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建筑围护结构的节能评价及节能潜力

日期:2016-8-17 15:03:44 来源:转载 浏览数:
 
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    近年来由于能源危机,生态环境被不断破坏,已经威胁到全球的可持续发展。在我国,建筑能耗已经与工业能耗、交通能耗并列,建筑能耗已经占到全社会耗能的30%,成为“3 大能耗大户”之一,如果加上建材在生产过程中消耗的能源,其能耗占到全社会耗能的46.7%,数量巨大。可当前人们仍然在使用大量有污染的能源,建筑项目以每年10%的速度递增,不但加剧能源危机,而且造成环境污染。为抑制现状,国务院办公厅2013 年发布《绿色建筑行动方案》,同时,对建筑行业提出要求:强化建筑保温性能、使用太阳能、减少排放、防止污染,推进建筑工程的节能评价评估工作。
    然而,针对不同类型的建筑设计方案、节能产品以及节能技术服务,如何检验和判断建筑工程方案真正达到节能的目的,迫切需要1 套完整的、适合的、匹配的节能评价方法去落实,以便推进建筑节能评价工作的开展。在对建筑设计的节能评价中,围护结构的保温状况是影响民用建筑冬、夏季能耗指标的重要因素,是建筑节能评价的主要内容。
    1· 建筑围护结构绝热性能的评价内容
    建筑能耗中,建筑物的外围护结构与室外环境热交换消耗的能源占很大份额。建筑节能的重点是提高围护结构的热工性能、降低传热系数,减少热损耗。我国建筑热工设计分为严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖、温和5 个地区,不同地区的围护结构构件的节能潜力不同,如外窗、外墙、屋顶等围护结构的节能贡献率就有较大差异,因此,在评价建筑围护结构构件时,应抓住主要性能指标进行重点评价。表1 为几个不同地区的各部分构件围护结构传热系数限值。
          
    由表1 可知,窗户的传热系数最大,基本上是屋顶或外墙的数倍以上;其次是外墙,外墙的传热系数也大于屋顶。即,在同样的气候条件下,围护结构各个部分传热损失从大到小依次为窗户>外墙>屋顶>底面接触室外空气的架空或外挑楼板等等。因此,评价单体建筑围护结构的重点部位依次为窗户、外墙、屋顶、以及接触室外空气的架空或外挑楼板,这些部位的绝热性能是单体建筑节能评价的重点内容。
    建筑节能评价的依据是建筑节能相关法律、法规、规章和标准,如《民用建筑节能条例》(国务院令第530 号)、GB/T 50668—2011《节能建筑评价标准》、GB 50189—2005《公共建筑节能设计标准》、JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》等,对建筑节能设计方案的热工性能,以及方案的科学性、合理性进行分析和评估,评价建筑设计方案是否符合国家和行业建筑节能设计标准。
    2 ·节能评估对建筑设计方案评价的程序和主要方法
    节能评价工作基本程序:首先是依照建筑节能标准对“强制性条款”进行检查,其次是对“一般项条款”进行检查,第三对“优选项条款”进行检查,最后是对总体情况综合检查和评价。评价的方法为检查设计图纸和核对设计计算书。下面以仁和街道安置房17 号楼为例,介绍建筑围护结构节能评价方法。
    2.1 强制性条款和控制项检查
    对单体居住建筑围护结构各部分进行强制性条款检查主要基于JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》和GB/T 50668—2011《节能建筑评价标准》2 个主要文件进行。JGJ 134—2010标准中第4.0.3、4.0.4、4.0.5、4.0.9 条为强制性条文,必须严格执行。标准GB/T 50668—2011 中第4.2.2 条为控制项,也必须严格执行。以上5 条纳入评价内容的强制性条款和控制项检查内容。
    2.1.1 窗户
    被评价17 号楼为朝南向建筑,其东、南、西、北的窗墙面积比分别为0.12、0.35、0.12、0.29。按照JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》第4.0.5 条规定,不同朝向的窗墙面积比不应大于表4.0.5-1 规定的限值, 即, 东、西向0.35,北向0.4,南向0.45。对照JGJ 134—2010 标准,比对设计值,详见表2。比对结果,东、南、西、北的窗墙面积比均满足JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》表4.0.5-1 规定。1~18 层外窗气密性设计值6 级,满足JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》第4.0.9 条,不低于GB/T 7106—2008《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》中规定的4 级。
    该建筑体形系数0.3,依照标准,不同朝向、不同窗墙面积比外窗传热系数不应大于JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》第4.0.5 条表4.0.5-2 的规定,对照标准,比对设计值,南、北2 外窗传热系数超出控制限值,2 项不达标,必须经过权衡计算,详见表2。

    以上数据显示,17 号楼的窗墙面积比和气密性符合标准,但不同窗墙面积比的南、北朝向外窗传热系数不符合标准,必须经过权衡计算,其余外窗符合标准。
    2.1.2 外墙
    被评价的17 号楼外墙主体部分构造为水泥砂浆保护层10 mm+ 复合发泡水泥板20 mm+ 水泥砂浆20 mm+ 加气混凝土砌块B05 级240 mm;外墙全楼加权平均传热系数1.189 W/(m2·K),热惰性指标D值3.75。依照《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ 134—2010 中第4.0.4 条表4.0.4 规定,热惰性指标值≥2.5,外墙传热系数≤1.5 W/(m2·K)、分户墙传热系数≤2.0 W/(m2·K)、底层接触室外空气的架空楼板传热系数≤1.5 W/(m2·K),详见表3。
           
    外墙热阻R0 =Rr+ΣR +Re= (0.115+1.49+0.043)m2·K/W =1.648 m2·K/W,外墙传热系数Kp=0.607W/ (m2·K)。同理,可以计算出外墙热桥柱、热桥梁、热桥过梁、热桥楼板的传热系数为2.94、1.31、1.01、3.4 W/(m2·K)。外墙全楼加权平均传热系数Km =(K1·S1+K2·S2+K3·S3+K4·S4+K5·S5)/ ΣS =1.186W/(m2·K)。热惰性指标D =3.75。
    分户墙构造为水泥砂浆20 mm + 加气混凝土砌块(B05 级) 120 mm + 水泥砂浆20 mm。分户墙传热系数1.28 W/(m2·K),符合控制标准。底层接触室外空气的架空楼板构造为水泥砂浆20 mm + 钢筋混凝土200 mm + 岩棉板30 mm,计算底层接触室外空气的架空楼板传热系数1.04W/(m2·K),在限值之内。
    通过以上计算,对照限值比对标准,该安置房外墙热工性能各项指标均在标准的控制指标值之内,全楼加权平均传热系数1.186 W/(m2·K),分户墙传热系数1.28 W/(m2·K),底层接触室外空气的架空楼板传热系数1.04 W/(m2·K),符合标准。
    2.1.3 屋顶
    安置房屋顶构造为水泥砂浆12 mm + 细石混凝土(双向配筋) 50 mm + 岩棉板(摆锤法) 40 mm +水泥砂浆20 mm + 钢筋混凝土120 mm,屋顶厚度之和242 mm,热阻ΣR=0.87 m2·K/W,热惰性指标D = 2.76,屋顶热阻R0 = (0.115+0.87+0.043) m2·K/W=1.028 m2·K/W,传热系数K=0.973 W/(m2·K)。对照JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中第4.0.4 条表4.0.4 规定,热惰性指标值≥2.5,屋顶传热系数≤1.0 W/(m2·K)。对照限值对比标准,屋顶传热系数K=0.973 W/(m2·K),符合控制限值,在限值之内。
    以上被评价17 号楼的主要围护结构构件窗户、外墙、屋顶,依照标准控制性限值指标,对被评价建筑单体进行热工性能的逐项计算,同时,比对JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》,除了南、北外窗的传热系数不达标外,围护结构构件其余的热工性能指标均符合控制性限值指标,依照标准必须进行综合权衡计算。
    2.2 一般项条款的检查
    在对被评价单体安置房围护结构的主要热工性能指标进行强制性控制限值指标的评价之后,评价工作进入第2 阶段,按照GB/T 50668—2011《节能建筑评价标准》第4.2.6 条,对被评价单体再进一步评价,评价的标准在控制性指标的基础上再提高一个级别。比如,对安置房17 号楼屋面、外墙、外窗的平均传热系数比现行的行业标准JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》的规定再降低10%。要求对安置房的建筑屋面、外墙具有良好的隔热措施,屋面、外墙外表面材料太阳辐射吸收系数<0.6。符合以上各项条款指标检查的,即完成第2 阶段的检查。
    2.3 优选项条款的检查
    第3 阶段,对被评价安置房进行优选项的评价,在第2 个阶段的基础上再提升1 个层级。比对标准为GB/T 50668—2011《节能建筑评价标准》第4.2.16、4.2.17 条,该安置房建筑的外窗的可开启面积≥外窗面积的35%;被评价安置房单体建筑,其南向、东向、西向的外窗(包括透明的阳台) 设置有活动外遮阳措施。
    通过以上3 个程序的检查和评价,对符合第1阶段的控制限值指标的建筑,被赋予A 级节能建筑;同时,符合第2 阶段的一般性条款检查的建筑,赋予AA 级节能建筑;同时,符合第3 阶段优选项条款检查的建筑,赋予AAA 级节能建筑。本次评价的安置房案例,只满足第1 阶段的控制性限值指标的检查,因此,只能评价为A 级节能建筑。
    3· 节能评估工作对构建绿色生态建筑的贡献
    建筑节能评估工作是推动绿色建筑的有效措施之一。通过节能评估工作,可以有针对性地对建筑外围护结构保温及结构设计提出优化设计建议;同时,可以推广新材料、新技术,促进可再生能源的利用;进一步推进建筑设计智能化,有针对性提出提高能源利用效率、降低能源消耗的措施和建议。
    建筑节能评估也可以对构建绿色生态建筑产生经济和社会效益。随着民用建筑节能评估的开展,第三方评估单位可以为建筑设计单位做出技术性咨询工作,把合理、节约用能的问题解决在项目开工建设之前,从源头上控制能耗增量、提高能源利用效率,淘汰落后的工艺、技术、设备,以推动节能技术进步,保证节能目标的实现,满足低碳发展的要求。节能评估工作符合建筑与自然和谐共存的基本理念,符合国家关于建筑可持续发展,同时,也会产生良好的社会、经济效益。
    4 ·建筑围护结构的节能潜力
    以节能为核心技术的节能建筑,它的根本特征:1) 加强围护结构的绝热性能;2) 主要是利用可持续能源(如太阳能)。以“开源节流”为导向,坚持“开发能源、节流保温”这一原则,建造更多的节能建筑和绿色生态建筑。开发能源指利用可持续能源如太阳能,扩大能源供给,增加收入;节流保温指加强建筑围护结构的保温绝热性能,节约能源,减少支出;用这样的思路和方法来评价建筑工程,以便达到建筑节能评价的管理目的。
    5 年前,院士江亿就提出,我国建筑节能潜力巨大。5 年后,最前沿的科研成果也证实,在国内,现有的建筑围护结构的热效率还可以大幅度的提高。目前,如果采用现在最先进的围护结构技术和材料,室内热的散失还可以减少90%。也就是说,采暖效率还可以大幅度提高,供暖能耗可以大幅度的减少。如果采用最先进的围护节能技术和材料,供暖用能只需要现在的1/10。这表明了现有的建筑围护结构存在巨大的节能潜力。
    在一个冬季稳态条件下,从采暖室内向室外的散热,建筑围护结构的散热公式一般如下:
    Q = [(Ti%-Te)/R0]·F·Z (1)
    式中:Q 为室内向室外的失热,同时,也是供暖设备对室内的供热; Ti、Te 分别为室内、外气温,℃;F 为散热面积,m2;Z 为散热时间,s 或h; R0 为围护构件的总热阻,m2·℃/W。
    从式(1) 可知,冬季采暖,室内向室外的失热数量,与室内室外的温差、散热面积、散热时间成正比,而与围护结构的总热阻成反比。
    分析散热公式可知,只要一个房屋在某一地区建造结束,那么室外气温Te、散热面积F、以及散热时间Z,都可视为固定值。室内放置1 盏40 W 的灯具,其所具有的能量中除了发光消耗外,一部分转化为热能,可利用为对室内供热的热源,这个热源即使很小也是一个定值。公式中6 个因素,4 个定值,那么,要保持室内气温Ti 为20 ℃,只取决于总热阻R0。也就是说,如果围护结构有足够总热阻R0 的房间,只需1 盏40 W 灯泡所产生的余热就可以在冬季保持室内20 ℃的适宜的温度。
    然而,在现实中,同样的一间房子,供暖煤耗是数倍的40 W 灯泡的余热用能。由此可知,现实中建筑围护结构损失了大量的有效能源。最新研究结果也证实,现有的建筑围护结构的热损失在90%,因此建筑围护结构节能空间巨大。
    5· 结论
    近年来,全国多个地区被雾霾笼罩,部分地区空气、水源、植被地质污染范围在不断扩大,人们赖以生存的生态环境受到严重威胁,同时,能源危机挑战世界各国,在国内能源消耗较大的建筑行业背负沉重压力,建筑主管部门和工程咨询机构对新建建筑设计方案能耗管制和控制刻不容缓,建筑设计方案的节能评价工作成为首要任务,迫切需要进一步规范和改善工程咨询机构对建筑节能评价的程序和方法,本文在此列举建筑节能评价实例,分享几年来对建筑节能评价工作的一些经验和体会,其目的是完善建筑节能评价工作以推动绿色建筑,分析和研究建筑节能的潜力,以提高建筑节能评价工作者的积极性。此文供同行以及相关工作者参考。

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