作為人類生活和日常活動的主要場所，建筑承載的不僅是文化和實(shí)用等意義，而且是社會發(fā)展和文明進(jìn)步的主要標(biāo)志。隨著科技的進(jìn)步，建筑更是在節(jié)能、環(huán)保、與自然協(xié)調(diào)發(fā)展等方面發(fā)揮了日益重要的作用，成為建筑學(xué)家和工程師們積極投身鉆研的熱點(diǎn)方向。華南理工大學(xué)“亞熱帶地區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)防熱節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項目組，就在建筑節(jié)能方面作出了卓有成效的探索，并收獲了具有非凡意義和價值的成果。
立足民生需求 攻關(guān)前沿技術(shù)
我國的亞熱帶濕熱地區(qū)主要覆蓋于長江流域及其以南陸地范圍，占到國土面積的27.1%，涉及20個省(市)份的7億人口。高溫高濕氣候的影響，以及人民生活水平不斷提高等剛性需求的存在，使得亞熱帶地區(qū)民用建筑的能耗迅猛增長，已經(jīng)占到全國民用建筑能耗總量的54%。所以，開展亞熱帶地區(qū)建筑節(jié)能研究，是推動我國社會可持續(xù)發(fā)展的重大需求。
有鑒于此，華南理工大學(xué)與中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司、江蘇省建筑科學(xué)園有限公司、廣東省建筑節(jié)能協(xié)會合作開展了“亞熱帶地區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)防熱節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項目的攻關(guān)。
一個世紀(jì)以來，我國亞熱帶地區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計遵循的傳統(tǒng)防熱(遮陽、通風(fēng)、隔熱)理論，是在建筑無空調(diào)、僅通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)防止室內(nèi)過熱的背景下形成的。而自上世紀(jì)九十年代起，空調(diào)的普及拉動了亞熱帶建筑能耗的急劇增長，為此，到本世紀(jì)初，國家開始強(qiáng)制推行亞熱帶地區(qū)的建筑節(jié)能。
由于建筑室內(nèi)熱環(huán)境的調(diào)節(jié)方式和目標(biāo)發(fā)生了根本改變，所以避免室內(nèi)溫度過熱的傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)防熱技術(shù)體系，已無法滿足空調(diào)控制狀態(tài)下的建筑節(jié)能要求。因此，提升傳統(tǒng)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)防熱設(shè)計理論，探索基于空調(diào)控制狀態(tài)下建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計理論、構(gòu)造技術(shù)及性能實(shí)驗(yàn)方法，已成為亞熱帶地區(qū)建筑節(jié)能的急需。因此，項目組將“圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能”列為解決建筑節(jié)能的根本途徑。
在此情況下，項目組成員秉承著國家需求和民生需要，努力開展了前沿技術(shù)的探索與攻關(guān)。他們指出，當(dāng)我國于2001年啟動亞熱帶地區(qū)建筑節(jié)能時，對應(yīng)建筑的節(jié)能目標(biāo)，已發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能無法滿足節(jié)能要求。因此，在亞熱帶建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工設(shè)計理論和技術(shù)領(lǐng)域，面臨若干關(guān)鍵問題亟待解決：1.在圍護(hù)結(jié)構(gòu)蒸發(fā)降溫基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)方面，迫切需要建立標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)氣候分析方法，以確定建筑節(jié)能設(shè)計中的熱工參數(shù);2.在建筑遮陽節(jié)能技術(shù)基礎(chǔ)理論與構(gòu)造設(shè)計方面，需要建立基于建筑能耗的遮陽性能參數(shù)模型，提出建筑門窗玻璃的自身遮陽關(guān)鍵技術(shù)方法;3.在圍護(hù)結(jié)構(gòu)防潮理論和構(gòu)造設(shè)計方面，需要研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱濕雙向傳遞機(jī)理和構(gòu)造設(shè)計方法，確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)多孔材料的工程設(shè)計參數(shù);4.在圍護(hù)結(jié)構(gòu)自然通風(fēng)節(jié)能原理與設(shè)計方面，需要解決大尺度建筑群的風(fēng)環(huán)境模擬問題，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析建筑開口設(shè)計與室內(nèi)風(fēng)場分布之間的相關(guān)性等。
他們的這一項目正是依托亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究平臺，在國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目等12項課題的資助下，重點(diǎn)開展了亞熱帶地區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)蒸發(fā)、遮陽、防潮、通風(fēng)節(jié)能設(shè)計的基礎(chǔ)理論、實(shí)驗(yàn)方法和工程應(yīng)用研究，形成了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)防熱節(jié)能設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用的創(chuàng)新成果。
探索先進(jìn)機(jī)制 實(shí)現(xiàn)成果創(chuàng)新
“亞熱帶地區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)防熱節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項目組立足于我國國情和實(shí)際發(fā)展需要，取得了一系列有突破性的創(chuàng)新成果。
他們的科技創(chuàng)新成果包括：
1、建立了透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的遮陽設(shè)計參數(shù)確定方法和涂膜遮陽技術(shù)。建立了建筑外窗綜合遮陽系數(shù)和外遮陽系數(shù)的計算方法;提出了建筑百葉類外遮陽系統(tǒng)的熱過程模型;建立了遮陽構(gòu)件遮陽性能的光電檢測方法;研發(fā)了涂膜遮陽玻璃成形關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)科技成果鑒定，本成果總體上達(dá)到國際先進(jìn)水平，在復(fù)雜遮陽設(shè)計計算研究方面處于國際領(lǐng)先。該成果作為強(qiáng)制性條文已被9部國家和地方建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)所采用，在濕熱地區(qū)應(yīng)用面積超過7.3億㎡。
(1)定義并建立了建筑外窗綜合遮陽系數(shù)和外遮陽系數(shù)的計算方法。建筑遮陽設(shè)計是采用光線幾何法計算，未和建筑能耗相關(guān)聯(lián)。該研究揭示了遮陽構(gòu)件尺度與建筑能耗的相關(guān)性，定義了“外窗綜合遮陽系數(shù)”：SW=建筑外遮陽系數(shù)(SD)×外窗遮陽系數(shù)(SC)。通過對樣本的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)了建筑外遮陽系數(shù)與遮陽構(gòu)造定性尺寸的二次曲線關(guān)系，進(jìn)而確定了建筑外遮陽系數(shù)的設(shè)計計算式：SD=ax²+bx+1，其中，a、b——計算系數(shù)，通過回歸分析得到，不同氣候區(qū)a、b值不同;x——外遮陽構(gòu)造定性尺寸比。該公式可以反映外遮陽構(gòu)造對建筑全年能耗的影響程度。
(2)建立了建筑百葉類外遮陽系統(tǒng)的熱過程模型。傳統(tǒng)百葉類外遮陽光熱傳遞機(jī)理復(fù)雜，無法量化節(jié)能效果。該研究將百葉遮陽系統(tǒng)等效成一層特殊的半透明體，通過建立百葉板間的直射透射、散射透射方程得到了百葉遮陽系統(tǒng)的遮陽性能參數(shù)，再與建筑全年能耗計算方法鏈接得到了建筑能耗對百葉遮陽性能的響應(yīng)，解決了建筑遮陽節(jié)能設(shè)計中無法評價百葉類外遮陽構(gòu)件節(jié)能效果的難題。計算了十種典型尺寸的水平和垂直百葉遮陽在不同熱工分區(qū)的外遮陽系數(shù)。該成果作為強(qiáng)制性條文在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》及其在廣東、廣西、福建和海南的實(shí)施細(xì)則以及四川省建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中得到應(yīng)用，指導(dǎo)設(shè)計節(jié)能建筑約7.3億㎡。
(3)建立了遮陽構(gòu)件遮陽性能的光電檢測方法。不規(guī)則鏤空遮陽構(gòu)件因其幾何形狀的復(fù)雜性而無法建立遮陽數(shù)學(xué)模型，該研究以光電轉(zhuǎn)化原理為基礎(chǔ)，應(yīng)用硅光電池板為透光率的測量元件，分別在太陽光源和氙燈光源情況下進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)，獲得了光電轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立了測定遮陽系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法，解決了不規(guī)則遮陽構(gòu)件外遮陽系數(shù)確定的難題。廣東省建設(shè)廳成果鑒定結(jié)論為：“現(xiàn)代建筑遮陽設(shè)計方法研究”總體上達(dá)到國際先進(jìn)水平，其中在復(fù)雜遮陽設(shè)計計算研究方面處于國際領(lǐng)先。
(4)建立了建筑玻璃遮陽光譜的涂膜控制方法。揭示了玻璃遮陽隔熱涂膜對可見、紅外光透射性能的影響機(jī)理，當(dāng)采用ATO(氧化錫銻)和CC(氧化鐿)作為隔熱劑時可有效遮擋太陽輻射光譜中1000nm附近的近紅外輻射能量，產(chǎn)生了透射光譜的“塌陷區(qū)”，涂膜玻璃的遮陽系數(shù)降至0.65以下，可見光透過率在70%以上，性能優(yōu)于國際同類技術(shù)，并取得了2項發(fā)明專利。
2、建立了圍護(hù)結(jié)構(gòu)蒸發(fā)降溫技術(shù)的設(shè)計原理和檢測實(shí)驗(yàn)方法。包括提出并建立了圍護(hù)結(jié)構(gòu)被動蒸發(fā)降溫技術(shù)基礎(chǔ)理論;建立了濕熱氣候條件下的建筑能耗分析用逐時降雨模型;在國際上率先建成了動態(tài)熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺，從而解決了多孔建筑材料的動態(tài)熱濕傳遞規(guī)律及關(guān)鍵熱物性參數(shù)的工程檢測方法，并通過了CMA認(rèn)證。經(jīng)科技成果鑒定，該成果達(dá)到國際領(lǐng)先水平，已被7部國家和地方建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)所采用，在亞熱帶地區(qū)應(yīng)用面積超過6.5億㎡。
(1)建立了圍護(hù)結(jié)構(gòu)被動蒸發(fā)降溫技術(shù)基礎(chǔ)理論。在構(gòu)建和求解建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)蒸發(fā)降溫?zé)崞胶夥匠痰幕A(chǔ)上，得到了綜合考慮蒸發(fā)、對流、輻射和導(dǎo)熱等換熱過程的廣義綜合溫度設(shè)計參數(shù);研究了建筑外表面貼附水膜蒸發(fā)冷卻的隔熱機(jī)理，建立了蓄水、流動水膜和不流動水膜三種情況屋頂?shù)恼舭l(fā)降溫傳熱過程數(shù)學(xué)模型;研究了周期性熱濕氣候作用下的多孔材料熱濕耦合遷移規(guī)律，建立了多孔材料被動蒸發(fā)降溫?zé)豳|(zhì)傳遞的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;提出了圍護(hù)結(jié)構(gòu)被動蒸發(fā)降溫效果的綜合評價指標(biāo)，可合理判斷蓄水屋頂、流動水膜屋頂、流動水膜墻面和流動水膜玻璃面等構(gòu)造的蒸發(fā)降溫效果。以圍護(hù)結(jié)構(gòu)蒸發(fā)冷卻原理為核心，提出并確定了附加熱阻值作為節(jié)能設(shè)計參數(shù)。該成果在《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》及其在華南四省的實(shí)施細(xì)則中得到應(yīng)用，2003年以來，使用該標(biāo)準(zhǔn)累計設(shè)計節(jié)能建筑面積超過6.5億㎡。
(2)建立了蒸發(fā)降溫建筑能耗分析用逐時降雨模型?；趯?shí)測氣象數(shù)據(jù)的判斷分析，建立了日降雨和逐時降雨判斷方程，對模擬氣象數(shù)據(jù)先按月進(jìn)行日降雨判斷，再按降雨日進(jìn)行降雨時刻判斷;采用AR(P)模型對月降雨量進(jìn)行了模擬預(yù)測。
(3)建立了圍護(hù)結(jié)構(gòu)蒸發(fā)冷卻性能分析用動態(tài)熱濕氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法。為測定圍護(hù)結(jié)構(gòu)蒸發(fā)降溫構(gòu)造的動態(tài)熱工性能，采用耦合控制技術(shù)建立了氣象參數(shù)可復(fù)現(xiàn)的動態(tài)氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法，獲得了太陽輻射、風(fēng)速、溫濕度等氣象參數(shù)的逐分鐘模擬實(shí)驗(yàn)氣候，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)附著水膜、多孔材料層和植被層的逐時蒸發(fā)量、蒸發(fā)換熱系數(shù)等性能參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。復(fù)現(xiàn)濕熱地區(qū)夏季典型日的氣象環(huán)境，獲得了種植屋面的附加熱阻值，該成果在《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》及其在廣東、廣西、福建和海南的實(shí)施細(xì)則中得到應(yīng)用，使用該標(biāo)準(zhǔn)累計設(shè)計節(jié)能建筑面積超過6.5億㎡。。
3、建立了圍護(hù)結(jié)構(gòu)多孔材料濕平衡狀態(tài)下的設(shè)計參數(shù)和防潮設(shè)計方法。包括提出并建立了建筑多孔材料平衡濕度曲線和實(shí)驗(yàn)方法、水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)和液體水?dāng)U散系數(shù)的計算公式和自然濕度狀態(tài)下熱擴(kuò)散系數(shù)的修正系數(shù)，以及亞熱帶圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱濕雙向傳遞機(jī)理和保溫隔熱設(shè)計指標(biāo)與構(gòu)造方法。經(jīng)科技成果驗(yàn)收評審，該成果總體上達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平，取得了發(fā)明專利，已被7部國家和地方建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)所采用，指導(dǎo)設(shè)計節(jié)能建筑約2.3億㎡。
(1)提出了圍護(hù)結(jié)構(gòu)多孔材料濕平衡狀態(tài)下的工程設(shè)計參數(shù)。建立了在熱濕耦合條件下，自然濕度平衡階段建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)多孔材料的熱物性計算方法和工程設(shè)計參數(shù)，開展了不同濕度條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)多孔材料熱、濕擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究，確定了?；⒅?a href="http://tgrunv7.cn/sell/list/3765/" target="_blank">砂漿等多孔保溫材料在自然濕度狀態(tài)下熱、濕擴(kuò)散系數(shù)的計算參數(shù)和修正系數(shù)，為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱濕遷移計算與工程設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和計算參數(shù)，取得發(fā)明專利。
(2)建立了圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱濕雙向傳遞機(jī)理和保溫隔熱構(gòu)造設(shè)計方法與指標(biāo)。基于夏季隔熱、冬季保溫及過渡季節(jié)的除濕和自然通風(fēng)4個因素，揭示了通風(fēng)和空調(diào)條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱濕耦合雙向周期傳熱機(jī)理，提出了亞熱帶地區(qū)被動式建筑保溫隔熱計算方法和夏熱冬冷地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工設(shè)計指標(biāo)。
4、建立了圍護(hù)結(jié)構(gòu)自然通風(fēng)開口設(shè)計方法和節(jié)能設(shè)計指標(biāo)。包括建立了建筑風(fēng)環(huán)境尺度分級模擬方法;提出了建筑節(jié)能設(shè)計的窗開啟面積比指標(biāo)，并確定了該指標(biāo)的工程設(shè)計取值范圍。該成果作為強(qiáng)制性條文已被7部國家和地方建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)所采用，在濕熱地區(qū)應(yīng)用面積超過6.5億㎡。
本項目依托的國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目“濕熱地區(qū)城市微氣候調(diào)節(jié)與設(shè)計”，于2010年3月通過了項目驗(yàn)收，評價等級為“A級”。多項成果達(dá)到國際先進(jìn)水平，得到了多位專家、院士的一致好評，并已經(jīng)開始被大力推廣和應(yīng)用。
孟慶林教授和同事們的這項成果，不僅推動了我國亞熱帶地區(qū)建筑節(jié)能行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，而且創(chuàng)造了巨大的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益。他們在科技創(chuàng)新和成果應(yīng)用方面所做的努力，已經(jīng)得到了實(shí)踐證明。
