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寒冷地区建筑保温结构节能设计探讨张玲

发表时间：2020/9/10 来源：《基层建设》2020年第15期作者：张玲

[导读] 摘要：现代社会，寒冷地区房屋建筑的温度保障已经不再是问题，讨论的重点在于，如何通过更加科学的房屋结构设计规划，达到降低能耗的目的。

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        摘要：现代社会，寒冷地区房屋建筑的温度保障已经不再是问题，讨论的重点在于，如何通过更加科学的房屋结构设计规划，达到降低能耗的目的。本文对寒冷地区建筑整体的保温能耗情况进行了介绍，围绕建筑外墙结构材料选择与工艺应用、屋面保温节能思路、门窗等部位设计等节能降耗侧重点展开分析，以供参考。
        关键词：寒冷地区；房屋建筑；保温结构；节能设计
        引言
        我国幅员辽阔，南方与北方的自然气候环境存在极大的差异。一般来说，南方房屋建筑的主要设计思路为“短时间内发散热量”，从而营造凉爽的环境；而北方地区全年超过一半以上时间处于寒冷状态，故房屋建筑的设计思路为“积聚热量”，保证室内温度，在此基础上，探索保温结构的节能设计思路很有必要。
        1.寒冷地区建筑整体能耗情况简析
        房屋建筑存在的最大意义在于，为人类生产、生活提供遮风挡雨的空间。人们认识建筑结构发挥实际效果的过程，实质上是科学技术逐渐提升的过程。在现代社会，钢筋混凝土结构已经成为了主流，房屋的坚固程度、整体性能均得到了大幅度提升。但新的问题随之而来，即维持人类在建筑内正常生活、生产所需的能源消耗并未随着其他工艺的提升而有所减少，相反，在人类需求不断提升的过程中，越来越多千奇百怪新型设备的加入，在客观上造成了更大的能源消耗。比如在我国北方寒冷地区，集中供暖在数十年的时间内几乎是唯一的冬季主要能源消耗渠道，但随着空调的普及、地暖的改造，建筑行业平均年耗能量35%的范畴内，近三分之一左右用在了保温方面，使得社会经济与能源供给之间的矛盾越来越大。寒冷地区建筑整体保温能耗情况分布如下：
        （1）直接建筑采暖。上文提到的集中供暖（暖气片形式，主要原理为在我国秦岭-淮河以北地区的老式矮层建筑中，卧室、南北阳台窗户下方设暖气片，当室外冷空气通过建筑缝隙进入室内时，第一时间与暖气片散发的温度形成“对流”，避免低温向室内扩散，从而达到保暖的目的）、地热、以空调设备为代表的通过消耗电力资源，完成供热的方式，尽管能够发挥一定的保暖作用，但由于建筑墙体的吸热、散热水平不甚理想，导致热量的持续时间较低。而为了保证室内温度，诸多高能耗设备只得“夜以继日”地工作，集中供暖公司的能源消耗量长期居高不下。
        （2）生活能耗。除了空调、地暖之外、电暖气（其作用在一定程度上与空调相似）、热水器、照明系统、其他电力系统等产生的能耗，尽管是保证寒冷地区居民日常生活的“必需品”，但由于建筑结构设计未能充分结合节能减排理念（一些老旧房屋建筑已经“服役”数十年，彼时国人对于节能减排的概念认识尚未清晰），导致电力消耗过程中产生的热量被白白地浪费，在无形中增加了能耗[1]。
        由此可见，在寒冷地区进行建筑保温结构节能设计时，需要充分考虑以上能耗重点，尽可能提升资源利用率。
        2.寒冷地区建筑保温结构节能设计的侧重点分析
        2.1建筑外墙结构材料选择与工艺应用
        钢筋混凝土结构的建筑体系虽然得到了普及，但房屋建筑中不可能只有钢筋和混凝土，运用砌墙的方式在现代建筑工艺体系下，短时间内不会过时。一般来说，目的正是在于对温度消散的速度进行控制。但在现代视角来看，此种方法已经相对“原始”，实际发挥的作用并不大。建筑外墙结构作为与自然环境接触，抵抗严寒“侵袭”的第一道屏障，建设过程中选用的材料，应用的工艺，需要高度重视。提到寒冷地区，人们首先想到的是东北地区，但新疆、青海、内蒙古等地区的平均温度远远低于东北三省，特别是空旷的平原地带，没有山峰对冷空气进行对流缓冲，一旦朔风骤起、温度直线下降，“滴水成冰”并没有丝毫夸大。此外，考虑到经济性以及普适性，选用的材料及工艺必须满足相对严格的标准。

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笔者供职单位根据GB/T51350-2019《近零能耗建筑技术标准》和JGJ 26-2010《寒冷和严寒地区居住建筑节能设计标准》的要求，现针对超低能耗建筑和传统建筑外围护保温材料的导热系数和厚度对比分析如下：
        （1）在以河北石家庄为代表的寒冷地区，超低能耗建筑外墙、屋面的能耗必须≤0.15（W/m•K），地面能耗必须≤0.2（W/m•K），相较于传统建筑0.35～0.70、0.50～0.65（W/m•K）的能耗要求，降低幅度均超过50%。其中，石墨聚苯板的厚度，应用于外墙、屋面时，从传统的80～100mm，提升至250～300mm；岩棉板厚度从传统的100mm，提升至300mm。应用于地面时，相关要求从60mm发泡聚氨酯板+120mm钢筋混凝土楼板+75mm岩棉板转变为300mm-400mm 发泡聚氨酯板+120mm钢筋混凝土楼板+100mm岩棉板，差异明显。此外，真空绝热板厚度应用于建筑外墙、屋面时，厚度从15～20mm提升至20～30mm。
        （2）在以内蒙古通辽为代表的严寒地区，超低能耗建筑外墙、屋面的能耗必须保持在0.10～0.15（W/m•2K）之间，地面能耗必须保持在0.15～0.30（W/m•2K）之间，相较于此地区传统建筑0.20～0.60、0.35～0.60（W/m•K）的能耗要求，降低幅度均超过50%。其中，针对建筑地面的材料要求与寒冷地区相同，但外墙、屋面处使用的石墨聚苯板厚度以及岩棉板厚度需要进一步提升至300mm和350mm，真空绝热板厚度需要提升至30～40mm。
        由此可见，根据寒冷地区气候情况，通过提升材料厚度的方式，能够达到降低能耗的要求[2]。
        2.2建筑屋面保温节能思路分析
        对于寒冷地区的高层建筑来说，着眼于屋面设计，寻求降低能耗的“收益”较小；但对于农村及城乡结合部的矮层建筑来说，建筑屋面是除了建筑外墙之外，与自然界接触频率最大、范围最广的建筑区域。尽管室内热量通过外墙消耗的总量高于屋面，但根据热力学原理可知，高温气体的密度较低，“漂浮力”较强，故屋面的单位面积热量消耗度远远超过外墙。基于此，屋面结构的保温节能设计不可忽略。按照现代节能降耗工艺，理想状态下，寒冷地区建筑的屋面结构设计需要符合以下条件：
        （1）保温材料的选用方面，材料重量应该尽可能降低、内部结构应呈现多孔状，且导热系数越低越好，避免温度迅速透过墙体而消散；
        （2）基础材料的选择应该具备较强的憎水性，避免任何形式的水分堆积。寒冷地区温度较低，如果水分在墙体中停留，一旦朔风起，凝结成冰时，从水到冰的过程意味着体积增大，进而撑大墙体中的微小缝隙，使得墙体的保温性能下降严重，进而导致能耗增加。故使用泡沫玻璃板、挤塑聚苯乙烯薄膜塑料板、憎水膨胀珍珠岩板等材料较为理想。
        2.3建筑门窗等部位的节能设计
        寒冷地区的门窗设计是保温节能设计的另一项重要环节。具体的思路在于：
        （1）保证室内采光充足。为了达到这一目的，朝向不同的门窗与墙体设计比例不可“千篇一律”。如南向的门窗，可以适当扩大，增加阳光覆盖率；而北向需要尽量减小，避免北风影响室内温度。
        （2）设计双层或三层（视寒冷程度而定）的单框门窗，特别是玻璃窗，必须选用中空形式，由于其中不含有任何物质，故可以将导热性降至最低。室内相对较高的温度传递至临近室内端的门窗时，不会进一步向外发散，从而提升高温的持续时间。同理，门框、窗框的选择，均需选用导热性能较低的材料（如塑钢等）。总之，科学“保温”，意味着合理“降耗”。
        结语
        寒冷地区房屋建筑结构的保温节能设计，表面上看是新型环保节能技术工艺的应用问题，但核心问题是资源的最优利用，最大化发挥建筑结构的作用，延长单位体积内热量的持续时间。因此，在寒冷地区进行房屋建筑结构保温设计时，有关人员需要详细了解导致室内温度过快降低的原因，从而“对症下药”。
        参考文献：
        [1]鲁瑞荣,高晴.寒冷地区建筑保温结构节能设计研究[J].建筑与预算,2020(06):42-44.
        [2]陈一全.北方寒冷地区建筑保温与结构一体化技术应用及发展策略研究[J].墙材革新与建筑节能,2019(01):35-49.