建筑節(jié)能是建筑技術發(fā)展的一個方向,也是節(jié)能的領域的組成部分。世界平均建筑能耗占總能耗的37%,其中,包括采暖、通風、空調、照明在內的民用能耗又占總能耗的80%以上。我國建筑能耗約占全國總能耗的25%,且由于近年來住宅建筑迅速增多,年增長率高達15%。而我為采暖空調標準遠低于國際水平,隨著生活水平的提高,建筑能耗,特別是采暖空調能耗,呈增長趨勢。
  能耗又大致可分為生產能耗和消費能耗。建筑能耗屬于消費性能耗,對于消費性能耗,除了保證正常消費需要的部分,余者完全浪費。因此 ,在世界范圍內能源問題日益急迫、建筑能耗不斷增長的今天,討論建筑節(jié)能問題意義十分重大。
  我國是世界上小塊實心粘土磚的"王國",在我國建材行業(yè)中,傳統(tǒng)的墻體材料即小塊粘土實心磚,其產量至今仍居高不下,盡管新型墻體材料在全部墻體材料中所占比例已由1990年4.32%提高到1996年16.3%,成績不小,但不能不看到全國小塊實心粘土磚產量的絕對值仍在逐年上升,已從1978年的1100億塊增至1996年的6260億塊,即以每年271.6%的平均速度猛增。這種在神州大地上已使用了2000多年的傳統(tǒng)墻體材料,從資源與能源的耗費、土地的破壞和對環(huán)境的污染角度來分析,均是不可持續(xù)發(fā)展的建材產品。以下數字足以說明此問題:我國每年燒磚耗用約100萬畝土地,其中毀田造磚2萬畝;全國目前現有磚瓦企業(yè)約11萬個,占地600多萬畝;實心粘土磚的年生產能耗達6000萬噸標煤。建筑使用能耗(全國絕大部分建筑為磚混結構)每年為1.2億噸標煤,二者合計約占全國年能耗總量的15%。
  由此可見,小塊實心粘土磚確是不可持續(xù)發(fā)展的建材產品,決不允許在全國范圍內其絕對產量繼續(xù)上升,而應采取更為有力的措施,限制其生產與使用,對于現有的制造小塊實心粘土磚的企業(yè),調整其產品結構或使之轉產,并堅決淘汰一批技術落后、污染嚴重的生產廠。發(fā)展新型墻體材料,推進新型墻體材料的綠色化進程,是唯一的選擇。
  世界上不少發(fā)達國家在本世紀二、三十年代即已著手墻體材料改革,逐步推進墻體材料的綠色化,主要是嚴格限制粘土磚的生產與使用,大力推廣各種非粘土磚的、輕型、大尺寸的塊材與板材。本世紀中葉,因世界性的石油危機又刺激了多種節(jié)能型墻體材料的發(fā)展。目前,西方發(fā)達國家的綠色墻體材料正在向縱深方向發(fā)展,使已廣泛使用的綠色墻體材料進一步提高生產率、利用工業(yè)廢渣、節(jié)約能耗,使產品系列化與配套化,同時,不斷的開發(fā)多功能的新型綠色墻體材料。
  我國墻體材料的改革起步較晚,就全國范圍而論,小塊實心粘土磚仍在墻體材料組成中占有絕對優(yōu)勢,墻體材料的綠色化程度遠落后于西方發(fā)達國家,但我們可借鑒別國的成功經驗,少走彎路。
  國、內外實踐證明混凝土砌塊是代替粘土磚的理想墻體材料,因為混凝土空心砌塊的生產過程中不僅節(jié)能、節(jié)地、有利于環(huán)境保護,符合綠色墻材的要求,而且施工速度快,一塊標準砌塊相當于十塊粘土磚,密度比實心粘土磚輕,減少基礎費用和砌筑砂漿用量,墻體減薄,增大了使用面積,建筑的綜合造價降低等優(yōu)勢,使得混凝土砌塊在我國有了長足的發(fā)展,全國砌塊產量由1978年的90萬立方米增加到2005達到6億立方米,砌塊建筑面積累計達5億平方米左右。但是,由于混凝土空心砌塊的自身保溫隔熱性能不如實心粘土磚,190厚的砌塊墻體僅相當于150厚粘土實心磚的保溫效果。因此,我們必須砌塊建筑的保溫隔熱性能,吸收國外的先進技術,進一步提高混凝土砌塊的生產和應用技術,才能真正把混凝土空心砌塊作為新型墻體材料大量推廣。
  我國幅員遼闊,南北跨越熱、濕、寒幾個氣候帶,氣候差別很大。我國與同緯度的其它國家相比,冬天寒冷得多,夏天也較熱,如最冷月東北地區(qū)與世界同緯度相比低14-18℃,而最熱月則高出1.3-2.5℃。因此,不僅從建筑節(jié)約能源角度,而且從改善生活熱環(huán)境角度,也需要對建筑維護結構的保溫隔熱,從而達到建筑節(jié)能的目的。
  我國建筑維護結構長期以來變化不明顯,南方非采暖地區(qū)的外墻普遍采用24CM厚的實心磚墻,而北方嚴寒地區(qū)大多數采用49CM和62CM厚的實心磚墻作為墻體保溫和承重。單一材料作為外墻維護結構的保溫隔熱效果都很差,有些地區(qū)東、西山墻和頂層房間的墻角出現結露現象,很大程度上影響建筑的居住舒適性,這種墻的傳熱系數為1.67W/m2K,而氣候條件相近的發(fā)達國家外墻的傳熱系數僅為0.35W/m2K。同氣候條件接近的發(fā)達國家相比,我國的建筑維護結構的保溫隔熱性能大差距很大,外墻差4-5倍,單位面積的采暖能耗為相近條件下的三倍左右,除了我國能源利用效率較低以外,主要是因為建筑維護結構的保溫性能差,因此,我國要大力提高建筑維護結構的節(jié)能保溫性能。
 從建筑節(jié)能角度考慮,利用小型混凝土空心砌塊采用不同的墻體結構形式可以實現不同地區(qū)的建筑節(jié)能的要求,如在發(fā)達國家大量推廣應用的復合夾心節(jié)能墻體,其建筑外墻結構為:190厚標準承重砌塊+40-50厚保溫材料+90厚裝飾砌塊,內外葉砌塊之間用經過防腐處理的鋼筋網片相連,來保證外葉墻的穩(wěn)定性,該種結構的墻體熱傳導系數為K=0.7-0.5W/ m2.K左右。其保溫性能相當于76cm厚的粘土空心磚墻體的保溫效果。此外,該種結構形式外墻由于主體結構在外墻內側,對房間的熱穩(wěn)定性有利,可提高房屋的居住舒適性。因此,對于我國墻體材料改革,從提高能源利用效率,增加建筑維護結構的傳熱阻,提高建筑的保溫性能,降低采暖能耗,根據我國地域特征,按照民用建筑節(jié)能設計標準(JGJ26-95)可大體將我國劃分為嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、冬冷夏熱地區(qū)、冬暖夏熱以及面積較小的溫和地區(qū),對于建筑節(jié)能來講,除了溫和地區(qū),其他地區(qū)的所有外維護墻體都應該實行保溫隔熱措施,來提高建筑的舒適性,但考慮到我國目前的經濟發(fā)展水平,結合砌體結構特點,針對不同的地區(qū)可采取不同的保溫方式,具體來講可大致分為三類:
  一、嚴寒地區(qū)的砌塊墻體保溫
  目前嚴寒地區(qū)的墻體保溫,形式多樣,大體有外保溫和夾心保溫兩種形式,其中外保溫主要有EPS外墻保溫體系,即用190mm厚混凝土空心砌塊作為承重結構,在砌塊的外側鋪貼50mm厚自熄型EPS板,并以耐堿纖維網格布加強,最外側正常抹灰刷涂料形成外墻裝飾。
  該種外墻保溫形式的優(yōu)點是它能有效的切斷或減少墻體的冷橋,能有效地提高外墻內表面的溫度,蓄熱系數大的重質材料位于室內,在非穩(wěn)定供熱的條件下,能提高房間的熱穩(wěn)定性,保溫效果較好,房間室內溫度基本不受外界溫度變化的影響,保溫房間室內溫度分布均勻,可較好的改善室內的熱舒適度。但由于保溫層要固定在外墻的整個高度上,保溫材料依靠粘合劑與墻體基層粘接,保溫層的耐久性能取決于粘合劑的耐久性,另外,墻面抹灰雖然增加了纖維網格布加強,但要經受風吹、雨淋、寒暑凍融和日光照曬的考驗,抹灰砂漿仍然容易產生裂縫進水造成墻面破壞,此外,由于保溫材料的強度較低,受到外荷作用時容易破壞,所有外保溫墻體一旦遭到破壞修復極其困難。因此,該種保溫形式在技術上要求更嚴,在材料上要求更高,在造價上也較貴。
  另外一種保溫方式采用粘土磚夾心保溫,即240承重磚墻+50厚苯板+120磚墻,該種墻體結構形式基本滿足保溫節(jié)能要求,但隨著粘土磚的限制使用,粘土磚逐漸退出市場,該種墻體結構形式也隨之逐漸減少,反之,由于國家推廣混凝土空心砌塊力度的加大,部分地區(qū)采用了砌塊代替粘土磚,但墻體保溫大都采用了外保溫形式,這種墻體外保溫形式將砌塊完全包裹,僅將砌塊與粘土磚作簡單的代換,不能充分發(fā)揮砌塊的裝飾效果,目前在黑龍江等地區(qū)多、高層建筑中得到應用,但由于施工時間較短,很多問題還沒有暴露。
  根據發(fā)達國家經驗,對于砌體結構最適合的墻體結構形式是采用夾心保溫墻體,即按照發(fā)達國家大量應用的復合夾心節(jié)能墻體,其建筑外墻結構為:190厚標準承重砌塊+40-50厚保溫材料+10厚空氣層+90厚裝飾砌塊,內外葉砌塊之間用經過防腐處理的鋼筋網片相連,來保證外葉墻的穩(wěn)定性。
  該種結構的墻體,保溫材料位于兩葉墻體中間,保溫材料不受自然條件的影響,耐久性好、保溫效果好。而且,這種結構形式外墻的裝飾效果不受承重部分的限制和制約,可采用劈裂外墻可充分體現混凝土砌塊的裝飾效果,實現建筑風格的多樣化。同時,由于內外葉墻體通過保溫層分隔,可有效的減低內葉墻的溫度變形,減少墻體溫度裂縫,同時避免墻體滲漏,因為即使雨水通過外葉墻體滲入墻中,雨水也只能沿著夾心層外葉墻內壁向下流到導水孔排出墻體,而不會滲透至內葉墻。
  這種結構的保溫墻體的總厚度在320-330mm之間,320厚墻體熱阻值為:
0.01(內墻抹灰)+0.40(190厚標準承重砌塊)+0.64(40厚GRC泡沫聚苯板)+0.14(10厚空氣層)+0.17(90厚裝飾砌塊)+0.15(墻體內外表面交換熱阻)=1.51m2.K/W  
  針對不同地區(qū)的保溫效果,可增加或減少墻體中保溫材料的厚度或改變保溫材料來滿足不同的保溫性能設置。
  采用此種結構形式的砌體建筑,單位墻面面積的造價與采用粘土磚墻體的綜合造價基本相當,對于粘土磚墻體的外墻面一般都要求采取抹灰刷涂料,而砌塊建筑由于砌塊本身的裝飾效果,無須再進行外裝飾,可降低墻體部分造價,從而使砌塊建筑具有一定的經濟性。
  二、寒冷地區(qū)、冬冷夏熱地區(qū)
傳統(tǒng)的墻體對保溫性能要求較低,一般僅采用240或370厚粘土磚墻,冬季采暖,一般要求室內溫度達到16℃以上。近年來,隨著我國提高建筑的保溫性能和建筑舒適性,部分地區(qū)采用了240厚墻+苯板,輕質材料,墻體的保溫性能得到了提高。
  對于砌塊建筑,由于190厚砌塊墻體僅相當于150厚粘土磚墻體的保溫性能,與國家現行的節(jié)能標準有較大的差距。此外,目前針對此地區(qū)推廣較多的輕集料混凝土空心砌塊,主要應用在框架結構上,不能作為承重結構,并且外墻的飾面必須采用粉刷或貼瓷磚來解決,因此,對于承重砌塊建筑需要考慮墻體的保溫性能和外飾面問題,象夾心復合砌塊墻體一樣,集保溫、裝飾、承重三位于一體,根據此種理念,中國建科院已研制成功了"三合一"砌塊,如右圖此砌塊雖然存在"冷橋",但考慮它存在的情況下,經檢測其熱阻可達到R=1.08W/m2•k,即在聚苯板為50mm厚時,可滿足寒冷地區(qū)的二步節(jié)能。其抗壓強度可達10Mpa以上,抗折強度大于1.6Mpa,密度小于1200Kg/M3,抗?jié)B性能小于10mm,傳熱系數K≤1.1W/(m2.K),隔聲≥50Db,聚苯板的密度不小于20Kg/ M3。
  "三合一"砌塊的外裝飾面可根據設計要求形成劈裂、槽紋、磨光等各種面層質感和顏色,滿足不同的裝飾效果和建筑風格。由于砌塊建筑的色彩是采用無機氧化鐵系列顏料,在砌塊生產時直接加入混凝土中,經過強制式攪拌機充分攪拌均勻而成的彩色混凝土,色彩純正,永不褪色,無須象一般的外墻涂料每隔2~4年需要從新涂刷一次,否則,該建筑毫無美感可言,尤其對于分期建設的小區(qū),建設期越長,新舊建筑差距越大,嚴重時會影響整個小區(qū)的建筑風格。
  三、冬暖夏熱地區(qū)
  對于冬暖夏熱地區(qū),冬季負溫時間比較短,相對溫度較高,但夏季天氣炎熱,近年來最高溫度可達40℃左右,傳統(tǒng)的240厚磚墻房屋的隔熱性能較發(fā)達國家相比,明顯較低。與我國同緯度的發(fā)達國家的外維護墻體基本上都采用了不同形式的保溫隔熱措施,如采用雙層復合墻體、在墻體內側增加保溫隔熱材料等方式,來提高房屋的居住舒適性,美國的砌塊建筑內墻體都采用了輕鋼結構面層,輕鋼結構中附設隔熱材料。
  在上個世紀90年代,隨著我國粘土磚的限制使用,混凝土砌塊的發(fā)展,在江浙等沿江經濟發(fā)達地區(qū),興建了大量砌塊建筑,但由于受到當時對混凝土砌塊材性認識的局限性,僅用190厚普通混凝土空心砌塊作為建筑的外墻,房屋的隔熱性能差,冬冷夏熱,加上構造措施設置不當,造成房屋墻體開裂、滲漏等質量通病,使砌塊建筑的發(fā)展一度受到了制約。
借鑒國外發(fā)達國家砌體建筑的成功經驗,對于非采暖地區(qū),可采用如右上圖所示的"三明治"砌塊,利用彩色的劈裂面作為建筑的裝飾面,豐富建筑的立面效果,但在建筑的外圍護墻體內側增加一層保溫砂漿抹灰或其他保溫隔熱材料,來增加建筑的保溫隔熱效果。目前,利用該種形式的砌塊,采用不同厚度的內墻保溫,在我國部分地區(qū)已得到廣泛應用。
  四、砌塊在輕鋼建筑中的發(fā)展
  隨著我國的鋼產量早已躍居世界第一位,為了保證建筑質量和消化鋼材,國務院于1999年提出由建設部和國家冶金總局成立了建筑用鋼協(xié)調組,研究和推廣鋼結構建筑與住宅的建設。日前,有關部門在總結經驗的基礎上,正在完善相應的技術規(guī)范。國內外實踐證明,鋼結構住宅在住宅產業(yè)化進程中起著舉足輕重的作用。輕鋼結構住宅主要是指以鍍鋅輕鋼龍骨為結構件建造的住宅,這種結構在國外多為一、二層的獨戶式小住宅,也有用其建造六層以下集合式住宅的。輕鋼結構住宅具有性能好、自重輕、工廠化程度高、建造速度快、勞動強度小等優(yōu)點,因而近三十年來在歐美國家逐步發(fā)展起來,已經形成了一整套十分成熟的技術。
  由于輕鋼結構住宅是國外許多發(fā)達國家普遍采用的成熟技術,其優(yōu)良的技術性能和產業(yè)化生產方式,符合住宅產業(yè)現代化的方向。但中國的消費者由于長期以來住慣了磚混或鋼筋混凝土結構的住宅,從慢慢開始接受到逐步喜歡輕鋼結構住宅,需要一個漸進的過程。輕鋼結構住宅體系是在國外尤其是北美地區(qū)木結構住宅的基礎上發(fā)展起來的,這兩種體系雖然在國外已經十分成熟和完善,但是對于我國來說卻完全是新東西。
  因此,對于輕鋼結構建筑,在綜合考慮保溫、隔熱、耐久、防火等要求的基礎上,結合國外成熟經驗,可采用混凝土裝飾小砌塊與輕鋼結構相復合,即建筑結構的承重部分采用輕鋼結構,外裝飾部分采用規(guī)格尺寸與粘土磚相近的混凝土裝飾小磚砌筑外葉墻,外葉墻與輕鋼結構之間用鍍鋅鐵件或不銹鋼件相連接,該種建筑與傳統(tǒng)的粘土磚建筑極為相似,但比粘土磚建筑具有更好的耐久性,而且,在混凝土中加入彩色氧化鐵系列顏料,可充分體現建筑色彩的豐富、多樣性。
 混凝土裝飾小磚砌筑的外葉墻,不僅裝飾的建筑的外觀色彩,同時又保護了內部的鋼結構,避免鋼結構暴露在空氣中,影響建筑物的耐久性。
  在鋼結構與混凝土磚墻之間以及鋼結構中間填充適當的保溫材料可滿足我國從北到南整個地區(qū)的保暖、隔熱要求!