嚴(yán)寒地區(qū)既有建筑近零能耗改造材料研究

劉泋彤 寧宇

（吉林建筑科技學(xué)院）

隨著全球能源消耗和環(huán)境污染的日益加劇，建筑節(jié)能已經(jīng)成為國際社會(huì)普遍關(guān)注的問題。特別是在嚴(yán)寒地區(qū)，建筑的供暖和保溫成為了能源消耗的主要來源，給環(huán)境和人民的生活帶來了巨大的負(fù)面影響。因此，如何提高建筑節(jié)能性能，降低能源消耗，已成為嚴(yán)寒地區(qū)建筑領(lǐng)域面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。本研究將重點(diǎn)探討嚴(yán)寒地區(qū)既有公共建筑近零能耗改造材料的研究，旨在通過實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)分析，評(píng)價(jià)不同材料在節(jié)能改造中的作用和效果，為嚴(yán)寒地區(qū)既有公共建筑的節(jié)能改造提供實(shí)用的指導(dǎo)和建議。

1 嚴(yán)寒地區(qū)既有公共建筑近零能耗改造的現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)

嚴(yán)寒地區(qū)的既有公共建筑由于設(shè)計(jì)和施工年代早、結(jié)構(gòu)老舊、隔熱性能差、供暖方式落后等原因，能耗較高，成為節(jié)能改造亟待解決的問題。另外，嚴(yán)寒地區(qū)在冬季氣溫低、采暖季長，加之能源供應(yīng)緊張，導(dǎo)致公共建筑的供暖和保溫成為了能源消耗的主要來源。因此，既有公共建筑近零能耗改造在嚴(yán)寒地區(qū)面臨著一系列的挑戰(zhàn)和難點(diǎn)。嚴(yán)寒地區(qū)的既有公共建筑大多由于設(shè)計(jì)和施工年代較早，其建筑結(jié)構(gòu)和技術(shù)條件可能存在一定的限制，加之建筑使用功能多樣，改造難度大，需要采用多種技術(shù)手段和材料來解決。在材料的選擇方面面臨著較大的難度，嚴(yán)寒地區(qū)的氣候條件惡劣，溫差大、濕度高、風(fēng)力大，建筑材料的選擇對(duì)于節(jié)能效果具有關(guān)鍵性的影響，需要考慮不同材料的性能、適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性等多個(gè)因素。為了達(dá)到近零能耗的標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)行全方位的改造，所需的資金投入較大，且需要考慮投資回報(bào)周期等因素。嚴(yán)寒地區(qū)既有公共建筑近零能耗改造的現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)十分復(fù)雜，需要多方面的技術(shù)和資源支持，并進(jìn)行深入研究和探索[1]。

2 既有公共建筑近零能耗改造的研究方法

嚴(yán)寒地區(qū)的公共建筑近零能耗改造需要綜合考慮多個(gè)因素，選擇適合嚴(yán)寒氣候的節(jié)能保溫材料和設(shè)備，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和施工，同時(shí)采用智能化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能源管理的精細(xì)化和智能化，提高能源利用效率，降低能源消耗和環(huán)境污染。

2.1建筑材料科學(xué)應(yīng)用促進(jìn)公共建筑近零能耗

隨著新建建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)及既有建筑節(jié)能改造措施的執(zhí)行，我國的建筑節(jié)能產(chǎn)業(yè)得到迅猛發(fā)展。其中，高科技建筑材料的應(yīng)用是促進(jìn)我國建筑節(jié)能綠色發(fā)展的重要方式。夯實(shí)透節(jié)能產(chǎn)業(yè)研究院調(diào)研數(shù)據(jù)顯示:2017 年至2022 年間，我國建筑節(jié)能材料市場規(guī)模翻倍增長，見圖1。

“雙碳”形勢下，我國倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展、綠色節(jié)能、低碳環(huán)保、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的科技環(huán)保營造概念。夯實(shí)透節(jié)能產(chǎn)業(yè)研究院使用大數(shù)據(jù)分析法，對(duì)2023 年至2029 年建筑節(jié)能材料的市場規(guī)模做出了預(yù)測分析，預(yù)計(jì)2029 年節(jié)能材料是市場份額較2023年增漲將超過50%,見圖2。

圖2 2023～2029年中國建筑節(jié)能材料行業(yè)市場規(guī)模預(yù)測

2.2 公共建筑近零能耗改造的材料篩選和測試方法

公共建筑近零能耗改造的材料篩選和測試方法需要綜合考慮多個(gè)因素，從可持續(xù)性和環(huán)保性出發(fā)，選擇符合標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的材料，同時(shí)開展一系列的測試和試驗(yàn)，評(píng)估材料的性能表現(xiàn)和改造效果。公共建筑近零能耗改造的材料篩選和測試方法需要科學(xué)系統(tǒng)的對(duì)比分析，材料篩選上宜選擇適合公共建筑改造的材料，需要綜合考慮其熱傳導(dǎo)系數(shù)、密度、抗壓強(qiáng)度、防火性、耐久性等多個(gè)因素。建議從可持續(xù)性和環(huán)保性角度出發(fā)，選擇符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的材料。為了評(píng)估材料在近零能耗改造中的性能表現(xiàn)，需要開展一系列的測試，包括熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱容量、熱膨脹系數(shù)、防火性、密度、抗壓強(qiáng)度等方面的測試[2]。為了評(píng)估材料在實(shí)際改造中的效果，需要在實(shí)際工程項(xiàng)目中進(jìn)行試驗(yàn)，并進(jìn)行效果評(píng)估。例如，在改造前后對(duì)能耗、溫度、濕度等指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，以及對(duì)改造后的舒適度和環(huán)保性進(jìn)行評(píng)估。成本效益評(píng)估同樣是重要的一環(huán)，在選擇材料時(shí)，需要綜合考慮其成本效益，評(píng)估其改造后的能源節(jié)約、使用壽命和維護(hù)成本等因素。此外，還需要考慮材料的可獲得性、安裝和維護(hù)難度等因素。

2.3公共建筑近零能耗改造的材料應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

在公共建筑近零能耗改造設(shè)計(jì)中，首要確定的是建筑使用性質(zhì)，不同用途的公共建筑需要考慮不同的舒適性和功能需求。我國現(xiàn)有節(jié)能計(jì)算體系分為公共建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和居住建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不同性質(zhì)的建筑計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)不同，居住建筑的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)更高。同時(shí)，公共建筑所處的氣候條件對(duì)材料的選擇和設(shè)計(jì)有很大影響。例如，嚴(yán)寒地區(qū)長春市的公共建筑需要考慮冬季的保溫問題，而炎熱地區(qū)廣州市的公共建筑相對(duì)來說需要考慮夏季的隔熱問題。不同類型的公共建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，需要選擇適合的保溫材料和構(gòu)造方式。例如，鋼結(jié)構(gòu)建筑和混凝土結(jié)構(gòu)建筑的保溫材料和施工方法不同。公共建筑的近零能耗改造更需要注重環(huán)保和可持續(xù)性，選擇符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的材料和設(shè)備，考慮材料的可再生性、循環(huán)利用性和廢棄物處理等問題。在進(jìn)行材料應(yīng)用方案設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮以上因素，選擇符合要求的材料和構(gòu)造方式，并進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和施工。例如，在保溫材料的選擇上，可以采用巖棉、玻璃棉等環(huán)保保溫材料，同時(shí)結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)和氣候條件，采用外保溫、內(nèi)保溫、夾層保溫等不同構(gòu)造方式，實(shí)現(xiàn)保溫效果最大化。在門窗改造上，可以選擇高效節(jié)能的雙層中空玻璃、框框斷熱鋁合金門窗等，減少能量損失和室內(nèi)外溫差。在供暖系統(tǒng)改造上，可以選擇空氣源熱泵、地源熱泵等節(jié)能設(shè)備，并優(yōu)化管道布局和管道絕熱，減少能量損失。在照明和電器設(shè)備改造上，可以選擇節(jié)能燈具、高效節(jié)能電器設(shè)備等，同時(shí)開展能耗監(jiān)測和管理，減少不必要的能量浪費(fèi)。總之，公共建筑近零能耗改造的材料應(yīng)用方案設(shè)計(jì)需要綜合考慮多個(gè)因素，選擇適合的材料和設(shè)備，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和施工，實(shí)現(xiàn)能源。

3 建筑節(jié)能材料研究與應(yīng)用實(shí)例

建筑節(jié)能材料是指在建筑物中使用的材料，可以有效降低能源消耗并提高建筑的能效。它們?cè)诮ㄖO(shè)計(jì)和施工過程中發(fā)揮著重要的作用，可以減少能源消耗和環(huán)境污染。常見的建筑節(jié)能材料包括：保溫材料、隔音材料、透光材料、新型墻體材料、新型屋頂材料等。這些材料在建筑物的墻體、屋頂、地面等部位中廣泛應(yīng)用[3]。

“鳥巢"等奧運(yùn)場館對(duì)于建材的使用有著很高要求。首先是環(huán)保，比如建材所用的發(fā)泡劑要對(duì)臭氧層無任何危害;其次是保溫，需符合建筑節(jié)能整體達(dá)到65%的國家標(biāo)準(zhǔn);第三，作為建筑保溫材料,還要具備優(yōu)良的阻燃性、抗壓強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性等。在這樣的前提下，“鳥巢"看臺(tái)內(nèi)墻墻體所需的保溫材料中,超過2/3 都選用了聚氨酯現(xiàn)場噴涂干掛外飾面系統(tǒng),只需30mm 的厚度即可滿足相關(guān)要求[4-5]。聚氨酯現(xiàn)場噴涂干掛外飾面系統(tǒng)是全球通用的聚氨酯硬泡外墻保溫體系。它利用聚氨酯現(xiàn)場成型快、自粘接力強(qiáng)的特點(diǎn),直接在建筑外墻上進(jìn)行噴涂成型。這種工藝已經(jīng)在歐洲、北美以及我國干掛外飾面的建筑上廣泛使用，可對(duì)各種建筑進(jìn)行保溫施工。保溫材料與基墻全粘貼,整體保溫的效果優(yōu)異,系統(tǒng)安全可靠。據(jù)悉,除了“鳥巢”看臺(tái)的內(nèi)側(cè)墻壁外,奧林匹克公園地下休閑中心的屋項(xiàng)保溫材料也有50%以上采用聚氨酯硬泡外墻保溫體系,產(chǎn)品用量在150t 左右。該飾面系統(tǒng)的節(jié)能保溫材料與傳統(tǒng)產(chǎn)品的主要區(qū)別在于，它使用的發(fā)泡劑是環(huán)保的HFC-245fa 和水。相對(duì)于國內(nèi)普遍使用的HCFC-141b 發(fā)泡劑體系，其保溫體系對(duì)大氣臭氧層沒有危害[6]。該成果攻克了產(chǎn)品的高溫高尺寸穩(wěn)定性這一技術(shù)瓶頸。

4 建筑節(jié)能材料實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析

建筑節(jié)能材料的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析是評(píng)估這些材料性能的重要步驟，它可以提供建筑節(jié)能材料的技術(shù)參數(shù)，為材料的使用和優(yōu)化提供依據(jù)。建筑節(jié)能材料實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析的一般步驟包括:設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和分析、結(jié)果評(píng)價(jià)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。建筑節(jié)能材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析和解釋是評(píng)估材料性能的重要步驟，它可以幫助我們了解建筑節(jié)能材料的性能特點(diǎn)，從而為材料的使用和優(yōu)化提供依據(jù)。建筑節(jié)能材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析和解釋要經(jīng)過多個(gè)科學(xué)步驟。①數(shù)據(jù)清洗和篩選：將采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和篩選，去除異常數(shù)據(jù)和不符合要求的數(shù)據(jù)；②數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和描述性分析：對(duì)清洗后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和描述性分析，計(jì)算數(shù)據(jù)的均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、中位數(shù)等指標(biāo)，描述建筑節(jié)能材料性能的特點(diǎn)；③數(shù)據(jù)可視化和探索性分析：通過數(shù)據(jù)可視化工具，如圖表、散點(diǎn)圖、箱線圖等，探索數(shù)據(jù)之間的關(guān)系和規(guī)律，如變量之間的相關(guān)性、分布情況等[7]；④統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和假設(shè)驗(yàn)證：通過統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的假設(shè)，如兩組數(shù)據(jù)之間是否存在差異，是否滿足正態(tài)分布假設(shè)等；⑤結(jié)果解釋和討論：根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，對(duì)建筑節(jié)能材料的性能進(jìn)行解釋和討論，分析其優(yōu)點(diǎn)和不足，并提出改進(jìn)建議。在建筑節(jié)能材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析和解釋中，需要注意數(shù)據(jù)分析方法的選擇和合理性，確保數(shù)據(jù)分析的可靠性和有效性。同時(shí)，需要將數(shù)據(jù)分析的結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用場景相結(jié)合，從而更好地評(píng)估建筑節(jié)能材料的性能和應(yīng)用效果[8]。

5 既有公共建筑近零能耗改造的可行性和實(shí)際意義

既有公共建筑近零能耗改造的可行性和實(shí)際意義非常重要，既有公共建筑在全球能源消耗中占據(jù)了相當(dāng)大的比例，其能耗水平也是日益增長，同時(shí)其能源利用率和環(huán)境友好性也較低，因此實(shí)現(xiàn)既有公共建筑的近零能耗改造對(duì)于全球能源可持續(xù)發(fā)展具有重要的實(shí)際意義。既有公共建筑近零能耗改造的可行性，一方面取決于改造技術(shù)的成熟度和可行性，另一方面取決于改造的經(jīng)濟(jì)成本和社會(huì)效益。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，現(xiàn)有建筑物的節(jié)能改造已經(jīng)成為可能，各種節(jié)能技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用于建筑節(jié)能改造，例如墻體、屋頂、地面隔熱材料，高效照明、供暖、通風(fēng)系統(tǒng)等。同時(shí)，政府、企業(yè)和社會(huì)團(tuán)體也已經(jīng)開始推廣和支持既有公共建筑的節(jié)能改造工作。既有公共建筑近零能耗改造的實(shí)際意義，一方面是可以降低能源消耗和環(huán)境污染，另一方面是可以提高建筑物的使用效率和舒適性。在能源消耗方面，近零能耗改造可以顯著降低建筑物的能源消耗，減少對(duì)能源的依賴，降低能源成本，同時(shí)也可以降低對(duì)環(huán)境的影響，減少溫室氣體的排放，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

6 結(jié)語

在嚴(yán)寒地區(qū)，既有公共建筑的能耗問題尤為突出，如何通過改造降低能耗成為亟待解決的問題。目前，隨著科技的發(fā)展和材料的更新?lián)Q代，越來越多的新型節(jié)能材料適用于嚴(yán)寒地區(qū)既有公共建筑的近零能耗改造，其發(fā)展前景也非常廣闊。未來將有越來越多的新型節(jié)能材料應(yīng)用于嚴(yán)寒地區(qū)的建筑節(jié)能改造，從而實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的目標(biāo)。