低碳经济背景下绿色建筑节能的发展方向及技术措施

徐 蛟

(中交一公局集团建筑工程有限公司 北京 100024)

1 低碳经济背景下绿色建筑的节能发展方向

1.1 能耗模拟

建筑节能设计是一项专业性较强的活动,涉及到建筑布局、朝向、当地气候条件等多项因素。在传统设计模式下,凭借设计人员工作经验来制定设计方案、论证节能设计措施可行性,难免会出现错误决策问题,无法取得理想的建筑节能效果,或是设计方案实施情况和预期要求产生明显出入。而随着信息化时代的到来,BIM 等信息化工具在建筑设计领域中得到广泛应用,可以替代人工完成信息收集等基础性工作,并通过模拟试验手段来真实反映设计成果,帮助设计人员在初步设计方案中找出不合理问题、明确深化设计方向。

1.2 强化热工性能

在建筑物使用期间,室内外环境热量会通过围护结构体系中的外墙、门窗、屋面等部位进行交换,在寒冷冬季导致室内热量持续逸散,在炎热夏季导致室内冷量向外渗透。为满足建筑物使用需求、营造恒定的室内环境条件,需要长时间开启空调系统或是暖通系统,由此产生高昂的用电成本[1]。因此,为降低建筑总体能耗水平,减少因热损失而产生的能耗量,建筑企业需要把强化热工性能作为节能发展方向,具体可采取选用新型窗户、铺设外墙与屋面保温层等措施,增强围护结构热工性能,阻隔室内外热量交换,最终通过维持室内恒温状态来减少空调系统冷负荷量、暖通系统热负荷量(见图1)。

图1 新型中空百叶窗

1.3 利用可再生能源

在早期建筑工程,主要依赖外部能源来维持建筑运行,通过市电向建筑用能设施提供电源。一方面,市电网与建筑物用能设施的间隔距离较远,电能在传输期间会产生一定比例的线损量,造成能源浪费。另一方面,我国当前主要采取火力发电方式,持续消耗煤炭等不可再生的化石能源进行发电,在建筑物投运使用期间,会间接造成加剧化石能源供需矛盾、破坏生态环境的后果,违背了可持续发展理念。因此,建筑企业需要把利用可再生能源作为建筑节能发展方向,充分利用建筑物周边环境中分布的风能、地热能、太阳能等自然能源,由可再生能源逐渐取代传统电能,将打造“近零能耗建筑”、“零能耗建筑”作为最终目标(见图2)。如此,建筑物在全寿命周期内,可以降低对市电网的依赖程度,把总体使用成本、碳排放量控制在较低程度。

图2 太阳能零耗能建筑

2 低碳经济背景下绿色建筑的节能技术措施

2.1 BIM 节能技术

在建筑设计阶段,需要应用到BIM 技术,在软件内导入设计方案与工程资料来搭建能耗模拟模型,设定冬季室温、夏季室温、围护结构材料热工特性、配套系统运行负荷及时长等关键参数。随后,开展模拟试验,模拟建筑物在不同假定条件下的运行过程,统计空调通风、暖通、照明、电梯等系统的运行能耗,根据统计结果来判断建筑节能系数是否达到设计要求,如果未达到要求则对高能耗部位的设计方案进行优化改进,如在围护结构热损失量超标时着手更换围护结构材料材质,在照明系统能耗超标时更换高效光源和改善室内自然采光条件。最后,待方案深化设计完毕后,再把方案导入软件开展模拟试验,直至能耗统计结果完全达到设计要求为止[2]。

此外,设计人员还可以应用BIM 技术开展专项模拟试验,用于反映建筑在单个方面的节能设计效果,并判断建筑是否存在尚待挖掘的节能潜力(见图3)。例如,开展日照模拟试验,在模型内加载当地地理环境与设定日照标准,模拟建筑物在使用期间的当地日照情况、所接收太阳能量,掌握建筑物自然采光条件,以及日照情况对建筑物室内温度变化造成的具体影响。后续,调整布局朝向来改善自然采光条件、缩短照明系统运行时长。以及调整围护结构保温构造形式、增加保温层厚度、选用新型镀膜玻璃和设置遮阳设施,消除太阳光照射对室内温度造成的影响。

图3 场地日照分析

2.2 围护结构节能技术

第一,对于外墙部位,具体采取墙体保温、预留空气间层两项节能措施。其中,墙体保温是在外墙的内侧或是外侧加铺保温层,或是在内外墙叶中间部位设置保温芯板,利用保温层来阻隔室内外热量交换,通过减少热损失量来降低空调与暖通系统的能耗水平,优先采取外保温或是夹芯保温形式,不推荐采取内保温形式,这会占用室内空间。预留空气间层是把建筑外墙分为双层表皮结构,在内外侧表皮间隔部位预留空气间层,空气间层保持通风状态。在炎热夏季开启通风口,外部新鲜冷空气通过空气间层吹入室内,起到降低室内温度、改善空气质量的作用,可以减轻空调通风系统的运行负担。而在寒冷冬季,则关闭通风口,并利用空气间层来增强外墙热工性能,进一步减小热损失量[3]。

第二,对于门窗部位,具体采取控制窗墙比、保温隔热、遮阳防晒三项节能措施。其中,控制窗墙比是遵循相关规范与结合工程情况来计算最佳窗墙比,由于窗户热阻较小,窗墙比过大会削弱围护结构热工性能,窗墙比过小则会影响到室内自然采光与通风条件。例如,对于住宅建筑,遵循GB50352-2019 民用建筑设计规范。保温隔热是选用具备阻挡红外线功能的镀膜玻璃作为外窗,或是选用LOW-E 双层中空玻璃作为外窗,阻挡室内外热量交换,减少室内太阳光携带的热辐射量。遮阳防晒是在外窗内侧或是外侧安装遮阳百叶,炎热夏季开启遮阳百叶来阻隔太阳光辐射热量进入室内,寒冷冬季则关闭遮阳百叶,起到改善室内自然采光条件、利用太阳光提高室内温度的效果。

第三,对于屋面部位,具体采取保温屋面、蓄水屋面、绿化屋面三项节能措施,这也是屋面构造的主要形式。其中,保温屋面是在屋面防水层上方加铺保温层,起到保护防水层、阻隔室内外热量交换的作用,主要使用聚乙烯泡沫塑料作为保温材料。蓄水屋面是在防水层上方蓄水,采取普通蓄水或是深蓄水方式,在水体流动、水分蒸发期间带走热量、调节屋面温度。绿化屋面是在屋面上方铺设种植土层与栽植绿化植物,凭借植物枝叶来遮挡太阳光照射屋面,并在植物生长期间营造微气候、调节屋面温度。同时,绿化屋面还具备防噪功能,避免室外噪音对使用者的日常生活造成干扰。

2.3 光伏建筑一体化技术

第一,光伏幕墙。以玻璃幕墙作为建筑围护结构形式,并在玻璃面板内部嵌入PVC 胶片电池片,通过导线连通光伏组件与转换器等配套装置。在建筑物使用期间,光伏组件持续把玻璃幕墙上照射的太阳光辐射能量转换为直流电,再转换为交流电供给至供配电系统。此类光伏建筑有着无需占用额外空间、外立面造型美观、光伏组件覆盖面积大的优势,但系统发电容量及输出功率略有不足[4]。

第二,光伏屋面。在建筑屋面 部位铺设光伏屋面瓦,瓦片内置光伏电池,持续把太阳光辐射热量转换为电能,或是搭设支架结构与摆放光伏组件。根据应用情况来看,此类光伏建筑有着系统结构简单、造价低廉、发电容量大、发电效果稳定的优势,光伏区域基本不会受到周边建筑物遮挡,但光伏组件裸露在外,容易出现故障问题。

第三,光伏采光顶。在屋顶部位安装半透明光伏组件来替代传统的屋面构造形式,取消原有的防水层、保温层、混凝土基层。此类光伏建筑有着光伏发电容量大、室内采光条件号、外立面造型美观的优势,但由于光伏玻璃组件的热工性能较差,会增加室内热损失量。

2.4 用能设施节能技术

第一,对于照明系统,具体采取选用高效光源、智能控制两项节能措施。高效光源是选用荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯或是LED 白灯作为照明光源,取代传统的白炽灯,此类照明灯具有着光通量好、能耗低的优势。智能控制是在照明系统内加装控制器,定时启闭照明灯具,或是安装感控灯,检测到周边环境有人时自动开启灯具,无人时关闭灯具。

第二,对于空调系统,采取变频调控、动态蓄冷节能措施。变频调控是在系统内加装变频控制器与传感器,通过传感器来感知室内环境,再通过变频器来调节空调系统运行状态,避免因空调长时间维持恒定运行负荷而产生过高能耗。动态蓄冷是在电力负荷低谷期把水分冻结成冰,在电力高峰期通过冰块融化来向外释放冷量,以此来减少建筑用电成本[5]。

第三,对于暖通系统,具体采取地热盘管、热能回收两项节能措施。其中,地热盘管是在房间地面上铺设盘管,盘管内循环流通热水,通过盘管持续向外释放热量,由于热空气具备上升特性,可以把热量扩散到室内房间的各处区域,提高热能利用率。热能回收是在暖通系统内加装板式显热交换器、转轮全热交换器等装置,把暖通系统运行期间释放的部分热量进行回收处理,后续可用于淋浴水加热、制冷机组冷凝热等用途。

3 结语

综上所述,为保证低碳经济发展理念得到贯彻落实,建筑企业需要把低碳节能理念有效融入到建筑设计与建造技术体系当中,推动绿色建筑向能耗模拟、强化热工性能、利用可再生能源、优化用能设施方向发展,推动我国建筑行业迈入全新发展阶段。