楊梅蘭

(東莞理工學院城市學院 城市與環(huán)境科學系,廣東 東莞 523419)

1 引言

隨著我國經濟的快速發(fā)展,人民的生活水平不斷提高,對居住環(huán)境的舒適度提出了更高的要求。如今,在南方無論是城市還是農村,都在大量的使用空調,在炎熱的夏季家家戶戶都開著空間,有些家庭甚至二十四不間斷開著,導致熱島效應越來越嚴重,人們感覺到氣候一年比一年熱。經濟發(fā)展的同時,建筑節(jié)能技術在國內得到了迅速發(fā)展,主動式節(jié)能技術的弊端逐漸顯現,被動式節(jié)能技術受到青睞。越來越多的工程師從初步設計階段就開始把綠色、環(huán)保的節(jié)能技術融入建筑物。被動式住宅建筑環(huán)境調控技術就是根據所在地區(qū)的氣候條件,風向、常年的溫度、濕度,從建筑本身出發(fā),做出合理的體型設計、朝向設計、通風換氣設計、利用太陽能及風能、利用墻體變色等來保證屋內的人體感覺到舒適的溫度、濕度。東莞市南亞熱帶季風氣候顯著,具有長夏短冬,光照充足,熱量豐富,氣候溫暖,溫度變幅小,雨量充沛,干濕季明顯的特點,適合的被動式節(jié)能技術如下所述。

2 被動式保溫隔熱材料環(huán)境調控技術

2.1 住宅外維護結構的保溫材料隔熱特性

在東莞地區(qū)夏季較長,要長時間的保持建筑物中維持人體舒適的冷量,要么不斷地補充新的冷量,要么采取措施防止冷量流失,將冷量留在建筑物內。冷量總是從低溫區(qū)流向高溫區(qū),冷量的流失主要有三種方式：傳導、對流和輻射。

冷量的傳導主要發(fā)生在建筑物各個構件之間以及建筑物之間。維護結構是建筑物中面積最大的構件,因此,冷量通過墻體散失是最普遍的。圍護結構上的一些金屬構配件是良好的導體,也會導致冷量的流失。內環(huán)境空氣發(fā)生對流會導致冷量的流失。粗糙的墻表面比光滑的墻表面阻礙空氣流動的效果要好。一切溫度高于絕對零度的物體都能產生熱輻射,溫度愈高,輻射出的總能量就愈大,保溫隔熱材料可以降低輻射的效果。要做好建筑物的隔熱工作,就要從冷量流失的三種方式著手。

要做好住宅建筑的隔熱工作,關鍵點是選擇適合的隔熱材料。隔熱材料最重要的特性就是熱阻,熱阻越大隔熱性能越好。市面上的隔熱材料種類繁多,主要分為無機隔熱材料和有機隔熱材料,選擇合適的隔熱材料還需要考慮消防要求,必須符合所在地區(qū)的消防標準。

整個住宅建筑中,應該對主要的構件做隔熱處理,整個屋面需要鋪上隔熱層,內墻及外墻更要加強隔熱措施。綜合考慮節(jié)能隔熱效果和建造成本之后,內墻隔熱層厚度一般做到23-31cm比較合適；外墻隔熱層厚度一般做到20-26cm較適宜。當然,具體施工時的厚度還應該結合隔熱材料的熱阻適當調整,熱阻高的材料,哪怕僅有幾厘米也可以起到非常好的隔熱作用,可以保持室內的舒適度。在隔熱商品有質量保證的前提下,施工技術與施工工藝也非常重要,稍有偏差就會大幅度降低隔熱效果。隔熱材料若與墻體沒有完美的貼合,空隙處會出現熱橋現象,達到一定時間就會在該部位出現發(fā)霉現象。

2.2 住宅墻體外圍護結構的隔熱技術

住宅建筑外維護結構的隔熱措施是在建筑結構部分的基礎上設置保溫層,目前市面上的保溫材料,如保溫砂漿、保溫涂料等,其保溫性能只有新型保溫材料的一半,而且其砂漿本身無法替代保溫層。外維護結構中的墻體保溫有兩種方式：建筑外墻在外側設置保溫層；建筑外墻在內側設置保溫層。建筑外墻外側保溫層貼在外墻的表面,不管是施工技術、施工工藝方面,還是保溫效果方面都是最優(yōu)的解決方案。在南方地區(qū),琳瑯滿目的保溫方式中應該首選外墻外保溫的形式。住宅建筑外墻外側保溫可以防止室內墻體表面發(fā)生霉變,目前比較流行的保溫材料厚度在8-18厘米。住宅建筑的各個外墻立面如窗戶、陽臺、勒腳等部位應該處理得當,否則會引起熱橋現象。保溫層最好應做到窗框與外墻體連接的內側點。施工時應注意做完主體結構后再安裝窗戶,最后設置保溫層,如果做好保溫層再安裝窗戶容易發(fā)生熱橋現象。

當住宅建筑外墻外保溫無法實現時,才會使用建筑外墻內側保溫的方式,內側保溫應該由專業(yè)的公司來完成,而且必須選用內保溫專用的保溫材料,選用最先進的施工技術與施工工藝,即使這樣還會出現雨水倒灌及出現冷凝水等問題。所以,在規(guī)劃設計階段在選擇保溫方式時,應該慎重選擇。

眾所周知冷量下降熱量上升,所以屋頂的保溫隔熱工作非常重要。一般需要在屋面結構層之上鋪設隔熱層。屋頂綠化也是一種不錯的保溫措施,植被綠化可以起到遮陰和減少冷量從內部輻射散失的作用,還能保護屋頂免受雨水的侵蝕。提高室內人體舒適度并且可以起到隔離噪音和防止火災的作用,植被發(fā)生光合作用吸收二氧化碳釋放氧氣,還可以調節(jié)空氣濕度,非常好的保護了屋頂表層結構,延長了屋面結構的使用壽命。

3 建筑外墻立體綠化環(huán)境調控技術

東莞地區(qū)炎熱的夏季持續(xù)時間較長,以住宅建筑的外墻體作為載體,發(fā)展空間的綠化模式,不占用土地,又可以美化環(huán)境。有綠色植物遮擋的地方,太陽輻射強度僅有陽光直射地區(qū)的幾十分之一甚至百分之一。濃密的枝葉象一層厚厚的外衣,可以大幅度降低太陽的輻射強度,同時也降低溫度。尤其是城市墻面的反射熱比較強烈,對住宅建筑外墻面進行空間綠化,就可以明顯減少這方面的影響。凡是有植被遮擋的墻面溫度可以降低3-8度,特別是朝西的外墻面,綠化覆蓋后降溫的效果尤其顯著。與此同時,建筑外墻面種植綠化植被后空氣相對濕度可以提高11-22%,在東莞地區(qū)炎熱的夏季這將大幅度的降低人們的排汗量。建筑物外墻面用綠色植被覆蓋以后,不僅具有良好的裝飾效果,還具有良好的生態(tài)功能,而且可以降低室內溫度,提高室內的舒適度。

住宅建筑外墻面綠化可以減少夏季墻體對太陽輻射熱的吸收,從而可以降低室內溫度,植物葉面蒸發(fā)水分,也可以降低降低外墻的溫度,增加室內人體舒適度,因而減少空調的使用,墻體綠化具有節(jié)約能源降低能耗的作用。建筑外墻面綠化的主要方式有：(1)利用藤蔓植物的吸附特性使其攀附于墻面上,或在墻面前利用支撐構件引導植物攀爬使其遮蔽墻面；(2)將預先種入容器中的植物安裝到墻面上；(3)在墻面的底部栽種園林樹木或藤蔓植物,通過引導將樹的枝葉引向墻面,起到遮擋作用。

由于東莞地區(qū)夏季氣溫較為炎熱,墻體綠化的主要功能即為夏季降低太陽輻射得熱,因此,對北京地區(qū)墻體綠化應遵循以下原則為了在夏季降溫應選擇葉大,葉密的藤蔓植物,這有利于夏季光合作用及植物自身吸熱、遮擋對建筑的降溫,如爬山虎應選擇構造形式中植物與墻體之間存在一定間距的垂直綠化形式,這有利于葉片與墻面之間的空氣流動,在一定程度上降低室內溫度。

4 窗戶環(huán)境調控技術

外維護結構上的窗戶具有通風、采光的功能,然而在夏季較長的東莞地區(qū),通過窗戶損失能耗的現象不可避免。因此,平衡好保留窗戶本身的功能和避免冷量散失之間的關系至關重要。然而,通過窗戶流失冷量的現象不容忽視,最理想的情況是保證采光通風的同時盡可能減少通過窗戶流失的冷量。除了選擇熱阻高的窗玻璃外,還應該考慮窗框處的密封性,相對于窗玻璃節(jié)能而言,窗框處損失的冷量更多。基于上述分析,窗戶這里的節(jié)能設計應該從如下兩個原則考慮：第一,盡量選擇熱阻高的窗玻璃；第二,盡量增加密封性,即增加玻璃與窗框的密封性,增加窗框與墻體的密封性以及增加窗框與窗框之間的密封性。

隨著科技的迅猛發(fā)展,現代化的窗玻璃具有隔熱、絕緣的性能,這樣,窗玻璃與各個部位的連接情況就決定了窗戶的節(jié)能狀況。隔熱玻璃表面有一層金屬涂層,保證透光性的同時可以有效的阻止輻射,所以可以達到很好的隔熱效果,防止室外熱量進入室內,特別適用于大面積的朝陽窗戶,尤其適用于像東莞一樣炎熱的地區(qū)。絕緣玻璃一般由兩層甚至更多層質量較高的玻璃,玻璃之間采用真空絕熱處理,或者在玻璃之間填充惰性氣體,這些氣體可以發(fā)揮比較好的絕緣隔熱作用。對于被動式建筑來說,多層充入惰性氣體的玻璃具有更高的熱阻,更低的冷量損失。此外,通過實驗發(fā)現,使用質量較好的隔熱玻璃或者絕緣玻璃,朝陽的窗墻比達到42%時,冷量收支盈余減少,當窗墻比達到82%時,冷量收支沒有盈余,基本達到平衡。

窗框結構的密封性及導熱性能對窗戶部分的節(jié)能至關重要,導熱好密封差的窗框結構用再好的絕緣隔熱玻璃都于事無補。因此,選擇窗框的材料是至關重要的環(huán)節(jié),常用的有塑鋼、木材等多種復合物。注重材料選擇的同時,還要注意窗框各個接口處的密封性,好的密封性可以阻止冷量的散失。

東莞地區(qū)夏季較長,在朝陽的窗戶上方設置遮陽板裝置可以降低窗戶收集太陽熱能的效果；懸掛淺色不透光的窗簾,在窗簾和窗玻璃之間可以形成一個空氣隔熱帶,從而提高窗戶的節(jié)能效果。

總之,在設計窗戶時,盡量選用絕緣隔熱玻璃,全部接口密封性良好的窗框,選擇適宜的窗墻比,選擇合適的窗簾及遮陽裝置,就可以達到比較好的節(jié)能效果。

5 被動式太陽能變色墻環(huán)境調控技術

在我們的生活中有一種普遍的現象：在炎熱季節(jié),人們穿衣服會選擇淺色為主,而寒冷季節(jié)的外衣則多以深色為主。這是因為淺色衣服能夠儲存的熱量比較少升溫慢,太陽熱輻射大部分都會被反射到周圍環(huán)境；深色的衣服就有所不同,其吸收熱量的能力比較強且升溫快,可以儲存大部分的熱量。所以,深色的衣服儲存熱量的能力比淺色衣服要多,因此,人們冬季大多會選擇深色的外衣,夏季會選擇淺色的衣服。依此可知,住宅的外維護結構可以看作建筑物的外衣,只要給它增加根據溫度變色的功能,就可以根據不同地區(qū)不同氣候特征,變換外維護部分的顏色來調節(jié)室內的舒適度。

根據這種想法,太陽光常年能照射到的外墻可以設為變色墻,并利用太陽能來制冷。溫度較低的季節(jié),讓變色墻變換為深色吸收并儲存熱量并向室內輻射,提高室內溫度。溫度較高的季節(jié),讓變色墻的顏色變?yōu)闇\色較少的儲存熱量并發(fā)射大部分太陽熱,降低室內溫度,不足的部分利用太陽能制冷補充?？梢愿鶕囟茸兩牟糠衷O置成可以正反面旋轉的裝置,并起到窗戶的作用。也就是說,冬季旋轉變色墻讓深色部分朝陽,大量的吸收儲存并向室內提供熱量；夏季旋轉變色墻讓淺色部分朝陽,反射大部分的太陽熱,為室內降溫,同時開啟集熱組建件利用太陽能制冷。

由此可知,利用墻體變色的被動式節(jié)能技術的核心部分是控制墻體變色的構件,溫度調控不足的部分由太陽能制冷構件補給。目前,已有的太陽能集熱板固定在外墻上不能改變位置,更換電池極為不方便,如果出現故障維修也比較麻煩,所以,在市場上不受歡迎很難普及推廣。利用太陽能的變色技術是把集熱構件以單獨產品的方式,可以根據需要放置在任意位置,安裝、維修和拆卸都特別方便。太陽能變色墻的顏色與功能,在選擇時應該考慮與住宅建筑整體色調及自然環(huán)境和諧統(tǒng)一；變色構件的翻轉采用溫控自動變換裝置,使用者可以根據自己感覺舒適的溫度自由設定；集熱器部分收集的熱能在超過設定溫度時可以自動運行轉化成冷量送入室內,這樣,就可以解決東莞地區(qū)夏季炎熱的問題。要實現這三個目標,太陽能變色墻應該滿足以下三個原則：第一,構件質量輕,耐久性好,投入使用的安全性能好。第二,要迎合普通大眾的居家生活習慣,符合群眾的審美,更要實用,操控簡單并實現降溫的作用。第三,老百姓能接受的合理性價比。

6 結束語

建筑外墻被動式環(huán)境調控技術的目的是節(jié)約能源,降低建筑物的耗能,提高室內的舒適度。在進行節(jié)能設計時,應該考慮建筑物與周圍生態(tài)環(huán)境的協(xié)調一致,根據當地的氣候狀況選擇適宜的節(jié)能技術,盡可能利用清潔自然的綠色能源。東莞地區(qū)住宅建筑可以通過選擇合適的保溫隔熱材料來達到環(huán)境調控的目標,也可以利用空間綠化減少外墻對太陽輻射熱的吸收,增加窗戶的密閉性,同時配備節(jié)能玻璃,甚至可以采用被動式太陽能變色墻節(jié)能技術來增加室內人體的舒適度。在進行環(huán)境調控設計時,盡可能采用被動式的節(jié)能技術,整合理念,從總體上進行考慮和設計。