建筑節能應用管理論文

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摘要：本文從環境和能源兩個重要的方面簡要的敘述了建筑節能的必要性。概述了被動冷卻技術在建筑物種的應用方式。被動冷卻在建筑物中的應用方式可按照作用對象的不同分為四類：第一類主要是對建筑物屋頂進行冷卻（設置蓄水屋頂、含濕材料、加蓋隔熱板、設置空氣層等）；第二類主要是對建筑物墻體進行冷卻（在墻體中間設置空間層）；第三類主要是對建筑物的窗、玻璃幕、陽臺等透光部分進行冷卻（設置遮陽、水簾等）；第四類主要是對建筑物室內地板進行冷卻（建地下室等）。由于建筑物得熱的50％來源于建筑物的屋頂，所以重點對應用于建筑物屋頂的被動冷卻技術進行了詳細的描述。同時結合中國國情特點，描繪了被動冷卻技術在我國建筑節能中的應用前景。

關鍵詞：被動技術建筑節能太陽能

1.引言

在人口不斷膨脹，地球環境被破壞，資源枯竭等問題困擾人類的今天，能源和環境這一課題引起全世界范圍的關注。能源和環境之間有著密不可分的聯系，能源的消耗會對周圍環境產生一定程度的污染并且能源的有限性也使得人們越來越重視能源問題。早在70年代能源危機之后，人們對“節能”產生了一種新的道德觀，這種道德觀認為，節能假如不是一種生活方式，那么一定是一種生活的必需。[13]如今，節能已經成為國家政策，它已經被賦予了新的含義——能量的有效利用。但是在現代建筑設計中，人們往往較為注重建筑物的幾何外觀，使用了許多玻璃幕墻等外表美觀的建筑形式，因而大大增加了建筑能耗。建筑能耗在總能耗中所占比例較大，并且隨著現代化生活水平的提高而逐步增長。能源的消耗不僅加劇了地球礦物燃料的日益緊缺和枯竭，而且嚴重污染了地球環境。由表1[2、10]中可以看出，工業發達國家建筑能耗占總能耗的30％～40％，我國建筑能耗業占總能耗的10％以上。[2]因此建筑節能潛力很大。在全面深入貫徹21世紀議程和實施可持續發展戰略的今天，建筑節能已成為未來建筑的發展方向和人類社會共識。

表1.建筑能耗占總能耗的比例國家

美國

英國

瑞典

丹麥

荷蘭

意大利

加拿大

比利時

日本

建筑能耗占總能耗的比例（％）

31.9

34.3

33.9

42.4

33.9

27.4

31.8

31.8

20.3

建筑能耗中空調能耗占主要部分，隨著人們對生活標準、工作環境要求的提高和空調技術的迅猛發展，空調能耗業已驚人的速度增加，于是人們開始不斷的尋求空調節能的途徑。在幫助創造建筑物內舒適的熱力學環境方面，古建筑學就包含了許多被動特色。但是在現代建筑設計中，人們漸漸忽略了被動方式而用機械系統來給建筑物供熱、供冷。然而，在能源危機之后，人們開始重新對利用被動方式給建筑物供熱、供冷產生興趣。被動冷卻可以被定義為利用自然的方法從建筑物中移走熱量，通過對流、蒸發和輻射或者是通過相鄰部分傳導和對流的方式防止從大氣中吸熱。[3]被動技術與機械系統相比具有節能、對環境無污染等優點。被動技術利用自然的太陽能、風、水等無污染的能源對建筑物進行冷卻或加溫，避免了機械系統使用氟利昂等制冷劑對臭氧層的破壞，有利于環境保護。

建筑物能耗中的空調能耗在夏季或是在氣候炎熱的地區日間出現峰值，給地區及國家的電力能源等系統帶來了強大的負擔。在我國，1999～2000年興建住宅約55億㎡，此外，隨著人們對室內舒適性要求的不斷提高，過去一些非采暖地區越來越廣泛的使用采暖設施，制冷空調設備也在全國范圍內得到普及。據統計，我國2000年空調年產量已超過1340萬臺。[4]由此可見，今后我國空調能耗必將急劇增加。另外，生活熱水的提供也將大大增加建筑能耗，這都將給能源、電力、和環境造成巨大的壓力。在我國，部分地區有著豐富的太陽能資源，太陽能是一種巨大的、可再生的、無污染的能源，如果能將豐富的太陽能充分的收集利用不僅能減少空調能耗中用來抵消太陽輻射熱的負荷，還可以利用太陽能加熱水以提供生活熱水，這樣就大大的緩解了社會各個部門的壓力，有利于社會的進步和經濟的發展。

2.我國的太陽能資源

我國地處18°～54°之間，幅員遼闊，擁有極其豐富的太陽能資源，全國約由三分之二以上的地區太陽能利用條件良好，年日照時間大于2000h左右，尤其是西北地區和青藏高原，年平均日照時間在3000h左右。西藏拉薩素有“陽光城”之美稱；華北和內蒙古一帶日照條件也較優越；東南海域許多島嶼也有足夠的太陽能資源。據估計，我國陸地表面每年接受的太陽輻射能約為50×1018KJ全國各地太陽年輻射總量達335～837KJ/㎝2。若按各地太陽年輻射總量來劃分，我國大致可分為五個太陽能資源帶，如表2所示。[4]

表2中國太陽能資源的劃分地區分類

年日照時數

（h）

年輻射總量

（KJ/㎝2）

相當于燃燒標煤（Kg)

包括地區

與國外相當的地區

一

2800～3300

670～837

230～280

寧夏北部、甘肅北部、新疆東南部、青海西部與西藏西部

印度和巴基斯坦北部

二

3000～3200

586～670

200～230

河北北部、山西北部、內蒙古和寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部

印度尼西亞的雅加達一帶

三

2200～3000

502～586

170～200

北京、山東、河南、河北東部、山西南部、新疆北部、云南、陜西、甘肅東南部、廣東和福建南部

美國的華盛頓地區

四

1400～2200

419～502

140～170

湖北、湖南、江西、浙江、廣西和廣東北部、江蘇和安徽的南部、陜西南部、黑龍江

意大利的米蘭地區

五

1000～1400

335～419

110～140

四川、貴州

法國的巴黎和俄羅斯的莫斯科地區

研究結果表明，在太陽能利用方面具有經濟價值的地區是年輻射總量高于2200h的地區。因此，我國具有在大部分地區建筑物中推廣應用太陽能利用技術的良好條件，尤其是西北干旱地區、青藏高原以及常規能源短缺或電力緊張的地區更應該重視太陽能的開發和利用。

3.被動冷卻技術在建筑物中的應用方式

隨著人們對于環境污染問題越來越重視、對于室內空氣品質要求的不斷提高，在不斷加緊研究和推行空調節能，改善室內空氣條件，尋找替代冷煤的同時，許多國家都在積極的探索利用自然條件的冷卻方法。[9]實踐證明，在提高維護結構隔熱性能以大大減少空調負荷的基礎上，配以自然冷卻的技術和措施，對很多地區而言非常有效的。這些技術和措施一般被稱為被動冷卻和混合冷卻。被動冷卻在建筑物中的應用方式可按照作用對象的不同分為四類：第一類主要是對建筑物屋頂進行冷卻（設置蓄水屋頂、含濕材料、加蓋隔熱板、設置空氣層等）；第二類主要是對建筑物墻體進行冷卻（在墻體中間設置空間層）；第三類主要是對建筑物的窗、玻璃幕、陽臺等透光部分進行冷卻（設置遮陽、水簾等）；第四類主要是對建筑物室內地板進行冷卻（建地下室等）。

3.1應用于建筑物屋頂的被動冷卻技術

對于一個單層建筑物，四面都暴露于太陽下，在夏季建筑物吸入的熱量有36.7％是由屋頂獲得。一般的，屋頂始終暴露于太陽之下，而四側墻體不受陽光照射，因此在那種情況下，建筑物獲得的熱量大概有50％或更多來自于屋頂。[3]因為屋頂吸熱是建筑物吸熱的主要來源，因此對于如何減少屋頂的吸熱成為減少建筑物能耗的關鍵。

3.1.1屋面水池

屋頂水池是唯一的一種同時可用于夏季供冷、冬季供暖的被動系統。最常用的系統是在堅固并高導熱的平頂上設置淺水池。屋頂蓄水后,太陽的輻射熱由于水分的不斷蒸發而減緩,由于水層的吸收作用也要奪走部分輻射熱,從而可以有效的防止建筑物屋頂房間的過熱.同時,由于屋面的防水層是處在水層之下,不直接受太陽紫外線的強烈照射,可以延緩材料老化.對于剛性防水屋面,蓄水層還可以緩解溫度伸縮的脹力,減少屋面開裂的可能性.[5]而且蓄水的水層厚度時的水層對于太陽能的透射率降低,但是吸收率有所增加.很多國家已開始采用這種蓄水屋面,如原蘇聯已大面積將蓄水屋面用于紡織工廠及其他工業廠房,[5、11]法國和美國也不同程度的應用了蓄水屋面,在我國四川也采用了蓄水屋面,綜合效果較令人滿意.[9]

另外還可以在水池上設置一層隔熱板，在夏季，在日間水池由隔熱板覆蓋，夜間可移動的隔熱板移走并且通過夜間冷卻使水冷卻。建筑物熱量通過屋頂由室內傳至周圍環境并且獲得冷卻。通過使用帶有隔熱板的屋頂水池可使得屋頂得熱減小，它減少了屋頂吸收的太陽輻射。在冬季，可移動隔熱板在日間移開，以便水池里的水吸收太陽輻射熱并加熱建筑物。水池在夜間蓋上隔熱板以便于水池中熱的水將熱量傳進建筑物。外觀如圖1，結構如圖2。[3]

3.1.2屋面鋪設含濕材料

蒸發冷卻是最重要的被動冷卻過程，無論何時，只要含濕材料或是材料濕表面的水蒸氣壓力高于周圍環境大氣中的水蒸氣分壓力，蒸發冷卻都可以進行。此類蒸發冷卻采用在建筑物面上鋪設一層含濕材料(如圖3)[8],此層材料依靠淋水或天然降水來補充含濕層水分。當材料含濕后受太陽輻射和大氣對流及天空長波輻射換熱,內部水分通過熱濕遷移機理的作用遷移至表面并在此蒸發。[8]含濕多孔體水分蒸發過程是眾多因素綜合作用的結果,如液體擴散、毛細流動、蒸發凝結、壓力梯度、重力等。[7]

圖3.多孔材料屋頂結構

屋頂鋪設含水的粗麻布袋是比較原始的鋪設材料，經過長時間的試驗和實踐研究，人們發現了許多新型的屋頂含濕材料，這些材料的蒸發冷卻效果要遠遠好于粗麻布袋，如多孔含濕材料等。由于太陽輻射給屋頂帶來的熱量也使含濕材料中的水分蒸發，因此，太陽輻射熱強度一定程度的增大不但不會增加屋頂吸熱，反而會使得蒸發冷卻效果增強，屋頂降溫效果更好，另外風速較大也可以使得蒸發冷卻效果增強。由此可以看出，蒸發冷卻技術對于在太陽輻射強度大、風速大的干旱地區的建筑物非常適用。通過這種技術，室內干球溫度可以接近于室外的濕球溫度。多孔含濕材料層被動蒸發冷卻的降溫方法效果顯著，建筑屋面降溫約25℃屋頂內表面降溫約5℃優于現行傳統的蓄水屋面。[11]

3.1.3屋頂設置空氣隔熱層

在屋頂上設置一空氣隔熱層（如圖4）[3]可使建筑物屋頂得熱量減小。一般情況下是在屋頂放置一些導熱性能較低的支撐物，并在上面改一層隔熱板，這樣在屋頂和隔熱板之間就形成了一個空氣層。這個空氣層就起到了隔熱作用，不但可以通過隔熱板而使屋頂太陽輻射得熱減少，還可以通過空氣層的隔熱作用使得隔熱板到屋頂的傳熱減少，從而減少室內得熱。在屋頂設置空氣隔熱層可以避免屋頂水池和含濕材料兩種情況中屋頂防腐和絕濕層的問題，但是這種方式只能在減少建筑物得熱方面有一定作用，比較單一。

3.2應用于建筑物墻體的被動冷卻技術

建筑物維護結構內部存有空間層有可能大大提高建筑物熱阻值，使得建筑物維護結構熱量的散失和獲得都降低，并且無論是在冬季還是夏季都可以獲得能量以保持適合的室內空氣溫度。另外還可以提高用戶的舒適性——隨著冬夏的不同通過升高或降低墻體內表面溫度——大多數情況下，可以將體系統熱量需求和制冷系統制冷能量的需求，并防止在冷氣候條件下墻體結露。采用建筑物墻體內空間層通風而不是采用密封墻體節約了大量能源，尤其是當空間內通風層的通風是通過排風口處的風扇來實現的時候能夠節約更多的能源。

圖5.蒸發冷卻系統示意圖

對于不同類型墻體和不同的通風、排風量，無論是密封的墻體還是通風墻體，大量用在空間層內流動的空氣來自于一個蒸發冷卻過程的飽和空氣時，來源于維護結構的得熱遠遠小于通風空間層從室內處的得熱，甚至來說，對于封閉墻體也是一樣的。在一些情況下，甚至于考慮到通風扇的能耗，部分的節能率可以大于100％（與通風墻的熱量散失有關）。[6]此外，發展可能會沿著利用供應的空間層內遺留的通風空氣流去回收空氣與空氣之間的熱交換，應用于室內空調環境以減少空調能耗。

3.3應用于建筑物窗、玻璃幕、陽臺等的被動冷卻技術

這種冷卻技術提出在位于低層層建筑物的公寓，通過在私人部分的開放空間和陽臺上設置一個簡單水簾的方法進行空間冷卻。圖5[1]顯示的是一種在自然通風協助下暴露水簾的蒸發冷卻系統。水流沿著尼龍線或其它絲線垂直下落，使暴露在空氣中的水表面積最大，絲線的排列要使流下的水形成水簾，并使得水流與流過的空氣流相互垂直。

水通過小型水泵由位于系統底部的水槽提升到上部，并沿絲線流下回到水槽.流過系統的空氣被冷卻加濕。如果使水和空氣充分接觸并使水和出口處的空氣均達到平衡態（飽和），那么系統里的空氣達到的溫度將接近于出口處空氣的濕球溫度。由于水不斷蒸發而使系統水分流失，因此需要給水槽補充水。圖6是一個所提出的冷卻系統的外觀。

圖6.建筑物外表面蒸發冷卻系統外觀

3.4應用于建筑物地板的被動冷卻技術

這種被動冷卻技術與建筑物的結構有較大聯系，主要是在建筑物下的地面以下建構一個地下結構（譬如地下室、儲藏室等），這種結構主要是使得建筑物地面蓄熱能力增強，是建筑物室內空氣溫度曲線較為平穩，室內溫度變化幅度較小，與其它冷卻方法相結合使得室內條件較為接近舒適度條件。

4.被動冷卻技術的發展回顧及其在建筑節能中的應用前景

早在20世紀30年代末期美國的克薩斯大學的學者就提出利用屋頂蓄水來降低屋免得溫度，但當時由于結構上的原因沒有能夠實現這項構造措施。1940年Houghten等人首次對屋頂蓄水和灑水兩種情況的蒸發冷卻效果進行了考察研究，證明了兩種方法的有效性。1958年，我國學者趙鴻佐（1959）等對瓦屋面的間歇加濕降溫問題作了研究，這項研究為研究含水材料層的蒸發問題提供了良好的思路。[5]

由于被動冷卻技術具有節能、環保的特點，并且對于室內空氣冷卻效果顯著，長期以來這種冷卻技術倍受人們關注。特別是在我國經濟、工業的各個產業都迅速發展的今天，能源的大量消耗、環境污染嚴重，這些都促使人們更加的關注尋找新的冷卻方法以減少能源的消耗和環境污染。被動冷卻技術就是這樣一種冷卻方式，它利用太陽能、自然風、蒸發冷卻等自然的方法對建筑物進行冷卻。因此在未來對于減少環境污染和能源消耗的研究中，我們應該對被動冷卻技術的發展和應用給予更大的關注。首先應該在全社會范圍內使得人們了解能源消耗、環境污染的嚴峻性，從而使得人們認識到建筑節能的重要性以及被動冷卻技術的在建筑節能中應用的必要性。其次就要求科研工作者要繼續努力，在總結過去經驗的同時大力的研究開發效果更佳、經濟性更好的被動冷卻應用方法。

新世紀已經來臨，科技的進步和經濟的發展都對能源與環境提出了更高的要求，隨著我國改革開放的深入，在“科技興國”的國策指引下，符合可持續發展戰略要求的被動冷卻技術必將得到長足的發展，在我國建筑物節能應用中會有廣闊的發展前景。

參考文獻

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9.孟慶林.建筑屋面太陽能被動蒸發冷卻研究.太陽能學報,1996年7月第3期.

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