论建筑节能设计与发展趋势的几点思考

来源：职称驿站所属分类：建筑设计论文
发布时间：2013-01-22浏览：29次

　　摘要：随着“以人为本”设计理念的提出，人们对住宅的舒适性要求越来越高，建筑能耗也随之增高。据统计，目前我国建筑能耗约占国民经济总能耗的25%左右，且呈上升趋势。另一方面，随着建筑能耗的增加和大量空调设备的安装，“城市热岛效应”日益严重，使环境日益恶化。我国建筑节能的重点应为：建筑本体的节能、采暖系统节能、提高照明和其他电器的效率、大型公共建筑节能。

　　关键词：建筑节能,新能源节能材料,节能建筑,环境设计

　　1 前言

　　近年来，随着全球能源问题的日益严峻和“可持续发展”理念在国内的推广，建筑节能设计越来越引起我国广大建筑工作者的重视。许多发达国家先进的建筑节能理念、技术、材料，以及应用成果被介绍到国内，向人们展示了通过优秀设计和高新科技相结合所创造的优雅、舒适且节能环保的新型建筑发展前景。但是，这些大量应用高科技的节能措施往往成本很高，一次性投入比较大，连发达国家目前也难以大规模推广。我们还应当注意到，目前发达国家的建筑节能技术主要是针对当地的气候特点开发的，而这些技术本身也不是十分完善，在其他地区是否能达到预期的效果还没有十足的把握。

　　2 内保温复合节能墙体组成及应用

　　复合节能墙体通常由绝热材料与传统墙体材料或某些新型墙体材料复合而成。如果绝热材料复合在建筑物外墙的内侧，则称为内保温复合墙体。

　　2.1 墙体结构层：系指混凝土现浇或预制品的外墙，内浇外砌或砖混结构的外砖墙。以及诸如承重多孔砖外墙等其他承重外墙。

　　2.2 空气层：空气也是一种优良的保温材料。因此，在建筑物中常用材料围成的空气隔离层，不但可以保温隔热。而且具有切断液态水份的毛细渗透、防止保温材料受潮的功能，因为一般外侧墙有吸水能力，而其内表面常因温度低而出现的冷凝水。可被结构材料吸入且不断向室外转移和散发。

　　2.3 保温隔热层：这是节能墙体的主要功能部分，常用绝热材料可分为有机、无机金属等三大类。出于导热系数、抗压强度、蒸汽渗透率、燃烧性能等方面的考虑。此处选用挤塑型聚苯板(XPS)为保温材料。

　　2.4保护层：主要功能是防止保温层受破坏，并阻止室内水蒸汽侵入保温层。出于防火、抗冲击和环保等方面的考虑，宜选用A级无机防火板为保护层材料。

　　2.5 饰面层：由于A级无机防火板具有优良的表面亲和特性，所以各种饰面材料均可使用，选用的内墙涂料和粘贴瓷砖都有良好的效果。

　　结合各地的气候和地理环境，借鉴各方面成功和失败的经验，在优化组合的基础上开发的墙体内保温板，具有保温、隔热、隔音、防潮抗冲击、抗震、呼吸等功能，已在工程中应用。

　　3 屋面空间绿化

　　屋面空间绿化指利用绿色植物具有的光合作用能力，在不同的地区，针对太阳辐射的差异，选择不同品种的植物进行屋面种植。绿色植物的种植不仅可以避免太阳光直接照射屋面，而且由于植物本身对太阳光的吸收利用、转化和蒸腾作用，大大降低了屋顶的室外综合温度。同时利用植物培植基质材料的热阻与热惰性，可以降低内表面温度，从而减轻了对顶楼的热传导。有资料显示，种植屋面的内表面温度比其他屋面低2.8℃-7.7℃ 。在炎热的夏季，从屋面进入室内的热量占总围护结构的热量的70%以上，实施绿化的屋面外表面最高温度可以比不绿化的屋面外表面最高温度低20℃ 以上。同时，屋面绿化若在城市中大量应用，可以使整个城市成为高低错落的大花园，降低噪声，提高节能率，改善生态环境。

　　屋面绿化最主要的技术问题是荷载、防水、透气等，应根据屋顶的不同荷重以及植物配置要求制定出种植植物种类及配套设施，其典型构造做法见图1。针对屋面绿化荷重较地面绿化小的特点，宜采用轻质材料作为种植土，目前一般采用草炭腐殖土、珍珠岩、蛭石等。覆土层厚度必须严格按照设计执行，种植层容器材料也可采用竹、木、工程塑料、PVC等以减轻荷重，防止覆土荷重超过允许值使屋面钢筋混凝土板产生塑性变形裂缝，从而造成渗漏。由于屋面绿化的特殊性，种植层的厚度受到限制，植物的配植要求以耐热、抗风、耐旱、耐贫瘠且浅根系的多年生草本、匍匐类、矮生灌木植物为宜，如彩叶草、三色堇、假连翘、鸭跖草、麦冬草等。还要注意保护屋面防水层，一是选择根系不发达的植物;二是选择耐根系穿刺的防水层，如铝合金卷材高密度聚乙烯土工膜等。同时防水层应上翻超过土层15 cm以上，且屋面应形成适当的坡度，以利于及时排除积水。高大的树木和水池等集中荷载应放在柱子或承重墙的位置上，有利于荷载的直接传递。有人认为屋面绿化会对抗渗防漏不利，实际上这种看法有失偏颇。因为土壤在吸水饱和后会自然形成一层憎水膜，可起到滞阻水的作用;同时，覆土种植后，屋面可以免受夏季阳光的暴晒从而显著降低屋面温度，避免和减缓刚性防水层干缩开裂、柔性防水层和涂膜防水层老化。因此，只要处理得当，屋面绿化不仅不会对屋面的抗渗防漏造成不利，反而会承担起保护屋面防水层、延长其使用寿命和增强屋面防水性能的作用。

　　4 探寻节能的绿色建筑材料

　　建筑外维护结构的保温隔热性能直接关系到室内环境的热稳定性和舒适性，对降低建筑能耗起着至关重要的作用。国内目前通行的做法是在外维护结构完成后再在上面附加保温层，以改善热工性能。这种方法虽然可以达到一定的效果，但各种高效保温材料价格不菲，而且其生产加工过程也会大量消耗各种能源。因此，建筑节能不应当只着眼于建筑建成后在使用过程中的能耗，还应当从整体系统的观念出发，关注建筑全寿命周期的能源消耗。从这个角度出发，建筑材料就不但要有出色的保温隔热性能，其加工生产过程也应当简单易行，节省能源。位于美国加州霍普兰德山谷中的太阳生活中心创造性地利用稻草垛作为墙体材料。其具体做法是先将稻草加压打捆，再把它们砌成墙体，然后在墙体上喷涂一种8～10 cm的土质护面灰来代替水泥砂浆。完成后的墙体不但具有良好的保温隔热性能，而且兼有较强的防火性，并且无毒无害。无独有偶，美国建筑师塞缪尔·默克比设计的布赖恩特(Bryant)住宅也采用了类似的墙体做法，只是具体构造略有不同。需要指出的是，这栋面积为79m2的住宅是建筑师无偿为美国阿拉巴马州黑尔县的一对贫困黑人夫妇而设计的，项目经费全部靠募捐筹集，十分有限。建成后的布赖恩特住宅在各方面都达到了设计要求，并深受使用者的喜爱，他们给这座房子起了一个有趣的绰号——“干草捆住宅”。

　　实践表明，这种使用农业副产品作为建材的方法可以使多方受益：农民因出卖稻草获利，建造方可以减少材料造价，节省建材能源开支，燃烧秸秆所产生的温室气体也大大减少。由此可见，创造性地采用新型建材往往可以变废为宝，减少污染和能源浪费，从而达到一举多得的效果。新型建材的思路可以是废物的升级利用，当然也可以是科学上的合成，但如果加工处理过程中的能源消耗过大，或工艺过于复杂，也会得不偿失，这一点应当引起注意。

　　5 充分利用太阳能资源

　　太阳能作为一种天然的洁净能源，也是居住建筑设计上广泛推广的节能设计之一。从近年来的能源使用和发展情况来看，煤、电、油的供应紧张已经不容忽视，太阳能应该由“补充能源”向“替代能源”发展。特别是太阳能热水器经过20年的发展，产品的生产研发技术日臻成熟，越来越受到消费者的青睐。另外，从使用效果和居卫的淋浴费用和投资回收周期来看，太阳能热水器也具有较大的成本优势。然而由于各方面原因，目前太阳能热水器仍以一家一户的零散安装使用方法为主，存在破坏建筑结构、热水温度不稳定等因素。要解决这些问题就必须将太阳能利用装置纳入到建筑设计规范当中，在设计时将太阳能热水器设备纳入到建筑设计之中预留太阳能设置位置，特别是在厨房卫生间内。如果太阳能热水器能够充分加以推广应用，就可以大大节省常规能源，也是建筑节能的发展方向。

　　6 小区总平面的环境设计

　　经验表明，建筑单体的居住舒适度和建筑的环境有很大的关系。位于城市中心区的居住小区由于周围楼房林立，加之中心区的地价高，开发商为了保证必要的利润，小区内建筑的密度也大，因而我市中心区的几个居住小区，与城市边缘区的几个居住小区比较，夏季不仅室外气温要高(1℃～2℃)而且无风闷热。即使是同在市中心区，对环境设计的重视程度不同也可造成居住环境的差别，例如，某小区，虽也位于市中心区，但在拆迁征地时，对原有树木进行了保护，并在规划时合理保留了许多水面(该处原有许多水塘)，小区建成后，很多保留的参天古树，起到了很好的遮阳效果。一株上百年的大树的树冠比面积百倍于其他开发区新栽小树。

　　随着科学技术的日新月异，能源短缺已不容忽视，节约能源已受到世界性的普遍关注，在我国亦不例外。目前，全世界有近30%的能源消耗在建筑物上，长此以往，将严重影响世界经济的可持续发展。因此，能源问题将成为本世纪的热门话题。

　　7 世界其他国家在节能建筑方面的作为

　　美国一家大学曾设计建造了一种四居室的生态房。它的热能来源于人工散热、阳光及使用家电设备所产生的热量;用电依靠风力发电机和太阳能电池;用水是从屋檐流下来经过处理的雨水;粪便和污水则流入一个堆肥坑里，经发酵后供花园施肥用。美国一家建筑公司用回收的垃圾建筑房屋，墙壁是用回收的轮胎和铝合金废料建造的;屋架所用的大部分钢料是从建筑工地上回收来的。

　　日本1997年建成了一栋实验型“健康住宅”。除了整个住宅尽可能选对人体无害的建筑材料外，墙体还被设计成双重结构，每个房间建有通风口，整个房屋系统的空气采用全热交换器和除湿机进行循环。全热交换器能够有效地回收热量并加以再次利用，其过滤器可有效地收集空气中细小的尘埃，从而能够抑制霉菌等过敏生物繁殖。这种资源的回收利用，不仅变废为宝，而且减少了环境污源，节约了能源。

　　德国建筑师塞多·特霍尔斯建造了一座能跟踪阳光的太阳房屋。房屋被安装在一个圆盘底座上，由一个小型太阳能电动机带动一组齿轮。房屋底座在环形轨道上以每分钟转动3cm的速度随太阳旋转。当太阳落山以后，该房屋便反向转动，回到起点位置。它跟踪太阳所消耗的电力仅为房屋太阳能发电功率的1%，而所吸收的太阳能则相当于一般不能转动的太阳能房屋的2倍。

　　8 中国建筑能耗基本情况和几本问题

　　我国正处于房屋建筑的高峰时期，建筑速度之快，规模之大，可谓前所未有。2003年，我国城乡建筑竣工面积达20.3亿平方米(其中城镇12.7亿平方米)，超过所有发达国家年建成建筑面积的总和。但令人忧虑的是，在新竣工的建筑中，节能建筑面积不到1亿平方米，尚不足竣工建筑的5%。至今，在我国城乡既有建筑约400亿平方米中(其中城市约140亿平方米)，只有3.2亿平方米房屋是节能建筑，不到全国既有建筑的1%。

　　我国是一个能源短缺的国家，但我国单位建筑面积能耗目前却是发达国家的2至3倍。与发达国家相比，我国建筑钢材消耗高出10%至25%，每拌和1立方米混凝土要多消耗水泥80公斤;卫生洁具的耗水量高出30%以上，而污水回用率仅为发达国家的25%。此外，在我国人均耕地只有世界人均耕地1/3的情况下，实心黏土砖每年毁田12万亩。

　　我国的建筑能耗量约占全国总用能量的1/4，居耗能首位。近年来我国建筑业到了快速的发展，需要大量的建造和运行使用能源，尤其是建筑的采暖和空调耗能。据统计，1994年全国仅住宅建筑能耗在基本上不供热水的情况下为1.54×108t标准煤，占当年全社会能源消耗总量12.27×109t标准煤的12.6%。目前每年城镇建筑仅采暖一项需要耗能1.3×108t标准煤，占全国能源消费总量的11.5%左右，占采暖区全社会能源消费的20%以上，在一些严寒地区，城镇建筑能耗高达当地社会能源消费的50%左右。与此同时，由于建筑供暖燃用大量煤炭等矿物能源，使周围的自然与生态环境不断恶化。

　　我国节能工作与发达国家相比起步较晚，能源浪费又十分严重。如我国的建筑采暖耗热量：外墙大体上为气候条件接近的发达国家的4～5倍，屋顶为2.5～5.5倍，外窗为1.5～2.2倍;门窗透气性为3～6倍;总耗能是3～4倍。三、我国学要发展的重点领域

　　8.1优化建筑设计

　　建筑造型及围护结构形式对建筑物性能有决定性影响。直接的影响包括建筑物与外环境的换热量、自然通风状况和自然采光水平等。而这三方面涉及的内容将构成70%以上的建筑采暖通风空调能耗。不同的建筑设计形式会造成能耗的巨大差别。然而，建筑物是个复杂系统，各方面因素相互影响，很难简单地确定建筑设计的优劣。例如，加大外窗面积可改善自然采光，在冬季还可获得太阳能量，但冬季的夜间会增大热量消耗，同时夏季由于太阳辐射通过窗户进入室内使空调能耗增加。这就需要利用动态热模拟技术对不同的方案进行详细的模拟测试和比较。

　　8.2建筑围护结构材料和部品

　　开发新的建筑围护结构部件，以更好地满足保温、隔热、透光、通风等各种需求，甚至可根据变化了外界条件随时改变其物理性能，达到维持室内良好的物理环境同时降低能源消耗的目的。这是实现建筑节能的基础技术和产品。主要涉及的产品有：外墙保温和隔热、屋顶保温和隔热、热物理性能优异的外窗和玻璃幕墙、智能外遮阳装置以及基于相变材料的蓄热型围护结构和基于高分子吸湿材料的调湿型饰面材料。自上个世纪90年代起，我国自主研发和从国外吸收消化的外墙、屋顶保温隔热技术被慢慢的采用。尤其外墙外保温可通风装饰板、通风型屋顶产品、通风遮阳窗帘的使用，都大大提高产品的质量、降低建筑运行成本。

　　8.3建筑中的可再生能源技术

　　可再生能源包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能等多种形式。可再生能源日益受到重视。开发利用可再生能源世界能源是持续发展战略的重要组成部分。太阳能既是一次性能源又是可再生能源，资源丰富对环境无污染，是一种非常洁净的能源。应提倡在建筑中广泛应用。

　　8.4其他方面还有很多包括：通风装置与排风热回收装置与各种泵技术。

　　9 结束语

　　今在世界范围内，以大量消耗原材料和能源为特征的传统经济正在逐渐失去昔日的荣耀，由资源依赖型转向创新驱动型，真正实现经济增长方式的转变，已成为正处于快速城镇化、工业化和机动化的中国经济发展面临的非常迫切的重大战略选择。而建筑作为一个完整的系统，如何实现高效率地利用资源，最低限度造成对环境的影响是节约能源的重要环节。总之，只要按照节能新标准严格把好节能设计关，监督好施工节能用材关，就能有效提高居住建筑节能效率，降低建筑能源耗费，节约居家生活成本，为住户打造真正的环保节能、舒适、健康、方便的高品质住宅，为国民经济可持续发展做出贡献。有效地节约土地和能源，是中国可持续发展的战略。将建筑热工技术与恰当应用新材料、新构造相结合，搞好节能建筑设计和施工，促进建筑节能和利用自然能的进一步发展和建筑热功能的进一步改善，是我国建筑工作者进人21世纪的重要任务。虽然，我国在这方面还存在许多问题，但只要我们提高认识，加强管理，那么不久的将来我国一定有望发展成为能源节约大国!

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