楊子江

(湖北工程學(xué)院新技術(shù)學(xué)院城市建設(shè)系，湖北 孝感 432000)

0 引 言

隨著生活水平的提高，對能源的需求量也不斷地增加.由于過度開采和不合理使用，生態(tài)環(huán)境日益惡化、自然資源的枯竭已嚴重威脅到人類的生存.因此節(jié)能環(huán)保成為當今社會的主題，受到世界各國的高度重視.我國是能耗大國，建筑能耗占社會總能耗的30%～40%，我國的建筑能耗與發(fā)達國家相比，建筑能耗單位水平遠低于發(fā)達國家，僅為歐洲的1/5，美國的1/3[1]，有待努力實施建筑節(jié)能.目前，我國一般公共建筑總面積約55 億m2，用電量約占我國全年用電量的8%[2].這類建筑的能耗水平低于發(fā)達國家，加之公共建筑量大面廣，人員流動頻繁，活動集中，空間閑置多等特點，導(dǎo)致其能源消耗浪費很大，據(jù)專家研究，我國大型公共建筑單位建筑面積能耗大約是普通居住建筑的10～20倍[3].目前相當一部分普通辦公建筑由于設(shè)計上的“先天不足” 導(dǎo)致建筑能耗居高不下，而且很難在建成使用后通過調(diào)節(jié)或簡單改造進行改善.由此可見，公共建筑節(jié)能潛力巨大.

2005年我國批準發(fā)布的第一部公共建筑節(jié)能設(shè)計的綜合性國家標準《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》(GB50189—2005)，要求公共建筑通過改善建筑圍護結(jié)構(gòu)保溫、隔熱性能，提供供暖、通風(fēng)和空調(diào)設(shè)備、系統(tǒng)的能效比，采取增進照明設(shè)備效率等措施，在保證相同的室內(nèi)熱環(huán)境舒適參數(shù)條件下，實現(xiàn)減少建筑總能耗50%的目標.這對推進我國公共建筑的節(jié)能具有重大的意義.此外公共建筑節(jié)能當前面臨著難得機遇，一是政府節(jié)能補貼增加，二是地方政府有關(guān)優(yōu)惠政策日益明確，三是可再生能源的利用，四是國際合作的蓬勃發(fā)展.

孝感市屬于中小城市，地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展遠比不上沿海城市，建筑節(jié)能工作的起步較晚，居住建筑的節(jié)能實踐已經(jīng)展開，但公共建筑的節(jié)能才剛起步.隨著武漢城市圈“兩型社會”的建設(shè)及建筑可持續(xù)性發(fā)展的要求，孝感地區(qū)的建設(shè)管理部門已經(jīng)開始關(guān)注公共建筑的可持續(xù)發(fā)展問題了，建筑節(jié)能則是建筑可持續(xù)發(fā)展的核心內(nèi)容.因此，孝感地區(qū)的公共建筑節(jié)能勢在必行，本文以湖北工程學(xué)院天工樓為例，介紹了建筑節(jié)能技術(shù)在孝感地區(qū)公共建筑中的具體應(yīng)用.

1 工程概況及設(shè)計總體構(gòu)想

本工程為湖北工程學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院的綜合辦公樓，樓高5層，最大建筑高度19.5 m，總建筑面積7 631.47 m2，建筑體形系數(shù)0.183.主要由試驗、教學(xué)、科研、會議、辦公等多種功能組成.其標準層平面圖、立面圖見圖1、圖2.

孝感在我國屬于夏熱冬冷地區(qū)，天工樓的節(jié)能設(shè)計，夏季要考慮建筑的防熱要求，冬季要考慮建筑的保溫要求.天工樓的建筑方案設(shè)計空間豐富、立面變化多樣，采用了玻璃幕墻，窗戶面積較大，天工樓的采暖降溫設(shè)計沒有考慮中央空調(diào)，大部分空間只考慮了設(shè)置吊扇，這些對建筑節(jié)能提出了新的要求.因此，設(shè)計者對建筑進行熱環(huán)境舒適性設(shè)計，使用生態(tài)設(shè)計軟件Ecotect對孝感地區(qū)的風(fēng)環(huán)境、日照、溫濕度等氣候特征進行了分析，同時也考慮了被動式節(jié)能設(shè)計的相關(guān)策略[4].確定節(jié)能設(shè)計的總體思路是：在保證建筑使用功能和具有一定建筑造形美的前提下，盡可能控制建筑的體型系數(shù)，使該建筑的體型系數(shù)符合設(shè)計要求；合理地布置好絕大多數(shù)不設(shè)空調(diào)房間的建筑朝向，設(shè)計好活動遮陽和通風(fēng)措施，使該空間的建筑熱環(huán)境在夏季能得到有效改善；對將要安設(shè)空調(diào)的一些辦公空間做好夏季隔熱和冬季保溫的設(shè)計措施.該辦公樓窗戶面積較大，采用了大面積的玻璃幕墻，因此，窗戶的節(jié)能設(shè)計中采用雙層中空玻璃窗，此外還將采取遮陽措施來改善夏季窗戶的熱工性能.使整個建筑內(nèi)部空間的保熱與失熱比重達到平衡.

圖1 標準層平面圖 Fig. 1 Standard floor plan

圖2 正立面圖 Fig.2 Front elevation

2 工程中的節(jié)能設(shè)計措施

孝感市傳統(tǒng)的辦公樓圍護結(jié)構(gòu)的構(gòu)造為：墻體無保溫措施，構(gòu)造措施一般為20 mm厚石灰砂漿內(nèi)抹灰，240 mm厚的粘土磚墻，30 mm厚的水泥砂漿外抹灰.其墻體傳熱系數(shù)為2.20 W/(m2·K)左右，是現(xiàn)行節(jié)能標準的3倍多.屋面構(gòu)造措施一般為二氈三油防水層，20 mm厚的水泥砂漿找平層，100 mm厚的爐渣找坡層，120 mm厚的預(yù)制空心板，其傳熱系數(shù)為1.50 W/(m2·K)左右，是現(xiàn)行節(jié)能標準2.1倍.窗體為塑鋼單玻窗、鋁合金單玻窗、單玻璃鋼窗.窗體材料年久老化，縫隙大，空氣滲透嚴重，保溫隔熱性能差，耗熱量大.實測外窗傳熱系數(shù)：塑鋼單玻窗為4.90 W/(m2·K)，是現(xiàn)行節(jié)能標準1.2倍.鋁合金單玻窗和單玻璃鋼窗為6.80 W/(m2·K)，是現(xiàn)行節(jié)能標準1.7倍.

為了突出生態(tài)節(jié)能的主題，充分利用低成本的節(jié)能技術(shù)改善建筑室內(nèi)的熱環(huán)境，辦公樓采用三角形平面形式，呈南北向布置，外表面積較少，體形系數(shù)較小，能有效地減少建筑能耗.南立面采用玻璃幕墻，以增加采光面積，北立面由于不能直接獲得陽光而只采用矩形窗.

本辦公樓改善建筑室內(nèi)熱環(huán)境的主要措施是合理地改善圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能.建筑外墻采用250 mm厚B05級加氣混凝土砌塊，內(nèi)抹3 mm厚的水泥砂漿，外抹20 mm厚的水泥砂漿，外墻傳熱系數(shù)為0.80 W/(m2·K).在節(jié)能設(shè)計中除了建筑墻體，屋面也是天工樓建筑圍護結(jié)構(gòu)中所占比例較大的一部分，該部分的節(jié)能設(shè)計也是很重要的.天工樓的屋面構(gòu)造依次為10 mm厚地面磚、波形裝飾瓦、平瓦，25 mm厚水泥砂漿，35 mm厚絕熱用擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板，20 mm厚水泥砂漿，20 mm厚乳化瀝青膨脹珍珠巖，150 mm厚鋼筋混凝土，傳熱系數(shù)為0.62 W/(m2·K).屋面的找坡層采用了當?shù)亓畠r材料乳化瀝青膨脹珍珠巖，施工比較方便，同時還可兼作屋面保溫材料.為了滿足屋面冬季的保溫和夏季的隔熱以及屋面上人的要求，在找坡層上鋪設(shè)了35 mm厚聚苯乙烯擠塑板，上面再做屋面防水層和剛性層，就可以很好地保證上人屋面的強度要求了.為了可以減少該辦公樓屋面角部部位產(chǎn)生“熱橋”，在屋面周邊的檐溝處將屋面的保溫層材料改為了價格相對便宜的普通聚苯乙烯板材.

在建筑圍護結(jié)構(gòu)中，門窗是影響建筑室內(nèi)熱環(huán)境和節(jié)約建筑能耗的主要因素.根據(jù)檢測，門窗能耗約為建筑墻體的4倍，建筑屋面的5倍，約占建筑圍護結(jié)構(gòu)總能耗的40%～50%.因此增強門窗的保溫隔熱性能，減少門窗能耗是提高建筑節(jié)能水平的重要環(huán)節(jié).本辦公樓的玻璃幕墻外窗均采用鋁合金中空玻璃斷熱型材平開(6Low-E+12A+6)，自身遮陽系數(shù)0.49，傳熱系數(shù)為3.0 W/(m2·K).控制玻璃幕墻的開啟部分面積并采用上懸式結(jié)構(gòu)，內(nèi)外雙層膠條密封，以加強氣密性，降低幕墻的熱傳導(dǎo)作用.

地板和地面的保溫是容易被人們忽視的問題，實踐證明樓地板如不加保溫處理，則不僅增加采暖能耗，而且冬季會因地面溫度過低，嚴重影響人們的身體健康.本工程樓地面構(gòu)造依次為20 mm厚花崗石，30 mm厚水泥砂漿，150 mm厚鋼筋混凝土，30 mm厚絕熱用擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板，7 mm厚水泥砂漿，傳熱系數(shù)為0.83 W/(m2·K).

在室內(nèi)設(shè)置了生態(tài)中庭，中庭范圍內(nèi)采光充足，中庭中精心挑選一些適合室內(nèi)生長的花木品種，利用植物的蒸發(fā)作用，可以降低室內(nèi)溫度，并且能增加空氣濕度、凈化空氣.中庭花園不僅用來休息，緩解學(xué)習(xí)工作的精神緊張，放松情緒，還是一個溫度緩沖層，能夠調(diào)節(jié)整個辦公樓建筑的室內(nèi)微循環(huán).

3 圍護結(jié)構(gòu)的熱工參數(shù)計算

根據(jù)上述墻體、屋面、窗戶等圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能構(gòu)造措施，以及建筑的平面尺寸，按照《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》(GB50176-93)中的相關(guān)計算公式[5]，以孝感市具有代表性氣象年的氣象參數(shù)作為氣象參數(shù)計算的依據(jù)， 運用PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進行了計算.該辦公樓建筑圍護結(jié)構(gòu)各部分的主要熱工性能參數(shù)計算結(jié)果見表1～表5.

表1 外墻傳熱系數(shù)

表2 屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

表3 架空樓板傳熱系數(shù)

表4 地面熱阻

表5 外窗傳熱系數(shù)

由理論計算結(jié)果可知，本辦公樓工程圍護結(jié)構(gòu)的外墻傳熱系數(shù)K=0.87 W/(m2·K)<1.0，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)K=0.62 W/(m2·K)<0.7，架空樓板傳熱系數(shù)K=0.62 W/(m2·K)<1.0，地面熱阻Ro=1.25 (m2·K/W)>1.20，以及窗戶的窗墻面積比、傳熱系數(shù)、遮陽系數(shù)等均滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》(GB50189-2005)第4.2.2條標準的要求.

4 結(jié) 語

本研究探討了夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑充分發(fā)揮自然采光、通風(fēng)、保溫隔熱等優(yōu)勢的設(shè)計策略.通過一年多的使用證明，該辦公樓建筑內(nèi)部空間設(shè)計合理，立面豐富多變，建筑造型美觀，改變了學(xué)校已有辦公樓、教學(xué)樓建筑的呆板形象.通過使用后的實際熱工檢測，外墻傳熱系數(shù)K=0.91 W/(m2·K)，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)K=0.67 W/(m2·K)，窗戶的傳熱系數(shù)為3.08，遮陽系數(shù)為0.51，基本達到《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》(GB50189-2005)標準的要求.該工程造價雖然較高，但其節(jié)能技術(shù)效果良好.

參考文獻：

[1] 張威. 湖北省機關(guān)辦公建筑能耗分析與節(jié)能研究[D].武漢：華中科技大學(xué), 2009.

[2] 胡帆.未雨綢繆——夏熱冬冷地區(qū)教學(xué)樓節(jié)能設(shè)計[J].中外建筑，2010(1)：31-32.

[3] 王永生.高校教學(xué)樓節(jié)能改造經(jīng)濟可行性分析[J]. 山東工商學(xué)院學(xué)報，2010(10)：59-62.

[4] 石運龍.呼和浩特地區(qū)辦公建筑節(jié)能設(shè)計研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué), 2007.

[5] 中華人民共和國建設(shè)部.GB50176-93民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，1993.