实现可持续性建筑的技术

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摘要：可持续性建筑广泛涉及建筑设计、暖通、建筑材料、自动化等许多专业的技术的不断改进与良好配合的结果。我们必须把可持续性建筑作为一个极其复杂的系统工程对待，着眼于综合效益的可持续性。本文分别从外围护结构热工性能的改善、建筑设备技术、新能源技术、新材料技术等多个方面介绍了具有可持续性的建筑技术。

　　关键词：可持续建筑 建筑节能 系统优化

　　1、前言

　　我们向自然界索要资源满足城市化的需要，再将废物排放给自然，终于面临着资源枯竭，同时环境污染威胁生存的难堪局面。在这种情况下，可持续发展的观念逐步为越来越多的人认同。可持续发展呼吁人们放弃现在高能耗、高增长、高污染的粗放型生产方式和高消费高浪费的生活方式，以保持资源的可持续利用性。建筑产业就是典型的立足于资源和能源大量消耗的产业，人们也早已开始研究实现可持续性建筑的途径。1994年11月，第一届可持续建筑国际会议在美国举行，会议对可持续建筑做了全面探讨，指出可持续性建筑的主要问题是资源、环境、设计和环境影响及它们之间的相互协调关系。各国都有做可持续性的建筑的尝试，如美国有“资源保护屋”，英国MiltonKeynes有能源公园，丹麦有可再生住房等。纵观这些建筑，可持续建筑的技术应具有以下4R属性：

　　RESOURCE—资源的保护和合理利用，有节制的开发自然资源；

　　REDUCE—降低能耗、减小能源消费对环境的有害影响，减小污染物排放量；

　　REUNITE—充分利用地方材料与现代高科技加工新型生态节能建材；

　　RECYCLE——资源与建材的再生利用，变废为宝。

　　我们寻找可持续性建筑最关键的部位，并提出相应的解决方法。首先，可持续性要求对能源的消耗小。这意味着除了要做好外围护结构的保温隔热，降低冷热负荷外，各种新技术在暖通空调系统中的应用也是建筑节能得以实现的重要途径。其次，可持续性要求能源的可持续性，新能源技术在建筑领域的应用也是很重要的思路。最后，要做到对环境影响小，就必须做到可再生利用自然资源及建筑材料等人造材料的可再生利用。

　　2、实现可持续性建筑的技术途径

　　2.1外围护结构的保温隔热技术

　　以民用建筑为例，冬季热负荷包括围护结构的耗热量和加热由门窗缝隙涌入室内的冷空气耗热量。因而围护结构热工性能的改善是降低采暖能耗的最重要途径。我国建筑节能规划目标中，建筑围护结构承担其中47.2%的节能任务。

　　2.1.1外墙

　　分析外墙基本耗热量计算公式Qj=AK（tR-to，w）a（a为温差修正）及冷负荷计算公式为Qc（τ）=AK（tc（τ）+td）kαkρ（kα为外表面放热系数修正，kρ为吸收系数修正），可见节能主要要控制围护结构的表面积A、传热系数K，而外表面的物理性能改善也有一定的作用。有对应的以下几条降低负荷的措施：

　　1）优化建筑外形，以最小的建筑外表面积包容最大的建筑空间即减轻墙外表面积的影响。外表面积和体积之比推荐值为0.4.建筑形体系数每增加一个点，建筑能耗将增加5%左右。还应考虑作合理平面布置，如将电梯、楼梯、管道井、机房等布置在建筑物的南侧或西侧，可以有效阻挡日射，减少室内得热量。

　　2）采用保温隔热，传热系数小的墙体材料。此类外墙材料有各类砌块、复合轻墙板以及外墙复合墙体保温技术等。

　　3）外装饰尽量做浅色处理，采用光滑饰面材料，降低kρ，减少表面对辐射的吸收；

　　4）硬质铺地表面蓄积太阳能热量，会导致建筑周围温度的上升。如果利用绿地区域替代，将降低地面附近室外空气的温度。减少室内外温差，从而降低冷负荷。

　　5）研究如“可呼吸外墙”类同时具有良好生态性能的外墙。

　　2.1.2窗

　　窗的传热系数比墙的大很多，又经常开启，是冬季耗热的关键部位。窗的冷负荷分瞬变得热和日射得热，日射得热是室内通过窗玻璃得到的太阳辐射热，其计算公式为Qc（τ）=ACsCiDjmaxCLQ（A-窗的有效面积，Cs窗玻璃的遮阳系数，Ci-窗内遮阳设施的遮阳系数）、由公式可看出，针对窗户的节能技术主要有：

　　1）结合建筑物朝向，纬度，合理的控制窗墙比，如高纬度南向窗户面积取大一点，以更好的利用太阳辐射，降低采暖能耗。适当确定建筑物的挑檐、遮阳板的尺寸，安装可调式百叶、窗帘，调节室内日照。或采用遮阳系统，一般安装在向阳的外立面或采光屋顶上，可控可调，以到不同时间，据不同需要遮挡、反射和引光入室的目的。

　　2）采用多层窗或采用中空玻璃，利用空气夹层热阻较小的原理，降低玻璃的传热系数。普通单层玻璃K值在6.4左右，而中空玻璃窗K值在3.0左右，保温隔热性能大大提高。选择气密性好，导热系数小的塑料窗框代替常用的金属窗框，可有效减少冷风浸入。

　　3）采用吸热玻璃、镀膜反射玻璃、夹层变玻璃等技术，降低玻璃的Cs，有效阻止通过玻璃的太阳辐射和室内热辐射。但这些高技术产品价格昂贵，希望在发展玻璃深加工的同时能降低成本，使之能普遍使用在住宅中。

　　2.1.3屋顶

　　1）采用高保温材料。目前我国平屋顶保温材料应用较多的主要是加气砼和膨胀珍珠棉，保温隔热性能一般。近几年广东等地推广使用一种预制好的隔热砖，可在结构层上直接铺设。有的地方用舒乐板作屋面保温，也取得了较好的效果。新近研制的防水珍珠保温板，具有带排气孔、重量轻、憎水率高、强度高、保温性能好等特点。

　　2）屋顶设置高效隔热层。可防止大量辐射热侵入室内，减少空调等耗能。隔热层在设计时，不仅要保证有一定的隔热空间，而且还应该保证隔热层能够通风，及时将热量带走，才能有效的保证隔热效果。我国传统的坡屋面设计就能较好地满足这个要求；

　　3）蓄水隔热屋面。利用水生植物遮阳，反射和吸收太阳辐射，以及利用蓄水的蒸发来提高隔热效果；条件允许时在屋顶上覆土，做植被屋面。上面种密叶植物，利用植物遮阳，覆土作为隔热层提高隔热性能。

　　2.2暖通空调新技术

　　建筑能耗降低主要体现在暖通空调设备的装机容量减少和运行的经济性上，因此，暖通空调技术措施的改进和落实应用是建筑节能得以实现的根本途径。

　　2.2.1采暖新技术

　　冬季采暖是中国北方地区住宅必不可少的，主要采用集中供暖。热源供给主体是热力公司或小区锅炉房。我国目前市政集中供暖方式比例为46%，分户式取暖比例仅次于市政集中供暖，为44％。分户采暖方式的特点在于用户可以根据自己的喜好随意选择，同时用热也可以单独计量。随着清洁能源的使用及新技术、新产品的出现，使采暖方式的多元化选择成为可能，集中供暖方式的垄断地位受到挑战，采暖、热水一体化的独立分户采暖等方式纷纷出现。各地应根据当地气候、能源条件和建筑情况，发展采用适宜的节能采暖方式，如辐射采暖，主要依靠供热部件与结构内表面间的辐射换热为各房间供热（冷），热舒适增加，减少房间上部温度升高增加的无效热损失，因此可节省采暖能耗。

　　2.2.2通风空调新技术

　　目前较多采用的是风机盘管加新风系统及定风量全空气系统，但以下几种系统形式有着较好的节能效果，建议因地制宜的选择使用。

　　1）尽量采用自然通风。采用自然通风可以减少制冷负荷，并带走室内有毒及有异味物质，其动力是室内外温度差引起的热压和风压压力差。这种被动式的通风空调技术不开风机，无需制冷，应加以充分考虑，设计在温和天气如春冬过渡季节直接对流通风，实现基本零能耗；而在热而无风的日子尽量设计利用烟囱效应、风塔效应引风入内。

　　2）变制冷剂流量VRV系统。以制冷剂直接作为热传送介质，其每公斤传送的热量是205KJ/kg，几乎是水的10倍和空气的20倍，同时可根据室内负荷的变化，瞬间进行容量调整，使VRV系统能在高效率工况下运行，具有显著节能效益，经济效益显著。

　　3）水环热泵空调系统。用水环路将小型的水/空气热泵机组并联在一起，构成一个以回收建筑物内余热为主要特点的热泵供暖、供冷的空调系统。节能环保效益显著。

　　4）蓄能空调。利用晚上电价较低时段制冰蓄冷白天供冷，可起到削峰调谷的作用。

　　5）变风量空调VAV系统。送风状态保持不变，改变送风量来适应室外气象变化，从而降低了冷水机组的制冷量，也降低的风机的能耗。

　　6）热泵空调技术。将自然环境（太阳能、空气、水、土壤）中的低位能转化为高位能。以土壤源热泵为例，在一定深度的地层中，土壤温度达到了一个比较稳定的数值，冷热媒流经这些区域进行热交换后可直接用于空调系统。未来地下土壤的冷或热能的利用会成为非常重要的可再生能源之一，因为这种能源普遍存在，既没有污染物排放，也不生成污染物，另一方面运作费用极低，只需要进行初始投资回收的评估。

　　7）区域供冷技术。这样可以采用效率高的大容量机组，考虑负荷参差系数而使装机容量减少，与分散式供冷相比，机房面积和管理人员都大幅减少，能源利用更为合理有效。

　　比较以上几种空调技术，还是有一些不尽如人意的地方：采用自然通风时，如果建筑周围外环境质量较差，则容易引入外界的空气污染等不良因素，同时可能导致热/冷流失，降低隔热效果；考虑制冷剂的价格的环境污染问题，VRV系统的容量不能很大；应用水环热泵的建筑必须有内外分区；蓄能空调只有在昼夜电价有较大差异时才有意义；VAV系统的自控很不好实现，国内罕有成功的实例；地源热泵地场温度分布的测定还不完善，以及布管技术与管材的选择问题，还有一年中从地下获取的和排放的热量应如何保持平衡等问题而水源热泵回灌成本太高，而且要求必须有环境水源才能实现。因此，总的来说，因地制宜，合理设计是利用这些空调技术达到节能降耗目的的前提。

　　不论是采用何种通风空调形式，都要注意自动化技术与暖通空调技术的配合，才能更好的实现建筑设备系统的合理设计、有效使用以及运行控制过程中的能量节约。建筑自动化即实现建筑设备系统（如供热空调系统、给排水系统、照明系统、运输系统、消防系统、保安系统、办公系统、通讯系统等）的监测、管理、运行和控制的自动化，根据室外气候条件和室内参数设定值，自动调整空调制冷系统的运行参数，真正做到设备响应当地气候，保证建筑设备在提供要求的建筑环境的同时，达到初投资、运行费和维修服务费最小的优化目标。

　　再者，暖通空调设备的选型应分考虑各种节能及优化措施对设计负荷的影响，负荷计算不能再参照旧有围护结构的类型充和材料热工性能，否则会造成计算得到的冷热负荷与实际冷热负荷存在不小的差异。还应根据具体情况选择合理的安全系数，从而合理为暖通空调设备选型定装机容量，以节省初次投资和做到精确控制运行工况，节省运行费用。另外，照明负荷的大小、办公设备耗能指标及建筑内人员密度等都应采用反映实际情况的合理的参数值，而非仅仅依赖设计手册上的概算指标或经验数据进行估算。

　　另外，还应结合城市规划对整个能源系统进行总体设计，研究为暖通空调系统配置合理的能源转化与能源输送系统，重点为我国北方地区热电联产，长江中下游地区的供热、供冷方式，与集中供热、供冷相适应的大型制冷供热装置以及全面规划电力、煤气、冷热源及蓄能的能源系统。能源系统设计的很小变更，也会意味着大数量级的能耗降低。

　　2.3新能源技术

　　2l世纪住宅应大力开发利用太阳能、风能、水能和生物能等绿色能源，实现一定程度上的能源自给自足，保护未来的生态和环境，为将来的发展提供优良的基础。太阳能是自然界中的最充分、最便捷的可供利用的绿色能源，应优先选用被动式太阳能技术，而主动式太阳能技术的采用则作为补充。被动式太阳能利用在设计时可在地面、屋顶安装一些装置直接利用太阳能，如太阳能恒温房；也可在外围护结构的空气层中填以高效热反射材料，达到保温隔热的目的，而在阳光充足的寒冷地区，则可将外围护结构设计成蓄热材料；还可利用太阳能收集器或其他装置将太阳能进行收集、贮存和转换。在设计时、要考虑当地的气候特点，充分利用本地气候资源，避免由于人工能源的大量使用而形成的居住者与自然的人为隔离，同时也可节能能源。主动式太阳能利用可通过窗户集热板系统、空气集热板系统、透明热阻材料组合墙等来实现。

　　2.4可再生技术

　　可再生技术的意义重大：变废为宝，同时解决污染问题。利用可再生资源逐步替代不可再生资源的领域，以应对未来建筑必须面临的诸如环境和生态保护，最少能源耗费等方方面面的挑战。一方面要实现自然资源的可再生，另一方面要努力实现垃圾、建筑材料等人造材料的可再生利用。

　　自然资源如雨水可以收集起来，引入蓄水池中，适度净化后用于浇灌花园、清洗和卫生间冲水等。还可以利用蒸发效应冷却建筑外结构或建筑构成元素，与自然通风协同作用，清洁环保地达到保证室内空间热舒适的程度。

　　垃圾处理，减量化是解决问题的关键，对建筑及生活垃圾可采用分类回收及无害化解体处理。如由废纸、废纸板可制成保温材料和底衬；由废塑料可制成管子和地毯；废电池回收处理可回收大量金属等。在建造时会产生垃圾，应在建筑设计中注重尺度的推敲，符合模数，选择使用高效、精良的产品及考虑材料维护更换周期，采用对环境更为有利的施工管理模式。另外，要充分利用剩余能量，注意对建材及生产过程中的三废和废热综合利用、开发。

　　传统建材生产-使用-废弃的过程，可以说是一种将大量资源提取出来，再将大量废弃物排回到环境中去的恶性循环过程，忽视了环境协调性和舒适性。其中最关键的是利用混凝土和水泥固体废弃物生产生态环境建材。

　　在我国，每年浇注混凝土约15—20亿m³，开山采砂石约为11—14亿m³。弃混凝土量约为60亿万m³，其中除一小部分用于填筑海岸、充当道路和建筑物的基础垫层外，绝大多数作为垃圾填埋，不仅占用大批土地（甚至耕地），而且还对环境造成污染。由于废弃混凝土块中含有大量砂石骨料，如果能就地回收，经过破碎、清洗、分级后作为骨料再利用，则不但可以降低成本，节省天然资源，还能减少城市环境污染。目前。我国每年约生产水泥5亿多吨，生产过程需消耗大量石灰石、粘土和标准煤，同时产生大量的粉煤灰、CO、CO₂和SO₂等，严重破坏生态平衡。水泥工业要大力提高其资源利用率和废物回收率，并能充分利用其它工业废渣废料。

　　3、结论

　　可持续性建筑强调建筑环境与自然环境的协调共存，有机结合，要从土地开发、建筑布局、建材选择、建筑使用及维护以及建筑拆除的整个生命周期中，体现出对自然资源的索取少，能源消耗小，对环境影响小，再生利用率高的新特征。

　　总体来说，我们应首选优化设计，结合具体建筑尽可能采用简单合适的技术，尽量适应环境的特点，依靠自然力来满足舒适性要求。尽管这种方法被认为是被动的技术，但其在节能及环境保护方面的作用却是不容忽视的。另一方面，我们要以辩证的观点、审慎的态度对待新技术。从整体性，协调性的观点来看，有一些所谓的可持续性技术只是某些环节的某些属性的改善，并不一定代表了整体水平的提高，相反有时大量高能耗的建筑设施及其施工反而会极大地抵消其积极的一面。为了实现可持续性建筑，我们应以建筑和暖通行业为基点，材料、自动化等行业为支持，提高建筑的综合效益，让建筑环境与自然环境协调发展。