建筑被动式外墙环境调控技术研究

杨梅兰

(东莞理工学院城市学院 城市与环境科学系,广东 东莞 523419)

1 引言

随着我国经济的快速发展,人民的生活水平不断提高,对居住环境的舒适度提出了更高的要求。如今,在南方无论是城市还是农村,都在大量的使用空调,在炎热的夏季家家户户都开着空间,有些家庭甚至二十四不间断开着,导致热岛效应越来越严重,人们感觉到气候一年比一年热。经济发展的同时,建筑节能技术在国内得到了迅速发展,主动式节能技术的弊端逐渐显现,被动式节能技术受到青睐。越来越多的工程师从初步设计阶段就开始把绿色、环保的节能技术融入建筑物。被动式住宅建筑环境调控技术就是根据所在地区的气候条件,风向、常年的温度、湿度,从建筑本身出发,做出合理的体型设计、朝向设计、通风换气设计、利用太阳能及风能、利用墙体变色等来保证屋内的人体感觉到舒适的温度、湿度。东莞市南亚热带季风气候显著,具有长夏短冬,光照充足,热量丰富,气候温暖,温度变幅小,雨量充沛,干湿季明显的特点,适合的被动式节能技术如下所述。

2 被动式保温隔热材料环境调控技术

2.1 住宅外维护结构的保温材料隔热特性

在东莞地区夏季较长,要长时间的保持建筑物中维持人体舒适的冷量,要么不断地补充新的冷量,要么采取措施防止冷量流失,将冷量留在建筑物内。冷量总是从低温区流向高温区,冷量的流失主要有三种方式：传导、对流和辐射。

冷量的传导主要发生在建筑物各个构件之间以及建筑物之间。维护结构是建筑物中面积最大的构件,因此,冷量通过墙体散失是最普遍的。围护结构上的一些金属构配件是良好的导体,也会导致冷量的流失。内环境空气发生对流会导致冷量的流失。粗糙的墙表面比光滑的墙表面阻碍空气流动的效果要好。一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射,温度愈高,辐射出的总能量就愈大,保温隔热材料可以降低辐射的效果。要做好建筑物的隔热工作,就要从冷量流失的三种方式着手。

要做好住宅建筑的隔热工作,关键点是选择适合的隔热材料。隔热材料最重要的特性就是热阻,热阻越大隔热性能越好。市面上的隔热材料种类繁多,主要分为无机隔热材料和有机隔热材料,选择合适的隔热材料还需要考虑消防要求,必须符合所在地区的消防标准。

整个住宅建筑中,应该对主要的构件做隔热处理,整个屋面需要铺上隔热层,内墙及外墙更要加强隔热措施。综合考虑节能隔热效果和建造成本之后,内墙隔热层厚度一般做到23-31cm比较合适；外墙隔热层厚度一般做到20-26cm较适宜。当然,具体施工时的厚度还应该结合隔热材料的热阻适当调整,热阻高的材料,哪怕仅有几厘米也可以起到非常好的隔热作用,可以保持室内的舒适度。在隔热商品有质量保证的前提下,施工技术与施工工艺也非常重要,稍有偏差就会大幅度降低隔热效果。隔热材料若与墙体没有完美的贴合,空隙处会出现热桥现象,达到一定时间就会在该部位出现发霉现象。

2.2 住宅墙体外围护结构的隔热技术

住宅建筑外维护结构的隔热措施是在建筑结构部分的基础上设置保温层,目前市面上的保温材料,如保温砂浆、保温涂料等,其保温性能只有新型保温材料的一半,而且其砂浆本身无法替代保温层。外维护结构中的墙体保温有两种方式：建筑外墙在外侧设置保温层；建筑外墙在内侧设置保温层。建筑外墙外侧保温层贴在外墙的表面,不管是施工技术、施工工艺方面,还是保温效果方面都是最优的解决方案。在南方地区,琳琅满目的保温方式中应该首选外墙外保温的形式。住宅建筑外墙外侧保温可以防止室内墙体表面发生霉变,目前比较流行的保温材料厚度在8-18厘米。住宅建筑的各个外墙立面如窗户、阳台、勒脚等部位应该处理得当,否则会引起热桥现象。保温层最好应做到窗框与外墙体连接的内侧点。施工时应注意做完主体结构后再安装窗户,最后设置保温层,如果做好保温层再安装窗户容易发生热桥现象。

当住宅建筑外墙外保温无法实现时,才会使用建筑外墙内侧保温的方式,内侧保温应该由专业的公司来完成,而且必须选用内保温专用的保温材料,选用最先进的施工技术与施工工艺,即使这样还会出现雨水倒灌及出现冷凝水等问题。所以,在规划设计阶段在选择保温方式时,应该慎重选择。

众所周知冷量下降热量上升,所以屋顶的保温隔热工作非常重要。一般需要在屋面结构层之上铺设隔热层。屋顶绿化也是一种不错的保温措施,植被绿化可以起到遮阴和减少冷量从内部辐射散失的作用,还能保护屋顶免受雨水的侵蚀。提高室内人体舒适度并且可以起到隔离噪音和防止火灾的作用,植被发生光合作用吸收二氧化碳释放氧气,还可以调节空气湿度,非常好的保护了屋顶表层结构,延长了屋面结构的使用寿命。

3 建筑外墙立体绿化环境调控技术

东莞地区炎热的夏季持续时间较长,以住宅建筑的外墙体作为载体,发展空间的绿化模式,不占用土地,又可以美化环境。有绿色植物遮挡的地方,太阳辐射强度仅有阳光直射地区的几十分之一甚至百分之一。浓密的枝叶象一层厚厚的外衣,可以大幅度降低太阳的辐射强度,同时也降低温度。尤其是城市墙面的反射热比较强烈,对住宅建筑外墙面进行空间绿化,就可以明显减少这方面的影响。凡是有植被遮挡的墙面温度可以降低3-8度,特别是朝西的外墙面,绿化覆盖后降温的效果尤其显著。与此同时,建筑外墙面种植绿化植被后空气相对湿度可以提高11-22%,在东莞地区炎热的夏季这将大幅度的降低人们的排汗量。建筑物外墙面用绿色植被覆盖以后,不仅具有良好的装饰效果,还具有良好的生态功能,而且可以降低室内温度,提高室内的舒适度。

住宅建筑外墙面绿化可以减少夏季墙体对太阳辐射热的吸收,从而可以降低室内温度,植物叶面蒸发水分,也可以降低降低外墙的温度,增加室内人体舒适度,因而减少空调的使用,墙体绿化具有节约能源降低能耗的作用。建筑外墙面绿化的主要方式有：(1)利用藤蔓植物的吸附特性使其攀附于墙面上,或在墙面前利用支撑构件引导植物攀爬使其遮蔽墙面；(2)将预先种入容器中的植物安装到墙面上；(3)在墙面的底部栽种园林树木或藤蔓植物,通过引导将树的枝叶引向墙面,起到遮挡作用。

由于东莞地区夏季气温较为炎热,墙体绿化的主要功能即为夏季降低太阳辐射得热,因此,对北京地区墙体绿化应遵循以下原则为了在夏季降温应选择叶大,叶密的藤蔓植物,这有利于夏季光合作用及植物自身吸热、遮挡对建筑的降温,如爬山虎应选择构造形式中植物与墙体之间存在一定间距的垂直绿化形式,这有利于叶片与墙面之间的空气流动,在一定程度上降低室内温度。

4 窗户环境调控技术

外维护结构上的窗户具有通风、采光的功能,然而在夏季较长的东莞地区,通过窗户损失能耗的现象不可避免。因此,平衡好保留窗户本身的功能和避免冷量散失之间的关系至关重要。然而,通过窗户流失冷量的现象不容忽视,最理想的情况是保证采光通风的同时尽可能减少通过窗户流失的冷量。除了选择热阻高的窗玻璃外,还应该考虑窗框处的密封性,相对于窗玻璃节能而言,窗框处损失的冷量更多。基于上述分析,窗户这里的节能设计应该从如下两个原则考虑：第一,尽量选择热阻高的窗玻璃；第二,尽量增加密封性,即增加玻璃与窗框的密封性,增加窗框与墙体的密封性以及增加窗框与窗框之间的密封性。

随着科技的迅猛发展,现代化的窗玻璃具有隔热、绝缘的性能,这样,窗玻璃与各个部位的连接情况就决定了窗户的节能状况。隔热玻璃表面有一层金属涂层,保证透光性的同时可以有效的阻止辐射,所以可以达到很好的隔热效果,防止室外热量进入室内,特别适用于大面积的朝阳窗户,尤其适用于像东莞一样炎热的地区。绝缘玻璃一般由两层甚至更多层质量较高的玻璃,玻璃之间采用真空绝热处理,或者在玻璃之间填充惰性气体,这些气体可以发挥比较好的绝缘隔热作用。对于被动式建筑来说,多层充入惰性气体的玻璃具有更高的热阻,更低的冷量损失。此外,通过实验发现,使用质量较好的隔热玻璃或者绝缘玻璃,朝阳的窗墙比达到42%时,冷量收支盈余减少,当窗墙比达到82%时,冷量收支没有盈余,基本达到平衡。

窗框结构的密封性及导热性能对窗户部分的节能至关重要,导热好密封差的窗框结构用再好的绝缘隔热玻璃都于事无补。因此,选择窗框的材料是至关重要的环节,常用的有塑钢、木材等多种复合物。注重材料选择的同时,还要注意窗框各个接口处的密封性,好的密封性可以阻止冷量的散失。

东莞地区夏季较长,在朝阳的窗户上方设置遮阳板装置可以降低窗户收集太阳热能的效果；悬挂浅色不透光的窗帘,在窗帘和窗玻璃之间可以形成一个空气隔热带,从而提高窗户的节能效果。

总之,在设计窗户时,尽量选用绝缘隔热玻璃,全部接口密封性良好的窗框,选择适宜的窗墙比,选择合适的窗帘及遮阳装置,就可以达到比较好的节能效果。

5 被动式太阳能变色墙环境调控技术

在我们的生活中有一种普遍的现象：在炎热季节,人们穿衣服会选择浅色为主,而寒冷季节的外衣则多以深色为主。这是因为浅色衣服能够储存的热量比较少升温慢,太阳热辐射大部分都会被反射到周围环境；深色的衣服就有所不同,其吸收热量的能力比较强且升温快,可以储存大部分的热量。所以,深色的衣服储存热量的能力比浅色衣服要多,因此,人们冬季大多会选择深色的外衣,夏季会选择浅色的衣服。依此可知,住宅的外维护结构可以看作建筑物的外衣,只要给它增加根据温度变色的功能,就可以根据不同地区不同气候特征,变换外维护部分的颜色来调节室内的舒适度。

根据这种想法,太阳光常年能照射到的外墙可以设为变色墙,并利用太阳能来制冷。温度较低的季节,让变色墙变换为深色吸收并储存热量并向室内辐射,提高室内温度。温度较高的季节,让变色墙的颜色变为浅色较少的储存热量并发射大部分太阳热,降低室内温度,不足的部分利用太阳能制冷补充。可以根据温度变色的部分设置成可以正反面旋转的装置,并起到窗户的作用。也就是说,冬季旋转变色墙让深色部分朝阳,大量的吸收储存并向室内提供热量；夏季旋转变色墙让浅色部分朝阳,反射大部分的太阳热,为室内降温,同时开启集热组建件利用太阳能制冷。

由此可知,利用墙体变色的被动式节能技术的核心部分是控制墙体变色的构件,温度调控不足的部分由太阳能制冷构件补给。目前,已有的太阳能集热板固定在外墙上不能改变位置,更换电池极为不方便,如果出现故障维修也比较麻烦,所以,在市场上不受欢迎很难普及推广。利用太阳能的变色技术是把集热构件以单独产品的方式,可以根据需要放置在任意位置,安装、维修和拆卸都特别方便。太阳能变色墙的颜色与功能,在选择时应该考虑与住宅建筑整体色调及自然环境和谐统一；变色构件的翻转采用温控自动变换装置,使用者可以根据自己感觉舒适的温度自由设定；集热器部分收集的热能在超过设定温度时可以自动运行转化成冷量送入室内,这样,就可以解决东莞地区夏季炎热的问题。要实现这三个目标,太阳能变色墙应该满足以下三个原则：第一,构件质量轻,耐久性好,投入使用的安全性能好。第二,要迎合普通大众的居家生活习惯,符合群众的审美,更要实用,操控简单并实现降温的作用。第三,老百姓能接受的合理性价比。

6 结束语

建筑外墙被动式环境调控技术的目的是节约能源,降低建筑物的耗能,提高室内的舒适度。在进行节能设计时,应该考虑建筑物与周围生态环境的协调一致,根据当地的气候状况选择适宜的节能技术,尽可能利用清洁自然的绿色能源。东莞地区住宅建筑可以通过选择合适的保温隔热材料来达到环境调控的目标,也可以利用空间绿化减少外墙对太阳辐射热的吸收,增加窗户的密闭性,同时配备节能玻璃,甚至可以采用被动式太阳能变色墙节能技术来增加室内人体的舒适度。在进行环境调控设计时,尽可能采用被动式的节能技术,整合理念,从总体上进行考虑和设计。