物理學(xué)視域下建筑節(jié)能問題探討

曹永義

(湖北第二師范學(xué)院，湖北 武漢 430205)

1 物理學(xué)是建筑節(jié)能的基礎(chǔ)

1.1 能源與能耗本身屬于物理學(xué)范疇

在一定角度上，可將物理學(xué)視為建筑節(jié)能的基礎(chǔ)，脫離了物理知識的建筑規(guī)律與結(jié)論也就沒有任何意義可言。在日常生活中，無論是電能、光能還是熱能都是由能源間接或直接為人類提供的，當(dāng)某種物體形態(tài)的轉(zhuǎn)變過程就是能源的消耗過程，在該過程中給予人類需要的能源，因此，無論是能源自身，還是能源消耗均在物理學(xué)范疇內(nèi)。為了滿足某種需求或?qū)崿F(xiàn)某種目的，選擇消耗能源的方式來實(shí)現(xiàn)，例如，應(yīng)用光能照亮房間、利用電能實(shí)現(xiàn)制冷等。

1.2 從物理學(xué)角度看能量的轉(zhuǎn)換

站在物理學(xué)的角度，能量形式的轉(zhuǎn)換過程中，并沒有改變總能。簡言之，其中具有的能量保持不變，既不自行產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消散，這就是能量守恒定律的內(nèi)容，但在該規(guī)律中，僅僅對能量的數(shù)量關(guān)系加以規(guī)定，并提及能量的轉(zhuǎn)換過程。在熱力學(xué)第一定律的基礎(chǔ)上，熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容中對能量轉(zhuǎn)換的基本方式進(jìn)行了明確的解說，即能量無法自發(fā)從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體。

1.3 建筑節(jié)能的物理學(xué)基礎(chǔ)

對于建筑節(jié)能而言，可將信息替代能源作為基礎(chǔ)，相較能源而言，信息資源是無限的。在當(dāng)前社會(huì)的的發(fā)展中，能源不斷減少，能源短缺問題日益凸顯，同時(shí)，能源消耗導(dǎo)致環(huán)境污染問題也愈加嚴(yán)重，若無法實(shí)現(xiàn)矛盾與沖突的有效化解，那么將加劇這一惡性循環(huán)[2]。因此，將物質(zhì)能源由信息資源取替，可以實(shí)現(xiàn)該矛盾問題的巧妙化解。目前備受我國建筑界關(guān)注的問題，就是如何解決高層建筑節(jié)能問題，由于不全面的建筑節(jié)能信息了解，造成不合理的設(shè)計(jì)頻頻出現(xiàn)，從而導(dǎo)致對整體建筑影響極壞。

2 物理學(xué)知識在建筑節(jié)能中的運(yùn)用

2.1 以物理手段實(shí)現(xiàn)太陽光照明

在現(xiàn)有的研究理論中，醫(yī)學(xué)專家認(rèn)為憂郁癥、慢性疲勞綜合征等疾病在太陽光下產(chǎn)生的幾率相對較小，因此，在建筑設(shè)計(jì)過程中，利用物理方式實(shí)現(xiàn)太陽光的自然引入，不僅為建筑空間的使用者提供了更多曬太陽的機(jī)會(huì)，還為人體保持健康提供了有利條件。若無法實(shí)現(xiàn)自然光照的情況下，可利用導(dǎo)光管裝置，其應(yīng)用了反射原理，實(shí)現(xiàn)光纖的傳遞，但由于傳遞過程中會(huì)存在一定的能量損失，因而無法滿足長距離的光纖需求。經(jīng)過這一物理手段而形成的太陽光約為2個(gè)75W燈泡的亮度。

2.2 利用太陽能取暖

在建筑取暖過程中，若想應(yīng)用太陽能，在材料的選擇上應(yīng)當(dāng)選取熱阻和熱吸系數(shù)相對較大的。在能量傳遞過程中發(fā)生阻礙作用的就是熱阻，而物體自身的吸熱能力成為熱吸系數(shù)。在建筑的實(shí)際應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)太陽能的有效儲(chǔ)存，應(yīng)用熱阻和熱吸系數(shù)大的玻璃[3]。白天，在太陽光的照射下吸收熱量并加以儲(chǔ)存，夜間溫度較低時(shí)，可將熱量釋放，提高夜間溫度。針對冬冷夏熱地區(qū)的建筑，可利用這樣設(shè)備實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)，即夏日高溫時(shí)避免陽光直射，冬日低溫時(shí)將陽光引入室內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)保溫節(jié)能的作用。

2.3 納米技術(shù)在建筑材料中的應(yīng)用

考慮到納米材料的自身特性，極具有量子尺寸，又具備光催化效應(yīng)，因此，在混凝土中應(yīng)用納米制作技術(shù)將具備空氣凈化、有毒物質(zhì)分解的作用。隨著對于建筑功能需求的調(diào)整，混凝土材料的功能也可結(jié)合納米材料的功能而調(diào)整，例如，現(xiàn)已部分應(yīng)用的自我修復(fù)納米材料[4]。由于納米材料的自身特性，其剛度、強(qiáng)度都得到了有效調(diào)整，例如廠家內(nèi)的抗菌陶瓷、彈性水泥等均具有較高性能。該類材料的應(yīng)用，不僅大大提升了建筑物的使用性能，更從某種程度上實(shí)現(xiàn)了能耗的有效降低，為環(huán)境污染問題的化解提供了幫助。

3 結(jié)語

隨著當(dāng)前經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，能源的消耗問題也日益顯著，在當(dāng)前十分緊要關(guān)頭下，相關(guān)部門應(yīng)對建筑物能耗的降低給予足夠的關(guān)注度，始終將低能耗作為建筑設(shè)計(jì)的重中之重，并貫穿于設(shè)計(jì)始終?？傊锢韺W(xué)與建筑之間的關(guān)系十分密切，大部分建筑學(xué)的思想與理論都離不開物理學(xué)知識的支持，因此，為了實(shí)現(xiàn)建筑能耗的有效降低，物理學(xué)將在今后的建筑節(jié)能可持續(xù)發(fā)展中做出巨大貢獻(xiàn)，提供最優(yōu)化的解決方式。