南美蓉
晉中市正元建設(shè)監(jiān)理有限公司 山西 晉中 030600
近年來(lái),隨著全球氣候變化和資源緊缺問(wèn)題的不斷加劇,建筑行業(yè)迫切需要采取可持續(xù)發(fā)展的策略。建筑物的能源消耗和碳排放成了環(huán)保領(lǐng)域的關(guān)注焦點(diǎn)。在建筑中,混凝土結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用且占據(jù)重要地位,因此改善混凝土結(jié)構(gòu)的熱性能對(duì)于提高建筑能源效率具有重要意義。
混凝土結(jié)構(gòu)的熱性能受到熱傳導(dǎo)的影響。熱傳導(dǎo)是指熱量通過(guò)材料內(nèi)部分子振動(dòng)和電子傳輸?shù)倪^(guò)程。在混凝土中,主要的熱傳導(dǎo)機(jī)制包括固體導(dǎo)熱、氣體對(duì)流和輻射傳熱。這些機(jī)制由混凝土的成分、密度、濕度以及溫度梯度等因素所決定。
熱傳導(dǎo)的參數(shù)主要包括熱導(dǎo)率和熱阻。熱導(dǎo)率是一個(gè)描述材料導(dǎo)熱性能的物理特性,表示單位面積上單位厚度材料在單位溫度梯度下傳遞熱量的能力。而熱阻則反映了材料抵抗熱傳導(dǎo)的能力,是熱導(dǎo)率的倒數(shù)?;炷两Y(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率通常受到其配合比、含水率和粒徑分布等因素的影響。
熱阻和熱容是混凝土結(jié)構(gòu)熱性能中兩個(gè)重要的參數(shù)。熱阻是指材料抵抗熱量流動(dòng)的程度,與混凝土結(jié)構(gòu)的保溫性能密切相關(guān)。高熱阻可以減少熱量的傳導(dǎo),從而提高建筑物的能源效率和室內(nèi)舒適性。
另一方面,熱容是指材料吸收和釋放熱量時(shí)所需的能量,也稱為儲(chǔ)熱性能。混凝土作為一種具有較高熱容的材料,在太陽(yáng)輻射和外界溫度變化的影響下,能夠吸收和存儲(chǔ)熱能,并在需要時(shí)釋放出來(lái),起到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的作用。熱容的大小取決于混凝土的體積和比熱容。
熱橋是指在建筑結(jié)構(gòu)中導(dǎo)致熱傳導(dǎo)異常的地方,其熱阻明顯低于周圍結(jié)構(gòu)的區(qū)域。在混凝土結(jié)構(gòu)中,常見(jiàn)的熱橋問(wèn)題包括墻角、柱子與梁連接處、門窗洞口等。由于熱橋的存在,熱量容易通過(guò)這些位置傳導(dǎo),導(dǎo)致能源浪費(fèi)和室內(nèi)熱舒適性下降。
解決熱橋問(wèn)題的方法包括在設(shè)計(jì)階段合理規(guī)劃建筑結(jié)構(gòu)、選擇絕熱材料進(jìn)行局部隔熱以及提供熱橋破壞層等。這些措施可以有效降低混凝土結(jié)構(gòu)中的熱橋效應(yīng),提高整體熱性能,并減少能源消耗[1]。
2.1.1 外形設(shè)計(jì)和朝向優(yōu)化
合理設(shè)計(jì)建筑的外形和選擇適當(dāng)?shù)某驅(qū)τ谧畲蟪潭鹊販p少直接日射和散射輻射的影響至關(guān)重要。通過(guò)考慮建筑的形狀、立面設(shè)計(jì)和窗戶位置,可以降低熱損失并利用自然光和太陽(yáng)能。例如,采用適當(dāng)?shù)恼陉?yáng)裝置和窗簾,可有效阻擋過(guò)多的陽(yáng)光進(jìn)入室內(nèi),減少冷卻負(fù)荷。
2.1.2 外部遮陽(yáng)和保溫措施
采用外部遮陽(yáng)裝置(如百葉窗、遮陽(yáng)板等)和保溫材料(如外墻保溫系統(tǒng))可以顯著降低混凝土結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)和熱輻射,改善建筑的隔熱性能。這些措施能夠減少室內(nèi)冷熱負(fù)荷,提高建筑的能源效率。例如,安裝遮陽(yáng)裝置可以在夏季防止過(guò)度的熱量進(jìn)入室內(nèi),而保溫材料可以在冬季阻止熱量的散失。
2.2.1 使用高性能混凝土材料
選擇具有較低熱導(dǎo)率和較高熱容的高性能混凝土材料是提升熱性能的重要策略。高強(qiáng)度混凝土、細(xì)?;炷梁洼p質(zhì)隔熱混凝土等材料都具備這些特點(diǎn)。高性能混凝土材料的優(yōu)點(diǎn)在于其較低的熱傳導(dǎo)特性,可以降低混凝土結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能,提高儲(chǔ)熱能力,并減少能源消耗。
2.2.2 摻合料選擇和比例優(yōu)化
向混凝土配方中添加適量的摻合料(如粉煤灰、硅灰、礦渣等)可以改善混凝土的絕熱性能和耐久性。這些摻合料具有較低的熱導(dǎo)率和良好的保溫效果,可以在混凝土中形成微觀孔隙結(jié)構(gòu),從而減緩熱傳導(dǎo)。通過(guò)優(yōu)化摻合料的選擇和比例,可以進(jìn)一步提升混凝土結(jié)構(gòu)的絕熱能力,降低能源消耗,并減少碳排放。
2.2.3 粒度分布和配比控制
在混凝土制備過(guò)程中,通過(guò)合理控制混凝土的粒度分布和配比,可以獲得更好的絕熱性能。適當(dāng)?shù)牧6确植加兄谔岣呋炷恋拿軐?shí)性和抗?jié)B性,并減少熱傳導(dǎo)。同時(shí),正確的配比可以確?;炷翐碛辛己玫拿軐?shí)性和均勻性,提高其絕熱和隔熱性能。
2.2.4 密實(shí)性和養(yǎng)護(hù)管理
混凝土的密實(shí)性和養(yǎng)護(hù)對(duì)于其熱性能至關(guān)重要。通過(guò)采用適當(dāng)?shù)氖┕ぜ夹g(shù)和密實(shí)設(shè)備,可以確?;炷恋拿軐?shí)性和致密性,減少孔隙和裂縫的存在,從而提高其絕熱性能。此外,正確的養(yǎng)護(hù)過(guò)程也能夠促進(jìn)混凝土的水化反應(yīng),提高其強(qiáng)度和耐久性。
2.3.1 導(dǎo)熱橋減少的設(shè)計(jì)策略
在混凝土結(jié)構(gòu)中,采用斷熱層和斷熱插板等方法可以有效減少導(dǎo)熱橋效應(yīng)。斷熱材料如EPS、XPS能夠形成有效的隔熱層,降低熱傳導(dǎo),阻止熱量通過(guò)混凝土結(jié)構(gòu)傳遞。插入斷熱插板切斷潛在導(dǎo)熱路徑,防止熱量傳導(dǎo),提高整體熱阻,減少能源損耗。采用斷熱接頭設(shè)計(jì)在連接處使用隔熱材料填充縫隙,減少熱量流失,降低導(dǎo)熱效應(yīng)。此外,在設(shè)計(jì)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,合理布置結(jié)構(gòu)元素、減少連接點(diǎn)、選擇低熱導(dǎo)率材料等措施有助于最大程度地避免導(dǎo)熱橋效應(yīng)的發(fā)生。這些方法共同作用,可以提高混凝土結(jié)構(gòu)的絕熱性能,降低能耗。
2.3.2 熱擴(kuò)散和傳遞路徑的優(yōu)化
在建筑設(shè)計(jì)中,墻體、地板、屋頂和窗戶等細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)對(duì)隔熱性能至關(guān)重要。在墻體連接部位采用斷熱接頭設(shè)計(jì),填充斷熱材料以減少熱傳導(dǎo),選擇低熱導(dǎo)率材料作為覆蓋層提高隔熱性能。地板和基礎(chǔ)連接處使用斷熱插板或帶以切斷熱傳導(dǎo)路徑,選擇合適地面覆蓋材料增強(qiáng)絕熱性能。屋頂系統(tǒng)添加斷熱層和板減少能量損失,注意屋頂與墻體接縫處的斷熱處理。窗戶和門是熱傳輸通道,采用雙層或三層中空玻璃、斷熱窗框等技術(shù)降低熱傳導(dǎo)和散失,在窗框與墻體連接部位使用斷熱材料填充提高整體熱阻。這些細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)措施有助于優(yōu)化建筑的隔熱性能,減少能耗,提高舒適度[2]。
(1)EnergyPlus
EnergyPlus是一種廣泛應(yīng)用的建筑熱力學(xué)仿真軟件,可模擬建筑內(nèi)部的熱傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流過(guò)程。它提供了豐富的建筑物組件庫(kù)和氣候數(shù)據(jù),可用于評(píng)估不同設(shè)計(jì)方案的熱性能。
(2)TAS(Thermal Analysis Software)
TAS是另一種常用的建筑熱分析軟件,可模擬建筑物的熱行為和能源消耗。它提供了高級(jí)的熱力學(xué)模型和先進(jìn)的分析功能,適用于深入研究和預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的熱性能。
(3)IDF(Integrated Development Environment)
IDF是EnergyPlus的輸入文件格式,也是一種模擬軟件。通過(guò)編寫(xiě)和編輯IDF文件,可以定義建筑結(jié)構(gòu)、材料屬性和熱負(fù)荷等參數(shù),從而進(jìn)行熱性能仿真和分析。
(4)有限元分析軟件
有限元分析軟件,如ANSYS和ABAQUS等,可以用于分析混凝土結(jié)構(gòu)中的溫度分布、熱應(yīng)力和熱傳導(dǎo)等問(wèn)題。這些軟件基于數(shù)值方法,可以對(duì)復(fù)雜的熱力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行建模和求解。
(5)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件
CFD軟件,如FLUENT和OpenFOAM等,可用于模擬混凝土結(jié)構(gòu)中的流體流動(dòng)和熱傳遞過(guò)程。通過(guò)使用CFD技術(shù),可以更精細(xì)地分析熱流路徑、熱橋效應(yīng)和溫度分布等問(wèn)題。
(1)樣品設(shè)計(jì)
確定研究的混凝土結(jié)構(gòu)類型和尺寸。根據(jù)具體要求,在實(shí)驗(yàn)中可以制備代表性的混凝土樣品,如墻體、地板或屋頂?shù)???紤]到研究目的,可以在樣品中添加斷熱材料或斷熱層來(lái)模擬實(shí)際應(yīng)用情況。
(2)樣品制備
按照設(shè)計(jì)要求制備混凝土樣品。選擇適當(dāng)?shù)幕炷僚浔取⑻畛洳牧虾秃穸鹊葏?shù),以確保樣品的可重復(fù)性和代表性。在制備過(guò)程中,需要注意控制混凝土的均勻性和密實(shí)性,以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
(3)測(cè)試方法選擇
根據(jù)研究目的和樣品類型,選擇合適的測(cè)試方法。常用的熱性能測(cè)試方法包括熱導(dǎo)率測(cè)試、熱阻測(cè)試和紅外測(cè)溫技術(shù)等。通過(guò)這些測(cè)試方法,可以獲取樣品的熱傳導(dǎo)特性、溫度分布和熱流路徑等信息。
(4)儀器設(shè)備
準(zhǔn)備好必要的儀器設(shè)備,如熱導(dǎo)率測(cè)量?jī)x、紅外熱像儀、溫度傳感器等。確保這些設(shè)備正常運(yùn)行,并進(jìn)行校準(zhǔn),以獲得準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
(5)實(shí)驗(yàn)操作
按照選定的測(cè)試方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。在測(cè)試過(guò)程中,需要嚴(yán)格控制環(huán)境條件,如室溫和濕度等,以減少干擾因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并進(jìn)行多組重復(fù)測(cè)試以驗(yàn)證結(jié)果的可靠性。
(1)使用高性能斷熱材料
采用優(yōu)質(zhì)的斷熱材料可以有效減少熱傳導(dǎo),提高隔熱性能,從而降低能源消耗和室內(nèi)溫度波動(dòng)。
(2)優(yōu)化建筑外立面設(shè)計(jì)
通過(guò)合理的外立面設(shè)計(jì),如使用太陽(yáng)能板、隔熱玻璃等,可以最大程度地利用可再生能源,減少能源損失。
(3)引入 passivhaus(被動(dòng)式房屋)概念
passivhaus 標(biāo)準(zhǔn)注重隔熱性能和空氣密封性,通過(guò)精心設(shè)計(jì)的建筑外殼和適當(dāng)?shù)耐L(fēng)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)極低的能耗和高效的熱舒適性。
(4)采用地源熱泵系統(tǒng)
地源熱泵利用地下的穩(wěn)定溫度來(lái)供暖和冷卻建筑物,更高效地利用能源,并減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴。
這些策略的具體影響會(huì)因設(shè)計(jì)和應(yīng)用環(huán)境而異。一般來(lái)說(shuō),可持續(xù)策略可以降低混凝土結(jié)構(gòu)的能源消耗、改善室內(nèi)舒適度,并可能減少碳排放量。然而,實(shí)施這些策略可能需要額外的投資和技術(shù)支持,并需要在不同項(xiàng)目中進(jìn)行綜合考慮和定制化設(shè)計(jì)。
對(duì)于采用的建筑隔熱策略,需要進(jìn)行以下方面的評(píng)估:技術(shù)可行性考慮相關(guān)技術(shù)的成熟度、供應(yīng)鏈穩(wěn)定性、施工可行性和可能面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。經(jīng)濟(jì)可行性評(píng)估投資成本、運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用以及節(jié)能效益和能源成本節(jié)約的預(yù)期回報(bào)。環(huán)境影響方面要考慮減少碳排放、節(jié)約能源、提高資源利用效率等因素,以確定對(duì)環(huán)境的積極影響。用戶滿意度評(píng)估策略對(duì)建筑使用者的影響,包括舒適性、室內(nèi)空氣質(zhì)量、采光效果等,以確保策略在實(shí)際使用中獲得用戶廣泛支持。
在環(huán)境評(píng)估中,進(jìn)行能源消耗和碳排放減少分析是關(guān)鍵的一步。通過(guò)對(duì)不同可持續(xù)策略的實(shí)施進(jìn)行模擬或?qū)嶒?yàn)研究,可以量化其對(duì)能源消耗和碳排放的影響。這些分析可以基于建筑能耗模型、生命周期評(píng)估等方法進(jìn)行。
能源消耗分析旨在比較采用不同可持續(xù)策略和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的混凝土結(jié)構(gòu)在整個(gè)使用階段的能源需求差異。這可以包括供暖、制冷、照明和其他設(shè)備的能源消耗。同時(shí),考慮到能源來(lái)源的多樣性(如可再生能源),可以評(píng)估可持續(xù)策略對(duì)能源系統(tǒng)的整體影響。
碳排放減少分析關(guān)注策略對(duì)溫室氣體排放的影響。通過(guò)考慮建筑材料的生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工和使用過(guò)程中的碳排放,可以分析不同策略對(duì)減少碳足跡的貢獻(xiàn)。這有助于確定哪些策略在減少碳排放方面具有更顯著的影響,從而支持低碳和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)[3]。
經(jīng)濟(jì)成本效益評(píng)估是評(píng)估不同可持續(xù)策略的經(jīng)濟(jì)可行性和效益的重要環(huán)節(jié)。它涉及對(duì)所選策略的成本和效益進(jìn)行綜合分析,以確定其投資回報(bào)周期和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性。成本方面,評(píng)估包括初期投資成本、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本,以及策略實(shí)施過(guò)程中的相關(guān)費(fèi)用。這可以與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比,確認(rèn)所需的額外投資以及潛在的成本節(jié)約。效益方面,考慮到能源消耗和碳排放減少的結(jié)果,可以計(jì)算出策略帶來(lái)的節(jié)能和減排效益。
混凝土結(jié)構(gòu)的熱性能改善是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)建筑的重要一環(huán)。通過(guò)本次研究,我們對(duì)不同可持續(xù)策略在提升混凝土結(jié)構(gòu)熱性能方面的效果和可行性進(jìn)行了分析。
我們的研究結(jié)果表明,可持續(xù)策略如使用高性能斷熱材料、優(yōu)化建筑外立面設(shè)計(jì)和引入先進(jìn)的能源系統(tǒng)等,能夠顯著提高混凝土結(jié)構(gòu)的隔熱性能,降低能源消耗,并潛在地減少碳排放。這些策略既滿足了節(jié)能減排的需求,也符合可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。然而,在推廣和應(yīng)用這些可持續(xù)策略時(shí),仍然面臨著技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)成本效益、環(huán)境影響和用戶滿意度等方面的挑戰(zhàn)。因此,政府、行業(yè)機(jī)構(gòu)和學(xué)術(shù)界需要共同努力,加強(qiáng)政策支持、促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新和市場(chǎng)需求,以推動(dòng)可持續(xù)策略在混凝土結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用。