【摘要】建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)能源消耗貢獻(xiàn)很大，尤其是使用大量玻璃外墻的辦公樓對(duì)能源消耗更大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑物能源使用量占全球的35%以上。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要包括外墻的各種構(gòu)件，如墻、屋頂、窗戶(hù)和遮陽(yáng)元件。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)影響相鄰空間的視覺(jué)和熱舒適性，無(wú)法滿(mǎn)足室內(nèi)空間的視覺(jué)和熱舒適性要求，會(huì)導(dǎo)致居住者依賴(lài)機(jī)械調(diào)節(jié)系統(tǒng)和電氣照明系統(tǒng)增加建筑能耗。因此，優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)將大大有助于建筑節(jié)能。研究結(jié)果表明，提供適當(dāng)?shù)恼陉?yáng)設(shè)備是通過(guò)減少太陽(yáng)熱量獲取來(lái)實(shí)現(xiàn)能源效率目標(biāo)的最大貢獻(xiàn)者，因?yàn)樗鼤?huì)顯著改變集成建筑的其他組件的性能，即暖通空調(diào)和人工照明系統(tǒng)，因此，在設(shè)計(jì)遮陽(yáng)元件時(shí)必須充分考慮其節(jié)能設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu);建筑節(jié)能;能源評(píng)估;能量?jī)?yōu)化;生命周期;被動(dòng)系統(tǒng)

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

1、概述

近幾年，建筑能耗增長(zhǎng)越來(lái)越快，世界各地產(chǎn)生的總能量大部分用于暖通空調(diào)，全球住宅和商業(yè)部門(mén)的能源消耗也在增加，全球住宅和商業(yè)建筑的交付能耗預(yù)計(jì)在2015年至2040年期間平均每年增加1.4%，是全球平均增幅的兩倍多，這一增長(zhǎng)的大部分是由于電力份額和天然氣使用的增加，以及電器和能源密集型設(shè)備使用的增加，以取代部分煤炭消費(fèi)。

決定建筑能耗的兩個(gè)因素是建筑的主動(dòng)系統(tǒng)（暖通空調(diào)、照明、設(shè)備等）和被動(dòng)的建筑設(shè)計(jì)策略（形式、朝向、圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工等），在所有上述因素中，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)各種研究中確定的總能耗貢獻(xiàn)很大。商業(yè)、住宅、醫(yī)院、辦公室、車(chē)間等不同應(yīng)用類(lèi)型的建筑消耗的能量不同，建筑位置、氣候條件、朝向形狀、陽(yáng)光直射面積以及其他因素也是影響建筑節(jié)能的重要因素。監(jiān)測(cè)建筑物的能源性能是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)建筑物沒(méi)有安裝或沒(méi)有運(yùn)行能源信息系統(tǒng)。在封裝方面，借助熱能儲(chǔ)存，使用合適的相變材料、相變材料混合導(dǎo)熱增強(qiáng)劑來(lái)冷卻和加熱建筑物是一個(gè)優(yōu)化的選擇，通過(guò)改變幾何形狀、相變溫度、平均粒徑、化學(xué)穩(wěn)定性及其加熱冷卻循環(huán)，對(duì)建筑節(jié)能效果顯著。

香港的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)占辦公樓峰值冷負(fù)荷的36%，另一項(xiàng)研究模擬了阿布扎比的辦公樓，發(fā)現(xiàn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)占建筑總冷負(fù)荷的30%（太陽(yáng)能、玻璃和織物）。

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)由構(gòu)成外部立面的不透明墻、窗洞、屋頂和遮陽(yáng)裝置等元素組成，是建筑結(jié)構(gòu)骨架支撐的建筑表皮，熱能通過(guò)它傳遞，它在封閉的空調(diào)空間和外部環(huán)境之間充當(dāng)熱障。不同的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)部件，例如墻壁、屋頂、玻璃和遮陽(yáng)裝置對(duì)不同氣候條件下建筑的能量性能有不同的影響，通過(guò)最大限度地減少建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳遞，可以大大減少空間供暖和制冷所需的能源。

2、建筑能源評(píng)估

在推動(dòng)能源效率的過(guò)程中，建筑能源評(píng)估考慮了不同類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和方法。

a.評(píng)估：評(píng)估建筑物在標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)定義條件下的年度能源使用情況。

b.運(yùn)行額定值：運(yùn)行額定值代表實(shí)際的能源性能，沒(méi)有任何預(yù)定義的值，但通過(guò)建筑物使用的所有能源的加權(quán)和實(shí)際評(píng)估，以米或其他方式測(cè)量。

兩種方法都是基于計(jì)算的，基于測(cè)量的方法可以應(yīng)用于既有建筑，為了提高建筑能效，許多國(guó)家開(kāi)發(fā)了評(píng)估既有建筑能源性能的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)方法。

2.1 影響建筑能源利用的因素

不同的參數(shù)影響建筑物的能源利用，主要考慮如下：

a.外部因素（幾何位置、建筑朝向、陽(yáng)光輻射等）。

b.內(nèi)部因素（建筑類(lèi)型、形狀、機(jī)械、人員）。

2.2 建筑形狀和幾何位置對(duì)建筑能量?jī)?yōu)化的影響

不同的幾何位置和建筑形狀會(huì)影響建筑物接收的總太陽(yáng)能（傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射）及其總能耗，建筑的熱輻射消耗可以將冷卻所需的能量提高到25%。在建筑物的設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮其外表面和總建筑體積之間的比率最小值是非常重要的，這有利于半球形狀的理想情況。研究人員已經(jīng)開(kāi)始研究建筑物的不同形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)問(wèn)題，針對(duì)平行六面體形狀、六邊形或八邊形基礎(chǔ)平面、彎曲或橢圓形基礎(chǔ)平面或沒(méi)有任何特定幾何形狀等的建筑物性能，改變形狀因子獲得針對(duì)特定幾何環(huán)境考慮的最佳尺寸設(shè)計(jì)，以找到最佳模型。影響加熱和冷卻要求調(diào)節(jié)的不同參數(shù)如下：

（1）緊湊指數(shù)

（2）幾何形狀因子

（3）特定區(qū)域的天氣或氣候

（4）建筑形態(tài)在建筑生命周期中的優(yōu)勢(shì)。

2.2.1緊湊指數(shù)

緊湊性指數(shù)可以表示為建筑立面的體積與外表面的比率，通過(guò)可能損失或增加熱量表面盡可能小的條件來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)非常緊湊的建筑。

2.2.2形狀系數(shù)

根據(jù)土木工程的概念，建筑的長(zhǎng)度和其他參數(shù)之間總是有適當(dāng)?shù)年P(guān)系。建筑長(zhǎng)度與建筑深度之比表示為形狀因子，不僅是建筑的方向和幾何位置，形狀因素也代表了在每個(gè)基點(diǎn)暴露的立面的百分比，形狀和方向的組合優(yōu)化有利于建筑設(shè)計(jì)，因此，可能的好處是節(jié)省大約36%的熱能，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，面向南向的建筑立面的最長(zhǎng)墻對(duì)于正常的矩形房屋具有最合適的位置。形狀系數(shù)為1/2的建筑模型（相對(duì)而言，朝向南向的外墻表面暴露在陽(yáng)光下較少），需要8.2%的更多能量來(lái)加熱和冷卻建筑。如果屋頂隔熱效果更好，由于屋頂覆層阻止了太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的熱量，這一能耗百分比將大幅增加（26.7%）。

2.2.3氣候和形狀優(yōu)化

在非常寒冷的天氣區(qū)域，隨著建筑面積的增加，越來(lái)越多的熱量通過(guò)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)逸出，因此在寒冷的氣候區(qū)域，聚集和累積的太陽(yáng)輻射會(huì)增加建筑表面接受主動(dòng)和被動(dòng)太陽(yáng)輻射的面積。通過(guò)增加形狀因子，即同樣體積的建筑外表面越多，緊湊性指數(shù)越低，與供暖所需能量的增加成正比。在炎熱的氣候條件下，固定類(lèi)型的建筑性能無(wú)法確定，因?yàn)闅夂蚝托螤钪g的關(guān)系不是直接的，存在修正因子來(lái)確定相關(guān)性。

2.2.4建筑形狀對(duì)生命周期成本的依賴(lài)性

該周期包括設(shè)計(jì)的初步階段、數(shù)月或數(shù)年的建設(shè)期、占用期、使用和維護(hù)以及拆除期，這個(gè)過(guò)程測(cè)量和評(píng)估系統(tǒng)中的人力、物力和精力的不同程度，隨著時(shí)間流向這個(gè)過(guò)程。建筑物的最佳形狀和設(shè)計(jì)是通過(guò)建筑物的幾年建造和使用壽命來(lái)執(zhí)行和實(shí)現(xiàn)的，這對(duì)于計(jì)算是非常有用的數(shù)據(jù)。曲線(xiàn)形建筑、多邊形建筑等不同的優(yōu)化形狀是幾年研究的成果，建筑形狀對(duì)能源使用和能源需求，影響生命周期成本和生命周期環(huán)境成本。

建筑方向主要基于緊湊度因子、形狀因子的不同參數(shù)，其中主動(dòng)和被動(dòng)太陽(yáng)能加熱影響建筑能耗。在建筑設(shè)計(jì)中，除了直接太陽(yáng)能供暖之外，被動(dòng)供暖是最重要的。許多研究人員將他們的重點(diǎn)放在建筑物的被動(dòng)加熱和冷卻上。建筑物正面接收到的直接太陽(yáng)輻射量取決于墻內(nèi)的方位角，這對(duì)于建筑物的方位角非常重要。

最佳建筑朝向有以下積極方面：初期是一項(xiàng)低成本措施，降低能源需求，更復(fù)雜的無(wú)源系統(tǒng)使用較少，增強(qiáng)了其他復(fù)雜被動(dòng)技術(shù)的性能，日光量越多，對(duì)人造光的能量需求就越少。因此，建筑物的內(nèi)部熱負(fù)荷降低。

2.2.5建筑外部和內(nèi)部熱負(fù)荷主要取決于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

根據(jù)外部氣候條件確定內(nèi)部氣候條件，因此需要額外的能源用于供暖和制冷。對(duì)元素操作和包絡(luò)的正確選擇會(huì)對(duì)某些能量需求產(chǎn)生積極影響，對(duì)其他需求產(chǎn)生消極影響。因此，有必要對(duì)建筑的整體性能進(jìn)行評(píng)估。

2.2.6建筑物上的陰影

遮陽(yáng)主要用于減少太陽(yáng)直接輻射和進(jìn)入建筑物的被動(dòng)輻射，這些遮陽(yáng)物件是將最高水平的輻射傳輸?shù)浇ㄖ?nèi)部的元件，遮光不僅用于控制炎熱氣候下的最大太陽(yáng)輻射量，還用于增加表面積。當(dāng)在建筑立面空腔處提供時(shí)，這種遮陽(yáng)布置提供了最有效的效果。

3、被動(dòng)系統(tǒng)

房間內(nèi)的循環(huán)和散熱，這些方法被用于通過(guò)濕氣來(lái)散熱以及從房間中移除濕氣，該系統(tǒng)成本低，效率低。在發(fā)展中國(guó)家，電力的廣泛供應(yīng)消除了供暖和制冷的障礙。被動(dòng)冷卻系統(tǒng)是環(huán)保的，與現(xiàn)代空調(diào)和其他設(shè)備相比，耗電量更少。如今，隨著更多技術(shù)的發(fā)展，被動(dòng)冷卻再次成為研究的焦點(diǎn)。

4、上釉

玻璃窗是確保進(jìn)入建筑物的能量和離開(kāi)建筑物的能量的過(guò)程，在炎熱的氣候條件下，安裝玻璃是為了減少熱量進(jìn)入建筑物，同時(shí)通過(guò)自然方式照亮該區(qū)域，這是一種有效的節(jié)能方式。而在寒冷地區(qū)，玻璃被用來(lái)將熱量聚集到建筑物上，使建筑物自然升溫，通過(guò)這一過(guò)程實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。在光能和光線(xiàn)方面提供能量節(jié)約的玻璃窗可分為以下玻璃類(lèi)型。

吸熱玻璃：這種玻璃或類(lèi)似玻璃的材料允許太陽(yáng)能輻射進(jìn)入建筑物提高其溫度，并通過(guò)對(duì)流和輻射使熱量在整個(gè)房間內(nèi)循環(huán)，以減少通過(guò)玻璃的直接輻射，這主要用于寒冷的氣候條件下。

熱反射玻璃：這種類(lèi)型的材料使用多層或反射涂層或薄膜，有時(shí)使用了不止一層來(lái)阻擋太陽(yáng)輻射進(jìn)入建筑物，對(duì)炎熱氣候區(qū)有效。

低輻射玻璃：這種類(lèi)型的材料涂層或薄膜降低了傳熱系數(shù)，也可以方便冬季節(jié)能。

5、不透明墻組件

作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，墻體占據(jù)了熱量損失和增加的很大一部分，熱傳遞系數(shù)是整個(gè)不透明墻組件的熱屬性，在評(píng)估建筑物的能源性能時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格考慮該屬性。精確設(shè)計(jì)墻體保溫材料的最佳厚度，改善建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱性能，將大大降低建筑運(yùn)行所需的能源，以此作為降低建筑能耗的一種方式，同時(shí)考慮了建筑壽命期間的保溫成本和能源。

6、屋頂總成

屋頂是暴露在太陽(yáng)輻射下最多的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)元件，因此，也是建筑物（單層）熱量增加的最大貢獻(xiàn)者。通過(guò)在鋼筋混凝土板上方提供75毫米厚的聚氨酯泡沫保溫材料，并使用一層涼爽的瓷磚和砂漿作為外部飾面，對(duì)屋頂進(jìn)行優(yōu)化，這種屋頂配置將整個(gè)屋頂總成年能耗降低了0.4%，這主要是由于冷卻負(fù)荷減少了1%。

7、最佳化

不同的方法可以找到家庭、官方和商業(yè)建筑所使用的能源，但是需要一個(gè)廣義的優(yōu)化來(lái)預(yù)測(cè)能源消耗，或者從基礎(chǔ)設(shè)計(jì)假設(shè)構(gòu)建到后假設(shè)，以最小化能源消耗。其中，舊建筑主要是基于建筑角度和地域以及定位的約束，新建筑更多的是優(yōu)化了設(shè)計(jì)等考慮與節(jié)能和高效。如今，不同的設(shè)計(jì)和熱負(fù)荷以及建筑相關(guān)的軟件可用于優(yōu)化能耗和減少能源使用。

8、節(jié)能建筑的最新進(jìn)展

建筑設(shè)備設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展帶來(lái)了顯著的效率提升，并且還有進(jìn)一步提高的巨大潛力。最新設(shè)計(jì)的雙層玻璃窗、PCM板、屋頂保溫、屋頂園藝等，在該領(lǐng)域取得了很大進(jìn)步，并且貢獻(xiàn)了巨大的能量增益。涂有含有特殊顏料的材料的涼爽屋頂反射陽(yáng)光，吸收的熱量比標(biāo)準(zhǔn)屋頂少，開(kāi)發(fā)的新型熒光顏料，這些類(lèi)型的屋頂系統(tǒng)會(huì)變得更加“涼爽”，這種顏料的反射陽(yáng)光量幾乎是標(biāo)準(zhǔn)顏料的四倍。PCM與建筑材料和砂漿混合，低能耗電子電氣設(shè)備，低能耗照明和天花板末端照明等都為建筑節(jié)能做出了貢獻(xiàn)。

結(jié)論：

優(yōu)化建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以對(duì)建筑節(jié)能做出顯著貢獻(xiàn)，對(duì)于建筑節(jié)能的審查，要綜合考慮內(nèi)部和外部因素，以及內(nèi)部因素的不同標(biāo)準(zhǔn)。能源假設(shè)、建筑設(shè)計(jì)和實(shí)施以及拆除、不同類(lèi)型建筑的能量計(jì)算等，不僅基于熱力運(yùn)行，還基于其他各種節(jié)能設(shè)計(jì)。建筑物的可持續(xù)設(shè)計(jì)應(yīng)用降低了能耗、供暖和制冷負(fù)荷的能源需求，以及建筑物的總成本。不同的設(shè)計(jì)因素如建筑朝向、形狀、緊湊性等，會(huì)影響建筑的總能耗。通過(guò)隔熱、上釉、保護(hù)層等措施，可以最大限度地減少太陽(yáng)輻射傳熱，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能優(yōu)化。

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作者簡(jiǎn)介：劉桂洪（1969.07-），男，學(xué)士/高級(jí)工程師，從事建設(shè)工程方面的研究。