陳婷 沙愛敏

（揚州市職業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇揚州 225009）

1 概述

在十九屆五中全會審議通過的《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二零三五年遠景目標的建議》特別強調(diào)，要發(fā)展節(jié)能綠色建筑。提到建筑的節(jié)能，首先需從建筑的圍護構(gòu)件考慮，有效的減少圍護構(gòu)件的熱傳導(dǎo)，提高建筑各圍護構(gòu)件的保溫隔熱性能是降低建筑碳排的有效途徑，也是實現(xiàn)建筑節(jié)能的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。建筑圍護構(gòu)件主要有墻體、屋頂屋面、門窗等構(gòu)件。對建筑進行綠色改良性方案就從這三個圍護構(gòu)件的性能進行考量。

如何能夠在盡量避免減少實地利用各種儀器勘測所耗費的人力和時間的情況下，對建筑外圍護構(gòu)件進行能耗的數(shù)據(jù)模擬，比對分析出最佳保溫特性優(yōu)化方案，就可以借助于各類建筑能耗軟件。常見的建筑能耗軟件有許多種，各種軟件各有其優(yōu)勢和特點，有英國DesignBuilder 公司開發(fā)的DesignBuilder 軟件，這款軟件從建筑整體規(guī)劃起就開始考慮對建筑環(huán)境進行全面動態(tài)能耗考量；清華大學(xué)自主研發(fā)的Dest 軟件可以對建筑全周期的逐時監(jiān)控，掌控能耗的變化，英國Square One公司開發(fā)的Ecotect 軟件可以進行熱工、日照、照明、聲學(xué)模擬。美國勞倫斯伯克利國家實驗室開發(fā)的DOW-2 軟件則可以采用反應(yīng)系數(shù)法計算圍護構(gòu)件的熱量傳遞與損耗[12]。本文選擇Autodesk 公司開發(fā)的ARCHICAD 軟件，對建筑中圍護構(gòu)件的熱工性能進行模擬，用于圍護構(gòu)件的材料與構(gòu)造形態(tài)的選擇與應(yīng)用，另外，ARCHICAD軟件還可以實現(xiàn)能量評估，評估其環(huán)境、氣象、能量成本、能量模擬等參數(shù)。對于維持建筑舒適度的綠色能源獲取設(shè)備，例如太陽能采暖，可以根據(jù)輸入該建筑所處的朝向方位，設(shè)置不同的屋頂屋面角度，模擬所能獲取的中央太陽能熱量的采集，對該屋頂?shù)臉?gòu)造設(shè)計是否符合低碳建筑需求。并且可以設(shè)置其所使用的建筑面積，這些參數(shù)可以根據(jù)能耗的情況隨時進行調(diào)整，最終得到最佳的低碳綠色建筑的設(shè)計方案。

2 圍護構(gòu)件的綠色改良

2.1 墻體的改良

2.1.1 保溫墻體的構(gòu)造形式

對墻體的保溫構(gòu)造主要分為中填保溫材料外墻、內(nèi)保溫外墻、外保溫外墻等幾種保溫方式（圖1）。如今的新建建筑，在進行外墻設(shè)計時一般都會采用保溫隔熱墻體，建筑外圍進行貼保溫層等相關(guān)的節(jié)能改造。而許多現(xiàn)有老建筑在原先修建時則不具備保溫功能，后期進行建筑功能改良時則需要對其進行保溫隔熱性能的提升做法，一般常用的方法是在外墻內(nèi)側(cè)或者外側(cè)貼上保溫材料，降低墻體整體的導(dǎo)熱系數(shù)，防止室內(nèi)冷熱溫度的散失。

圖1 保溫隔熱墻的構(gòu)造形式

外保溫外墻是目前相對運用的較為廣泛的墻體保溫構(gòu)造形式，因內(nèi)部基層在室內(nèi)，受到空氣的直接作用相對較小，可以更好的發(fā)揮其蓄熱性能。墻體外部進行保溫隔熱層的設(shè)計可以避免冬季冷風(fēng)和夏天太陽熱輻射的影響，達到冬暖夏涼的室內(nèi)感知效果。

另外，外保溫可使得內(nèi)部的實墻免受室外溫差的影響及風(fēng)霜雨雪的侵蝕，從而減輕墻體裂縫變形破損以延長墻體的壽命。外保溫做法不會影響室內(nèi)裝修層，維修也較為容易。

2.1.2 保溫墻體的材料

保溫墻體的材料具有多樣性及不斷更新性，ARCHICAD 軟件可以根據(jù)用戶及市場的需求，不斷對其材料模塊進行適時升級。目前，聚苯板是一種常見的墻體保溫材料，在南北方的很多外墻保溫體系中都會經(jīng)常使用。改良后的擠塑型聚苯乙烯保溫板是近年來開發(fā)的保溫材料，穩(wěn)定性很好，可連續(xù)服役40 年以上，擁有優(yōu)異的防腐性能，耐老化。還有酚醛泡沫板，也是很好的保溫隔熱材料，在建筑圍護構(gòu)件中得以廣泛使用，它的導(dǎo)熱系數(shù)很?。ǎ?.025W/m·K）具有典型的有機高分子材料的耐酸、抗腐蝕性能，并且酚醛泡沫板的密度小，既輕便又耐用。復(fù)合發(fā)泡水泥板的原材料就是市面常見的硅酸鹽水泥，通過對水泥的發(fā)泡處理后得到的具有多孔蓬松結(jié)構(gòu)的水泥板材。目前還有集聚高科技高性能的石墨聚苯乙烯基板已逐漸出現(xiàn)在建筑業(yè)的高端市場，石墨聚苯乙烯基板的密度是18Kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.030W/（m·K），板體的豎向抗拉強度為0.06MPa，其不僅具有隔熱保溫之效，還能存儲熱能，使得建筑室內(nèi)溫度恒定。

2.1.3 保溫墻體厚度的選擇

墻體的厚度直接影響了建筑的保溫隔熱效果，那是不是墻體越厚保溫效果就越好呢，我們利用ARCHICAD軟件進行了不同厚度墻體的溫度變化模擬，發(fā)現(xiàn)在冬季取暖狀態(tài)下，同種保溫材料的墻體，厚度決定了其保溫效果的好壞。而對不同種類的保溫材料，其性能決定了墻體厚度的選擇。在夏季，外圍護結(jié)構(gòu)白天接收太陽輻射而升溫蓄熱，夜間向室內(nèi)外放熱；即夏季白天盡量減少熱量由室外向室內(nèi)的傳遞，夜間室外溫度下降時，需讓室內(nèi)熱量盡快向室外散發(fā)出去，而如果由于墻體厚度設(shè)置的保溫效果太好，就可能導(dǎo)致保溫層在外側(cè)阻礙了墻體向室外散熱，反而會增加制冷負荷，此刻能源損耗增大，即出現(xiàn)反節(jié)能現(xiàn)象。

通過軟件數(shù)據(jù)比對發(fā)現(xiàn)，在日光狀態(tài)下墻體的保溫效果是和墻體的厚度成正比的，但達到墻體最佳厚度時，再通過增加墻體厚度來增加保溫效果不明顯。根據(jù)周期性外部溫度對建筑產(chǎn)生影響的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，墻體外層厚度約為350mm 處，會隨著室外溫度的高低成周期性的變化，往內(nèi)150mm 處則為墻體保溫的穩(wěn)定層，及在這個范圍內(nèi)的墻厚給建筑帶來的室內(nèi)溫度區(qū)別變得較微弱。

2.2 門窗的改良

門窗是建筑的重要組成部分，就能耗來說，門窗的耗能占到圍護構(gòu)件耗能的40%。因此，推廣使用節(jié)能門窗不僅可以讓居住者享受更舒適、方便健康的生活條件，也有利于保護生態(tài)環(huán)境，節(jié)能環(huán)保。門窗的節(jié)能措施主要為提高材料（玻璃、窗框材料）的光學(xué)性能、熱工性能和密封性。另外就是注意門窗的朝向和位置的設(shè)計。

在嚴寒地區(qū)必須選擇U 值很低的窗玻璃。低輻射鍍膜三玻甚至四玻(中間真空),Ug≈0.35～0.5 W/ (mk),是降低建筑能耗的核心組件。同時配上高度隔熱的窗框。在夏熱冬暖地區(qū)，必須慎選窗玻璃。需同時兼顧高日光透射率(例如:0.6 )與低太陽得熱系數(shù)(例如: 0.3)。窗戶安裝的正確位置是在保溫層內(nèi)。這能顯著減少熱橋的影響。將窗戶安裝在砌體或混凝土層內(nèi)，將嚴重破壞高質(zhì)量窗戶的隔熱性能。建筑設(shè)計的外表面對封閉體積的比(體形系數(shù))很小。設(shè)計的其他圍護構(gòu)件方面也都得到優(yōu)化。大多數(shù)窗戶都盡量設(shè)在南立面，冬季可獲得很多太陽輻射，夏季則相對較少。

2.3 屋頂?shù)墓?jié)能措施

屋頂?shù)墓?jié)能措施可以通過優(yōu)化屋頂保溫隔熱材料及調(diào)整屋頂?shù)臉?gòu)造方式兩種途徑來實現(xiàn)。從設(shè)計角度分析，節(jié)能屋頂主要有屋頂架空、種植綠化屋頂、蓄水屋頂、架設(shè)保溫隔熱層屋頂、以及一些集成類的高科技屋頂。屋頂?shù)谋馗魺岵牧弦话銜捎靡恍?dǎo)熱系數(shù)小的輕質(zhì)材料用作保溫，如膨脹珍珠巖、玻璃棉等。也可以在屋頂屋面的防水層上鋪設(shè)和墻體保溫材料一致的聚苯乙烯泡沫等。利用反射散熱的原理，屋頂表面可以刷鋁銀粉或采用表面帶有鋁箔的卷材，或者鋪設(shè)鋁鈦合金氣墊膜等來進行隔熱。

3 ARCHICAD 幫助下的圍護構(gòu)件設(shè)計

3.1 設(shè)計合理的節(jié)能墻體方案

在ARCHICAD 軟件中將設(shè)計好的建筑模型導(dǎo)入，包括墻體材料中保溫隔熱材料的選擇，墻體的厚度，均在建模時加入考慮，如在設(shè)計外圍護墻體構(gòu)件時，是選擇的中填保溫材料外墻、內(nèi)保溫外墻、外保溫外墻的哪種構(gòu)造樣式。將保溫材料設(shè)計在墻體的外表面、居中、內(nèi)表面的何處，并根據(jù)需要設(shè)計各構(gòu)造層的厚度。

對不同位置的需要做保溫隔熱處理的墻體設(shè)置其ID 屬性，對其厚度、材料、作用區(qū)域進行設(shè)定，在ARCHICAD 軟件進行墻體的能量損耗評估后可隨時調(diào)整墻體的材料及厚度搭配。以及建筑成本的運算，最后選出最為優(yōu)化的墻體搭配方案（圖2）。

圖2 ARCHICAD 軟件中墻體各類屬性的設(shè)置

3.2 設(shè)計合理的節(jié)能門窗方案

門窗在圍護構(gòu)件中屬于通風(fēng)透氣的功能，建筑設(shè)計時門窗的設(shè)計位置對建筑節(jié)能起著重要的影響。在ARCHICAD 軟件中選擇適合造型的窗戶模型，首先選擇吸熱、熱反射、中空的玻璃窗類型。然后對其玻璃材料的選擇、窗戶的厚度、窗框材料的選擇、自然通風(fēng)的位置（窗戶的開啟方向）、材料邊緣封條的選擇、和墻體的相對位置關(guān)系以及尺寸等信息進行進一步的調(diào)整，得出較為合理的門窗節(jié)能設(shè)計方案（圖3）。

圖3 門窗設(shè)計的細節(jié)調(diào)整

影響門窗構(gòu)件能耗的還有一個因素就是門窗朝向及位置的設(shè)計，風(fēng)向的選擇，ARCHICAD 軟件可以根據(jù)谷歌地圖定位出任何需要設(shè)計的建筑所處方位，精確模擬出各方位的建筑受風(fēng)情況，給出較為優(yōu)化的門窗方向設(shè)計方案，并且可以可以模擬出其能量損耗信息，根據(jù)其模擬的數(shù)據(jù)信息，及時調(diào)整窗戶的上述屬性，得到滿意的節(jié)能建筑門窗設(shè)計方案（圖4）。

圖4 門窗的朝向和能耗

3.3 設(shè)計合理的節(jié)能屋頂方案

屋頂?shù)姆桨冈O(shè)計也和墻體類似，首先，選擇合適的屋頂類型，如坡屋頂（屋頂?shù)慕嵌龋?、平屋頂，以及屋頂所選用的材料。選擇屋頂造型時，一般除了對其保溫隔熱屬性有所要求外，對其防水性能也需進行綜合考量。ARCHICAD 軟件中可導(dǎo)入目前可用的屋頂防潮防水薄膜，通過系統(tǒng)計算材料的導(dǎo)熱性、密度、熱容量、儲存能量、碳排放量等參數(shù)進行考量設(shè)計。

4 結(jié)論

ARCHICAD 參數(shù)除了可以指導(dǎo)建筑圍護構(gòu)件的節(jié)能設(shè)計，還可以對建筑內(nèi)部的主動能源獲取方式和能耗進行數(shù)據(jù)模擬，ARCHICAD 軟件會根據(jù)你選擇的加熱或制冷方案進行測算。如溫度供給多少，損耗多少，返回多少給出具體的模擬數(shù)據(jù)，我們可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)選擇合適的能源獲取方案。

另外，建筑所在地的氣候特征、空氣潮濕度、日照輻射等的設(shè)定溫度不同均會對建筑保溫的節(jié)能效果產(chǎn)生影響。間歇用能不一定會比長時間段用能更加節(jié)約，如何在恰當(dāng)?shù)臅r間段進行有效能源的使用，才是建筑節(jié)能的關(guān)鍵。我們可以在經(jīng)過前面對圍護構(gòu)件的構(gòu)造層次與各類保溫材料的選擇與優(yōu)化搭配后，用ARCHICAD 軟件進行建筑模型的搭建，然后對所建的建筑模型的外圍護構(gòu)件進行根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c輸入潮濕度和空氣溫度，并且可以模擬出合適體感溫度的能源獲取方案以及使用時長。

利用ARCHICAD 軟件中的能耗參數(shù)模擬功能，可以幫助解決外出進行建筑調(diào)研時所受到的季節(jié)、城市、儀器調(diào)研所帶來的局限性，選擇較為全面的綠色設(shè)計方案，也可以對通過前期調(diào)研已經(jīng)設(shè)計好的建筑環(huán)境進行數(shù)據(jù)模擬修訂。