廖小明
(广东省建筑设计研究院有限公司,广东 广州 510010)
2014 年11 月12日,中国和美国共同发表了具有历史意义和里程碑式的《中美气候变化联合声明》,中国政府提出在2030 年左右二氧化碳排放达到峰值且将努力早日达峰。为了实现这一减排目标,我国将加紧推进节能减排工作。从终端能耗角度看,工业、交通和建筑并称能源消耗三大部门,而目前建筑的能耗已经占到全社会终端能耗的33%左右,同时在快速城镇化的推动之下,建筑耗能将保持增长趋势。数据显示,我国既有建筑达400 亿m2,仅有1%为节能建筑,因此建筑节能作为节能减排过程中的关键环节将起到至关重要的作用。
围护结构是指建筑物及房间各面的围护物,分为透明和不透明两种类型,不透明围护结构有墙、屋面、地板、顶棚等;透明围护结构有窗户、天窗、阳台门、玻璃隔断等。按是否与室外空气直接接触,又可以将围护结构分为外围护结构和内围护结构。在不需要特别加以指明的情况下,围护结构通常是指外围护结构,包括外墙、屋面、窗户、阳台门、外门,以及不供暖楼梯间的隔墙和户门等。保持建筑围护结构的热工性能是建筑节能的主要途径。在建筑物的四大围护结构门窗、墙体、屋顶和地面中,以面积与能量损失率计算,能量损失排首位的是门窗,其次是墙体,再次是屋顶,最后是地面。门窗损耗的能量约占建筑使用过程总能耗的50%,其能耗是墙体的4 倍、屋顶的5 倍、地面的20 多倍。
屋面作为建筑顶部的围护构件和承重构件占用大量的建筑外表面积,因此也是建筑节能构造设计的重点。常用屋面构造形式一般包括正置/倒置式屋面、通风屋面、阁楼屋面、种植屋面、蓄水屋面等,虽然屋顶构造形式各样但其保温隔热原理都是通过保温材料减少外界温度、湿度、紫外线对屋面的影响,同时也起到减小主体结构热应力[1]和保护屋面结构的目的。
外墙作为建筑中外表面积最大的围护结构,在建筑保温隔热当中占据着相当重要的位置。外墙节能保温构造可分为外墙内保温、夹层保温和外保温三大类,其节能原理是通过依附在墙体结构上的保温材料阻隔热量传递减少室内外空气热交换,从而达到隔热保温的目的。透明围护结构主要是由金属构件与玻璃板组成的建筑非承重外围护结构[2],通过控制材料的热工值(传热系数、热阻、遮阳系数等)来影响建筑的对流传热和辐射传热。
地面是底层房间与地基土层相接的构件,起到承受底层房间荷载的作用。在保温隔热上由于热量通过地面的传热并不属于一维传热,地面以下接触的是土壤层,同时周边的土壤层薄,热阻小,热量损失多,尤其是在沿外墙内侧周边约1 m 的范围内,地面流失热量最大[3],因此,地面外墙沿地面周边(2 m范围内)也要做隔热保温处理。
屋面构造一般可分为结构层、找坡层、保温隔热层、找平层、防水层、隔离层、隔汽层、保护层、装饰面层等,而其中起到核心节能作用的是保温层,因此选用合适的保温材料尤其关键。常用屋面保温材料的主要性能指标如表1 所示。
表1 常用屋面保温材料的主要性能指标
从表 1 中选取λ≤0.06(真空保温板、PU、XPS、EPS)的材料进行横向对比。作为传统的保温隔热板材,XPS 和EPS 以其合理的价格和便利的施工常被用于屋面保温构造。但随着建筑节能要求的进一步提高,传统的保温材料已到达其性能的瓶颈,因此λ 值最低的真空保温板或许是理想的代替方案。该材料是一种高效、环保的新型绝热材料,其绝热性能相当于普通保温材料的10 倍甚至更高,而厚度仅为普通材料的1/7,同时强度更高,燃烧性能为A 级,吸水率低,因此该材料成为工业和信息化部公布的《建材工业鼓励推广应用的技术和产品目录(2018—2019 年本)》中唯一上榜的建筑保温材料。尽管该材料存在成本较高、现场无法切割定型产品、工序复杂、工期较长等,但从建筑整体耗能和应用的角度上看,以真空保温板为代表的“超级绝热材料”(supper insulation)将会成为今后保温隔热材料的重要发展方向。
保温材料的用量会对建筑节能产生决定性效果,用量少建筑则不节能,用量多则会产生材料浪费问题。以南方某办公项目为例,该项目通过节能软件BECS 对建筑节能设计建模且赋值后,对其进行能耗量化分析。在保证其他节能参数不变的前提下,只调整屋面保温材料厚度(选用XPS 为例),节能模型以10 mm 为每次保温材料增加的单位,厚度区间从0~100 mm 逐次计算建筑耗能值(图1)。从图中可以发现当保温材料厚度在0~50 mm 时,耗能指数下降最多(斜率最大),在50~100 mm 时耗能下行幅度趋于平缓,并在80 mm 时达到斜率极限。该对照试验基本符合边际效用递减规律,由此可得出保温材料用量(厚度)与节能效果之间呈非线性增长,节能效果大概率符合L 型曲线形态特性。因此,只有合理地选择材料厚度才能让建筑高效节能的同时又具备经济性。
图1 建筑耗能与保温材料厚度的关系(附节能计算模型)
外墙保温系统分为内保温系统、夹心保温系统和外保温系统,前两个系统因热工效率较低、占用室内空间及生产方式复杂等因素而被外保温系统逐渐取代。外保温系统一般由保温层、抹面层、固定材料和装饰面构成,并固定在外墙表面。常用外墙保温材料的主要性能指标如表2 所示。
表2 常用外墙保温材料的主要性能指标
保温材料的选用应主要从以下5 个因素进行综合考虑。
(1)保温性能。从表2 中可看出前3 种材料(PU、XPS、EPS)均为有机材料,在导热系数上均比无机材料(岩棉、发泡水泥板、玻化微珠保温砂浆)要小,这也意味着具有更出色的保温性能。
(2)材料自重与安全性。无机材料干密度一般都比有机材料要大,同时在较高的导热系数的因素影响下,无机材料的使用厚度将大大高于有机材料,因此较大的自重会增加建筑外墙的安全隐患。
(3)耐水性。保温材料吸水后导热系数会增加,因此应选用吸水率低或不吸水的保温材料,而有机材料比无机材料的吸水率更低,保温稳定性更好。
(4)燃烧性能。从建筑防火角度考虑,外墙应首选A 级不燃材料,即无机材料,而大多数有机材料属于B 级难燃材料,因此在选用B 级材料时要加设防燃烧性能为A 级的水平防火隔离带。由于有机材料和无机材料在外墙保温使用中各有优缺,因此在材料革新的推动下出现了一些低导热、轻质量、低吸水性的A 级不燃新型复合保温产品。如添加了阻燃剂的复合A 级聚氨酯保温板和将聚氨酯树脂喷涂在岩棉表面经发泡成型的聚氨酯岩棉板[4]等。由于这些新型材料同时具备了有机材料和无机材料的优点,因此在节能设计中应对此类材料多加考虑。
(5)饰面材料部位。由于建筑饰面材料会直接影响太阳辐射吸收系数,因此在炎热地区应优先选择能降低辐射系数的饰面材料,如采用浅色面砖或饰面层上喷涂热反射涂料。
门窗构造作为外围护构造上的重要节点,在建筑节能效果上也同样至关重要。对于其中占比最大的透明部分即外窗或幕墙系统,除了控制适合的窗墙比外,还应控制材料的传热系数及遮阳系数。常见玻璃的热工参数如表3 所示。
表3 常见玻璃的热工参数
从表3 中可以直观看出,中空玻璃比单层玻璃传热系数低,镀膜玻璃比非镀膜玻璃传热系数低,因此在透明门窗组合中选用Low-e 中空玻璃是节能的首选。玻璃的传热系数K 值在节能中并非是单一计算指标,与之匹配且同样重要的还有玻璃遮阳系数Sc,遮阳系数越低则阻挡阳光热量向室内辐射的性能越好,因此低传热系数配合低遮阳系数才是玻璃节能的黄金组合。但需要注意较低的玻璃遮阳系数意味着室内从室外获得的自然光更少,室内更暗,在玻璃参数上则体现为透光率更低。由于过低的透光率无法满足室内空间对自然光的正常使用需求,因此为了同时满足低遮阳和高透光率这两种特性,在设计中可选用中空百叶玻璃(Sc≤30%,透光率≥80%),同时辅以断桥铝合金窗框和Low-e 玻璃以达到玻璃外门窗最优的节能效果。
在建筑围护结构中,由于大部分的热量是通过地坪直接接触的土壤面进行传递的,因此会在地面结构层之下设置保温层,同时为了防止保温材料因土壤的潮气而受潮,会在保温层结构层之间增加隔离层。对于保温材料的选择,在寒冷地区的建筑,若持力层以上土壤层的热阻已符合地面热阻规定值,则应在地面层下铺设适当厚度的板状保温材料[5],以便能达到较好的保温与防潮效果。同时对于沿外墙内侧周边约1 m 范围内的地面,应根据其所承受的荷载选用抗压强度较高的保温材料,如PU、EPS、XPS 等。
综上所述,外围护结构对建筑整体耗能起着重要作用,尤其是不同围护结构部位中的构造做法及其核心保温材料的使用将决定建筑的节能效率。本文通过对外围护结构重要节点的构造及保温材料的比选,得出相应部位较为合理的节能设计方案,为优化建筑节能提供合理可靠的设计方法。