二級建造師輔導資料：可持續(xù)性建筑的技術

　　1 前言 $lesson$

　　我們向界索要資源滿足城市化的需要,再將廢物排放給自然，終于面臨著資源枯竭，同時環(huán)境污染威脅生存的難堪局面。在這種情況下，可持續(xù)的觀念逐步為越來越多的人認同?？沙掷m(xù)發(fā)展呼吁人們放棄現在高能耗、高增長、高污染的粗放型生產方式和高消費高浪費的生活方式，以保持資源的可持續(xù)利用性。建筑產業(yè)就是典型的立足于資源和能源大量消耗的產業(yè)，人們也早已開始實現可持續(xù)性建筑的途徑。1994年11月，第一屆可持續(xù)建筑國際會議在美國舉行，會議對可持續(xù)建筑做了全面探討，指出可持續(xù)性建筑的主要是資源、環(huán)境、設計和環(huán)境及它們之間的相互協調關系。[2]各國都有做可持續(xù)性的建筑的嘗試，如美國有“資源保護屋”，英國Milton Keynes有能源公園，丹麥有可再生住房等?？v觀這些建筑，可持續(xù)建筑的技術應具有以下4R屬性：

　　RESOURCE―資源的保護和合理利用，有節(jié)制的開發(fā)自然資源;

　　REDUCE―降低能耗、減小能源消費對環(huán)境的有害影響，減小污染物排放量;

　　REUNITE―充分利用地方材料與高加工新型生態(tài)節(jié)能建材;

　　RECYCLE――資源與建材的再生利用，變廢為寶。

　　我們尋找可持續(xù)性建筑最關鍵的部位，并提出相應的解決。首先，可持續(xù)性要求對能源的消耗小。這意味著除了要做好外圍護結構的保溫隔熱，降低冷熱負荷外，各種新技術在暖通空調系統中的也是建筑節(jié)能得以實現的重要途徑。其次，可持續(xù)性要求能源的可持續(xù)性，新能源技術在建筑領域的應用也是很重要的思路。最后，要做到對環(huán)境影響小，就必須做到可再生利用自然資源及建筑材料等人造材料的可再生利用。

　　2 實現可持續(xù)性建筑的技術途徑

　　2.1 外圍護結構的保溫隔熱技術

　　以民用建筑為例，冬季熱負荷包括圍護結構的耗熱量和加熱由門窗縫隙涌入室內的冷空氣耗熱量。因而圍護結構熱工性能的改善是降低采暖能耗的最重要途徑。我國建筑節(jié)能規(guī)劃目標中，建筑圍護結構承擔其中47.2%的節(jié)能任務。[1]

　　2.1.1 外墻

　　外墻基本耗熱量公式Qj=AK(tR-to,w)a(a為溫差修正)及冷負荷計算公式為Qc(τ)=AK(tc(τ)+td)kαkρ(kα為外表面放熱系數修正，kρ為吸收系數修正)，可見節(jié)能主要要控制圍護結構的表面積A、傳熱系數K，而外表面的物理性能改善也有一定的作用。有對應的以下幾條降低負荷的措施：

　　1) 優(yōu)化建筑外形，以最小的建筑外表面積包容最大的建筑空間即減輕墻外表面積的影響。外表面積和體積之比推薦值為0.4。建筑形體系數每增加一個點，建筑能耗將增加5%左右。還應考慮作合理平面布置，如將電梯、樓梯、管道井、機房等布置在建筑物的南側或西側，可以有效阻擋日射，減少室內得熱量。

　　2) 采用保溫隔熱，傳熱系數小的墻體材料。此類外墻材料有各類砌塊、復合輕墻板以及外墻復合墻體保溫技術等，，在[3]中有較詳盡的介紹。

　　3) 外裝飾盡量做淺色處理，采用光滑飾面材料，降低kρ，減少表面對輻射的吸收;

　　4) 硬質鋪地表面蓄積太陽能熱量，會導致建筑周圍溫度的上升。如果利用綠地區(qū)域替代，將降低地面附近室外空氣的溫度。減少室內外溫差，從而降低冷負荷。

　　5) 研究如“可呼吸外墻”類同時具有良好生態(tài)性能的外墻。

　　2.1.2 窗

　　窗的傳熱系數比墻的大很多，又經常開啟，是冬季耗熱的關鍵部位。窗的冷負荷分瞬變得熱和日射得熱，日射得熱是室內通過窗玻璃得到的太陽輻射熱，其計算公式為Qc(τ)=ACsCiDjmaxCLQ(A-窗的有效面積，Cs窗玻璃的遮陽系數，Ci-窗內遮陽設施的遮陽系數)。由公式可看出，針對窗戶的節(jié)能技術主要有：

　　1) 結合建筑物朝向，緯度，合理的控制窗墻比，如高緯度南向窗戶面積取大一點，以更好的利用太陽輻射，降低采暖能耗。適當確定建筑物的挑檐、遮陽板的尺寸，安裝可調式百葉、窗簾，調節(jié)室內日照?；虿捎谜陉栂到y，一般安裝在向陽的外立面或采光屋頂上，可控可調，以到不同時間，據不同需要遮擋、反射和引光入室的目的。

　　2) 采用多層窗或采用中空玻璃，利用空氣夾層熱阻較小的原理，降低玻璃的傳熱系數。普通單層玻璃K值在6.4左右，而中空玻璃窗K值在3.0左右，保溫隔熱性能大大提高。選擇氣密性好，導熱系數小的塑料窗框代替常用的金屬窗框，可有效減少冷風浸入。

　　3) 采用吸熱玻璃、鍍膜反射玻璃、夾層變玻璃等技術，降低玻璃的Cs，有效阻止通過玻璃的太陽輻射和室內熱輻射。但這些高技術產品價格昂貴，希望在發(fā)展玻璃深加工的同時能降低成本，使之能普遍使用在住宅中。

　　2.1.3 屋頂

　　1) 采用高保溫材料。我國平屋頂保溫材料應用較多的主要是加氣砼和膨脹珍珠棉，保溫隔熱性能一般。近幾年廣東等地推廣使用一種預制好的隔熱磚，可在結構層上直接鋪設。有的地方用舒樂板作屋面保溫，也取得了較好的效果。新近研制的防水珍珠保溫板，具有帶排氣孔、重量輕、憎水率高、強度高、保溫性能好等特點。

　　2) 屋頂設置高效隔熱層?？煞乐勾罅枯椛錈崆秩胧覂龋瑴p少空調等耗能。隔熱層在設計時，不僅要保證有一定的隔熱空間，而且還應該保證隔熱層能夠通風，及時將熱量帶走，才能有效的保證隔熱效果。我國傳統的坡屋面設計就能較好地滿足這個要求;

　　3) 蓄水隔熱屋面。利用水生植物遮陽，反射和吸收太陽輻射，以及利用蓄水的蒸發(fā)來提高隔熱效果;條件允許時在屋頂上覆土，做植被屋面。上面種密葉植物，利用植物遮陽，覆土作為隔熱層提高隔熱性能。

　　2.2 暖通空調新技術

　　建筑能耗降低主要體現在暖通空調設備的裝機容量減少和運行的性上，因此，暖通空調技術措施的改進和落實應用是建筑節(jié)能得以實現的根本途徑。

　　2.2.1采暖新技術

　　冬季采暖是北方地區(qū)住宅必不可少的，主要采用集中供暖。熱源供給主體是熱力公司或小區(qū)鍋爐房。我國目前市政集中供暖方式比例為46%，分戶式取暖比例僅次于市政集中供暖，為44%。分戶采暖方式的特點在于用戶可以根據自己的喜好隨意選擇，同時用熱也可以單獨計量。隨著清潔能源的使用及新技術、新產品的出現，使采暖方式的多元化選擇成為可能，集中供暖方式的壟斷地位受到挑戰(zhàn)，采暖、熱水一體化的獨立分戶采暖等方式紛紛出現。各地應根據當地氣候、能源條件和建筑情況，發(fā)展采用適宜的節(jié)能采暖方式，如輻射采暖，主要依靠供熱部件與結構內表面間的輻射換熱為各房間供熱(冷)，熱舒適增加，減少房間上部溫度升高增加的無效熱損失，因此可節(jié)省采暖能耗。

　　2.2.2通風空調新技術

　　目前較多采用的是風機盤管加新風系統及定風量全空氣系統，但以下幾種系統形式有著較好的節(jié)能效果，建議因地制宜的選擇使用。

　　1) 盡量采用自然通風。采用自然通風可以減少制冷負荷，并帶走室內有毒及有異味物質，其動力是室內外溫度差引起的熱壓和風壓壓力差。這種被動式的通風空調技術不開風機，無需制冷，應加以充分考慮，設計在溫和天氣如春冬過渡季節(jié)直接對流通風，實現基本零能耗;而在熱而無風的日子盡量設計利用煙囪效應、風塔效應引風入內。

　　2) 變制冷劑流量VRV系統。以制冷劑直接作為熱傳送介質，其每公斤傳送的熱量是205KJ/kg，幾乎是水的10倍和空氣的20倍，同時可根據室內負荷的變化，瞬間進行容量調整，使VRV系統能在高效率工況下運行，具有顯著節(jié)能效益，經濟效益顯著。

　　3) 水環(huán)熱泵空調系統。用水環(huán)路將小型的水/空氣熱泵機組并聯在一起，構成一個以回收建筑物內余熱為主要特點的熱泵供暖、供冷的空調系統。節(jié)能環(huán)保效益顯著。

　　4) 蓄能空調。利用晚上電價較低時段制冰蓄冷白天供冷，可起到削峰調谷的作用。[11]

　　5) 變風量空調VAV系統。送風狀態(tài)保持不變，改變送風量來適應室外氣象變化，從而降低了冷水機組的制冷量，也降低的風機的能耗。

　　6) 熱泵空調技術。將自然環(huán)境(太陽能、空氣、水、土壤)中的低位能轉化為高位能。以土壤源熱泵為例，在一定深度的地層中，土壤溫度達到了一個比較穩(wěn)定的數值，冷熱媒流經這些區(qū)域進行熱交換后可直接用于空調系統。未來地下土壤的冷或熱能的利用會成為非常重要的可再生能源之一，因為這種能源普遍存在，既沒有污染物排放，也不生成污染物，另一方面運作費用極低，只需要進行初始投資回收的評估。

　　7) 區(qū)域供冷技術。這樣可以采用效率高的大容量機組，考慮負荷參差系數而使裝機容量減少，與分散式供冷相比，機房面積和管理人員都大幅減少，能源利用更為合理有效。

　　比較以上幾種空調技術，還是有一些不盡如人意的地方：采用通風時，如果建筑周圍外環(huán)境質量較差，則容易引入外界的空氣污染等不良因素，同時可能導致熱/冷流失，降低隔熱效果;考慮制冷劑的價格的環(huán)境污染，VRV系統的容量不能很大;水環(huán)熱泵的建筑必須有內外分區(qū);蓄能空調只有在晝夜電價有較大差異時才有意義;VAV系統的自控很不好實現，國內罕有成功的實例;地源熱泵地場溫度分布的測定還不完善，以及布管技術與管材的選擇問題，還有一年中從地下獲取的和排放的熱量應如何保持平衡等問題而水源熱泵回灌成本太高，而且要求必須有環(huán)境水源才能實現。因此，總的來說，因地制宜，合理設計是利用這些空調技術達到節(jié)能降耗目的的前提。

　　不論是采用何種通風空調形式，都要注意自動化技術與暖通空調技術的配合，才能更好的實現建筑設備系統的合理設計、有效使用以及運行控制過程中的能量節(jié)約。建筑自動化即實現建筑設備系統(如供熱空調系統、給排水系統、照明系統、運輸系統、消防系統、保安系統、辦公系統、通訊系統等)的監(jiān)測、管理、運行和控制的自動化，根據室外氣候條件和室內參數設定值，自動調整空調制冷系統的運行參數，真正做到設備響應當地氣候，保證建筑設備在提供要求的建筑環(huán)境的同時，達到初投資、運行費和維修服務費最小的優(yōu)化目標。

　　再者，暖通空調設備的選型應分考慮各種節(jié)能及優(yōu)化措施對設計負荷的，負荷不能再參照舊有圍護結構的類型充和材料熱工性能，否則會造成計算得到的冷熱負荷與實際冷熱負荷存在不小的差異。還應根據具體情況選擇合理的安全系數，從而合理為暖通空調設備選型定裝機容量，以節(jié)省初次投資和做到精確控制運行工況，節(jié)省運行費用。另外，照明負荷的大小、辦公設備耗能指標及建筑內人員密度等都應采用反映實際情況的合理的參數值，而非僅僅依賴設計手冊上的概算指標或經驗數據進行估算。

　　另外，還應結合城市規(guī)劃對整個能源系統進行總體設計，為暖通空調系統配置合理的能源轉化與能源輸送系統，重點為我國北方地區(qū)熱電聯產，長江中下游地區(qū)的供熱、供冷方式，與集中供熱、供冷相適應的大型制冷供熱裝置以及全面規(guī)劃電力、煤氣、冷熱源及蓄能的能源系統。能源系統設計的很小變更，也會意味著大數量級的能耗降低。

　　2.3 新能源技術

　　2l世紀住宅應大力開發(fā)利用太陽能、風能、水能和生物能等綠色能源，實現一定程度上的能源自給自足，保護未來的生態(tài)和環(huán)境，為將來的提供優(yōu)良的基礎。太陽能是自然界中的最充分、最便捷的可供利用的綠色能源，應優(yōu)先選用被動式太陽能技術，而主動式太陽能技術的采用則作為補充。被動式太陽能利用在設計時可在地面、屋頂安裝一些裝置直接利用太陽能，如太陽能恒溫房;也可在外圍護結構的空氣層中填以高效熱反射材料，達到保溫隔熱的目的，而在陽光充足的寒冷地區(qū)，則可將外圍護結構設計成蓄熱材料;還可利用太陽能收集器或其他裝置將太陽能進行收集、貯存和轉換。在設計時、要考慮當地的氣候特點，充分利用本地氣候資源，避免由于人工能源的大量使用而形成的居住者與自然的人為隔離，同時也可節(jié)能能源。主動式太陽能利用可通過窗戶集熱板系統、空氣集熱板系統、透明熱阻材料組合墻等來實現。

　　2.4 可再生技術

　　可再生技術的意義重大：變廢為寶，同時解決污染問題。利用可再生資源逐步替代不可再生資源的領域，以應對未來建筑必須面臨的諸如環(huán)境和生態(tài)保護，最少能源耗費等方方面面的挑戰(zhàn)。一方面要實現自然資源的可再生，另一方面要努力實現垃圾、建筑材料等人造材料的可再生利用。

　　自然資源如雨水可以收集起來，引入蓄水池中，適度凈化后用于澆灌花園、清洗和衛(wèi)生間沖水等。還可以利用蒸發(fā)效應冷卻建筑外結構或建筑構成元素，與自然通風協同作用，清潔環(huán)保地達到保證室內空間熱舒適的程度。

　　垃圾處理，減量化是解決問題的關鍵，對建筑及生活垃圾可采用分類回收及無害化解體處理。如由廢紙、廢紙板可制成保溫材料和底襯;由廢塑料可制成管子和地毯;廢電池回收處理可回收大量金屬等。在建造時會產生垃圾，應在建筑設計中注重尺度的推敲，符合模數，選擇使用高效、精良的產品及考慮材料維護更換周期，采用對環(huán)境更為有利的施工管理模式。另外，要充分利用剩余能量，注意對建材及生產過程中的三廢和廢熱綜合利用、開發(fā)。

　　傳統建材生產-使用-廢棄的過程，可以說是一種將大量資源提取出來，再將大量廢棄物排回到環(huán)境中去的惡性循環(huán)過程，忽視了環(huán)境協調性和舒適性。其中最關鍵的是利用混凝土和水泥固體廢棄物生產生態(tài)環(huán)境建材[8]。

　　在我國，每年澆注混凝土約15―20億m3，開山采砂石約為11―14億m3。廢棄混凝土量約為60億萬m3，其中除一小部分用于填筑海岸、充當道路和建筑物的基礎墊層外，絕大多數作為垃圾填埋，不僅占用大批土地(甚至耕地)，而且還對環(huán)境造成污染。由于廢棄混凝土塊中含有大量砂石骨料，如果能就地回收，經過破碎、清洗、分級后作為骨料再利用，則不但可以降低成本，節(jié)省天然資源，還能減少城市環(huán)境污染。參見文獻[6][7].我國每年約生產水泥5億多噸，生產過程需消耗大量石灰石、粘土和標準煤，同時產生大量的粉煤灰、CO、C02和SO2等，嚴重破壞生態(tài)平衡。水泥要大力提高其資源利用率和廢物回收率，并能充分利用其它工業(yè)廢渣廢料。參見文獻[7]

　　3 結論

　　可持續(xù)性建筑強調建筑環(huán)境與自然環(huán)境的協調共存，有機結合，要從土地開發(fā)、建筑布局、建材選擇、建筑使用及維護以及建筑拆除的整個生命周期中，體現出對自然資源的索取少，能源消耗小，對環(huán)境影響小，再生利用率高的新特征。

　　總體來說，我們應首選優(yōu)化設計，結合具體建筑盡可能采用簡單合適的技術，盡量適應環(huán)境的特點，依靠自然力來滿足舒適性要求。盡管這種被認為是被動的技術，但其在節(jié)能及環(huán)境保護方面的作用卻是不容忽視的。另一方面，我們要以辯證的觀點、審慎的態(tài)度對待新技術。從整體性，協調性的觀點來看，有一些所謂的可持續(xù)性技術只是某些環(huán)節(jié)的某些屬性的改善，并不一定代表了整體水平的提高，相反有時大量高能耗的建筑設施及其施工反而會極大地抵消其積極的一面。為了實現可持續(xù)性建筑，我們應以建筑和暖通行業(yè)為基點，材料、自動化等行業(yè)為支持，提高建筑的綜合效益，讓建筑環(huán)境與自然環(huán)境協調發(fā)展。

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