探析建筑节能设计应用研究缪娴炯

探析建筑节能设计应用研究缪娴炯

缪娴炯1陈泱2

2、中国联合工程公司浙江杭州310000

摘要：伴随着我国经济近些年的迅猛发展和城市化进程的加快，城市中大量的建筑拔地而起，包括居住建筑，办公建筑以及商业建筑等。建筑业的发展是城市化进程的主要表现。当然，建筑的发展不仅仅是数量上的增多，高度的增加，更重要的是建筑本身对于能耗的节约及控制。从目前对于建筑节能所采用的普遍方法而言，当前建筑节能设计主要集中在建筑外维护结构热工性能的创新及城市供热管网热效率方面，但就建筑体型系数，建筑高度以及建筑朝向对于建筑能耗影响的分析研究相对较少，本文对于建筑节能设计的研究将从建筑外围护结构，建筑体型系数及建筑的朝向等几方面分析考虑。

关键词：建筑节能；节能设计；策略；分析

1国外居住建筑节能设计概况

欧美等发达国家在经历了第一次全球能源危机后，特别是作为石油进口国，在这次能源危机中经济蒙受了巨大的打击，这次事件后发达国家纷纷对节能能耗作出反应，特别是对于能源消耗比重较大的建筑更是尤为重视。一方面从经济政策上加以限制及引导，另一方面从法律法规上对建筑节能设计进行规范。

1.1美国居住建筑节能概况

美国对于建筑节能设计主要是从两方面着手，一是即通过提高建筑围护结构的热工性能、门窗的气密性等。对于自然能源的利用包括风能、太阳能、自然采光热能等措施来降低采暖和空调的能耗；二是提高建筑物内设备的能源效率，采用智能化电气设备减少不必要的能源浪费。主要措施有：将自然光的能量通过先进设备转化成电能，储存并利用。美国还颁布“太阳能供暖降温房屋的建筑条例”和“节约能源房屋建筑法规”，在利用太阳能方面，由国会通过一项对太阳能系统研发减税的优惠方案。上世纪90年代处，太阳能在美国的发展极为迅速，无论是对太阳能建筑的研究、材料和房屋部件结构的产品应用，都已形成完整的建筑产业化体系。

1.2日本居住建筑节能概况

日本在建筑业中实施的节能途径有以下方面：一是提高建筑外围护结构的保温性能及建筑内电器设备的使用效率；二是积极开发新能源。进入二十一世纪，日本又提出了“建筑的节能与环境共存设计”概念，即倡导延长建筑寿命使用高科技环保建筑材料，使用清洁能源以及能源再循环设备等。

2国内建筑节能设计的一般规定

目前国内的居住建筑设计对于建筑热工设计的一般规定是在建筑总平面设计及单体建筑设计上应考虑利用冬季日照，夏季自然通风及太阳能等可再生能源。十二层及以下的住宅建筑必须采用太阳能光热系统，并与建筑进行一体化设计。其次建筑物的朝向以为南北或接近南北向，其应避开冬季主导风向。同时建筑物不宜设有三面外墙的房间，同一房间不宜有两个及两个以上不同朝向的外窗。

3目前常见的建筑节能设计计算方法

3.1按照规定性指标进行设计

按照规定性指标进行设计是指在建筑设计的初期方案设计阶段根据建筑的层高来控制建筑相应层高建筑体型系数（S）的限值。例如一栋建筑是9~13层，其建筑的体型系数（S）限值是0.30。同时在设计阶段应考虑建筑物不同朝向的窗墙面积比限值。例如建筑的南立面，其窗墙面积比的基本限值是0.50最大限制是0.60同样在围护结构的热工设计上也应满足相应的设计规范标准。

3.2按照性能性指标进行设计

按照性能性指标进行设计是指在满足建筑热环境性能指标和能耗指标的前提下，设计人员可根据甲方要求自行确定建筑的形体特征和建筑围护结构热工性能的具体参数设置。按规定性指标进行设计时设计人员可以根据现有的设计规范。例如建筑的体型系数，窗墙面积比，围护结构的传热系数以及供暖，通风和空气调节节能设计等进行设计。两种设计方式既有利也有弊。按性能性指标设计需要对建筑进行能耗分析，进而评价是否节能，能耗计算方法和节能评价方法成为选择这种设计方法的关键。目前建筑节能评价通常采用比较建筑节能设计标准和相关节能标准指标值的方法，建筑节能计算报告书则通过相应的能耗分析软件得出。例如目前常用的建筑节能软件，天正节能以及PKPM等。若建筑节能报告书中出现所设计的建筑在哪一方面并不符合相应的节能规范要求，则需要设计人员通过在节能软件里建筑的一些参数进行调整以及对设计方案进行反复修改，直到最终相关数值符合相关规范。

由此可见，按性能性指标进行节能设计存在一下弊端：

a、对于节能软件的依赖性，而目前得到权威机构确认的能耗分析软件数量不多且推广程度不大。

b、设计人员通过调整软件中的参数设置，为的是通过硬性的节能规范指标，盲目增加例如外挤塑聚苯板的厚度或是增加中空LOW-E玻璃使得建筑能够通过节能计算书要求。而不是通过改变建筑平面和立面设计。表面上看建筑通过了节能计算计算要求符合当地对建筑节能要求的指标。但是因此付出的代价就是额外增加的建筑材料消耗，所以具有一定的被动性，同时也是因人而异，有悖于节能设计的科学性。

所以在建筑节能设计过程中应结合以上两种节能设计方法进行设计计算。同时应充分根据建筑所在的地理位置及环境优势充分的利用自然光照。

4目前建筑节能设计特别是建筑围护结构设计的现状

4.1国内建筑外墙保温的应用

上世纪九十年代初，我国建筑处于刚刚起步阶段。其外墙保温主要采用粘贴易燃发泡材料薄抹灰保温层技术。那时，外墙就好比披上了一件“保温被”，虽然具有一定的保温性能，但是存在相应的隐患，如防火性，耐久性差，以及材料厚度不宜施工和无法适应复杂的建筑结构等。随着时间的推移，出现了新型的外墙保温材料如利用长江淤泥，粉煤灰，木屑和煤饼渣等可利用的固体资源，研发了轻骨料砼复合保温板，淤泥烧结保温砖，轻质保温砂浆等保温材料。这些新型保温材料第一具有防火性能好其本身为不燃体，混凝土复合保温墙体经国家消防装备质量监督检验中心监测，其耐火极限为3小时。第二耐候性，和耐久性好能与建筑具有同样的使用寿命，在建筑设计使用年限（50-100）年内，由于没有建筑墙体保温层的维修，更换的后顾之忧，可以减少大量的人力物力财力的。由于可以避免保温层的维修，

更换同时也减少对于环境的污染以及对墙体的二次破坏。第三易施工，易监控可采用传统的施工方法，同时可以缩短工期。

4.2国外建筑外墙保温的应用

目前，国内外大部分建筑的外墙都已采用各种形式的外墙保温。上世纪五十年代至六十年代期间，欧洲有关的建筑节能保温技术被引进了美国，引进之初，美国根据当地的温带大陆性气候特点和当地建筑体系特点适当的对建筑保温体系进行了改进和发展。由于美国在70年代初遇到了的能源危机，这次前所未有的能源危机让美国政府认识到能源对国家的重要性。与此同时，对于建筑的能耗标准也提出了更高的规范要求。外墙外保温对于建筑节能的优势便体现出来，保温材料的创新以及施工工艺的提高，不断催生美国建筑业的发展，据有关材料表明，美国对于建筑保温体系的应用以每年平均20～25％的速度增长。以这样的速度一直延续到九十年代末期。截止到目前，节能保温体系技术在美国的应用已于四十多年之久，并且广泛应用在城市中的各类建筑以及超高层建筑中。特别是应用在地处于北回归线附近的热带气候区和位于北纬60°和70°之间的寒冷气候区的效果最为显著。

由于先前美国以及欧洲等国家对外墙外保温系统进行过大量的研究分析，包括不同形式的保温材料，采用的保温形式等，再加上长达四十多年的实际应用，对于采用墙体薄抹灰外保温形式对保温材料以及墙体本身的耐久性问题；同种形式的保温结构在受到外界不同应力冲击下的反应；保温形式及材料在寒冷地区中存在的露点问题；模拟测试得出的结论与实际应用中产生的问题进行相关性分析等。以上大量的实验研究分析为基础，使得墙体保温系统在美国以及欧洲等发达国家的运用已经相当成熟，并且对于保温材料的选择及施工要求也有严格的法律规范要求，其中包括要求对外墙外保温系统进行施工安全强制性标准认证，以及该系统中各类保温材料的环保节能标准认证等。通过以上美国以及欧洲发达国家对于建筑保温，建筑节能的重视情况分析。我们应该看到外墙保温体系对于建筑节能设计的重要性。所以我国应该对于建筑的节能，特别是就建筑采用的保温体系来说给与足够的重视和支持。

4.3保温技术在国内实际应用过程中的变化发展

现代建筑的设计标准要求很高，不仅要外观有独特的艺术性，还要有良好的舒适性，节能性。目前，我国对于建筑保温技术的应用主要分为以下两种形式，即：墙体外保温（保温材料安装在户外）和墙体内保温（保温材料安装在室内）两种技术形式。

我国在建筑的发展初期，对于建筑能耗的概念还不是很重视，通过对国外建筑采用保温结构的了解，慢慢的在国内兴起了以墙体内保温技术为主的建筑保温形式。墙体内保温形式的出现对我国建筑要采取保温节能技术起到了重要的推动作用。建筑节能的理念也随之被推广普及。由于当时我国建筑墙体的保温技术还不成熟，无论是保温材料的生产以及施工都很落后。外保温技术还远远不能应用与建筑中；加上发展初期我国对于建筑节能没有相应规范，其标准的要求也不是很严格，加上当时建筑保温形式主要采用墙体内保温为主，墙体内保温在当时也具有一下优点，例如单位面积的材料价格低、室内安装保温材料，施工安全、方便等。但是，随着我国经济的发展，城市化进程不断加快，能源特别是不可再生能源越来越紧缺。对于高耗能建筑明显不能符合当代建筑行业的发展，国家对此提高了建筑节能标准（由原来的30％提高到50%），某些地方甚至为65％。这时的内保温已经不能满足其规范要求。并且建筑的内墙保温形式本身具有一定弊端（以下列举）。会给建筑后期带来某些不利的影响。因此，现在建筑的保温特别是在寒冷地区以及严寒地区主要以外墙外保温的形式存在。

（1）墙体内保温的形式

外墙内保温的原理是在建筑内部的墙体（与外界接触的墙体）结构上通过粘合剂粘贴上一层保温材料。然后在保温材料外面涂抹作保护层。在保护层的外面粉刷涂料或是其他装饰。此前的内保温形式主要通过粉刷石膏作为粘合剂和抹面材料，采用苯板或聚苯颗粒砂浆等保温材料达到保温效果。

（2）外墙内保温主要存在如下缺点

a.保温形式及隔热效果远不及外墙保温，采用内保温形式建筑外墙平均传热系数较高。

b.此保温形式不利于建筑热桥部位的保温，其热桥部分易出现结露现象。外墙对于外界气候变化产生的应力过大。易导致外墙开裂脱落。

c.相对于外墙保温来说内墙保温占用室内使用面积。

d.由于使用的是内墙保温，在用户进行室内装修时容易出现墙体不宜挂重物（空调）、墙体不宜开槽改造等。

e.保温层易出现开裂。由于外墙受到的温差大，直接影响到墙体内表面应力变化，特别是北方的冬季，外界气温低，室内温度高。冷暖相接时易产生水汽凝结。这便是是建筑的热桥效应。从而易引起内表面保温的开裂，特别是保温板与保温板之间的裂缝尤为明显。严重的情况会出现整块的保温板脱落。通过实践得出，外墙内保温形势容易在以下地方即保温板的板缝部位、女儿墙沿与屋顶面板的连接处、空调隔板等悬挑部件，圈梁部位等出现热桥效应。

（3）外墙外保温形式的发展

随着建筑节能技术以及建筑保温材料的不断完善和发展，外墙外保温技术逐渐代替内墙保温形式从而成为建筑保温节能形式的主流。从科学的合理性而言，外墙外保温形式无论是从科学的合理性来说还是从应用的前景来说无疑是一种符合现代建筑发展的保温节能技术。外墙外保温是在主体墙结构外侧在粘接材料的作用下，固定一层保温材料，并在保温材料的外侧用玻璃纤维网加强并涂刷粘结胶浆。随着外墙外保温形式的不断完善，目前国内建筑外保温有膨胀聚苯板薄抹灰外墙保温形式、挤塑聚苯板现浇混凝土外墙保温、STP真空外墙保温等几种保温形式。

（4）外墙外保温与外墙内保温相比所具有的优势

随着建筑节能技术以及建筑保温材料的不断完善和发展，外墙外保温技术逐渐代替内墙保温形式从而成为建筑保温节能形式的主流。从科学的合理性而言，外墙外保温形式无论是从科学的合理性来说还是从应用的前景来说无疑是一种符合现代建筑发展的保温节能技术。外墙外保温是在主体墙结构外侧在粘接材料的作用下，固定一层保温材料，并在保温材料的外侧用玻璃纤维网加强并涂刷粘结胶浆。随着外墙外保温形式的不断完善，目前国内建筑外保温有膨胀聚苯板薄抹灰外墙保温形式、挤塑聚苯板现浇混凝土外墙保温、STP真空外墙保温等几种保温形式。

a.适用的更多建筑形式，材料本身及施工技术含量高。

对于寒冷地区的建筑，适合采用外保温形式的建筑。此形式不仅仅适用民用建筑及工业采暖建筑，同样也适用于温暖地区强调空调制冷效果的建筑。既可运用于新建工程，对于旧工程的改造也同样适合。此形式对于外保温材料的要求高，需要材料的配套完善，施工工艺也要先进合理。

b.保护建筑的外墙主体结构，减少外界因自然因素对于建筑的影响。

建筑外墙采用外保温的形式，有利于减弱因温度变化导致结构变形产生的应力，特别是有效减弱了因季节更替变化产生的雨、雪、冻、融、干、湿等对建筑围护墙体的结构破坏，由于与外界相对隔绝，减少了空气中的湿气侵蚀混凝土从而导致内部钢筋的锈蚀。经过实际项目的应用表明，墙体和屋面通过采用合理的外墙保温材料以及相应的厚度。不仅可以通过建筑节能计算，还可以有效的避免外墙开裂，保温脱落等问题的出现。因此，建筑采用外保温的形式可以减少对建筑外墙及其他结构的温度应力，从而提高了主体结构的耐久性，所以目前被广泛的采用。

c.建筑热桥对于建筑的影响是非常大的。

采用外墙保温形式不仅能够更好的发挥了材料本身的保温节能性能，而且还能够有效的减弱建筑的热桥现象。在建筑中热桥效应主要产生在内外墙交界部位、外墙圈梁、构造柱、框架梁、柱、门窗洞口以及顶层女儿墙与顶板层面交界等部位。根据有关资料统计，建筑物通过外墙及其连接部分产生的“热桥”其传热系数增加对于建筑热损失的增加约占25％，可见“热桥”效应对于建筑节能是十分不利的。建筑的热销效应是无法避免的，只能通过各种手段去尽量减小。外墙外保温形式不但可以有效减少“热桥”部位结露现象的出现，而且可避免“热桥”部位对建筑造成的热损失过大等问题。

计算表明，在厚度为370mm砖墙内保温条件下，周边“热桥”使平均传热系数增加10％左右；在厚度为240mm砖墙内保温条件下，周边“热桥”使平均传热系数比主体部位传热系数约增加51％～59％，而在厚度为240mm砖墙外保温条件下，这种影响仅2%～5%，可见外保温做法更有效地降低了室内空间的热负荷。

d.减少墙面裂缝，方便在室内装修及墙面上悬挂、固定物件。

e.有效减少保温材料与墙体之间产生的湿气，防止保温材料的脱落。

5常见建筑围护结构的列举分析

5.1墙体保温材料

（1）膨胀聚苯板（EPS板）

膨胀聚苯板（EPS板）的吸水率与挤塑聚苯板（XPS板）比较来说偏高，材料本身更容易吸水，这是该材料的一个缺点。其保温板的吸水率对其热传导性的影响很明显，随着吸水量的增大，其导热系数也增大，保温效果也随之变差。膨胀聚苯板目前在一些住宅建筑中仍然大量的使用。其主要原因是由于它的价位相对于其他保温材料来说2、挤塑聚苯板全称是挤塑聚苯乙烯泡沫板，简称挤塑板，又名XPS板，挤塑聚苯板。

优点：

a.具有优异、持久的隔热保温性

所有的保温材料其主要目的都是尽可能降低的导热系数。聚苯乙烯是挤塑聚苯板生产的主要原材料，而聚苯乙烯原本就是极佳的低导热原料，再辅以挤塑押出，其结构形式为紧密的蜂窝状。就更为有效的阻止了热传导，聚能板导热系数为0.028/m。k，具有高热阻、低线性膨胀率的特性。导热系数远远低于其它保温材料。如EPS板、发泡聚氨酯、保温沙浆、珍珠岩等。

b.材料具有优越的抗水、防潮性

挤塑板具有紧密的闭孔结构，聚苯乙烯分子结构本身不吸水，板材的正反面都没有缝隙，因此吸水率极低，防潮和防渗透性能极佳。

c.防腐蚀、经久耐用性

一般的硬质发泡保温材料使用几年后易老化，随（现场施工照片源自考察拍摄）之导致吸水造成性能下降。而挤塑板因具有优异的防腐蚀、防老化性、保温性、在高水蒸气压力下，仍能保持其优异的性能，使用寿命可达30-40年。

（2）STP保温材料

该材料起源于1972年，当时使用主要集中在日本以及欧美等发达国家。STP材料目前在冰箱里使用比较广泛，由此可见STP保温材料的保温性能以及传热系数的优越性。

优点：

a.STP保温板的保温效果相当于常规聚苯板（EPS）的4~5倍，挤塑板（XPS）的5~6倍，具体效果还要考虑到施工现场等因素在山东大部分地区的建筑一般用1.5厘米厚就能达到65%的节能要求。

b.单位面积的质量轻，是外墙干挂石材的重量的四分之一。同时易于施工，不易脱落，安全性高。施工后每平方米的重量大约12公斤。

c.STP保温比传统的保温系统施工工序更简单。易于将保温、装饰工程有机的结合起来。

d.施工方便，可以像瓷砖一样直接粘贴，大大缩短了工期、节约了成本。

e.吸水率小，防水效果好、性价比高缺点：无法根据现场施工需要进行裁切，一旦裁切，真空腔就漏气，失去保温效果。

5.2外窗材料

（1）窗用平板玻璃

窗用平板玻璃也可以称为平光玻璃或镜片玻璃，以下简称玻璃，它是未经研磨加工的平板玻璃。主要用于建筑物的门窗、室外装饰等，起着透光、隔热、隔声、挡风和防护的作用，其中厚度为2～3mm的常被常用于民用建筑使用，工业及高层建筑主要使用4～6mm厚的平板玻璃。

（2）LOW-E玻璃

LOW-E玻璃是表面涂镀一层或多层金属、合金或金属化合物薄膜的玻璃。为了满足某种特定要求，它可以改变玻璃的光学性能，满足某种特定要求。同时LOW-E具有较高的光透射率、较高的太阳能透过率，所以采光性极佳、透过玻璃的太阳热辐射就会越多、隔热性能优良，适用于北方寒冷地区和不分地域的高通透性建筑，突出自然采光效果。

6总结

根据目前国内关于建筑节能设计的国家规定，建筑节能计算可以分为按照规定性指标和按照性能性指标两种方式。两种方式各有利弊。对于建筑单体来说，建筑节能，特别是居住建筑主要体现在建筑本身的外围护结构上。对于外围护结构可以理解为建筑的“外衣”。这件“外衣”不仅要求冬季可以保暖，而且夏季同时也能够保持通透及隔热。作为墙体保温结构来说，墙体外保温无论是从保温效果还是从建筑外立面设计等方面都较墙体内保温有明显优势。随着社会发展以及新兴建筑材料的出现，建筑本身的节能设计计算对于建筑的外围护结构要求越来越高。重量更轻，体积更小，保温系数更高的新型建筑外围护结构一直在不断更新出现。建筑的外围护结构对于建筑本身来说无论是现在还是今后都还是发展的重点。

参考文献

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[2]陈衍庆，王玉荣.建筑新技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[3]江亿.我国建筑节能现状及技术发展趋势[J].暖通空调，2005，35（5）.