生态建筑节能专业技术.doc

浙江师范大学地理与环境科学学院 生态建筑节能技术前言 建筑运行能耗占我国能源总消耗的量的比例已由20世纪70年代末的10%上升到目前的26.7%，接近世界建筑能耗占能源总消费量30%的平均水平。加上运行能耗的话，建筑能耗的总量应占到社会总能好的46.7%。因此建设节约型社会，建筑节能势在必行。 作为城市规划学生，致力于建筑的节能减排不仅是社会需要，也是最起码的建筑素质。关键词 生态建筑 节能减排 节能技术1、生态建筑的起源 人类进入工业社会后，尤其是近代以来，生产力的迅猛发展，在征服自然，改造自然的斗争中取得了巨大的成就，但是，在取得成就的同时他也付出了极大的代价。森林的破坏和毁灭，沙漠风暴，河流地下水污染，物种消失，金华最近的天气也是灰蒙蒙的，不能不说在享受着经济社会迅猛发展带来的舒适与福利的同时我们承受着怎样的环境压力。人应该尊重大自然，与自然交流，而不是与其展开争夺战，其与自然物种抢占地皮及有限的自然资源。 生态工程（Ecological engineering），是20世纪60年代的美国生态学家奥德姆（H. T .Odum）提出，他认为“生态工程是人类用来控制以自然资源为能量基础的生态系统所使用的少量辅助工程。”生态工程包括的内容有：农业生态工程，生态建筑，林业生态工程，草业生态工程，环境生态工程，水土保持生态工程等。 生态建筑综合了生态学和建筑学的特征并作为生态工程的一个领域，其作为一门建筑学科从诞生至今不过40多年的时间，20世纪60年代美籍意大利建筑师保罗.索勒瑞（Paolo.soleri）把生态学（Ecology）和建筑学（Architecture）两词合并为Arcology，即生态建筑学。即从生态学角度来理解，生态建筑首先应具备节能的特征，并充分考虑绿色能源的使用；其次注重使用再生和可循环利用材料，注重环境保护，循环可持续发展战略，而且应该尊重所在地的地域环境和历史文化，与乡土有机结合，承接城市脉络。因此生态建筑又被称为绿色建筑，可持续建筑。 1969年，美国景观建筑师伊恩.麦克哈格（McHarg）的著作设计结合自然（Design With Nature）的出版标志着生态建筑学的正式诞生。 1977年12月，国际建协大会以1933年的雅典宪章为出发点，在秘鲁签署了另一个宪章马丘比丘宪章，总结了现代建筑与城市规划建设的主要经验和教训。雅典卫城反映了人们勇于探索自然，改造自然的理性主义，而马丘比丘高山安第斯古城遗迹则表明人们对于大自然的尊重。 1988年，中国建筑学家吴良镛教授在希腊建筑师道萨迪亚斯所提出的“人类聚居学”的启示下，吸取中国传统文化及哲学的精华，融汇多方面的研究成果，创造性地提出“广义建筑学”，并写成广义建筑学一书，提出以城市规划，建筑与园林为核心，综合工程，地理，生态等相关学科，构建“人居环境科学”体系，以建立适宜居住的人类的生活环境。 1999年6月23日，在长城脚下，国际建协地二十届大会召开，与会代表在“21世纪的建筑学”的主题下签署了北京宪章。主要内容有议题：人类与自然的和谐共生，科技与人文的同步前进；核心：广义建筑学，可持续发展，以城市为核心，建立建筑设计，城市规划，园林设计三位一体的观点；任务：促进地区文化精神的复兴，实现现代主义的地区文化和地区主义的现代化。 北京宪章是对环境保护运动的促进和地区文化的复兴，同时也表明，设计界从此跨入21世纪生态设计的主流，一个尊重科学，关爱生灵，呵护情感的“生态主义”的时代已经到来 2、生态建筑研究现状 2.1 国外研究现状 国外经济发达国家如德国，美国，日本都是很早就开始研究生态建筑和设计。德国于20世纪六七十年代就进行生态建筑的研究，在建筑节能，屋顶绿化，太阳能利用等方面的研究和实践已使德国成为生态和建筑新技术的展示地，开发的各种技能设备、技术已在设计建筑中广泛应用。1962年美国卡逊的寂静的春天唤醒了人类对地球生态环境的关注。1969年英国建筑学家麦克哈格的设计结合自然最早提出在城市规划和黄静研究中运用生态学和生态设计的方法。1987年布伦特兰（Brutland）在我们共同的未来书中提出可持续发展的概念，受到国际社会的重视和广泛认同。 1990年在美国加利福尼亚的伯克利召开第一届国际生态城市会议 1992年在澳大利亚召开第二届国际生态城市会议 1992年在巴西里约热内卢召开了联合国环境和发展大会，会议通过了21世纪议程和里约热内卢宣言两个纲领性文件。 1995年美国绿色建筑委员会提出一套能源及环境设计先导计划。 1999年美国建筑师协会选择10座本土建筑作为现阶段生态建筑创作的返范例。 2002年在中国深圳召开第五届国际生态城市会议，就生态城市的设计及实践进行深入的交流。 2、2国内研究现状 在20世纪80年代顾孟潮提出“未来的世界是生态建筑学的时代”的观点，1994年5月，我国政府颁布中国21世纪议程中国21世纪人口、环境与发展的白皮书。1972年斯德哥尔摩联合国人类环境会议后，我国环境保护运动日益扩大和深入，以追求人类和自然和谐共处为目标的绿色革命蓬勃展开。 1996年3月，中国国家环保局推出两大举措：一是实行污染物排放总量控制；二是实施“中国跨世界绿色工程计划”在九五期间重点治理淮河、海河、辽河等的污染。 1996年国家自然科学基金委员会正式将“绿色建筑体系研究“列为“九五”重点资助课题 1998年将“可持续发展的中国人居环境研究”列为重点资助项目。 2000年我国颁布建筑节能技术政策 2001年，建设部通过绿色生态住宅小区建设要点与技术导则；开始实行夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准；我国第一部生态住宅评估标准中国生态住宅技术评估手册出台. 3、生态建筑存在的问题 虽然我国已经全面开展了对生态建设的研究，并且成果显著，但是存在的问题也很明显，主要表现在一下几方面： 3.1缺乏对生态建筑的正确理解 普遍认为生态建筑就是建筑周围加上一些绿化就是生态建筑，在建筑内部点缀一些植物就是生态建筑。这些观点只停留在生态建筑的表面，还没有全面理解生态建筑。生态建筑应该是结合当地的实际自然环境，运用建筑学、生态学的基本原理，合理布局安排建筑与其他相关因素的关系，使建筑物与周围环境成为一个有机的集合体。 3.2经济可行性问题 经济在生态建筑发现的道路上扮演者至关重要的角色。生态建筑有着明显的经济优势：节省运行费用，维护和管理费用低廉、寿命长、节约资源。 但是，生态建筑需要更多的前期投资，并且带来的收益又相对缓慢，且受益者不一定进入投资者的腰包，而是为社会和使用者共享，这些都可能使投资者望而却步。 3.3现实和理论的脱节 尽管社会和政府都在大力呼吁生态建筑，但观念的建立并没有落实到现实的建筑建设中，特别是作为建筑设计师的年轻人们并没有足够的热情与责任心去承担生态建筑这一大任，可能由于甲方的设计期限催的过紧或者没有额外的资金收入以至于不想过多的考虑环保与生态方面的问题。 3.4法律与政策保障薄弱 相比于国外的对生态建筑的资金补助还是强行的法律规定，中国方面显得都没有薄弱，无论是广度还是深度都还待进步。 3.5生态设计教育没有普及 生态建设从理论诞生到现在不过匆匆40载，中国当代建筑设计师还没有从理念落实到世界的建筑设计中去 3.6缺乏生态建筑的广泛实践 目前我国对生态建筑的理论研究较少，工程实践则更少。 4、建筑节能技术 建筑节能应该体现在设计的全过程中，从建筑选址到单体设计，从维护结构到通风、采光、可再生能源等方面都应该贯彻节能技术。抓住机遇，不失时机的推进节能建筑，从而有利于国民经济的持续的良性循环发展 4.1 建筑的维护结构不同国家地区由于地区气候条件不一样，对建筑外围护的传热性能要求也不同。一般是气候越冷，采暖度日数越高，其外围护结构的传热系数的规定就越严格。改善维护结构热工性能，主要通过保温隔热性能好的新型墙体材料和建筑材料；其次是采用合理的节能措施与施工方法，设计合理的节能结构 4.1.1墙体保温隔热节能技术 墙体节能技术分为单一墙体节能技术与复合墙节能设计 4.1.1.1单一墙体技术 所谓单一墙体技术就是利用材料良好的热工性能及其他力学性能作为墙体材料。优点是构造简单施工方便。目前常采用的是墙材中加气混凝土、空洞率高的多孔砖。 加气混凝土外墙：主要用于框架结构的填充墙，双面抹灰200mm厚，加气混凝土歪念的传热系数1.02W/(k).空心砌块外墙：240mm厚双面抹灰的空心砌块外墙，传热系数为1.32W/(k)。黏土空心砖：240mm厚黏土空心砖内抹30mm厚石膏保温砂浆，传热系数为1.12W/(k)。 4.1.1.2复合墙体技术 当单一墙体技术不能满足需求的时候，需要采用导热系数小的高效绝热材料附着在墙体结构层进行复合。根据复合材料与主体结构位置的不同，又分为内保温技术、外保温技术及夹心保温技术。 1、内保温技术 将绝热材料复合在承重墙内侧，再设覆盖保护层。如钢筋混凝土墙上可直接粘贴50mm厚的聚苯板，外墙的平均传热系数可达0.67W/(k)，用岩棉或者玻璃棉板作为内保温材料时，密度较轻的要设龙骨，密度大的，则可直接贴在墙面上。优点：技术并不复杂，施工简单；绝热材料要求较低，技术性能比外保温低；造价较低缺点：难以避免冷（热）桥的产生；防水和气密性较差，内保温须设隔气层，以防墙体产生冷凝；出现裂缝是比较普遍的现象 2、外墙保温技术 外墙保温技术是目前比较成熟的节能措施，在可能的条件下应采用外墙保温层。从内到外依次为：基层墙体黏结层绝热层保护层饰面层。 优点：适用范围广，保护主体结构，延长建筑物寿命；基本消除了冷（热）桥的影响；有利于保持室内稳定，改善室内热环境质量；便于对既有建筑物的节能改造。 缺点：对保温体系材料要求严格；对保温材料耐久性提出较高要求；材料配套，对体系的抗裂、防水、防火、拒水、透气等能力要求较高；要求严格的施工队和技术支持。 3、夹心保温技术 在砖砌墙。砌块或钢筋混凝土墙体中间设置岩棉、矿物板、聚苯板、玻璃棉板或填入散装膨胀珍珠岩等在中间，以取得良好的保温效果 优点：绝热材料在外墙中间，有利于较好的发挥墙体本身对外环境的防护作用；对保温材料的要求不严格。 缺点：易产生冷（热）桥；内部易形成空气流；施工相对困难；内外墙温差是外墙结构使用寿命打折；抗震性能差。 4.1.1.3常用保温材料（性能略）（1） 模型聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）（2） 挤塑聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）（3） 硬质聚氨酯泡沫塑料（PUR）（4） 聚乙烯泡沫塑料（PE）（5） 酚醛泡沫塑料（PF）（6） 矿物棉制品（7） 泡沫玻璃（8） 胶粉EPS颗粒保温浆料 4.1.1.4外墙的隔热性能 维护结构的保温不等于隔热。保温的措施主要是提高维护结构的传热系数，而隔热的目的是尽量减少维护结构吸收的太阳辐射向室内的传导 （1）根据使用特点。根据建筑的用途来确定运用怎样的途径来达到最完美的隔热效果 （2）根据气候特点。根据气候特点、昼夜温差、四季温差等来确定选择何种材料 （3）建筑表面的颜色。不同颜色的材料对太阳辐射热的吸收系数不同 （4）在墙体中设置通风间层或在通风间层中设置铝箔。 4.1.2门窗节能技术 建筑外门窗是维护结构中热工性能最薄弱的部位，门窗的能耗约占建筑围护结构总能耗的40%50%。因此在节能设计时，应根据当地的建筑气候条件、功能要求，来选择适合的门窗材料、窗型和相应的节能技术，从而取得良好的节能效果。 4.1.2.1窗墙面积比 大面积的开窗将导致空调采暖的高能耗，但开窗过小又不能保证日照及采光的要求，墙窗面积比的确定要兼顾保温和太阳得热两方面。公共建筑节能设计标准（GB 50189a2005）规定。 图1-1 不同窗墙面积比是外墙传热系数 4.1.2.2玻璃的性能 选择合适的玻璃时应根据门窗和幕墙所在的位置确定玻璃品种，是阻隔阳光还是保温 保温玻璃的种类 中空玻璃、真空玻璃、镀膜玻璃（吸热玻璃和热反射玻璃以及低辐射玻璃）、贴膜玻璃 图1-2 热反射玻璃和吸热玻璃 4.1.2.3其他措施 1、遮阳措施：设计挑檐、遮阳板、遮阳棚等措施来减少夏季空调的使用 2、门窗气密性：提高窗用型材的规格尺寸、准确度、尺寸稳定性；改进密封方法；注意各种密封材料和密封方法的配合；利用减压槽形成涡流，减少冷风和灰尘的渗透。 3、外门保温：外门采用填充保温材料来提高门的保温效果。如聚苯板、玻璃棉、岩棉板、矿物板等高效保温材料，并使用强度较高且能阻止空气渗透的面板加以保护。 4.1.3屋面节能技术 屋顶位于建筑物的最顶部，直接与外界环境接触，是建筑物最上部起覆盖作用的构件，主要起承重作用。屋面节能的原理与墙体节能一样，通过改善屋面层的热工性能阻止热量的传递。对于屋面设计时屋面保温、隔热及防水要求应符合屋面工程技术规范（GB 503452004）规定，不宜相对密度较大，导热系数较高的保温材料，以防屋面重量、厚度过大。同时不宜使用吸水率较大的保温材料，以防屋面潮湿作业。公共建筑应符合公共建筑节能设计标准（GB 501892005）相应的规定。 屋面节能技术一般包括以下几个方面： 1、传统外保温屋面：具体做法是在楼板上设置保温材料，在保温材料外侧设置防水层和保护层。 2、倒置式屋面：倒置式屋面就是“将憎水性保温材料设置在防水层上的屋面”。与普通保温层屋面相比，优点主要有，构造简化，避免浪费；防水层受到保护，避免热应力、紫外线以及其他因素对防水层的破坏；持久性、抗湿性；检修方便 3、双层通风屋面：双层通风屋面是通过两层屋面之间的空气流动带走太阳的辐射热和对室内对楼板的传热，从而降低屋顶内表面的温度，减低房屋的空调能耗。 4、阁楼屋顶：阁楼屋顶属于通风屋顶的一种，不同的是阁楼屋顶的空间高大，通风的效果会明显优于架空阶砖的通风屋面，阁楼屋顶有良好的防雨和防晒功能，能有效改善屋面的热工质量。 5、蓄水屋顶：蓄水屋顶能有效的改善屋面的保温隔热性能，由于水的蓄热和政法，可大量消耗照射在屋面的太阳能辐射热，减少通过屋面的传导热，从而起到有效的隔热作用，同时大大降低了屋面结构的平均温度，防止屋面板由于温度应力而产生裂缝。此外，长期处于水的养护之中，刚性防水层可避免因干缩而出现裂缝。屋面要求防水有效和耐久，否则会引起渗漏，难以修补，宜选用刚性细石混凝土防水层在柔软性防水层上再做刚性细石混凝土防水层，以形成双层防水 6、种植屋面：屋面种植应该是生态建筑很重要的一部分，利用屋面种植的植物来阻隔太阳辐射是防止房屋过热的一项隔热措施。其隔热原理是利用植被茎叶的遮阳作用，有效的降低屋外的综合温度，减少屋面的温差传热量，并且植物有利于固化二氧化碳，释放氧气，净化空气，发挥出良好的生态功效。 屋面种植使屋面与大气隔离开，屋面内外表面温度波动小，减少了由于温度巨变而产生裂缝可能性，阻隔了空气，使屋面不直接接受太阳照射，延长了各种密封材料老化时间，增加了屋面的使用寿命。 屋顶绿化种类可分为： 简单式屋顶绿化 利用低矮灌木或草坪、地被植物进行屋顶绿化，不设园林小品，一般不允许非维修人员活动，建筑静荷载应100KG/ 花园式屋顶绿化 选择小乔木低矮灌木和草坪，地被植物进行屋顶绿化配置、设置园路、座椅和园林小品，静荷载应2500KG/。乔木、园林、花架、山石等较重的物体应设计在建筑承重墙、柱、和梁的位置。 图1-3 倒置式屋面构造层次 图 1-4 种植屋面防水构造 屋顶植被的选择与灌溉：屋顶对于植物生长的有利因素有： 和地面相比屋顶处光照强，光照时间长，可大大促进植物光合作用； 昼夜温差大，有利于植物的营养积累；屋顶上气流通畅清新，污染明显减少，受外界影响小，有利于植物的生长和保护。不利因素有： 昼夜温差大；风力大，土层薄，植物易受干旱、冻害和日灼伤害 屋顶种植构造层：种植区构造由上到下分别为植被层、基质层、隔离过滤层、排（蓄）水层、隔根层、分离滑动层组成。构造图如下图所示 当考虑到建筑承重条件时也可以考虑苔藓来实行绿化。 4.1.4遮阳技术 遮阳是通过建筑手段，运用相应的材料和构造，与日照光线成某一有利角度，遮挡通过玻璃影响室内过热的日辐射，而不减弱采光条件和措施。 好处有： 防止透过玻璃的直射阳光使室内过热 防止建筑围护结构过热并造成对室内环境的热辐射 可以防止直射阳光造成的强烈眩光 遮阳方式 1、从遮阳构造的形式上来分，他们大致有水平遮阳、垂直遮阳、综合式遮阳、挡板遮阳 2、根据遮阳施舍和外围护的位置可分为内遮阳和外遮阳 3、根据遮阳板的安装和使用方法可以分为固定式遮阳和活动式遮阳 4、按照遮阳调节方式又可分为手动调节光线的遮阳和自动调节光线的遮阳 5、绿化遮阳 4.2自然采光技术 天然光是大自然赐予人类的宝贵财富，它不仅是一种清洁、安全的能源，而且是取之不尽用之不竭的。充分利用天然采光不仅可以节省大量的照明用电，还能提供更为健康、高效、自然的光环境。建筑的天然采光就是将日光引入建筑内部，精确地控制并且将其按一定的分配方式，以提供比人工光源更理想和质量更好的照明 4.2.1采光设计步骤 1、确定满足功能使用要求的照度水平、性能目标 2、根据天然采光的照度水平、性能目标确定建筑的位置、形状和朝向。 3、根据研究确定最有效的采光口窗，并将其融入基本建筑形式 4、根据气候、窗户位置和朝向确定玻璃材质，以保证最高的照明效能，根据墙壁、顶棚和地面的推荐反射系数。 5、根据天穹的研究或其对太阳射线的分析，结合建筑艺术处理，确定能够调节天然采光的建筑构件，如房檐、遮阳板或其他形式。 6、施工验收，用仪器检测房间的照度水平，并与设计的照度水平、性能目标相对照，提出必要的改进措施，制定确保建筑天然采光特点和维持最佳性能的维护措施。 4.2.2采光系统设计 侧窗采光系统：在房间一侧或两侧开采光口，是最常用的一种采光系统。光线具有明确的方向性，有利于形成阴影，并可通过它看到外界的风景，扩大视野。 天窗采光系统：天窗采光又可细分为多种，其中平天窗就是屋顶上的水平开口，是普遍采用的日光照明方式。 中庭采光系统：中庭采光最大的贡献在于提供了优良的光线和射入到平面进深最深处的可能性，中庭本身则为一个天然光的收集器和分配器， 新型采光系统：导光管，德国柏林波兹坦广场上使用的导光管，直径约为500mm，顶部装有可随日光方向自动调整角度的反光管，管体采用传输效率较高的棱镜薄膜制成，可将天然光高效的传输到底下空间，同时也成为广场景观的一部分，使用导管后室内效果也发生变化 图 1-5 导光管式阳光导入系统 4.3绿色照明 绿色照明是国际上通用的对以节约能源、节约资源、保护环境为理念的照明光源的形象说法。完整的绿色照明内涵包括高效能节能环保、安全、舒适等4项指标，不可或缺。现代照明应满足以下几方面要求 1、光源发出的光应为全色光。 2、照度要足够 3、以照度稳定，分布均匀，在工作面上不出现阴影为宜 4、灯光五频闪 4.3.1绿色照明工程的主要措施 绿色照明工程要求照明节能，这已经不完全是传统意义上的节能，不能靠降低照明指标来实现节能，而要充分运用现代高科技提高照明工程的设计水平，主要通过以下几个措施实现： 1、充分利用自然光 2、选用高效优质照明器材 3、实现照明控制的自动化 4.3.2推进绿色照明的误