廖小明

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

2014 年11 月12日，中國和美國共同發(fā)表了具有歷史意義和里程碑式的《中美氣候變化聯(lián)合聲明》，中國政府提出在2030 年左右二氧化碳排放達到峰值且將努力早日達峰。為了實現(xiàn)這一減排目標，我國將加緊推進節(jié)能減排工作。從終端能耗角度看，工業(yè)、交通和建筑并稱能源消耗三大部門，而目前建筑的能耗已經(jīng)占到全社會終端能耗的33%左右，同時在快速城鎮(zhèn)化的推動之下，建筑耗能將保持增長趨勢。數(shù)據(jù)顯示，我國既有建筑達400 億m2，僅有1%為節(jié)能建筑，因此建筑節(jié)能作為節(jié)能減排過程中的關鍵環(huán)節(jié)將起到至關重要的作用。

1 建筑圍護結構節(jié)能原理

圍護結構是指建筑物及房間各面的圍護物，分為透明和不透明兩種類型，不透明圍護結構有墻、屋面、地板、頂棚等；透明圍護結構有窗戶、天窗、陽臺門、玻璃隔斷等。按是否與室外空氣直接接觸，又可以將圍護結構分為外圍護結構和內圍護結構。在不需要特別加以指明的情況下，圍護結構通常是指外圍護結構，包括外墻、屋面、窗戶、陽臺門、外門，以及不供暖樓梯間的隔墻和戶門等。保持建筑圍護結構的熱工性能是建筑節(jié)能的主要途徑。在建筑物的四大圍護結構門窗、墻體、屋頂和地面中，以面積與能量損失率計算，能量損失排首位的是門窗，其次是墻體，再次是屋頂，最后是地面。門窗損耗的能量約占建筑使用過程總能耗的50%，其能耗是墻體的4 倍、屋頂?shù)? 倍、地面的20 多倍。

1.1 屋面節(jié)能

屋面作為建筑頂部的圍護構件和承重構件占用大量的建筑外表面積，因此也是建筑節(jié)能構造設計的重點。常用屋面構造形式一般包括正置/倒置式屋面、通風屋面、閣樓屋面、種植屋面、蓄水屋面等，雖然屋頂構造形式各樣但其保溫隔熱原理都是通過保溫材料減少外界溫度、濕度、紫外線對屋面的影響，同時也起到減小主體結構熱應力[1]和保護屋面結構的目的。

1.2 外墻節(jié)能

外墻作為建筑中外表面積最大的圍護結構，在建筑保溫隔熱當中占據(jù)著相當重要的位置。外墻節(jié)能保溫構造可分為外墻內保溫、夾層保溫和外保溫三大類，其節(jié)能原理是通過依附在墻體結構上的保溫材料阻隔熱量傳遞減少室內外空氣熱交換，從而達到隔熱保溫的目的。透明圍護結構主要是由金屬構件與玻璃板組成的建筑非承重外圍護結構[2]，通過控制材料的熱工值（傳熱系數(shù)、熱阻、遮陽系數(shù)等）來影響建筑的對流傳熱和輻射傳熱。

1.3 地面節(jié)能

地面是底層房間與地基土層相接的構件，起到承受底層房間荷載的作用。在保溫隔熱上由于熱量通過地面的傳熱并不屬于一維傳熱，地面以下接觸的是土壤層，同時周邊的土壤層薄，熱阻小，熱量損失多，尤其是在沿外墻內側周邊約1 m 的范圍內，地面流失熱量最大[3]，因此，地面外墻沿地面周邊（2 m范圍內）也要做隔熱保溫處理。

2 主要圍護結構節(jié)能構造設計

2.1 屋面節(jié)能設計

屋面構造一般可分為結構層、找坡層、保溫隔熱層、找平層、防水層、隔離層、隔汽層、保護層、裝飾面層等，而其中起到核心節(jié)能作用的是保溫層，因此選用合適的保溫材料尤其關鍵。常用屋面保溫材料的主要性能指標如表1 所示。

表1 常用屋面保溫材料的主要性能指標

從表 1 中選取λ≤0.06（真空保溫板、PU、XPS、EPS）的材料進行橫向對比。作為傳統(tǒng)的保溫隔熱板材，XPS 和EPS 以其合理的價格和便利的施工常被用于屋面保溫構造。但隨著建筑節(jié)能要求的進一步提高，傳統(tǒng)的保溫材料已到達其性能的瓶頸，因此λ 值最低的真空保溫板或許是理想的代替方案。該材料是一種高效、環(huán)保的新型絕熱材料，其絕熱性能相當于普通保溫材料的10 倍甚至更高，而厚度僅為普通材料的1/7，同時強度更高，燃燒性能為A 級，吸水率低，因此該材料成為工業(yè)和信息化部公布的《建材工業(yè)鼓勵推廣應用的技術和產(chǎn)品目錄（2018—2019 年本）》中唯一上榜的建筑保溫材料。盡管該材料存在成本較高、現(xiàn)場無法切割定型產(chǎn)品、工序復雜、工期較長等，但從建筑整體耗能和應用的角度上看，以真空保溫板為代表的“超級絕熱材料”（supper insulation）將會成為今后保溫隔熱材料的重要發(fā)展方向。

保溫材料的用量會對建筑節(jié)能產(chǎn)生決定性效果，用量少建筑則不節(jié)能，用量多則會產(chǎn)生材料浪費問題。以南方某辦公項目為例，該項目通過節(jié)能軟件BECS 對建筑節(jié)能設計建模且賦值后，對其進行能耗量化分析。在保證其他節(jié)能參數(shù)不變的前提下，只調整屋面保溫材料厚度（選用XPS 為例），節(jié)能模型以10 mm 為每次保溫材料增加的單位，厚度區(qū)間從0~100 mm 逐次計算建筑耗能值（圖1）。從圖中可以發(fā)現(xiàn)當保溫材料厚度在0~50 mm 時，耗能指數(shù)下降最多（斜率最大），在50~100 mm 時耗能下行幅度趨于平緩，并在80 mm 時達到斜率極限。該對照試驗基本符合邊際效用遞減規(guī)律，由此可得出保溫材料用量（厚度）與節(jié)能效果之間呈非線性增長，節(jié)能效果大概率符合L 型曲線形態(tài)特性。因此，只有合理地選擇材料厚度才能讓建筑高效節(jié)能的同時又具備經(jīng)濟性。

圖1 建筑耗能與保溫材料厚度的關系（附節(jié)能計算模型）

2.2 外墻節(jié)能設計

外墻保溫系統(tǒng)分為內保溫系統(tǒng)、夾心保溫系統(tǒng)和外保溫系統(tǒng)，前兩個系統(tǒng)因熱工效率較低、占用室內空間及生產(chǎn)方式復雜等因素而被外保溫系統(tǒng)逐漸取代。外保溫系統(tǒng)一般由保溫層、抹面層、固定材料和裝飾面構成，并固定在外墻表面。常用外墻保溫材料的主要性能指標如表2 所示。

表2 常用外墻保溫材料的主要性能指標

保溫材料的選用應主要從以下5 個因素進行綜合考慮。

（1）保溫性能。從表2 中可看出前3 種材料（PU、XPS、EPS）均為有機材料，在導熱系數(shù)上均比無機材料（巖棉、發(fā)泡水泥板、?；⒅楸厣皾{）要小，這也意味著具有更出色的保溫性能。

（2）材料自重與安全性。無機材料干密度一般都比有機材料要大，同時在較高的導熱系數(shù)的因素影響下，無機材料的使用厚度將大大高于有機材料，因此較大的自重會增加建筑外墻的安全隱患。

（3）耐水性。保溫材料吸水后導熱系數(shù)會增加，因此應選用吸水率低或不吸水的保溫材料，而有機材料比無機材料的吸水率更低，保溫穩(wěn)定性更好。

（4）燃燒性能。從建筑防火角度考慮，外墻應首選A 級不燃材料，即無機材料，而大多數(shù)有機材料屬于B 級難燃材料，因此在選用B 級材料時要加設防燃燒性能為A 級的水平防火隔離帶。由于有機材料和無機材料在外墻保溫使用中各有優(yōu)缺，因此在材料革新的推動下出現(xiàn)了一些低導熱、輕質量、低吸水性的A 級不燃新型復合保溫產(chǎn)品。如添加了阻燃劑的復合A 級聚氨酯保溫板和將聚氨酯樹脂噴涂在巖棉表面經(jīng)發(fā)泡成型的聚氨酯巖棉板[4]等。由于這些新型材料同時具備了有機材料和無機材料的優(yōu)點，因此在節(jié)能設計中應對此類材料多加考慮。

（5）飾面材料部位。由于建筑飾面材料會直接影響太陽輻射吸收系數(shù)，因此在炎熱地區(qū)應優(yōu)先選擇能降低輻射系數(shù)的飾面材料，如采用淺色面磚或飾面層上噴涂熱反射涂料。

2.3 門窗節(jié)能設計

門窗構造作為外圍護構造上的重要節(jié)點，在建筑節(jié)能效果上也同樣至關重要。對于其中占比最大的透明部分即外窗或幕墻系統(tǒng)，除了控制適合的窗墻比外，還應控制材料的傳熱系數(shù)及遮陽系數(shù)。常見玻璃的熱工參數(shù)如表3 所示。

表3 常見玻璃的熱工參數(shù)

從表3 中可以直觀看出，中空玻璃比單層玻璃傳熱系數(shù)低，鍍膜玻璃比非鍍膜玻璃傳熱系數(shù)低，因此在透明門窗組合中選用Low-e 中空玻璃是節(jié)能的首選。玻璃的傳熱系數(shù)K 值在節(jié)能中并非是單一計算指標，與之匹配且同樣重要的還有玻璃遮陽系數(shù)Sc，遮陽系數(shù)越低則阻擋陽光熱量向室內輻射的性能越好，因此低傳熱系數(shù)配合低遮陽系數(shù)才是玻璃節(jié)能的黃金組合。但需要注意較低的玻璃遮陽系數(shù)意味著室內從室外獲得的自然光更少，室內更暗，在玻璃參數(shù)上則體現(xiàn)為透光率更低。由于過低的透光率無法滿足室內空間對自然光的正常使用需求，因此為了同時滿足低遮陽和高透光率這兩種特性，在設計中可選用中空百葉玻璃（Sc≤30%，透光率≥80%），同時輔以斷橋鋁合金窗框和Low-e 玻璃以達到玻璃外門窗最優(yōu)的節(jié)能效果。

2.4 地面節(jié)能設計

在建筑圍護結構中，由于大部分的熱量是通過地坪直接接觸的土壤面進行傳遞的，因此會在地面結構層之下設置保溫層，同時為了防止保溫材料因土壤的潮氣而受潮，會在保溫層結構層之間增加隔離層。對于保溫材料的選擇，在寒冷地區(qū)的建筑，若持力層以上土壤層的熱阻已符合地面熱阻規(guī)定值，則應在地面層下鋪設適當厚度的板狀保溫材料[5]，以便能達到較好的保溫與防潮效果。同時對于沿外墻內側周邊約1 m 范圍內的地面，應根據(jù)其所承受的荷載選用抗壓強度較高的保溫材料，如PU、EPS、XPS 等。

3 結語

綜上所述，外圍護結構對建筑整體耗能起著重要作用，尤其是不同圍護結構部位中的構造做法及其核心保溫材料的使用將決定建筑的節(jié)能效率。本文通過對外圍護結構重要節(jié)點的構造及保溫材料的比選，得出相應部位較為合理的節(jié)能設計方案，為優(yōu)化建筑節(jié)能提供合理可靠的設計方法。