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1、商场建筑节能设计研究摘要：商场建筑的能耗统计和分析是进行商场节能研究的基础，本研究以寒冷地区商场建筑的能耗状况为研究对象，根据商场内的空调、照明及其他建筑设备的能耗记录或实测数据，找出商场建筑高能耗的症结，从而得出商场建筑节能设计的着重点。主要内容包括： 1)从能耗分配、建筑状况、围护结构、室内环境等方面分析了商场建筑能耗的一般性特点，试图找到影响商场建筑能耗的主要因素。2)分析了所选商场建筑能耗过大的主要原因，并提出了可行的节能改造方案或建议。本研究结果对寒冷地区商场建筑的节能设计及节能改造有一定的可借鉴性。关键词：商场建筑；建筑能耗；节能设计 Abstract: The research
2、on shopping malls energy-saving is basis on the statistics and analysis of commercial buildings energy consumption. Our research target focus on energy consumption conditions in cool areas. By collecting record and data of air-conditions, lightings, and other equipments in the shopping mall, we coul
3、d find out where needs the most, and obtain the information for energy-saving design. The following are major contents:1) We could find out the major factors which influence the shopping malls energy consumption from analysising distribution, construction condition, external structure and internal e
4、nvironment.2) The primary cause of the oversized energy consumption of the chosen shopping center construction is analyzed and the feasible energy conservation transformation plan or the suggestion is proposed. The study results may have some reference value for the shopping mall design in the cold
5、area.Keywords: Shopping center construction, Architectural energy consumption, Energy-Saving Design1.研究意义近几年来，随着经济的发展和人们物质生活水平的提高，大中型商场越来越多，人们对购物环境的要求也不断提高，商场建筑能耗比例显著增加。商场建筑作为公共建筑中的一种，由于建筑面积大、客流密度和各种照明、电器密度高，多采用中央空调系统对商场温度、湿度进行控制，能量传输距离长、能量转换设备多，以用电为主，冬季采暖耗热量很大。商场一般每天运行12个小时以上、全年基本没有节假日，(如图1)因此，与其他类
6、型公共建筑相比，商场单位面积耗电密度高、全年总耗电量大，节能潜力巨大，因此是研究重点。2.商场类建筑能耗分析（1）商场类建筑能耗大，节能潜力大。商场类建筑能耗与其他类型公共建筑相比，商场单位面积耗电密度高、全年总耗电量大，节能潜力巨大，因此是研究重点。（2）在商场建筑能耗中，空调系统的能耗占相当大的比例。商场建筑的运行能耗包括采暖能耗、空调能耗、照明能耗、动力能耗、日程维护能耗等。其中，采暖空调能耗及照明能耗的大小及各自所占的比例对节能设计有较大的影响。分项能耗统计数据显示空调系统所占比重最大，达到50%；其次为照明系统，电耗达40%；其余10%为电梯。因此，空调能耗为商业建筑的主要能耗。（3
7、）在商场的空调负荷中，新风负荷和围护结构所产生的空调负荷占较大比例，是节能设计的重点。通过良好的建筑设计加强商场建筑的自然通风可减少新风负荷；通过热工设计可有效地降低由围护结构所形成的空调负荷。（如图2）从商场建筑的节能途径看，可以从两个方面进行，一是商场建筑本体的节能设计，通过建筑设计和围护结构的热工设计提高建筑围护结构的保温隔热性能、门窗的密闭性能和充分利用通风、太阳能、自然采光等措施来降低为达到相同的室内舒适程度所需要的采暖和空调的能耗；二是提高建筑物内的能耗系统及设备的能源效率，包括采暖、空调系统、照明灯具、热水器、家用电器及办公设备等。3.商场建筑节能设计建筑室内热状态受室外气候条件
8、和建筑围护结构所影响，因此商场建筑能耗在很大程度上与室外气候条件和建筑围护结构有关，改进建筑围护结构形式以改善建筑热性能，从而降低商场建筑的空调能耗，是商场建筑节能的重要途径之一。（1）商场建筑总平面布置和平面设计，以适用冬季日照，减少夏季的热和充分利用自然通风。商场建筑的规划设计对商场运营后的能源消耗有很大影响，因此要对商场建筑的总平面布置、建筑平、立、剖面形式、太阳辐射、自然通风等气候因素对商场能耗的影响进行分析，在冬季最大限度的获得太阳辐射热量和减少热损失，夏季最大限度的减少得热并利用自然能源来降温冷却，以达到节能的目的。(如图3)（2）朝向的选择原则是冬季能获得足够的日照并避开主导风向
9、，夏季能利用自然通风并防止太阳辐射。然而商场建筑的朝向、方位以及建筑总平面设计要考虑多方面因素，还要受到社会历史文化、人的购物心理、地形、城市规划、道路、环境等条件的制约，要想使商场建筑的朝向对夏季防热、冬季保温都理想是有困难的。因此只能权衡各个因素之间的得失轻重，选择商场所在地区的最佳朝向和较好朝向。通过多方面的因素分析，优化商场建筑的规划设计，采用最佳朝向或适宜朝向，尽量避免东西向日晒。（3）商场建筑体型的变化直接影响商场采暖能耗大小，商场体型系数越大，单位面积对应的外表面积越大，传热损失就越大。商场体型系数的确定与商场造型、平面布局、采光通风等条件相关。商场建筑设计，应在考虑气候条件、冬
10、夏季太阳辐射强度、风环境、围护结构构造形式等方面因素的基础上合理的确定建筑形状。尽可能减少房间的外围护面积，使体型不要太复杂，凹凸不要过多，避免因体型复杂和凹凸面太多使外表面积加大从而使体型系数增大，以达到节能的目的。（4）商场每个朝向的的窗(包括透明幕墙)墙面积比均不应大于0.7。当窗(包括透明幕墙)墙面积比小于0.4时，玻璃(或其他透明材料)的可见光透射比不应小于0.4。近年来商场建筑的窗墙面积比有越来越大的趋势，只是由于商场建筑有通透明亮、立面美观、建筑形态丰富的要求。因此，对于商场建筑，若要大面积使用透明幕墙时应选择高性能的幕墙，减少能耗影响。（5）外窗可开启的面积不应小于窗面积的30
11、%；透明幕墙应具有可开启部分或设通风换气装置，可开启部分的面积不宜小于幕墙面积的15%。(如图4)商场建筑一般室内人员密度比较大，商场内空气流动，特别是自然、新鲜空气流动，是保证商场空气质量的关键。据调查发现，商场建筑为了追求外窗的视觉效果和建筑立面的风格，窗的开启率都比较低，有的甚至使外窗完全封闭，导致商场内自然通风不足，不利于室内空气流通和散热，不利于节能，这种做法应逐步得到纠正。根据实测调查和计算模拟结果表明，作好自然通风气流组织设计，保证一定的外窗可开启面积，可减少商场空调设备的运行时间，降低新风能耗，提高人体舒适性。（6）屋顶透明部分的面积不应大于屋顶面积的20%，且中庭屋顶透明部分
12、面积不得大于中庭部分屋顶面积的70%。屋顶水平面夏季受太阳辐射强度最大，因此屋顶的透明面积越大，相应建筑的能耗也越大。许多商场建筑设计有室内中庭，希望在商场内有一个通透明亮，据有良好的微气候和人工生态环境的购物空间。但从目前建成的商场来看，大量的商场中庭的热环境不理想，且能耗很大，主要原因是中庭屋顶透明部分的热工性能较差，传热损失和太阳辐射传热过大。通过调研发现，有些商场对中庭采取了膜结构遮阳或其他遮阳设施，可有效地提高中庭的热舒适度和环境质量，降低商场能耗。(如图5)（7）设有中庭的商场建筑，夏季宜充分利用自然通风降温，必要时设置机械排风装置。由于商场中庭透明部分的热工性能太差，在炎热的夏季
13、太阳辐射会使中庭内的温度过高，大大增加了商场的空调能耗。自然通风是改善建筑热环境，节约空调能耗最为简单、经济、便捷且具有良好效果的技术措施。采用自然通风能提供新鲜、清洁的自然空气(新风)，降低中庭内过高的空气温度，减少中庭空调负荷，从而节约能源。而且中庭的通风改善了中庭内热环境，有利于人们的生理和心理健康，提高人们对购物环境的满意度。（8）商场主入口易设置门斗或采取其他措施减少室外气候条件对室内的影响。商场建筑的性质决定了其入口处的外门长时间处于开启状态，这样势必会造成室外气候条件对室内热环境的影响。设置温度阻尼区，可以在节能的同时，也提高了门庭的热舒适性。（9）建筑总平面布置和商场内部的平面
14、设计，应合理确定冷、热源和通风、空调机房的位置，制冷和供热机房宜设置在空调负荷的中心。制冷和供热机房尽量靠近负荷中心，主要是为了避免环路长短不均，难以平衡，造成供冷(热)质量不良，增加投资和能耗。（10）建筑的东、西、南向外窗(包括透明幕墙)宜设置外部遮阳。4.商场建筑节能设计措施 (l)外墙的保温技术目前我国外墙保温技术还主要是不透明墙体，有外保温、夹芯墙保温和内保温三种保温形式，少量透明墙体如玻璃幕墙等因传热特征与不透明墙有本质差别被归为窗的类型。由于我国各地的墙体材料生产技术水平和地方墙体材料技术政策的差距较大，外墙体的保温构造类型众多。外保温外墙是由两种或两种以上的建筑材料构成的且起主
15、要保温隔热作用的材料，放在室外一侧的复合墙体，我国北方地区在目前建筑节能设计标准和相关技术政策引导下多采用此类保温形式，大、中城市和经济水平较好的城镇还引进、转换了国外的外保温成套技术，相对来说经过建筑技术工作者二十年的不懈努力，加之伴随我国化工行业的发展，以化工行业下游产品如聚苯酚、岩棉等作为高性能绝热保温墙体的主流产品己经完全实现了国产化，使得这种源于高纬度发达国家的外墙外保温技术逐步适应了我国北方地区的技术和经济市场。目前技术的成熟度已达到一定程度，市场发展的势头也十分良好。外保温技术的发展，是因为在我国北方建筑结构的主流体系是框架结构、框剪结构，建筑围护结构的填充墙体的主流建筑材料仍是
16、自保温能力相对低下的轻骨料混凝土类块体材料，由此就形成较大比例的热桥。北方严寒和寒冷地区在漫长的冬季采暖期里，室外平均气温都是在室内采暖设计温度之下，由此决定了房间的采暖方式是连续采暖。此时墙体等围护结构的温度差传热是建筑能耗的主要部分，同时大温差传热和室外负温环境对于墙体热桥部位还会造成墙体内部和内表面结霜、结露等问题。采用外保温技术就可以有效避免这些问题，因此高效、可靠、经济的外墙外保温技术成为严寒和寒冷地区新旧建筑重要的节能措施。(如图6)然而，外保温的墙体外侧防护能力差，不能适应建筑外立面变化多样的外装饰需要，特别是南方大风多雨气候地区，如大量的广告、空调室外设备、管道、电路等在外保温
17、系统的外墙安装，容易直接产生保温系统脆弱的防护层破碎，产生外墙外保温系统的小漏电、大漏水现象，引发墙体渗漏、霉变等质量通病，因此，在南方潮湿地区，外保温有一定问题。中间保温外墙是由两层保温能力差的墙体夹一层绝热能力好的保温材料构成的复合墙体。填充在中间层的绝热材料，种类很多，工业类常见的是岩棉、矿棉、玻璃棉、聚苯乙烯泡沫板材等，地方材料也常见刨花、稻壳、草(炭)灰、炉渣等。中间保温的外墙是在严寒和寒冷地区有一定的使用，但外层墙体长期处于负温环境，主要起防护作用，绝热能力低，从而容易造成通过墙体由室内传向室外的潮气不易散开，导致中间填充的保温材料容易受潮。因此在使用这类墙体时需要根据具体地区冬季
18、的气候条件进行内部结露验算，中间增设空气层，设计过程比较繁琐，但和外保温系统比较，它的结构防护能力好，造价相对低廉。内保温墙体是由两种或两种以上建筑材料构成的、且起主要保温隔热作用的材料放在室内一侧的复合墙体。目前我国北方地区不提倡采用该种墙体保温做法，主要是因为它不能够解决大量建筑物的热桥问题和墙体内部(特别是保温层与实体墙之间的界面处)的结露问题。对于间歇采暖且采暖使用频率不高的建筑物也可以采用此类墙体。内保温墙体在南方地区应用比较合适，主要原因有以下几点:在炎热气候地区的空调季节里，室内外温差相对较小，热桥的影响也不占主流；在空调期里，室外气温最低值并不是始终高于室内热舒适温度，室外气温
19、的波动范围内高频繁地出现热舒适温度，这就决定了南方地区空调期与北方地区的采暖期存在本质差别，也因此而决定了南方地区的空调方式在本质上还是间歇方式，对于普遍为间歇空调的南方建筑适应性较好的墙体保温形式也就是内保温方式；内保温墙体可以有效避免外墙体所不能抵御的南方大风多雨气候的破坏作用，对传统的建筑立面设计、设备、管线的外装等不受影响；内保温墙体造价相对低廉。由于南方地区建筑节能工作开展的相对较晚，目前正在开展内保温复合墙体类型、构造方面的相关研究。(2)屋顶保温技术由屋顶传热导致的能耗占建筑总能耗比例并不大，但对于顶层房间室内热环境的影响很大，同时由于屋顶在冬季发生冻裂和夏季发生膨胀引起屋顶开裂
20、漏水事故率高，所以屋顶保温隔热技术措施的好坏，不仅一定程度上影响建筑节能和热环境，也直接关系到整个建筑物的工程质量好坏。保温材料应具有吸水率低、导热系数较小并具有一定的强度的性能。屋面保温材料一般为轻质多孔材料，分为三种类型：一类是松散型材料，堆积密度一般小于300kg/耐，导热系数小于0.14w/(mK)，常用的有膨胀蝗石(粒径3一15Inm)、膨胀珍珠岩、矿棉、炉渣等；另一类是整体浇注型材料，常用有发泡聚氨醋现场发泡浇注，还有使用水泥或者沥青等胶结材料与松散保温材料拌合，现场整体浇注，如水泥炉渣、沥青膨胀珍珠岩、水泥膨胀蝗石岩等；再一类是成品板型材料，如加气混凝土板块、泡沫混凝土板材、膨胀
21、珍珠岩板、膨胀蝗石板、矿棉板、岩棉板、泡沫塑料板、木丝板、刨花板、甘蔗板等，目前我国严寒和寒冷地区，屋顶保温技术是在大中城市多使用EPS(膜塑型聚苯乙烯泡沫板材)或者XPs(挤塑型聚苯乙烯泡沫板材)为主，部分使用加气混凝土作为保温材料，在小城镇由于受到价格的影响大多还是使用松散型材料较多，如炉渣、水泥膨胀珍珠岩等作为保温材料，少量也有使用加气混凝土块材。南方地区的屋顶隔热，大城市和经济发达地区主要以使用EPS或者XPS为主，也有部分的植被屋顶在推广应用，如耐早能力较强的佛甲草隔热屋面在重庆、广州等地有一定量的应用，小城镇和经济欠发达地区主要使用掺混珍珠岩的隔热板，沿海地区也有使用架空红砖、架空
22、水泥板等做法。(如图7)目前存在的问题主要有：1)热阻达不到节能标准要求。材料厚度设计不足，成品保温隔热材料如掺混珍珠岩的保温隔热成品板、夹EPS的保温隔热板内的隔热主材厚度不足，产品质量不符合要求等，影响屋顶保温隔热性能。2)高性能的保温材料成本高难于广泛普及。如EPS和XPS板材隔热构造的造价是常用松散保温材料特别是地方保温材料的25倍，经济欠发达地区难以接受。3)构造标准化工作不够。各地针对不同保温材料的构造做法缺乏标准图集和操作规程，粗制滥造情况普遍。(3)外窗保温隔热和遮阳外窗保温隔热技术外窗是建筑能耗比例较大的部件，商业建筑如能解决好外窗的保温隔热问题，将会收到明显的节能效果。目前
23、我国南北方大量使用的建筑外窗(包括门连窗)，在中小城镇和经济欠发达地区主要还是使用非断桥铝合金窗和塑钢窗，开窗形式是以推拉窗型为主。由于我国的铝加工成型技术己经完成实现了国产化，适应建筑市场的门窗转型速度快，铝合金窗在目前和今后相当长的时期里仍然是建筑外窗的主流。但从节能角度看，需要从以下几点发展窗的保温隔热技术:l)提高型材的保温隔热能力。主要是提高型材的隔热能力，提高型材的断热能力，需要大力发展断热型材和断热构造；2)提高玻璃的隔热品质。目前大城市和发达地区逐步认识了特种玻璃的节能效果，lowE玻璃、热反射镀膜玻璃、有色玻璃等节能品质高的特种玻璃正在逐步普及，势头良好，但由于价格仍然相对透
24、明平板玻璃要高出23倍，因此在中小城市以及经济欠发达地区还无法接受。这对于实现全面的建筑节能，特别对既有大量的商业建筑外窗的节能改造构成了障碍。3)玻璃隔热改造。目前大量建筑窗玻璃需要进行节能改造，无论南北方建筑在适应气候和满足室内采光功能前提下，研发1owE型的玻璃隔热涂料和隔热贴膜技术及产品；4)门窗的节能标识制度需要实施。由于窗的技术含量相对提高，特别是玻璃节能品质的认定需要较高的技术手段，通常不借助标准的试验技术和模拟技术无法判断它的节能效果，需要国家尽早出台行业认定政策。遮阳技术遮阳主要目的是为了夏季防止太阳辐射直接或间接进入室内，增加室内的得热量，有效的遮阳可以大幅度降低空调能耗，
25、甚至在某些气候带可以通过好的遮阳措施实现夏季室内的舒适环境，避免使用空调。遮阳包括对外窗的遮阳和外墙的遮阳。外窗遮阳的目的是减少透过外窗的太阳辐射。采用在窗的内侧悬挂窗帘、百叶等内遮阳方式可以防止太阳的直射，但是把太阳辐射热量转换为其他形式的热量，仍然散发到室内，因此对降低空调能耗作用不大。只有采用外遮阳方式，也就是用外挑台等围护结构的固定遮阳和一些安装在外的可调节遮阳装置，才可以有效地把太阳辐射阻挡于室外，不使其进入室内，从而也就不能构成室内得热。在北方地区，冬季透过外窗的太阳辐射可以提高室温，减少采暖能耗。冬季不希望遮阳，此时可采用可以调节的外遮阳装置，冬季调整到不遮阳状态。也可以精心设计
26、固定的外遮阳板，使其利用冬夏太阳高度角的差别，冬季不起遮阳作用，而夏季却能有效遮阳。外墙遮阳的目的是在夏季防止太阳照射在外墙表面，使外墙表面温度升高，增加向室内的传热量。夏季一些地区西向外墙在日照下有时表面温度可超过50，导致室内炎热。有效的外遮阳措施，可使表面温度在同样情况下不超过35。外墙的遮阳一般靠建筑本身的结构构件来实现，需要建筑师的巧妙设计，实现西向表面的有效遮阳效果。也可以通过在西向布置花草，垂直绿化，用植物来实现遮阳。主要参考文献1 公共建筑节能设计标准GB 50189-2005，中国建筑工业出版社，2005. 2 顾馥保.商业建筑设计. 中国建筑工业出版社，20023 宋德首. 节能建筑设计与技术. 同济大学出版社，2003. 3.4 陆隽. 现代商场建筑及其设计若干问题探讨. 华中科技大学硕士学位论文，2002
