浅析气候变化对节能建筑的影响

杜建龙

【摘要】住宅作为居住建筑的最主要形式之一，决定着环境运行的效率以及环境承载能力，我国的住宅长期以来一直是高消费和高污染的产品，随着我国经济的不断发展，人们生活水平的日益提高，人们对住宅热环境舒适性的追求，使得依靠采暖空调设备，满足居住生活要求，成为住宅建筑的时尚，由此产生的住宅空气品质下降，人们健康受到"病建筑综合症"损害，而且建筑能耗进一步加速了能源危机的出现。

【关键字】气候变化；建筑节能；生态建筑设计；住宅建设

全球的气候变化不仅影响人类生存环境，也将影响世界经济的发展和社会进步。随着全球气候变化的不断加剧，所引起的气候变暖，干湿度变化加剧，空气中温室气体以及废气浓度不断增高严重影响着建筑工程的安全性与耐久性。2001年11月l7～18日在清华大学举行的“土建结构工程的安全性与耐久性”科技论坛便指出引起耐久性问题不断加剧的很重要的一个原因便是环境的不断恶化。需要在这方面开展更多的研究工作。

一、渐变性气候变化对建筑结构的影响

影响建筑工程耐久性的渐变性气候恶化包括环境温度升高、干湿度循环加剧、风速提高、环境中温室气体及工业废气等浓度提高。下面将就渐变性气候恶化对建筑结构的影响做具体分析。

（一）强度

混凝土的强度受温度升高的影响十分明显。实验表明，在环境温度下经过120d的常温热循环其抗压强度降低约24%。而对于水灰比为0.53，坍落度为50mm的波特兰水泥混凝土，当大气温度达到32℃时，混凝土试块表面的温度可达63℃；当气温达到40℃～47℃时，混凝土表面温度则高达80℃～90℃。高温和干燥环境作用下混凝土中水分蒸发，骨料与水泥材料性质的变化及骨料与砂浆之间粘结力的变化将引起混凝土抗压强度、弹性模量、徐变变形、收缩变形等性能的变化。

（二）钢筋锈蚀

钢筋混凝土结构中钢筋除在混凝土的碱性环境下（pH约为11～12），表面形成一层钝化膜，抑制钢筋锈蚀。当混凝土碳化以及氯离子渗透至钢筋表面时，钢筋发生脱钝，并在钢筋表面产生电位差，迅速锈蚀膨胀，导致混凝土的剥落，影响结构的安全性及适用性。

环境温度升高，空气中CO2浓度增大时，碳化反应加快。混凝土周围介质的相对温度在50%～75%时，混凝土碳化速度最快。而气候变化引起的酸雨以及由于工业废气（SO2等）浓度增加使得结构多处于酸性环境中，也加快了Cl—的渗入。这些变化都加快了钢筋锈蚀。

（三）冻融损伤

混凝土的冻融破坏是指在冻融交替的作用下，其内部结构产生裂缝和损伤，经多次反复作用后，损伤积累到一定程度所引起的一种结构破坏。混凝土在冻融破坏过程中微孔数量逐渐增加，孔径逐渐扩大，微裂缝增加和扩展，导致混凝土密实度降低，吸水率增加、强度下降。环境变化引起的环境温度离散性加大，以及某些地区空气湿度加大，使得冻融循环更为频繁，破坏更为严重。

二、建筑节能的特点

首先，建筑部门是能源利用和二氧化碳等温室气体排放的重要领域，建筑部门的节能减排对减缓气候变化具有重要意义。据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的测算，在1990年，住宅、商业以及公共机构建筑要对大约全球能源使用的1/3及其相关的碳排放负责。 IPCC在其第三和第四个评估报告中，对建筑部门能源利用及二氧化碳排放的发展趋势和特点做了进一步分析：第一，就国别而言，发达国家建筑排放的二氧化碳最多，并且年度初级能源1.8-1.9%的增长幅度将长期保持稳定；但是自从20世纪80年代后期，发展中国家，特别是亚太地区发展中国家建筑用能及其相关的二氧化碳排放呈快速增长趋势，比全球平均速度快5倍。第二，从建筑类别来看，建筑部门的碳排放中一半来自商用建筑，一半来自住宅。而自2001年之后，住宅的碳排放增长幅度放缓，相反，商用建筑的碳排放则呈加快增长趋势。为此，建筑节能无论是对发展中国家还是对发达国家都具有重要意义。从技术的角度看，在建筑节能领域，存在大量可获得的、并经过实践验证的技术，这些技术在实质性减少能源利用的同时，可以提供相同的服务，并且经常还会产生其他的好处。同时，还有大量可获得的、具有成本效率的关于减少建筑物温室气体排放的技术和专有知识有待于进一步被推广采用。开展建筑节能具有巨大的潜力和发展空间， 据测算，到2020年，在住宅和商用建筑领域，通过减缓措施可以避免全球大约29%的基准排放量。

第二，建筑节能仅仅依靠市场很难收到预期效果，需要政府采取必要的措施进行激励和引导。这是因为：尽管一般认为建筑节能具有成本效益，但这种成本效益是以建筑运营过程的能源节约来判定的，具有长期性。从建筑的最初成本来看，由于相关节能技术、节能原材料以及施工过程管理等方面的要求，使得建筑节能通常要增加最初资本投入。实践中，建筑的开发者以利润最大化为追求目标，其对加大最初投资成本的节能措施没有多大的兴趣和动力，而更可能关心建筑长期运营成本的购买者和租赁者则不能控制资本的投资。同时，由于节能技术和产品的开发需要投入大量的研究费用，而这些费用需要分摊到产品的售价之中。为此，如果缺乏足够的市场规模，节能技术和产品会因为价格过高而失去市场竞争力。而过高的节能技术和产品又反过来会进一步提升建筑节能的最初成本，从而形成恶性循环，阻碍建筑节能的实践发展。除了技术之外，居住者的行为、文化以及消费者选择都是影响建筑物能源消费的主要决定因素。因此，需要针对建筑节能所存在的上述问题，采取相应的对策，通过相应的制度和措施来解决市场不足的问题。

第三，建筑节能涉及诸多利益相关方，需要建材、设施供应商、建筑开发商以及居住者等共同的努力来实现。建筑节能透过建筑物这一载体将生产领域的节能和消费领域的节能连接起来，扩大了节能的政策调整范围。

第四，建筑节能除了作为气候变化措施之外，还可以产生多方利益，例如可以改善空气质量，减少室内空气污染，保障人体健康，创造绿色工作机会以及有利于维护能源安全等。为此，建筑节能为将气候政策与其他政策的有机整合和相互促进提供了便利条件，有利于通过建筑节能，在减缓气候变化的同时，促进可持续发展目标的全面实现。尤其是对于发展中国家而言，建筑的能源效率连同利用当地可获得的可再生能源的现代技术能够构成了其可持续发展战略的主要成分。

三、持续建筑的发展方向

建筑业是能源需求增长较快的领域。要做到建筑可持续，应从以下三个方面着手：

（一）提高材料耐久性，延长建筑使用年限

重视混凝土结构的耐久性也是可持续发展的需要。生产混凝土所需的砂、石等原材料均需大量消耗国土资源并破坏植被与河床，水泥生产也是一项资源消耗大、能源损耗高、污染环境的行业，平均每生产1t水泥约需消耗1t石灰石、150kg标准煤和110kWh电，排放的二氧化碳已占人类活动排放总量的1/5～1/6 。提高材料耐久性，大幅延长建筑使用年限可有效降低单位时间内混凝土等建筑材料的使用数量，从而降低建筑年平均能耗水平。

（二）降低建筑运营能耗，采用清洁能源

选用适宜的建筑结构形式，保持室内通风，当室内换气率（ACH）等于10时，温度对通风率的敏感度为0.5℃/ACH，即此时相当于将室内温度降低了5℃，这对于降低夏季室内高温来说，效果是非常显著地。采用适宜的围护结构保温方案，减少室内外热交换，从而降低夏季和冬季的制冷取暖耗能。同时采用光电太阳能、风能、地源热泵、生物质能等新型可再生能源，可大大降低建筑能耗以及温室气体的排放。

（三）建筑行业的静脉节能

静脉产业，即资源再生利用产业，是以保障环境安全为前提，以节约资源、保护環境为目的，运用先进的技术，将生产和消费过程中产生的废物转化为可重新利用的资源和产品，实现各类废物的再利用和资源化的产业，包括废物转化为再生资源及将再生资源加工为产品两个过程。而建筑行业的静脉节能即是通过开发新型建筑材料，通过对废弃材料的回收利用来达到节能减排的目的。如现有的采用粉煤灰作为外加剂来浇注混凝土，不仅可以改善混凝土的各项性能，延长混凝土结构的使用寿命，同时可以大幅度减小耗费能源多、污染环境严重的硅酸盐水泥用量。同时建筑材料若能回收利用也解决了令人困扰的建筑垃圾处理问题。

全球气候变化对建筑工程行业的发展有着深远的影响，不仅要开展结构安全性耐久性方面的研究以应对日趋严重的气候变化，同时要从建筑行业本身降低结构全寿命周期内对于环境的影响。而且应及时对行业的标准与规范进行修订，以适应建筑工程可持续发展的需要。