钟胜利, 林尧林

(上海工程技术大学 机械与汽车工程学院, 上海 201620)

随着我国城市化和工业化进程的加快、人口的快速增长及人均居住面积的增加,建筑能源消耗不断增加.据统计,2018年我国建筑能耗占全社会总能耗的37%[1],与全球比例接近.另外,在一次能源消耗方面,我国已经超越美国,成为全球一次能源消耗量最大的国家[2].建筑能源消耗过高会导致中国能源短缺情况恶化,使人们的生活环境质量降低,不利于可持续战略的实施.因此,在能源匮乏的情况下,发展零能耗建筑具有十分重要的意义.

环境污染问题是当前中国建筑行业发展的另一大弊病.从能源结构形式上来看,我国70%左右的能源是由煤炭提供的[3],燃煤的使用导致二氧化碳、二氧化硫、粉尘等污染物的增加,给城市环境带来了极大的威胁.有数据表明,2018年我国建筑建造和运行产生的温室气体排放量占当年全国温室气体排放总量的42%[1],建筑部门是温室气体排放量最大的产业.因此,在倡导节能减排的号召下,发展零能耗建筑是减少碳排放的重要途径.

由于成本、技术和材料等方面的原因,与其他发达国家相比,我国对零能耗建筑围护结构节能技术的研究和应用起步较晚.另外,我国疆域辽阔,复杂的地理环境导致了不同气候区环境政策和经济发展水平的差异.因此,我国零能耗建筑围护结构节能技术的研究与应用有自身特点.基于上述内容,本文首先从外墙、外窗以及屋顶3个方面介绍零能耗建筑围护结构的节能设计,然后研究围护结构设计参数对建筑能耗的影响,最后针对零能耗建筑围护结构节能技术难题提供相关建议.

1 零能耗建筑围护结构节能设计

建筑围护结构包括墙体、门窗、屋顶和地面等,其中,墙体、外窗和屋顶是建筑的主体结构,起到阻隔室内与室外空间的作用,其热工性能对建筑能耗有显著影响.有数据表明,围护结构传热造成的能耗损失约占建筑总能耗的75%[4].因此,对围护结构进行节能设计至关重要.随着我国建筑节能工作的快速推进,各种节能技术和产品日趋成熟,我国已经在全国不同地区进行了近零能耗建筑的示范工程建设实践.我国不同气候区零能耗建筑围护结构节能措施见表1.从表中可以看出,在我国五大气候区范围内,除了温暖地区,其余气候区均有所分布.在寒冷和严寒地区,零能耗建筑外窗采用传热系数小和高气密性的木质框架结构;而夏热冬冷地区则普遍采用传热系数较大的铝合金门窗,玻璃采用低辐射(Low-E)玻璃,为防止太阳照射,考虑外遮阳系统;对于夏热冬暖地区,屋顶采用绿色节能屋顶,窗户选择Low-E隔热玻璃.

表1 中国不同气候区零能耗建筑围护结构节能措施Table 1 Energy-saving measures for zero energy building envelope structure in different climate regions in China

近年来,我国零能耗建筑发展迅速,一系列标准规范日趋完善.2017年《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》首次提出“积极开展超低能耗建筑、近零能耗建筑建设示范,鼓励开展零能耗建筑建设试点”,2019年《近零能耗建筑技术标准》颁布实施,我国零能耗建筑围护结构节能设计指标得以明确,同时,也提出了许多相应的节能措施,如:光伏建筑一体化已经成为零能耗建筑应用的主流趋势,其结合形式主要包括光伏屋面、光伏幕墙、光伏遮阳板、光伏瓦和光伏门窗等.光伏建筑一体化在不占用建筑面积的基础上为建筑提供电能,可以实现建筑用电自给自足.位于上海的“汉堡之家”在屋面安装了450 m2的光伏发电设备,可满足建筑80%左右的能源需求[9].另外,集热蓄热墙和集热蓄热屋顶的应用也可达到降低建筑能耗和维持室内热湿环境的要求.王登甲等[10]研究了青藏高原地区Trombe墙式太阳房的供暖性能.与无集热蓄热墙普通建筑相比,集热蓄热墙全天可多得到52.6 MJ热量,节能率可达72.8%.陈滨等[11]研究了被动式太阳能集热蓄热墙对室内湿度的调节作用,对比分析两栋不同墙体建筑的物性参数,结果表明采用被动式太阳能集热蓄热墙体的建筑比采用普通保温节能墙体的建筑室内相对湿度低20%左右,其热舒适性更好.

1.1 零能耗建筑外墙节能设计

墙体是建筑的重要外部结构,其产生的能耗占建筑围护结构总能耗的比重很大.有数据表明,外墙的热损失占围护结构能耗的30%左右[12].因此,提高墙体的热工性能是建筑节能的关键一步.我国对墙体节能的研究最早开始于20世纪80年代,经过30多年的研究与发展,墙体隔热保温技术有了一定的研究成果.新型墙体结构已成为我国零能耗建筑围护结构节能技术的研究热点.华中科技大学的张辉[13]对采用主动式动态空心墙的“000PK建筑”进行研究,结果表明该墙体的传热系数可达0.078 W/(m2·K),具有良好的保温隔热性能.朱丽等[14]研究热质墙体在零能耗建筑中的传热性能,结果表明热质墙体在我国昼夜温差大、室内外平均温差大的地区具有较好的适应性.武汉科技大学的童亮[15]研究了半导体电热堆冷热墙在近零能耗建筑中的应用,结果表明其具有良好的制冷和制热效果.

墙体保温材料是围护结构节能技术的另一大热门研究方向,不同保温材料性能差异较大,导致其节能效果与适应性也会有所不同.邓琴琴等[16]研究了北方地区近零能耗建筑外墙外保温系统6种保温材料对系统耐候、抗剪、防火等性能影响的问题,结果表明,挤塑聚苯板、模塑聚苯板、石墨模塑聚苯板、聚氨酯、岩棉带和真空绝热板在近零能耗建筑中具有较好的适应性.同时还指出,在保温层厚度一定时,保温效果相对较好的是真空绝热板.李德英等[17]通过调研我国近几年近零能耗示范项目得出,在严寒地区，近零能耗建筑外墙保温材料主要以石墨改性聚苯板(SEPS)外保温体系为主;在寒冷地区,岩棉条和石墨改性聚苯板外墙外保温体系应用较多.

对于墙体的保温层厚度,并不是保温层越厚建筑能耗越低,庙诗祥等[18]研究得出外墙保温层厚度与相对节能量呈对数关系.一般来说,保温层存在一个经济厚度,该厚度可使建筑节能程度最大化.石俊龙等[19]采用理论计算法和生命周期价值法研究了严寒地区被动式低能耗建筑外墙最佳保护层厚度,结果表明,当保温层采用可发性聚苯乙烯(EPS)板时,外墙最佳保护层厚度为220 mm,当厚度超过220 mm,没有明显的节能效果及经济性.

从以上研究可以看出,零能耗建筑外墙的节能设计措施主要是墙体的保温隔热技术.通过一些新型墙体结构的应用,可以明显地降低墙体的传热系数,同时,不同气候区保温材料的选择和保温层厚度的确定需要因地制宜.

1.2 零能耗建筑外窗节能设计

外窗是建筑围护结构不可缺少的一部分,是围护结构隔热保温最薄弱的构件.据资料介绍,通过门窗的传热损失与空气渗透热损失的热量之和占到整个建筑物热量损失的50%[20].因此,对零能耗建筑外窗进行节能设计也是一个重要的环节.我国对零能耗建筑外窗传热系数还没有制定相关标准,根据最新的近零能耗建筑技术标准,最低的外窗传热系数限值为1.0 W/(m2·K)[21],而一般的木、塑料、钢等普通窗户根本无法达到这一限值.目前,我国大多采用断桥铝合金和塑钢等新型建筑外窗,选用中空玻璃、Low-E玻璃和真空玻璃,它们都具有很好的隔热保温性能.有研究表明,双层中空玻璃比普通单层透明玻璃可降低约一半的热散失.陈一飞等[22]介绍了一种基于阳光辐射的电色层玻璃EC,在此基础上,科研人员提出了一种更高性能的接近于零能耗的窗体结构,经测试这种零能耗窗体模型的传热系数可达0.3 W/(m2·K)以下.

外窗的气密性跟窗框材料、开关窗形式、使用时间以及外窗所处的环境紧密相关,其等级大小可以反映外窗保温隔热性能的优劣.外窗的气密性等级一般分为1～8级,气密性等级越高,外窗的热损失越小,保温隔热性能就越好.白涛[23]研究了建筑外窗气密性与建筑能耗之间的关系,结果表明不同气密性等级对建筑能耗影响有所差异,外窗气密性从1级提高到8级,房间能耗可以降低25%～37%.

外窗的朝向和窗墙比是影响建筑能耗的重要因素:一方面由于外窗的传热系数一般高于墙体的传热系数,窗墙面积比过大必然引起建筑能耗增加;另一方面由于建筑的采光、通风以及太阳能的利用主要是通过窗户来实现,因此在控制建筑窗墙面积比时,要根据当地的气候条件,在满足通风采光的条件下,考虑节能要求,从而确定适宜的窗墙比.《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ 134—2010)中规定,北向窗墙比不宜超过0.40,东西向不宜超过0.35,南向不宜超过0.45.

从以上研究可以看出,外窗的传热系数、气密性、朝向和窗墙比是影响建筑能耗的主要因素,为提高外窗的热工性能,降低建筑能耗,我国采取的主要节能措施有:合理设置不同朝向窗墙比,采用气密性高、传热系数小的外窗材料和设置外窗遮阳构件等.

1.3 零能耗建筑屋顶节能设计

屋顶是建筑物最顶部的外围护结构,是造成室内冷热损失的主要路径之一.有研究表明,通过屋面产生的能耗占建筑总能耗的8%～10%[24].因此,在零能耗建筑设计中,屋顶的节能设计必不可少.对零能耗建筑屋顶进行节能设计应遵循以下原则:1) 选择传热系数低、抗压强度高、吸水率低及重量轻的新型保温材料;2) 适当增加保温层的厚度,降低热量损失;3) 布置防水排汽层,使保温层的含水率保持平衡;4) 采用具有保温隔热效果的生态节能屋面.

目前,我国对零能耗建筑屋顶的研究主要集中在保温隔热性能方面,绿化屋顶可以增强屋面对室外热作用的抗干扰能力,同时还可以减少空调能耗,改善室内热环境.有研究表明,建筑屋顶绿化设计能够使建筑的室内和周围环境温度最高下降4 K,同时建筑环境温度每下降1 K,建筑内部空调在容量方面可减少6%[25].任婧等[26]研究了屋顶绿化对建筑能耗的影响,结果表明采用屋顶绿化措施后,济南、上海、广州全年能耗最大节能率分别为5%、6.6%、9.3%.刘慧慧等[27]对绿化屋顶的构造及其热工性能进行了分析,并研究了其节能降温效应,结果表明屋顶绿化可使建筑屋面平均温度降低3 K,从而可以相应地降低室内空调能耗.

从以上研究可以看出,对零能耗建筑屋顶的节能措施主要从屋顶的保温隔热入手,可以选择合适的保温材料和保温层厚度,同时,采用绿色节能屋顶可以起到很好的节能效果.

2 围护结构设计参数对建筑能耗的影响

许多学者对围护结构传热系数展开了大量的研究,通过减小围护结构传热系数,从而有效地达到降低建筑能耗的目的.许多国家还制定了相关标准规范来对零能耗建筑围护结构传热系数进行限制.我国在2019年制定的《近零能耗建筑技术标准》也给出不同气候区围护结构传热系数限值,见表2.从表中可以看出,对于严寒和寒冷地区,公共建筑外墙的传热系数限值高于居住建筑;对于屋面的传热系数限值,除了夏热冬冷地区,其他气候区公共建筑屋面的传热系数限值均高于居住建筑;对于外窗,所有气候区公共建筑的传热系数限值均高于居住建筑.这主要是由于公共建筑空调系统运行时间长,能耗高,所以对围护结构热性能要求较高.围护结构传热系数的界定对今后零能耗建筑的发展具有十分重要的参考与借鉴意义.

表2 不同气候区围护结构传热系数限值Table 2 Heat transfer coefficients limits of envelope structure in different climate regions W/(m2·K)

围护结构热工性能的好坏直接反映了建筑的节能水平,不同围护结构的节能技术对建筑能耗的贡献率有所不同.在我国,对建筑能耗影响因素的研究主要集中在单一的围护结构节能技术方面,而通常单一节能技术的应用无法达到建筑耗能的限值标准.在零能耗建筑的设计中,往往需要考虑多种设计参数对建筑能耗的影响,通过分析各个围护结构关键参数对能耗的影响程度,将关键参数进行优化组合配置,可以实现建筑侧能耗需求最小化目标.不同气候区围护结构设计参数对建筑能耗的影响见表3.从表3可以看出,在寒冷和严寒地区,窗墙比是影响建筑能耗的主要因素;在夏热冬冷地区,围护结构的保温系统则需要主要考虑;在夏热冬暖地区,外墙的传热系数对建筑节能的贡献率较低,提高其值对建筑节能作用不大.

表3 不同气候区围护结构设计参数对建筑能耗的影响Table 3 Influence of envelope structure design parameters on building energy consumption in different climate regions

3 结 语

本文通过对零能耗建筑的研究分析,总结得出我国不同气候区零能耗建筑围护结构设计参数对建筑能耗的影响程度.对于寒冷和严寒地区,窗墙比是影响建筑能耗的主要因素;在夏热冬冷地区,围护结构保温系统是节能设计的关键参数;在夏热冬暖地区,外墙传热系数对建筑能耗的贡献率最低.本文还针对我国不同气候区零能耗建筑围护结构提出了相应的节能设计措施.在寒冷和严寒地区,应优先选择传热系数小和高气密性的木质框架结构;在夏热冬冷地区,玻璃应采用低辐射Low-E玻璃,并设置外遮阳;对于夏热冬暖地区,应选择绿色节能屋顶和Low-E隔热玻璃;光伏设备和集热蓄热技术的应用可以起到很好的节能效果,更好地实现建筑零能耗目标.

零能耗建筑已成为国际发展的大趋势,是建筑节能发展的新方向.由于我国零能耗建筑的发展还处在初步探索阶段,在零能耗建筑技术方面,还缺乏成熟的技术体系.因此,在进行零能耗建筑围护结构设计时,应在吸取和借鉴发达国家成功经验以及先进技术的基础上,结合我国基本国情,提高企业技术创新能力,大力推进零能耗建筑围护结构节能设计的技术进步,从而促进我国零能耗建筑的健康稳定发展.