光有节能空调还不够!建筑节能让能源利用率更高

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顾名思义,建筑节能就是尽可能降低建筑能耗、节约能源,其深层含义是提高建筑中能源的利用效率。那么,如何更好实现建筑节能?

这要从建筑为什么要消耗能量说起。

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为了适宜的温度和湿度,建筑要消耗热量

生活经验告诉我们:一座建筑若不使用暖气或空调,冬天时由于热量持续地从温暖的室内流向寒冷的室外,室内温度会不断下降直至接近室外气温;夏天时,随着太阳升起,热量由炎热的室外流进凉爽的室内,会使室内环境温度不断升高直至接近室外气温为止。这种热量流动的现象被称为“热量传递”

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冬季和夏季热量流动方向示意图

自从威利斯·开利(Willis Haviland.Carrier)发明空调以来,人们可以更舒适地生活在冬暖夏凉的室内环境中了。通常我们人体感觉舒适的热环境,温度是18~20℃,相对湿度是50%~70%。为了维持室内热环境的舒适度,需要源源不断的输入电能来保障采暖和空调系统持续运转——这就是我们常说的建筑能耗。

可以想象,人对于舒适度的要求越高,电能耗就越大。

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威利斯·开利与空调机组

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热传导、热对流、热辐射:热量这样传递

热量之所以会发生传递,是因为有一种“推动力”迫使其由高温物体流向低温物体,这种“推动力”就是温差。根据热力学第二定律,空间两个分离点之间只要有温差存在,就有热量传递。温差越大,热量传递的速率越快,即单位时间内传递的热量就越多。

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热量传递的三种方式

热量传递主要通过热传导、热对流、热辐射三种基本方式实现。在不同介质及其状态下,热量传递的方式与速率有所不同——在固体间传递热量主要是以热传导方式进行,在流体间主要是以对流换热方式进行,而辐射换热是以电磁波的形式传递,不需要物质做介质。实际上这三种方式通常是共同作用,比如在建筑中热量传递过程是这样的:

  1. 夏季(冬季),热量由室外(内)空气以对流换热和物体间辐射换热的方式传至墙壁外(内)表面;
  2. 由墙壁外(内)表面以导热方式传递至墙壁内(外)表面;
  3. 在壁内(外)表面,又以空气对流换热和物体间辐射换热的方式把热量传递至室内(外)。
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建筑中热量传递三种方式的共同作用(图片由作者绘制)

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增加热阻,降低能耗

看到这里,你是否觉得有点奇怪——热量为什么不采用同种方式传递,却要如此“大费周章”的组合三种方式进行传递呢?

答案是因为自然界中各类介质对热量传递都有阻碍作用(即热阻)。在同样温差下,不同介质及不同状态下阻碍作用有大小,致使热量传递速率有快慢。而热量在传递过程中总是选择热阻最小的路径进行传递,旨在实现热量传递速率最大化,就像电流总是流向电阻最小的线路一样。因此,只要在热量传递的路径上设置热阻较大的介质,就能有效降低热量传递速率,实现降低能耗,节约能源。

我们通常用“导热系数”这一概念来评判建筑材料阻热(绝热)性能,导热系数值越大,对应的热阻就越小,热量传递速率就越快。通过比较同种介质不同状态下或同种状态不同介质间的导热系数,可以帮助了解建筑材料传递热量的能力。

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不同状态和不同材质的导热系数值(图片由作者制作)

如左图,同种物质H₂O,其导热能力最大的是固态冰2.20 W/(m·k),而气态水蒸汽的导热能力最小,只有0.016 W/(m·k)。这意味着在温差和时间都相同时,通过冰传递的热量最多,即热阻最小、速率最快,而通过水蒸汽传递热量最少,即热阻最大、速率最慢。

分析右图不同物质导热系数值大小,可知常温下固态物体的导热能力普遍较大,其中固体金属导热能力远远大于非金属、液体和气体。

因此,我们常常将导热系数小的非金属材料用作保温材料。目前业界将系数小于0.174W/(m·K)的材料称为保温(绝热)材料,例如石棉是0.15、珍珠岩是0.17等,这些都是绝热性能很好、热阻较大的单一材料。甚至,静止的空气也可用作保温材料,比如空气间层、双玻璃窗等。

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外墙、窗户、屋顶……建筑节能有章法

建筑通常是由外围护结构(如地基、墙、顶、门、窗等)围合而成的空间,因为每一部分的材质不同热阻也不同。想实现建筑节能,就要在热阻较小的围护结构部位设置保温材料以增加热阻,且要使各部位热阻基本相等以避免热量走短路。

那么,建筑围护结构中热阻较小的部位有哪些?正如我们在日常生活中感受到的那样——冬季,通过窗口损失的热量占比最大,其次是外墙、地板、屋顶等,这些都是热量传递速率较快、热阻相对较小的部位。另外,通风换气、钢筋等金属构件处等所占比例也很大。

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建筑各部位热量损失占比

相应地,建筑师会在外墙、窗户、屋顶等部位增加热阻,比如在外墙、屋顶等设置保温层、在窗口采用“双层玻璃+断热塑钢窗”等办法来降低热量传递的速率。这就好比我们将冰块包裹在棉被中,使热量传递速率降低,冰块融化速度大大减慢。就建筑来说,热量传递的速率越慢,空调系统的电能输入就越少,能耗自然就相应降低了。

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工人在建筑外墙喷涂保温层

值得一提的是,我们在日常生活中也可以推动建筑节能,比如说在开空调时可以紧闭门窗,增加密闭性。又或者将室内温度设定在26~28℃之间,使得室内外温差保持在5℃左右,这样既节能又健康。

总而言之,理想的节能建筑应是以最少的电能消耗,让人在不同季节的室内环境中都能获得舒适的体感。

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