如何避免建筑物中的能量损失?

如何避免建筑物中的能量损失?

环境的热舒适性在未加处理时变得非常明显。当一个地方的热条件满足需求时,我们的身体与环境保持平衡状态,能够正常地进行活动。另一方面,当一个地方太热或太冷时,我们的情绪和身体会很快发生变化。当热平衡不稳定时,即当身体产生的热量与身体从环境中失去的热量不等时,就会产生对热环境的不满。

有关人员进行了24项关于温度与工作表现之间关系的研究,分析表明,与21°C到23°C之间的基准线相比,30°C和15°C时的工作表现降低了10% ,证明了热舒适性对办公人员可能产生的影响。最近的一项研究表明,在受控环境中,温度较低时工作表现会降低4%,而在温度较高时,工作表现会降低6%。[1]

In hot or cold environments, productivity decreases significantly. Image Courtesy of Saint-Gobain
In hot or cold environments, productivity decreases significantly. Image Courtesy of Saint-Gobain

保护我们免受天气影响是建筑的主要功能之一。这可以通过主动式手段(例如使用暖气或空调设备)或被动式手段(例如运用太阳辐射、通风和有利于建筑的材料)来达到。虽然制冷和暖气技术的出现改善了室内条件,但它们也造成了一些不适合其建成环境的建筑物的出现,导致其在制冷、制热、保证内部舒适性等方面的成本十分高昂。如果没有在当地气候方面的详细说明,装有玻璃幕墙的办公楼就会把复杂的空调系统的任务要求降低至维持内部温度恒定。

建筑物的外表皮是一个十分重要的部分,因为它充当了外部和内部气候之间的过滤器,并且其在设计时应该充分考虑当地的气候条件。在温暖地区,外表皮通常需要尽可能增强建筑物的通风,同时设置宽敞的窗户和阴影区域。相反,在寒冷地区,外表皮倾向于引导阳光进入内部,从而保持建筑物内的热量。热流总是从最热的表面流向最冷的表面,并且当外表面和内表面的温度不同时发生传递。

During the day, the heat flow usually goes from the outside to the inside, mainly because of the solar radiation. Image © ArchDaily
During the day, the heat flow usually goes from the outside to the inside, mainly because of the solar radiation. Image © ArchDaily
During the night, the heat flow usually goes from the inside to the outside. Image © ArchDaily
During the night, the heat flow usually goes from the inside to the outside. Image © ArchDaily

一些研究涉及到建筑物中能量损失的主要形式。一般来说,墙壁的能量损失接近35%,门窗25%,屋顶25%,地板15%。这些热量损失的方式为对流、传导和辐射。热量损失不可避免,但建筑师有责任控制热量损失的速度。可以通过使用适当的建筑材料和技术,来建立和维护具有高水平隔热性能的防水建筑外表皮。

Main sources of energy loss in buildings. Image © ArchDaily
Main sources of energy loss in buildings. Image © ArchDaily

这时,需要强调隔热能力和热惰性的概念。隔热能力减少了寒冷季节的热量损失和炎热季节的热量增多。矿棉、陶瓷纤维、聚苯乙烯泡沫塑料和聚氨酯等隔热材料通常具有许多孔隙,孔隙中的空气或其他气体为热绝缘体。它们有助于减少热量损失和得热。在这篇文章中我们已经讨论了如何计算传热系数,即U值。这个数值告诉我们与透过外表皮的能量相关的隔热水平。如果计算结果数值很低,则外表面隔热性能良好,如果数值很高,则表示外表面隔热性能有缺陷。另一个重要的概念是热惰性,这是材料保留热量并缓慢向环境传热的特性。具有较强热惰性的材料对大气温度的变化的反应有所延迟。对于白天和夜晚之间具有较大热量波动的地区来说,热惰性与之紧密相关。在沿海地区和气温日较差较小的地方,采用热惰性较低的材料就足以防止高温进入空间。

墙体

Including thermal insulation, thicker and more suitable materials on walls, the loss of heat (or heat gains) in buildings. Image © ArchDaily
Including thermal insulation, thicker and more suitable materials on walls, the loss of heat (or heat gains) in buildings. Image © ArchDaily

为了减少建筑内外的热交换,很有必要使用矿棉等隔热材料,并将其整合到立面系统中。石膏也可以提高热舒适度。智能膜有助于提高气密性同时控制湿度,而涂层可以隔热并在天气恶劣时提供保护。

屋顶

Including thermal insulation, thicker and more suitable materials on roofs, the loss of heat (or heat gains) in buildings. Image © ArchDaily
Including thermal insulation, thicker and more suitable materials on roofs, the loss of heat (or heat gains) in buildings. Image © ArchDaily

将隔热材料与屋顶结合始终是一种值得推荐的做法,这样可以提高建筑内部的舒适度。在推荐使用高热惰性材料的地区,最好使用隔热材料制成的大块厚板。在可以使用低热惰性材料的地区,内侧可以使用轻质材料,但屋顶仍然应该包含隔热材料。一项被广泛使用并经过了检验,证明效果优异、成本低廉的技术,是将瓷砖涂成白色或使用浅色瓷砖,以便能够反射太阳光线。

地板

Including thermal insulation, thicker and more suitable materials on slabs, the loss of heat (or heat gains) in buildings. Image © ArchDaily
Including thermal insulation, thicker and more suitable materials on slabs, the loss of heat (or heat gains) in buildings. Image © ArchDaily

虽然经常被忽视,但地板的隔热对于减少地面与建筑物之间的热交换非常重要。此外还有必要指出,墙壁或地板覆盖材料的选择将影响室内居住者对温度的感知。

门窗

根据建筑物的不同类型,窗户和立面中的玻璃可以允许太阳辐射进入环境,也可以保存居住者或室内暖气系统产生的热量,或者也可以将热量排出。简而言之,太阳辐射的控制可以归纳为以下几种类型[2]:

  • 透过或阻挡自然光线;

  • 透过或阻挡太阳热量;

  • 允许或阻止内部的热量损失;

  • 允许内外部之间的视觉联系。

在研究透明围护结构的性质时,考虑短波和长波是十分重要的。短波包括可见光和红外线。长波是热源发出的红外辐射。窗户具有减少热量损失的能力(u值)与增加或减少太阳得热的能力,关键是要在二者之间找到一个良好的平衡点。此时,G值(太阳因子)十分重要,它代表了射向玻璃并直接和间接传播到环境中的太阳辐射的百分比。G值为1.0表示所有太阳辐射全部透射,而G值为0.0表示窗口没有太阳能的传输。也就是说,在寒冷气候中,较高的G值有助于提高有效的太阳得热,同时降低采暖需求。在气候炎热的国家,较低的G值有助于控制不必要的太阳得热,以降低制冷需求。在下图中,我们展示了一些玻璃的特性。

Different types of glass, with different thermal properties. Image © ArchDaily
Different types of glass, with different thermal properties. Image © ArchDaily

成功的设计选择会影响居住者的生活条件,并且每种材料都可以在通常的设计策略中发挥作用。最终的选择不仅应该在能耗方面最优,还应该保证使用者的舒适,这也是为什么建筑师需要了解一些现象背后的理论,以及特定材料的性质如何通过复杂的方式影响建筑的性能。

参考文献

[1] Wargorcki P (ed), Seppänen O (ed), Andersson J, Boerstra A, Clements-Croome D, Fitzner K, Hanssen SO (2006) REHVA Guidebook: Indoor Climate and Productivity In Offices. Lan L. Wargocki P. Wyon DP. Lian Z. (2011) Effects of thermal discomfort in an office on perceived air quality, SBS symptoms, physiological responses, and human performance.
[2] Lamberts, Dutra, Pereira (2014). Eficiência Energética na Arquitetura. Available at this link.

关于这位作者
引用: Souza, Eduardo. "如何避免建筑物中的能量损失?" [Learn How to Avoid Energy Loss in Your Buildings] 07 7月 2019. ArchDaily. (Trans. Milly Mo) Accesed . <http://www.archdaily.cn/cn/920293/ru-he-bi-mian-jian-zhu-wu-zhong-de-neng-liang-sun-shi>

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