严寒地区公共建筑节能65%关键技术研究

王丽颖，牛雪柔，周广忻

(长春工程学院建筑与设计学院，长春 130021)



严寒地区公共建筑节能65%关键技术研究

王丽颖，牛雪柔，周广忻

(长春工程学院建筑与设计学院，长春 130021)

通过对公共建筑节能影响因素的分析，探讨了建筑围护结构墙体、地面、屋顶等部位保温材料的选取及构造做法，提出了严寒地区公共建筑节能65%的关键技术。

公共建筑；建筑节能；围护结构

0　引言

随着社会的发展，城市化的步伐大大加快，公共建筑建筑节能的相关性问题已经越来越受到人们的重视。自2005年GB 50189—2005《公共建筑节能设计标准》颁布实施以来，对我国公共建筑节能设计起到了规范和约束的作用。节能设计规范的颁布，反映了我国建筑节能的发展轨迹。住房城乡建设部于2012年6月组织修订编制工作会议，并于2013年11月通过标准审查。在住房城乡建设部发布的《关于进一步推进公共建筑节能工作的通知》中，倡导并正式提出了“十二五”期间我国公共建筑力争实现单位面积能耗下降10%，大型公共建筑能耗降低15%的目标。本文主要针对公共建筑节能的现状，开展对严寒地区公共建筑节能65%关键技术的研究与探索。

1　公共建筑节能的主要影响因素

1.1自然环境因素

温度是建筑节能设计中重要的指标。在严寒地区，夏季太阳高度较大且日照时间长，气温较高，冬季太阳高度较低且日照时间短，气温偏低。影响温度的因素除了日照还有自然风，对于温度的把控应具体分析公共建筑的风环境，有效避免冬季冷风对建筑造成的热损失。在严寒地区，冬季低温会使一些建筑材料、结构甚至是设备受到损坏。当空气湿度大时，空气中或材料中的水分含量增大，会影响建筑材料的强度、耐久性和传导系数等。在严寒地区，冬季室内外温差较大，容易产生结露的现象，结露会导致墙壁发霉、发臭，甚至裂变。因此，需要采用高效率的保温材料提高室内的温度。

1.2建筑自身因素

1.2.1建筑布局

建筑宜采用南北朝向布置，避免东西朝向。南北向的建筑不仅可以取得高质量的太阳光，夏季还可利用夏季风对建筑进行散热降温，同时能有效降低西晒对建筑的影响。建筑宜建设在南低北高的地势上，当建筑的北向有遮挡物时，可抵御冬季风的侵袭。在受到地形条件限制时，可利用种植树木来对建筑的风环境进行改善。利用植物配合建筑布局不仅可以达到通风、节能的效果，选择适宜当地气候的植物还可起到美化环境的作用，改善建筑周围的微气候。另需注意的是，不应在山谷、洼地等处安置建筑，因为易出现冷空气聚集在低洼地带造成的气温低于地面上空气温度的现象。洼地建筑还不利于自然通风和采光。

1.2.2体形系数

体形系数往往反映出建筑形体的复杂程度，当体形系数过小，建筑会显得过于呆板，增加平面布局的难度系数；体形系数过大，则单位建筑面积所对应的外表面积越大，外部围护结构的传热损失越大。在GB 50189—2005《公共建筑节能设计标准》中第4.1.2条规定，位于严寒、寒冷地区的建筑，体形系数应小于或等于0.40。突破了限值则需按照围护结构热工性能的情况进行权衡判断。建筑体型系数受到长、宽、高等诸多因素的制约影响，必须综合考量，适当取舍，探寻最佳、最节能的体形系数。

1.2.3窗墙面积比

窗墙面积比是公共建筑节能设计中的重要指标，对建筑能耗有重要影响。门窗的能耗大约占建筑总能耗的57%左右，在夏季，窗墙比越大，采光率越高，空调的冷负荷就越大；在冬季，窗墙比越大，则室内接受太阳辐射越多，可弥补部分因窗墙比增大而产生的热损耗。严寒地区窗墙比过大易导致热量从门窗散失。应尽量选择较好的朝向设置窗户，保证高质量的阳光和夏季风的引入。

2　公共建筑节能65%技术措施

2.1外墙

2.1.1外保温材料的选择

复合墙体是严寒地区建筑物围护结构节能保温的必然选择，共分为外墙内保温、夹芯保温、外墙外保温3种形式，其中严寒地区主要选择外墙外保温。最新的防火规范中要求公共建筑的保温层采用A级防火材料，现行市场上A级防火保温材料都是无机保温材料，其密度大、自重大，若大面积用作外墙保温容易脱落，且保温性能不如有机保温材料。常用的保温材料——EPS聚苯板、挤塑聚苯板、石墨聚苯板都是B级防火保温材料，在严寒地区公共建筑中无法使用。现在市面上常用的A级保温防火材料有4种，表1是对这4种材料的性能和优缺点的总结分析。

表1　4种A级防火保温材料对比

2.1.2集成式中间夹芯保温板

集成式建筑模式主要是研究采用钢结构预制保温板装配式结构形式。公共建筑是人流比较集中的场所，因此，在墙体保温材料上，必须采用A级防火材料，这种复合墙体构造可应用在严寒地区公共建筑的外墙上，保证了安装时不会因为保温材料过厚而出现连接不牢的弊端。保温板由50厚火山灰混凝土，200厚EPS板保温层，50厚火山灰混凝土组成。火山灰混凝土具有非常好的蓄热功能，预制的夹芯保温板具备A级防火等级防火性能优良，预制板可以在现场直接安装。传热系数可达到0.17 W/(m2·K)，如果将预制夹芯板与其他保温材料复合，可增加墙体的保温效果，其传热系数可达到0.15 W/(m2·K)，能够达到被动式建筑对墙体传热系数的要求。建筑采用预制夹芯板、钢结构墙体，施工速度快、噪声小、操作简单、更加环保。

2.2门窗

随着我国对建筑节能要求的提高，尤其在严寒、寒冷地区，建筑对门窗的要求也越来越严格，包括材料的选择、门窗的性能参数以及门窗安装的气密性等方面。

2.2.1门窗材料的选取

门窗材料的选取影响着窗户的传热系数、太阳的热系数，窗户的传热系数越大，则透过窗户的能量损失就越大。随着建筑材料的发展，窗户材料也具有越来越多的选择。较早时期，我国较多使用的窗户种类有钢窗、铝合金窗、塑料窗、玻璃钢窗等，这些材料都各有优势。随着节能观念的深入人心和科研人员的不断探索，具有节能优势的窗户材料越来越多。目前，可以用在节能门窗中的玻璃有：Low-e漫反射玻璃、中空玻璃、真空玻璃、夹层玻璃等。这些特种玻璃的光学特性、光线透过率均较好，其导热系数低，具有优越的保温隔热性能、隔声性能，同时还能够防止结露，抵抗恶劣的气候环境，具有耐高温、耐低温的特性。

2.2.2门窗型材

在我国严寒地区，传统建筑中使用较多的是实木门窗，因其浪费大量的木材，逐渐被钢门窗、铝合金门窗所取代。目前在我国严寒地区使用最成熟的是PVC塑钢复合门窗。在建筑门窗中选用性能优良的玻璃，同时不能忽略建筑门窗的支撑系统。门窗的支撑系统是由各种型材构成，型材种类有:木材、钢材、铝合金型材、PVC塑料型材、玻璃钢型材等。严寒地区值得推广的为复合型材。由两种或两种以上材料构成的型材，各种材料之间能够优势互补，其中钢材和PVC塑料组合优势最为明显。在塑钢复合型材中，金属材料起到骨架支撑作用，塑料起到保温隔热的作用，而且能够保护金属骨架防止锈蚀。因此，复合型材能够保证门窗具有很好的寿命，同时又有优异的保温性能。

2.3地面

地面作为建筑结构的一部分，在对室内环境的维护中起到至关重要的作用。本文谈到的地面节能优化既包括地板、地面的保温性能，也包括通过一些地面节能优化的技术手段改善室内的热环境和减少能量的消耗。

我国严寒地区冬季地面表面温度较低，尤其是靠近外墙附近的地面，常会因为低温而产生结露的现象，对房间的美观性和使用功能都产生了极大的影响，应做成保温地面，甚至做成采暖地面的形式。根据对公共建筑节能率提高到65%的要求，对公共建筑节能标准和使用经验，我们对严寒地区拟定了建筑地面热阻的参考值。我们对严寒地区拟定了建筑地面热阻值在1.8～2.0之间，对周边地面和非周边地面的热阻值要求有所不同，对于周边地面要求的热阻值更高，因此，当进行地面的节能优化时，应加强对周边地面的保温做法。对严寒地区的非采暖型地面，仅需要做好保温措施，确保达到规定的地面热阻值即可。地面保温主要依靠增设保温层来实现，地面保温选用的保温材料需具有较高的密度和较大的抗压强度，必要时可使用半刚性或刚性的保温材料。其剖面构造通常由绝热层、加热层、填充层(辐射层)和面层组成，楼面通常处于室内环境，无需进行节能处理，但对于出挑部分或裸露于室外环境的楼板，在我国严寒地区必须做好保温节能处理。

2.4屋面

屋顶作为建筑物的顶盖，除了建筑造型，还具有承重、防水、保温、隔热等作用。例如，在南方湿热的地方降水量较大，为了方便排水和遮阳，多选用坡度较大的坡屋顶。而在寒冷干旱的地区，降水多以降雪的形式出现，而降雪会加重屋顶的负担，因此，屋顶形式的影响因素更为复杂。对于保温型屋顶，常用的有正置式屋顶和倒置式屋顶。

3　太阳能和空气源热泵联合采暖系统

在公共建筑中可采用太阳能和空气源热泵联合采暖系统，其由太阳能集热器、空气源热泵、储热水箱、循环水泵、散热末端(散热器、地热等)以及控制系统组成。太阳能是指将太阳能通过集热器(如平板太阳能集热板、真空太阳能管、太阳能热管等吸收太阳能的收集设备)把太阳能转换成方便使用的热水，通过热水输送到发热末端(如地热、散热器、毛细辐射板等)提供房间采暖的系统。太阳能作为清洁和可再生的能源，在能源日益短缺的今天，有着非常广阔的应用前景。在寒冷地区利用太阳能技术不仅能有效缓解生活用能紧张，还能改善能源结构、提高生活质量和减少环境污染。由于太阳能的辐射在寒冷地区时空分布不均匀，冬季日照率较低，因此，采用空气源热泵辅助太阳能是必要的手段之一。空气源热泵是吸收空气中的低温热能，经过压缩机压缩后转化为高温热能，加热水温。

工作原理是：太阳能在阳光较好的白天，充分利用光热作用，吸收太阳能，将热水加热并储备在储水箱中。在夜间和天气不具备使用太阳能条件的时候，启动空气源热泵，加热水箱中的热水，水箱温度在达到设定值后热泵自动停止工作。储水箱中的水由另外一套设备向外输送热量到室内，通过地热或毛细辐射板进行散热。太阳能与水箱之间、空气源热泵与水箱之间、水箱与室内散热末端之间都有循环水泵，能够实现自动切换或起停。

4　结语

我国的建筑节能步伐正在不断加快，建筑节能工作的重心也由住宅扩展到公共建筑。研究意义在于顺应公共建筑节能的发展趋势，引导我国公共建筑按新观念、新技术、新方法和新材料建造节能房屋、生态房屋。改变现有条件，使使用者更真实真切地体会到了节能所带来的好处。

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The Study on 65% of Key Technology on Energy Saving for Public Buildings in Severe Cold Areas

WANG Li-ying，etc.

(SchoolofArchitecture&Design，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130021，China)

Through the analysis of the factors affecting the energy efficiency of public buildings，this paper has discusses the thermal insulation materials selection and construction method of envelope structure such as walls，floors，and roofs of public buildings，and puts forward 65% key technology on energy saving for public buildings in severe cold areas.

public building；building energy efficiency；envelope structure

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.03.012

2016-06-30

吉林省科技发展计划项目(201403005SF)

王丽颖(1962-)，女(汉)，吉林通榆，教授

主要研究建筑设计。

TU201.5

A

1009-8984(2016)03-0051-04