植物纤维新建筑体系的低碳节能特性——关于低碳建筑体系、建筑形式、建筑构件的探索与实践

孙成建 曹玉莲 孙艳清（河北绿环新型墙材科技有限公司，河北 宣化 075100）

1 低碳经济在中国的现状与瓶颈

1.1 现状

中国是世界上耗能大国，也是能源利用率极低的大国。2009 年，全国单位GDP 能耗为1.077 吨标准煤，高于发达国家的近3 倍。2009年全球碳排放316 亿吨，中国排放了70 亿吨，占到23%。

低碳节能是中国经济后金融危机时期发展的必经之路，是关乎中国这个巨大经济体能否生存、可否持续发展的重大课题。在淘汰小火电、小钢铁、小水泥较方便措施基本用尽，又找不到节能减排新潜力的情况下，无奈采取拉闸停电等极端手段，这就是中国低碳转型面临的严峻现状。

1.2 瓶颈

建筑业节能是中国低碳节能全局的瓶颈。只有突破建筑领域低碳节能这个瓶颈，中国的低碳节能经济转型才能实现。建筑业低碳节能的成效，对全国低碳节能的影响巨大。

1）建筑业耗能比重巨大

建筑耗能在全社会耗能中，其狭义的建筑耗能达到37%，这个概念不能准确科学反映建筑耗能的真实状况，因为这种表述只含括了局部不是整体。而包含与建材生产、建筑施工及建筑使用期耗能相关运输耗能、维护耗能等都是建筑耗能的范畴，整体或说广义的建筑耗能，将占全社会耗能的64.09%，甚至更高。

仅以电煤一项举例：2010 年全国发电耗煤16 亿吨，仅城市空调用电占43%以上，电煤消耗约6.8 亿吨，加之电煤运输中的耗能约1 亿吨，共计7.8 亿吨，空调一项就占了全年电煤总额46.25%，数量巨大，触目惊心。

2）建筑耗能对其他耗能行业的刚性促动作用

中国低碳节能转型是个系统工程，而在电力、钢铁、有色、建材、石化、化工六大高耗能行业中，建筑耗能是龙头，对其它行业有巨大牵引推动作用。

图1 2010 年建筑相关行业煤耗表

建筑业的高耗能状况，刚性的推动相关行业的高耗能运行，国家低碳节能的全局被建筑业逆向阻滞。

2010 年粘土砖产量：5600 亿标准砖，81 亿立方，1 立方/30kg，耗煤2.5 亿吨。

2010 年我国水泥产量在16.5 亿吨，73%用于建筑。耗煤3.2 亿吨。

2010 年钢材产量6.92 亿吨，其中粗钢产量4.68 亿吨，用于建筑或相关工程，钢材生产耗煤4 亿吨以上。

2010 年发电用标煤超过16 亿吨，占全年煤产量的48%；其中40%的电力用于建筑取暖、制冷，耗煤6.8 亿吨.北方4.5 个月取暖耗煤约4.5 亿吨。

2010 年全年全国煤产量31 亿吨。而建材生产、建筑施工、建筑使用耗能高达21 亿吨，占全年煤产量的65%。

由此可见，建筑业是全社会高耗能的刚性推动力和强劲的火车头，实现低碳节能的国策，必须突破建筑业低碳节能这个瓶颈。

3）中国建筑业的膨胀期漫长，膨胀量巨大

中国的城市化进程过半， 3 级城市尚有10年以上的发展期；而城镇化建设刚刚起步，如果实现2020 年7 亿人的城镇化目标，建筑总量非常巨大，按照近年的住宅完工面积估算每年20 亿平方米，到2020 年将新建200 亿平方米新建筑，按砖混建筑50 年使用期取暖耗能3.7/m2吨标煤计算，共需要新增煤炭产量74 亿吨;空调用电每年需要新增电煤7.68 亿吨，惊人的数字警告我们，如果不能真实有效的加快建筑低碳节能的步伐，一个全社会缺煤、缺电、缺油的窘迫局面将会很快出现。今年下半年，多省市拉电限排，燃油停售运输瘫痪的局面将愈演愈烈。

按照现在的年建筑量和耗能计算，到2020年我国建筑耗能量达到90 亿吨。

4）建筑物节能性能极低

仅以取暖耗能为例，我国单位建筑面积采暖能耗相当于相同气候地区发达国家的2-3 倍。庞大的旧有高耗能建筑、新建高耗能建筑叠加，使建筑业节能减排的任务异常迫切。

低碳节能型经济是中国的必由之路，建筑业的低碳节能进程是低碳节能转型成败关键所在。

2 建筑业低碳节能价值

2.1 建筑业加快低碳节能的价值

1）社会价值

建筑业的低碳节能程度，直接关系全社会的耗能和排放状况，直接关系到中国的经济能否可持续发展，中国的小康社会和现代化社会能否实现，决定中国人的子孙后代能否在这片土地上生存。

2）经济价值

提高建筑质量，降低建筑耗能和成本，实现国内自有资源、能源的高储备、高效能，减少对国外资源的依赖，保证国家能源安全。

2.2 建筑业低碳节能的策略

建筑节能的策略：重在建材生产、建筑安装、建筑使用耗能三个重点环节上。

2.3 突破低碳建筑关键技术瓶颈

1)建筑材料的免烧化，就是用新技术新工艺替代现有建材生产中燃烧耗能。

2)建材原料的生态、可再生化（降低一次性资源消耗）。

3)围护结构热工性能高优化。

4)建筑施工的集成化。

5)自然能利用综合化。

6)建筑构件的轻体化。

2.4 技术创新

胡锦涛总书记在今年两会强调“技术创新”是“实现产业结构调整的保证和支撑”。我国已经取得了多方面、重大、领先、成熟的实用成果，只要积极推广和广泛应用，就一定能够在较短的时间内，推动中国的低碳建筑走在世界前例。

3 植物纤维建筑

1）纤维建筑及建筑构件具有的低碳、生态、节能特征。

2）植物纤维多层无钢建筑

（1）植物纤维无钢建筑的构成

外围护结构：植物纤维外墙保温板（专利号：ZL 200520129966.1）、植物纤维屋面板（专利号：ZL 200620148664.3）、植物纤维保温窗专利授权号：（201020568283.7）组成。

内围护结构：植物纤维高强楼板（专利号：200620148665.8）、植物纤维内墙隔板、植物纤维隔户保温内墙板组成。

承重结构：承重保温外墙、非承重构造柱 （专利授权号：201020568294.5）、圈梁、轻木屋架组成。

节能配套装置：中水节水装置，专利号：（ZL 200620148663.9）、太阳能高敏暖气（专利授权号：201020568270.1）、自然冷、热风交换装置。

（2）植物纤维无钢建筑的节能特性

已有的试验楼数据：南京林业大学节能别墅，-5 度24h 室内温降为7 度。（室温25 度，全封闭24h 后17 度）。

（3）实现节能的主要技术

外围护结构构件的高热阻性能：植物纤维外墙保温板，结构热阻2.7（m2·k）/w;植物纤维屋面板，1.6（m2·k）/w;植物纤维保温窗，传热系数1.5 W/（m2·K）。

植物纤维外墙保温板，采用25%湿度的空气作保温介质，资源廉价无限，通过多层空气间层技术组合使结构热阻成倍提高，达到2.7（m2·k）/w，实现砌体、保温一体化、轻体化，防火达到A 级160 分钟，彻底根除了火灾隐患。

外保温墙无缝全包敷技术：外保温墙的无缝全包敷是最理想的结构形式，但实现它受限于材料和工艺方面的保障，植物纤维外墙保温板采用直角转弯、墙板外挂的技术组合，完整的实现了这种结构形式，从而大大提高了外墙整体的平均热阻值，达到2.55（m2·k）/w。

高性能保温窗的节能贡献率：外窗的传热系数直接关系建筑的保温隔热性能，我们知道，窗、墙比为37%建筑，外窗的散热量约为整个外围护结构总量的42%；如果是做了外墙保温的建筑，其比例高达50%以上，可见外窗的热功性能对建筑节能至关重要。植物纤维保温窗1.5 W/（m2·K）传热系数，大大降低了建筑的耗能，我们参照北京地区外窗4 W/（m2·K）传热系数规范，比较其节能贡献。

多种技术组合的节能效力：多种技术和产品的综合使得植物纤维多层建筑节能效果显著。植物纤维建筑极佳的整体保温隔热性能，使得大热源供暖成为多余，从而为太阳能暖气供暖提供了必要条件，植纤建筑使用太阳能暖气供暖后，耗能大大降低，并为实现建筑0 耗能做了前期探索。

图2 高敏太阳能暖气示意图

屋顶自然风节能设施：植物纤维建筑配备了屋顶自然风节能装置，在我国大部分地区，尤其是冬冷夏热地区，日昼的温差很大。以北京为例，10 月的日昼温差10 度以上，屋顶自然风节能装置可以把每天最热和最冷气温时的空气封闭储存在屋顶空间，提高屋顶的保温隔热性能。配合植物纤维整个外维护结构较高的保温隔热条件，大大提高建筑的节能优势。见图3。

图3 屋顶间层空气调节示意图

综上所述，植物纤维多层建筑的节能特性突出，技术可靠，实施便捷，是一种成熟的建筑节能技术和产品。

3)植物纤维构件与高层建筑

植物纤维部分建筑构件与混凝土框架结构、钢结构建筑配合使用对提高高层建筑节能性、产业化及土地恢复利用有重大价值。轻体优势减低建筑自重，从而保证土地即时复耕。

高层建筑配用植纤建筑构件，使得整体建筑的平均阻热值大大提高，建筑整体的节能性能大大的提升。

图4 植物纤维建筑外围护结构热阻系数示意图

植纤建筑构件的使用推动了建筑产业化的进程，实现了标准化设计、工厂化生产、集成式拼装的建筑产业化的要求。以2006 年南京林业大学223 平米节能别墅为例：主体建筑施工时间6人9 天完成。同样的砖混建筑，施工工期需要60天以上。

配用植纤建筑构件可以实现干法施工，根除了泥水、灰尘、噪音的污染、不使用大型机械，最大的机械是电钻；耗能为每10 建筑平米0.3 度电；每100 建筑平米用水1 吨，大大降低了施工耗能和污染。

4 完整的低碳节能建筑体系

低碳节能效益，涵盖了建材生产、建筑安装、全寿命期、相关产业、生态利废、自然能利用、建筑使用后的回收再利用的全过程。图5 仅对植物纤维建筑的全程耗能与现行建筑进行了比较。

图5 植物纤维建筑与砖混建筑全序耗能比较表

生产耗能150kg/1kg 运输耗能13kg/13kg；施工耗能50kg/8kg；全寿命耗能3700kg/150kg。

植物纤维建筑构件是系列化产品，涵盖了整体建筑结构的各个部分。它从课题提出—研制计划—试制实验—试验工程—规模化生产线研制，综合了各种技术手段，取得了建筑生态化、节能化、产业化、可再生化的理想效果。

外围护结构产品有：①植物纤维外墙保温板；②植物纤维轻体保温屋面板；③植物纤维保温窗。内维护结构产品有：①植物纤维轻质内墙板；②植物纤维保温隔音隔户墙板；③植物纤维楼道隔墙板。承重结构体系产品有：①植物纤维轻质无钢承重梁；②植物纤维构造柱、植物纤维无钢过梁；③植物纤维无钢屋架。综合能源节能配套装置产品有：①中水利用装置；②太阳能高敏暖气；③自然冷热风交换装置。

5 推广应用

植物纤维低碳建筑广泛应用对低碳经济的推动作用如下。

1）为我国的低碳节能经济发展模式进行了有益的探索。

我国的低碳节能经济转型，时间紧迫压力沉重，箭在弦上，从哪里突破这一难题？方向在哪里？潜力在哪里？答案是建筑业。

建筑业突破技术瓶颈的方向和环节应是：①建筑原料的生态化；②建材生产的免烧化；③建筑安装的集成化；④建筑体系的无钢化、少钢化；⑤保温隔热介质的自然化；⑥自然能技术的组合化。

表1 植物纤维建筑与现行建筑的性价比

建筑业通过技术创新，实现低碳节能突破，对低碳节能的全局，具有重大的意义。可比计算：建筑业节能50%，全社会耗能和排放将降低30%以上。

2)为节能建筑的大面积推广提供了技术保证。

植物纤维建筑及建筑构件为低碳节能建筑的发展，提供了创新的、系列的、扎实的技术和产品保障。

3)为十二五的小康社会建设提供了高性、低价产品

植物纤维建筑立足中国大众，创造极好的产品性价比，为大众梦想的实现提供了可能（详见[中国建材科技]2006 年第六期）。

4)植物纤维建筑及建筑构件项目，为占领后金融危机产业先机提供了可能。

植物纤维建筑及建筑构件是中国独有的，是完全自主知识产权的，是一个完整的新建筑体系。植物纤维建筑及建筑构件项目，为经济结构转型战略，抵抗马上到来的国际“碳关税”打压，保持经济可持续、高质量增长，探索了道路。

植物纤维建筑及建材构件项目，已经完成各种试验工程，进入产业化展开阶段。自2006 年至2008 年完成各种示范工程如下：①2006 年南京林业大学保温别墅工程；②2006 年张市世纪豪园外保温墙工程；③2006 年宣化万豪会馆强隔音内墙工程；④2007 年宣钢2300 平米屋面工程；⑤2007 年国家地震局静海地磁机房工程；⑥2007 年张家口市供电局楼上楼工程⑦2008年12 月北京铭商植物纤维无钢节能住宅楼；⑧2010 年我公司植物纤维节能厂房工程。

综上，植物纤维建筑及建筑构件项目，是代表低碳生态经济新时期建筑理念、建筑性能、建筑方式的发展方向，是一种全新的，具有始创价值的技术和产品，为我国建设低碳节能型经济，建设环境友好型社会，建设社会主义新农村提供了技术和产品保证。