究模擬了阿布扎比的辦公樓，發(fā)現(xiàn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)占建筑總冷負(fù)荷的30%（太陽能、玻璃和織物）。

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)由構(gòu)成外部立面的不透明墻、窗洞、屋頂和遮陽裝置等元素組成，是建筑結(jié)構(gòu)骨架支撐的建筑表皮，熱能通過它傳遞，它在封閉的空調(diào)空間和外部環(huán)境之間充當(dāng)熱障。不同的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)部件，例如墻壁、屋頂、玻璃和遮陽裝置對不同氣候條件下建筑的能量性能有不同的影響，通過最大限度地減少建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳遞，可以大大減少空間供暖和制冷所需的能源。

2、建筑能源評估

在推動能源效率的過程中，建筑能源評估考慮了不同類型的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和方法。

a.評估：評估建筑物在標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)定義條件下的年度能源使用情況。

b.運行額定值：運行額定值代表實際的能源性能，沒有任何預(yù)定義的值，但通過建筑物使用的所有能源的加權(quán)和實際評估，以米或其他方式測量。

兩種方法都是基于計算的，基于測量的方法可以應(yīng)用于既有建筑，為了提高建筑能效，許多國家開發(fā)了評估既有建筑能源性能的增強(qiáng)現(xiàn)實方法。

2.1 影響建筑能源利用的因素

不同的參數(shù)影響建筑物的能源利用，主要考慮如下：

a.外部因素（幾何位置、建筑朝向、陽光輻射等）。

b.內(nèi)部因素（建筑類型、形狀、機(jī)械、人員）。

2.2 建筑形狀和幾何位置對建筑能量優(yōu)化的影響

不同的幾何位置和建筑形狀會影響建筑物接收的總太陽能（傳導(dǎo)、對流和輻射）及其總能耗，建筑的熱輻射消耗可以將冷卻所需的能量提高到25%。在建筑物的設(shè)計過程中，考慮其外表面和總建筑體積之間的比率最小值是非常重要的，這有利于半球形狀的理想情況。研究人員已經(jīng)開始研究建筑物的不同形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)問題，針對平行六面體形狀、六邊形或八邊形基礎(chǔ)平面、彎曲或橢圓形基礎(chǔ)平面或沒有任何特定幾何形狀等的建筑物性能，改變形狀因子獲得針對特定幾何環(huán)境考慮的最佳尺寸設(shè)計，以找到最佳模型。影響加熱和冷卻要求調(diào)節(jié)的不同參數(shù)如下：

（1）緊湊指數(shù)

（2）幾何形狀因子

（3）特定區(qū)域的天氣或氣候

（4）建筑形態(tài)在建筑生命周期中的優(yōu)勢。

2.2.1緊湊指數(shù)

緊湊性指數(shù)可以表示為建筑立面的體積與外表面的比率，通過可能損失或增加熱量表面盡可能小的條件來評價一個非常緊湊的建筑。

2.2.2形狀系數(shù)

根據(jù)土木工程的概念，建筑的長度和其他參數(shù)之間總是有適當(dāng)?shù)年P(guān)系。建筑長度與建筑深度之比表示為形狀因子，不僅是建筑的方向和幾何位置，形狀因素也代表了在每個基點暴露的立面的百分比，形狀和方向的組合優(yōu)化有利于建筑設(shè)計，因此，可能的好處是節(jié)省大約36%的熱能，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，面向南向的建筑立面的最長墻對于正常的矩形房屋具有最合適的位置。形狀系數(shù)為1/2的建筑模型（相對而言，朝向南向的外墻表面暴露在陽光下較少），需要8.2%的更多能量來加熱和冷卻建筑。如果屋頂隔熱效果更好，由于屋頂覆層阻止了太陽輻射產(chǎn)生的熱量，這一能耗百分比將大幅增加（26.7%）。

2.2.3氣候和形狀優(yōu)化

在非常寒冷的天氣區(qū)域，隨著建筑面積的增加，越來越多的熱量通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)逸出，因此在寒冷的氣候區(qū)域，聚集和累積的太陽輻射會增加建筑表面接受主動和被動太陽輻射的面積。通過增加形狀因子，即同樣體積的建筑外表面越多，緊湊性指數(shù)越低，與供暖所需能量的增加成正比。在炎熱的氣候條件下，固定類型的建筑性能無法確定，因為氣候和形狀之間的關(guān)系不是直接的，存在修正因子來確定相關(guān)性。

2.2.4建筑形狀對生命周期成本的依賴性

該周期包括設(shè)計的初步階段、數(shù)月或數(shù)年的建設(shè)期、占用期、使用和維護(hù)以及拆除期，這個過程測量和評估系統(tǒng)中的人力、物力和精力的不同程度，隨著時間流向這個過程。建筑物的最佳形狀和設(shè)計是通過建筑物的幾年建造和使用壽命來執(zhí)行和實現(xiàn)的，這對于計算是非常有用的數(shù)據(jù)。曲線形建筑、多邊形建筑等不同的優(yōu)化形狀是幾年研究的成果，建筑形狀對能源使用和能源需求，影響生命周期成本和生命周期環(huán)境成本。

建筑方向主要基于緊湊度因子、形狀因子的不同參數(shù)，其中主動和被動太陽能加熱影響建筑能耗。在建筑設(shè)計中，除了直接太陽能供暖之外，被動供暖是最重要的。許多研究人員將他們的重點放在建筑物的被動加熱和冷卻上。建筑物正面接收到的直接太陽輻射量取決于墻內(nèi)的方位角，這對于建筑物的方位角非常重要。

最佳建筑朝向有以下積極方面：初期是一項低成本措施，降低能源需求，更復(fù)雜的無源系統(tǒng)使用較少，增強(qiáng)了其他復(fù)雜被動技術(shù)的性能，日光量越多，對人造光的能量需求就越少。因此，建筑物的內(nèi)部熱負(fù)荷降低。

2.2.5建筑外部和內(nèi)部熱負(fù)荷主要取決于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

根據(jù)外部氣候條件確定內(nèi)部氣候條件，因此需要額外的能源用于供暖和制冷。對元素操作和包絡(luò)的正確選擇會對某些能量需求產(chǎn)生積極影響，對其他需求產(chǎn)生消極影響。因此，有必要對建筑的整體性能進(jìn)行評估。

2.2.6建筑物上的陰影

遮陽主要用于減少太陽直接輻射和進(jìn)入建筑物的被動輻射，這些遮陽物件是將最高水平的輻射傳輸?shù)浇ㄖ?nèi)部的元件，遮光不僅用于控制炎熱氣候下的最大太陽輻射量，還用于增加表面積。當(dāng)在建筑立面空腔處提供時，這種遮陽布置提供了最有效的效果。

3、被動系統(tǒng)

房間內(nèi)的循環(huán)和散熱，這些方法被用于通過濕氣來散熱以及從房間中移除濕氣，該系統(tǒng)成本低，效率低。在發(fā)展中國家，電力的廣泛供應(yīng)消除了供暖和制冷的障礙。被動冷卻系統(tǒng)是環(huán)保的，與現(xiàn)代空調(diào)和其他設(shè)備相比，耗電量更少。如今，隨著更多技術(shù)的發(fā)展，被動冷卻再次成為研究的焦點。

4、上釉

玻璃窗是確保進(jìn)入建筑物的能量和離開建筑物的能量的過程，在炎熱的氣候條件下，安裝玻璃是為了減少熱量進(jìn)入建筑物，同時通過自然方式照亮該區(qū)域，這是一種有效的節(jié)能方式。而在寒冷地區(qū)，玻璃被用來將熱量聚集到建筑物上，使建筑物自然升溫，通過這一過程實現(xiàn)了節(jié)能。在光能和光線方面提供能量節(jié)約的玻璃窗可分為以下玻璃類型。

吸熱玻璃：這種玻璃或類似玻璃的材料允許太陽能輻射進(jìn)入建筑物提高其溫度，并通過對流和輻射使熱量在整個房間內(nèi)循環(huán)，以減少通過玻璃的直接輻射，這主要用于寒冷的氣候條件下。

熱反射玻璃：這種類型的材料使用多層或反射涂層或薄膜，有時使用了不止一層來阻擋太陽輻射進(jìn)入建筑物，對炎熱氣候區(qū)有效。

低輻射玻璃：這種類型的材料涂層或薄膜降低了傳熱系數(shù)，也可以方便冬季節(jié)能。

5、不透明墻組件

作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，墻體占據(jù)了熱量損失和增加的很大一部分，熱傳遞系數(shù)是整個不透明墻組件的熱屬性，在評估建筑物的能源性能時，應(yīng)嚴(yán)格考慮該屬性。精確設(shè)計墻體保溫材料的最佳厚度，改善建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱性能，將大大降低建筑運行所需的能源，以此作為降低建筑能耗的一種方式，同時考慮了建筑壽命期間的保溫成本和能源。

6、屋頂總成

屋頂是暴露在太陽輻射下最多的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)元件，因此，也是建筑物（單層）熱量增加的最大貢獻(xiàn)者。通過在鋼筋混凝土板上方提供75毫米厚的聚氨酯泡沫保溫材料，并使用一層涼爽的瓷磚和砂漿作為外部飾面，對屋頂進(jìn)行優(yōu)化，這種屋頂配置將整個屋頂總成年能耗降低了0.4%，這主要是由于冷卻負(fù)荷減少了1%。

7、最佳化

不同的方法可以找到家庭、官方和商業(yè)建筑所使用的能源，但是需要一個廣義的優(yōu)化來預(yù)測能源消耗，或者從基礎(chǔ)設(shè)計假設(shè)構(gòu)建到后假設(shè)，以最小化能源消耗。其中，舊建筑主要是基于建筑角度和地域以及定位的約束，新建筑更多的是優(yōu)化了設(shè)計等考慮與節(jié)能和高效。如今，不同的設(shè)計和熱負(fù)荷以及建筑相關(guān)的軟件可用于優(yōu)化能耗和減少能源使用。

8、節(jié)能建筑的最新進(jìn)展

建筑設(shè)備設(shè)計的最新進(jìn)展帶來了顯著的效率提升，并且還有進(jìn)一步提高的巨大潛力。最新設(shè)計的雙層玻璃窗、PCM板、屋頂保溫、屋頂園藝等，在該領(lǐng)域取得了很大進(jìn)步，并且貢獻(xiàn)了巨大的能量增益。涂有含有特殊顏料的材料的涼爽屋頂反射陽光，吸收的熱量比標(biāo)準(zhǔn)屋頂少，開發(fā)的新型熒光顏料，這些類型的屋頂系統(tǒng)會變得更加“涼爽”，這種顏料的反射陽光量幾乎是標(biāo)準(zhǔn)顏料的四倍。PCM與建筑材料和砂漿混合，低能耗電子電氣設(shè)備，低能耗照明和天花板末端照明等都為建筑節(jié)能做出了貢獻(xiàn)。

結(jié)論：

優(yōu)化建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以對建筑節(jié)能做出顯著貢獻(xiàn)，對于建筑節(jié)能的審查，要綜合考慮內(nèi)部和外部因素，以及內(nèi)部因素的不同標(biāo)準(zhǔn)。能源假設(shè)、建筑設(shè)計和實施以及拆除、不同類型建筑的能量計算等，不僅基于熱力運行，還基于其他各種節(jié)能設(shè)計。建筑物的可持續(xù)設(shè)計應(yīng)用降低了能耗、供暖和制冷負(fù)荷的能源需求，以及建筑物的總成本。不同的設(shè)計因素如建筑朝向、形狀、緊湊性等，會影響建筑的總能耗。通過隔熱、上釉、保護(hù)層等措施，可以最大限度地減少太陽輻射傳熱，實現(xiàn)建筑節(jié)能優(yōu)化。

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作者簡介：劉桂洪（1969.07-），男，學(xué)士/高級工程師，從事建設(shè)工程方面的研究。