如何避免建築物中的能耗損失?

Saint-Gobain Weber Hong-Kong

(與ArchDaily合作撰寫的文章)

環境的熱舒適性在未加處理時變得非常明顯。當一個地方的熱條件滿足需求時,我們的身體與環境保持平衡狀態,能夠正常地進行活動。另一方面,當一個地方太熱或太冷時,我們的情緒和身體會很快發生變化。當熱平衡不穩定時,即當身體產生的熱量與身體從環境中失去的熱量不等時,就會產生對熱環境的不滿

有關人員進行了24項關於溫度與工作表現之間關係的研究,分析表明,與21°C23°C之間的基準線相比,30°C15°C時的工作表現降低了10% ,證明了熱舒適性對辦公人員可能產生的影響。最近的一項研究表明,在受控環境中,溫度較低時工作表現會降低4%,而在溫度較高時,工作表現會降低6

保護我們免受天氣影響是建築的主要功能之一。這可以通過主動式手段(例如使用暖氣或空調設備)或被動式手段(例如運用太陽輻射、通風和有利於建築的材料)來達到。雖然製冷和暖氣技術的出現改善了室內條件,但它們也造成了一些不適合其建成環境的建築物的出現,導致其在製冷、制熱、保證內部舒適性等方面的成本十分高昂。如果沒有在當地氣候方面的詳細說明,裝有玻璃幕牆的辦公樓就會把複雜的空調系統的任務要求降低至維持內部溫度恒定

建築物的外表皮是一個十分重要的部分,因為它充當了外部和內部氣候之間的過濾器,並且其在設計時應該充分考慮當地的氣候條件。在溫暖地區,外表皮通常需要盡可能增強建築物的通風,同時設置寬敞的窗戶和陰影區域。相反,在寒冷地區,外表皮傾向于引導陽光進入內部,從而保持建築物內的熱量。熱流總是從最熱的表面流向最冷的表面,並且當外表面和內表面的溫度不同時發生傳遞

一些研究涉及到建築物中能量損失的主要形式。一般來說,牆壁的能量損失接近35%,門窗25%,屋頂25%,地板15%。這些熱量損失的方式為對流、傳導和輻射。熱量損失不可避免,但建築師有責任控制熱量損失的速度。可以通過使用適當的建築材料和技術,來建立和維護具有高水平隔熱性能的防水建築外表皮

這時,需要強調隔熱能力和熱惰性的概念。隔熱能力減少了寒冷季節的熱量損失和炎熱季節的熱量增多。礦棉、陶瓷纖維、聚苯乙烯泡沫塑料和聚氨酯等隔熱材料通常具有許多孔隙,孔隙中的空氣或其他氣體為熱絕緣體。它們有助於減少熱量損失和得熱這篇文章中們已經討論了如何計算傳熱係數,即U值。這個數值告訴我們與透過外表皮的能量相關的隔熱水平。如果計算結果數值很低,則外表面隔熱性能良好,如果數值很高,則表示外表面隔熱性能有缺陷。另一個重要的概念是熱惰性,這是材料保留熱量並緩慢向環境傳熱的特性。具有較強熱惰性材料對大氣溫度的變化的反應有所延遲。對於白天和夜晚之間具有較大熱量波動的地區來說,熱惰性與之緊密相關。在沿海地區和氣溫日較差較小的地方,採用熱惰性較低的材料就足以防止高溫進入空間

牆體

為了減少建築內外的熱交換,很有必要使用礦棉等隔熱材料,並將其整合到立面系統中。石膏也可以提高熱舒適度。智能膜有助於提高氣密性同時控制濕度,而塗層可以隔熱並在天氣惡劣時提供保護

屋顶

將隔熱材料與屋頂結合始終是一種值得推薦的做法,這樣可以提高建築內部的舒適度。在推薦使用高熱惰性材料的地區,最好使用隔熱材料製成的大塊厚板。在可以使用低熱惰性材料的地區,內側可以使用輕質材料,但屋頂仍然應該包含隔熱材料。一項被廣泛使用並經過了檢驗,證明效果優異、成本低廉的技術,是將瓷磚塗成白色或使用淺色瓷磚,以便能夠反射太陽光線

地板

雖然經常被忽視,但地板的隔熱對於減少地面與建築物之間的熱交換非常重要。此外還有必要指出,牆壁或地板覆蓋材料的選擇將影響室內居住者對溫度的感知

根據建築物的不同類型,窗戶和立面中的玻璃可以允許太陽輻射進入環境,也可以保存居住者或室內暖氣系統產生的熱量,或者也可以將熱量排出。簡而言之,太陽輻射的控制可以歸納為以下幾種類型[2]

  • 過或阻擋自然光線;
  • 過或阻擋太陽熱量;
  • 許或阻止內部的熱量損失;
  • 允許内外部之問的視覚聯繫

在研究透明圍護結構的性質時,考慮短波和長波是十分重要的。短波包括可見光和紅外線。長波是熱源發出的紅外輻射。窗戶具有減少熱量損失的能力(u值)與增加或減少太陽得熱的能力,關鍵是要在二者之間找到一個良好的平衡點。此時,G值(太陽因子)十分重要,它代表了射向玻璃並直接和間接傳播到環境中的太陽輻射的百分比。G值為1.0表示所有太陽輻射全部透射,而G值為0.0表示窗口沒有太陽能的傳輸。也就是說,在寒冷氣候中,較高的G值有助於提高有效的太陽得熱,同時降低採暖需求。在氣候炎熱的國家,較低的G值有助於控制不必要的太陽得熱,以降低製冷需求。在下圖中,我們展示了一些玻璃的特性

成功的設計選擇會影響居住者的生活條件,並且每種材料都可以在通常的設計策略中發揮作用。最終的選擇不僅應該在能耗方面最優,還應該保證使用者的舒適,這也是為什麼建築師需要瞭解一些現象背後的理論,以及特定材料的性質如何通過複雜的方式影響建築的性能