陳婷 沙愛(ài)敏

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

1 概述

在十九屆五中全會(huì)審議通過(guò)的《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二零三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》特別強(qiáng)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(hù)構(gòu)件考慮，有效的減少?lài)o(hù)構(gòu)件的熱傳導(dǎo)，提高建筑各圍護(hù)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(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。建筑圍護(hù)構(gòu)件主要有墻體、屋頂屋面、門(mén)窗等構(gòu)件。對(duì)建筑進(jìn)行綠色改良性方案就從這三個(gè)圍護(hù)構(gòu)件的性能進(jìn)行考量。

如何能夠在盡量避免減少實(shí)地利用各種儀器勘測(cè)所耗費(fèi)的人力和時(shí)間的情況下，對(duì)建筑外圍護(hù)構(gòu)件進(jìn)行能耗的數(shù)據(jù)模擬，比對(duì)分析出最佳保溫特性?xún)?yōu)化方案，就可以借助于各類(lèi)建筑能耗軟件。常見(jiàn)的建筑能耗軟件有許多種，各種軟件各有其優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，有英國(guó)DesignBuilder 公司開(kāi)發(fā)的DesignBuilder 軟件，這款軟件從建筑整體規(guī)劃起就開(kāi)始考慮對(duì)建筑環(huán)境進(jìn)行全面動(dòng)態(tài)能耗考量；清華大學(xué)自主研發(fā)的Dest 軟件可以對(duì)建筑全周期的逐時(shí)監(jiān)控，掌控能耗的變化，英國(guó)Square One公司開(kāi)發(fā)的Ecotect 軟件可以進(jìn)行熱工、日照、照明、聲學(xué)模擬。美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的DOW-2 軟件則可以采用反應(yīng)系數(shù)法計(jì)算圍護(hù)構(gòu)件的熱量傳遞與損耗[12]。本文選擇Autodesk 公司開(kāi)發(fā)的ARCHICAD 軟件，對(duì)建筑中圍護(hù)構(gòu)件的熱工性能進(jìn)行模擬，用于圍護(hù)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(shí)現(xiàn)能量評(píng)估，評(píng)估其環(huán)境、氣象、能量成本、能量模擬等參數(shù)。對(duì)于維持建筑舒適度的綠色能源獲取設(shè)備，例如太陽(yáng)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(yáng)能熱量的采集，對(duì)該屋頂?shù)臉?gòu)造設(shè)計(jì)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(shí)進(jìn)行調(diào)整，最終得到最佳的低碳綠色建筑的設(shè)計(jì)方案。

2 圍護(hù)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(duì)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(jìn)行外墻設(shè)計(jì)時(shí)一般都會(huì)采用保溫隔熱墻體，建筑外圍進(jìn)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(shí)則不具備保溫功能，后期進(jìn)行建筑功能改良時(shí)則需要對(duì)其進(jìn)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(duì)運(yùn)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(duì)較小，可以更好的發(fā)揮其蓄熱性能。墻體外部進(jìn)行保溫隔熱層的設(shè)計(jì)可以避免冬季冷風(fēng)和夏天太陽(yáng)熱輻射的影響，達(dá)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(shí)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(zhǎng)墻體的壽命。外保溫做法不會(huì)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(hù)及市場(chǎng)的需求，不斷對(duì)其材料模塊進(jìn)行適時(shí)升級(jí)。目前，聚苯板是一種常見(jiàn)的墻體保溫材料，在南北方的很多外墻保溫體系中都會(huì)經(jīng)常使用。改良后的擠塑型聚苯乙烯保溫板是近年來(lái)開(kāi)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(hù)構(gòu)件中得以廣泛使用，它的導(dǎo)熱系數(shù)很小（＜0.025W/m·K）具有典型的有機(jī)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(jiàn)的硅酸鹽水泥，通過(guò)對(duì)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(chǎng)，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(qiáng)度為0.06MPa，其不僅具有隔熱保溫之效，還能存儲(chǔ)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(jìn)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(duì)不同種類(lèi)的保溫材料，其性能決定了墻體厚度的選擇。在夏季，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)白天接收太陽(yáng)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(shí)，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(huì)增加制冷負(fù)荷，此刻能源損耗增大，即出現(xiàn)反節(jié)能現(xiàn)象。

通過(guò)軟件數(shù)據(jù)比對(duì)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(dá)到墻體最佳厚度時(shí)，再通過(guò)增加墻體厚度來(lái)增加保溫效果不明顯。根據(jù)周期性外部溫度對(duì)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(huì)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(gè)范圍內(nèi)的墻厚給建筑帶來(lái)的室內(nèi)溫度區(qū)別變得較微弱。

2.2 門(mén)窗的改良

門(mén)窗是建筑的重要組成部分，就能耗來(lái)說(shuō)，門(mén)窗的耗能占到圍護(hù)構(gòu)件耗能的40%。因此，推廣使用節(jié)能門(mén)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(hù)生態(tài)環(huán)境，節(jié)能環(huán)保。門(mén)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(mén)窗的朝向和位置的設(shè)計(jì)。

在嚴(yán)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(shí)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(shí)兼顧高日光透射率(例如:0.6 )與低太陽(yáng)得熱系數(shù)(例如: 0.3)。窗戶(hù)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(hù)安裝在砌體或混凝土層內(nèi)，將嚴(yán)重破壞高質(zhì)量窗戶(hù)的隔熱性能。建筑設(shè)計(jì)的外表面對(duì)封閉體積的比(體形系數(shù))很小。設(shè)計(jì)的其他圍護(hù)構(gòu)件方面也都得到優(yōu)化。大多數(shù)窗戶(hù)都盡量設(shè)在南立面，冬季可獲得很多太陽(yáng)輻射，夏季則相對(duì)較少。

2.3 屋頂?shù)墓?jié)能措施

屋頂?shù)墓?jié)能措施可以通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)。從設(shè)計(jì)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(lèi)的高科技屋頂。屋頂?shù)谋馗魺岵牧弦话銜?huì)采用一些導(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(lái)進(jìn)行隔熱。

3 ARCHICAD 幫助下的圍護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)合理的節(jié)能墻體方案

在ARCHICAD 軟件中將設(shè)計(jì)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(shí)加入考慮，如在設(shè)計(jì)外圍護(hù)墻體構(gòu)件時(shí)，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(jì)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(jì)各構(gòu)造層的厚度。

對(duì)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(duì)其厚度、材料、作用區(qū)域進(jìn)行設(shè)定，在ARCHICAD 軟件進(jìn)行墻體的能量損耗評(píng)估后可隨時(shí)調(diào)整墻體的材料及厚度搭配。以及建筑成本的運(yùn)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(lèi)屬性的設(shè)置

3.2 設(shè)計(jì)合理的節(jié)能門(mén)窗方案

門(mén)窗在圍護(hù)構(gòu)件中屬于通風(fēng)透氣的功能，建筑設(shè)計(jì)時(shí)門(mén)窗的設(shè)計(jì)位置對(duì)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(hù)模型，首先選擇吸熱、熱反射、中空的玻璃窗類(lèi)型。然后對(duì)其玻璃材料的選擇、窗戶(hù)的厚度、窗框材料的選擇、自然通風(fēng)的位置（窗戶(hù)的開(kāi)啟方向）、材料邊緣封條的選擇、和墻體的相對(duì)位置關(guān)系以及尺寸等信息進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整，得出較為合理的門(mén)窗節(jié)能設(shè)計(jì)方案（圖3）。

圖3 門(mén)窗設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)調(diào)整

影響門(mén)窗構(gòu)件能耗的還有一個(gè)因素就是門(mén)窗朝向及位置的設(shè)計(jì)，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(jì)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(mén)窗方向設(shè)計(jì)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(shí)調(diào)整窗戶(hù)的上述屬性，得到滿(mǎn)意的節(jié)能建筑門(mén)窗設(shè)計(jì)方案（圖4）。

圖4 門(mén)窗的朝向和能耗

3.3 設(shè)計(jì)合理的節(jié)能屋頂方案

屋頂?shù)姆桨冈O(shè)計(jì)也和墻體類(lèi)似，首先，選擇合適的屋頂類(lèi)型，如坡屋頂（屋頂?shù)慕嵌龋⑵轿蓓?，以及屋頂所選用的材料。選擇屋頂造型時(shí)，一般除了對(duì)其保溫隔熱屬性有所要求外，對(duì)其防水性能也需進(jìn)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(guò)系統(tǒng)計(jì)算材料的導(dǎo)熱性、密度、熱容量、儲(chǔ)存能量、碳排放量等參數(shù)進(jìn)行考量設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

ARCHICAD 參數(shù)除了可以指導(dǎo)建筑圍護(hù)構(gòu)件的節(jié)能設(shè)計(jì)，還可以對(duì)建筑內(nèi)部的主動(dòng)能源獲取方式和能耗進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，ARCHICAD 軟件會(huì)根據(jù)你選擇的加熱或制冷方案進(jìn)行測(cè)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(huì)對(duì)建筑保溫的節(jié)能效果產(chǎn)生影響。間歇用能不一定會(huì)比長(zhǎng)時(shí)間段用能更加節(jié)約，如何在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間段進(jìn)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(guò)前面對(duì)圍護(hù)構(gòu)件的構(gòu)造層次與各類(lèi)保溫材料的選擇與優(yōu)化搭配后，用ARCHICAD 軟件進(jìn)行建筑模型的搭建，然后對(duì)所建的建筑模型的外圍護(hù)構(gòu)件進(jìn)行根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)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(shí)長(zhǎng)。

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(jìn)行建筑調(diào)研時(shí)所受到的季節(jié)、城市、儀器調(diào)研所帶來(lái)的局限性，選擇較為全面的綠色設(shè)計(jì)方案，也可以對(duì)通過(guò)前期調(diào)研已經(jīng)設(shè)計(jì)好的建筑環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬修訂。