洪霄偉 王建飛 張宇峰

(1.廈門市建筑科學研究院集團股份有限公司 福建廈門 361000;2.華南理工大學 廣東廣州 510640)

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節(jié)能設(shè)計標準對居住建筑節(jié)能的影響
——以福建省夏熱冬冷地區(qū)為例

洪霄偉1王建飛1張宇峰2

(1.廈門市建筑科學研究院集團股份有限公司 福建廈門 361000;2.華南理工大學 廣東廣州 510640)

隨著新版《福建省居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》DBJ/T 13-62-2014的發(fā)布和實施，福建省建筑節(jié)能工作有了新的要求。根據(jù)新版和舊版標準及其參考的行標，對福建省夏熱冬冷地區(qū)某典型居住建筑進行節(jié)能分析，得到不同標準規(guī)定下建筑的節(jié)能率，并分析不同圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)對能耗的影響。文章通過對比分析，提出福建省夏熱冬冷地區(qū)居住建筑的節(jié)能設(shè)計建議。

居住建筑；節(jié)能；DeST

1 節(jié)能設(shè)計背景

2003年發(fā)布并實施行業(yè)標準《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》JGJ 75-2003(下文簡稱行標JGJ 75-2003)。2004年福建省建設(shè)廳發(fā)布并實施《福建省居住建筑節(jié)能設(shè)計標準實施細則》DBJ 13-62-2004(下文簡稱舊標)，規(guī)定福建省夏熱冬冷地區(qū)執(zhí)行夏熱冬暖地區(qū)北區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計規(guī)定，區(qū)域劃分(圖1)。舊標的“對比評價法”計算方法按行標JGJ 75-2003規(guī)定進行。

2010年和2012年先后頒布實施《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》JGJ 134-2010(下文簡稱行標JGJ 134-2010)和《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》JGJ 75-2012(下文簡稱行標JGJ 75-2012)，兩部標準對建筑熱工節(jié)能設(shè)計和建筑節(jié)能設(shè)計的綜合評價都有了較大的改變。福建省仍然沿用舊標，其夏熱冬冷地區(qū)的標準并未相應(yīng)更新，直到2014年頒布新標準《福建省居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》DBJ 13-62-2014(下文簡稱新標)。 隨著新標的發(fā)布和實施，福建省建筑節(jié)能工作有了新的要求。新標將本省夏熱冬冷地區(qū)單獨劃分出來，執(zhí)行夏熱冬冷地區(qū)的標準。

綜上所述，本省夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計在新標實施前后有很大的變化。本文基于實際案例，分別采用舊標、新標以及行業(yè)標準進行對比評價，利用能耗模擬軟件DeST分析以上標準規(guī)定下的建筑節(jié)能率，探究不同標準對本省夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計約束的異同以及其產(chǎn)生的原因。

2 分析對象和方法

2.1 分析對象

經(jīng)過對三明、南平、寧德等夏熱冬冷地區(qū)的城市商品房的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)住宅的樓層數(shù)主要集中在11層、18層、32層3種層數(shù)[2]。

本文選取某商住進行分析，該建筑位于福建省夏熱冬冷地區(qū)的三明永安市，該建筑于2014年進行節(jié)能設(shè)計，南北朝向，地上32層，每層4戶，層高3m，住宅戶型均為三室兩廳一廚兩衛(wèi)，住宅平面圖如圖2所示。

建筑圍護結(jié)構(gòu)如下：(1)外墻采用14mm水泥砂漿+200mm加氣混凝土砌塊+10mm石灰砂漿；(2)屋頂采用40mm碎石、卵石混凝土+10mm水泥砂漿+25mm擠塑聚苯復合板+20mm水泥砂漿+30mm輕集料混凝土+120mm鋼筋混凝土；(3)外窗采用普通鋁合金窗(無色透明中空玻璃)。另外，建筑體形系數(shù)≤0.4。

2.2 參照建筑

根據(jù)上文對福建省夏熱冬冷地區(qū)節(jié)能設(shè)計標準變更的描述，分別給出各標準對應(yīng)的屋頂、外墻和外窗的節(jié)能要求(表1)。參考福建省對居住建筑節(jié)能設(shè)計的舊標和新標及其參考的行業(yè)標準，同時結(jié)合實際建筑，共設(shè)置5種計算模式(表1)，其中模式1～模式4分別指參考舊標(同行標JGJ 75-2003)、行標JGJ 75-2012、新標、行標JGJ 134-2010要求確定的參照建筑，模式5為實際建筑。實際建筑屋頂傳熱系數(shù)0.98 W/(m2·k)，熱惰性指標2.59，外窗傳熱系數(shù)1.4 W/(m2·k)，熱惰性指標3.26，外窗傳熱系數(shù)3.8 W/(m2·k)，遮陽系數(shù)0.8，平均窗墻面積比0.19。

2.3 標準對比

根據(jù)以上5種計算模式可知，新標和舊標以及行標對建筑節(jié)能的規(guī)定不同。因舊標幾乎完全按照行標JGJ 75-2003做出規(guī)定，所以對舊標與行標JGJ 75-2012，新標與行標JGJ 134-2010，舊標與新標三組標準進行差異說明。

(1)舊標與行標JGJ 75-2012

舊標與行標JGJ 75-2012的對比，事實上是夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準新舊版本的對比。行標JGJ 75-2012對輕質(zhì)屋頂和重質(zhì)屋頂均減小傳熱系數(shù)的限值，傳熱系數(shù)均減小0.1W/(m2·k)，但對于外墻則將傳熱系數(shù)限值由2.0W/(m2·k)增大到2.5W/(m2·k)，并稍降低熱惰性指標，可見行標JGJ 75-2012與舊標相比，對屋頂熱工性能要求有所提高，而對外墻的熱工性能的要求有所放松。對于外窗的平均傳熱系數(shù)和綜合遮陽系數(shù)的限值確定方法則完全不同。兩個標準均要首先確定外墻的傳熱系數(shù)和熱惰性指標后再查表，舊標先確定遮陽系數(shù)，其后根據(jù)窗墻面積比確定傳熱系數(shù)，行標JGJ 75-2012則先確定傳熱系數(shù)再根據(jù)窗墻面積比確定遮陽系數(shù)。

區(qū)域標準節(jié)能要求(傳熱系數(shù)K,熱惰性指標D)參照建筑夏熱冬暖北區(qū)舊標行標JGJ75-2003[3]屋頂:K≤0.5(輕);K≤1.0,D≥2.5外墻:K≤0.7(輕);K≤1.0,D≥2.5;K≤2.0,D≥3.0外窗:外墻→遮陽系數(shù)→傳熱系數(shù) 計算模式1:K屋頂=1.0W/(m2·k);D≥2.5,K墻體=1.5W/(m2·k);K外窗=6.5W/(m2·k),SW=0.6;行標JGJ75-2012[4]屋頂:K≤0.4(輕);0.42.5外墻:K≤1.0,D≤2.5;K≤1.5,D>2.5外窗:體形系數(shù)→窗墻面積比→遮陽系數(shù)/傳熱系數(shù) 計算模式4:K屋頂=1.0W/(m2·k);D≥2.5,K墻體=1.5W/(m2·k);K外窗=4.7W/(m2·k),SW無要求。

注：K墻體——外墻平均傳熱系數(shù)W/(m2·K)；K屋頂——屋面平均傳熱系數(shù)W/(m2·K)；K外窗——外窗加權(quán)平均傳熱系數(shù)W/(m2·K)；D墻體/D屋頂——外墻或屋頂?shù)臒岫栊灾笜?；SW——外窗平均綜合遮陽系數(shù)；

舊標明確參照建筑墻體傳熱系數(shù)應(yīng)取1.5W/(m2·k)，屋頂傳熱系數(shù)應(yīng)取1.0W/(m2·k)，綜合遮陽系數(shù)應(yīng)取0.6，并查表得外窗傳熱系數(shù)為6.5W/(m2·k)。行標JGJ 75-2012明確參照建筑墻體傳熱系數(shù)應(yīng)取1.5W/(m2·k)，屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)應(yīng)取0.9W/(m2·k)，北區(qū)窗的傳熱系數(shù)應(yīng)取4.0W/(m2·k)，并查表得外窗綜合遮陽系為0.9。

(2)新標與行標JGJ 134-2010

新標編制過程中參考舊標、行標JGJ 75-2012 和行標JGJ 134-2010，結(jié)合福建省夏熱冬冷地區(qū)的特點給出節(jié)能要求，可看出新標對建筑節(jié)能要求的限值和方法具有綜合性。新標與行標JGJ 134-2010相比，對屋頂傳熱系數(shù)的限值減小到0.8W/(m2·k)，且對熱惰性指標規(guī)定2.5為最小值，但對于外墻，當體形系數(shù)不大于0.4時，傳熱系數(shù)的限值由1.5W/(m2·k)增大到2.0W/(m2·k)，但對熱惰性指標要求增大。新標與行標JGJ 134-2010對外窗的熱工性能規(guī)定均需首先判斷建筑體形系數(shù)，其后，行標只需判斷窗墻面積比后即可同時確定傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)，但新標則仍需要參考外墻的熱工性能指標，再根據(jù)傳熱系數(shù)和窗墻面積比最終確定遮陽系數(shù)。

新標明確參照建筑墻體傳熱系數(shù)應(yīng)取1.5W/(m2·k)，屋頂傳熱系數(shù)應(yīng)取0.8W/(m2·k)，窗的傳熱系數(shù)應(yīng)取4.0W/(m2·k)，并查表得外窗綜合遮陽系數(shù)為0.8。行標JGJ 134-2010規(guī)定參照建筑屋面、外墻和外窗的傳熱系數(shù)應(yīng)取標準內(nèi)對應(yīng)的限值，即墻體傳熱系數(shù)應(yīng)取1.5W/(m2·k)，屋頂傳熱系數(shù)應(yīng)取1.0W/(m2·k)，窗的傳熱系數(shù)應(yīng)取4.7W/(m2·k)，外窗綜合遮陽系數(shù)無要求，此處設(shè)為為0.8。

(3)舊標與新標

新標對屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)限值減小到0.8W/(m2·k)，對熱惰性指標仍以2.5作為重質(zhì)屋頂?shù)淖钚≈怠τ隗w形系數(shù)都不大于0.4的建筑，新標對外墻的熱惰性指標要求大有放松。這是在實際工程中發(fā)現(xiàn)熱惰性指標稍小的外墻足夠滿足節(jié)能要求，也可降低工程成本和推廣新型建材之后進行的調(diào)整[6-7]。新標對外窗熱工性能的要求與舊標不同，除需要判斷體形系數(shù)，確定傳熱系數(shù)與遮陽系數(shù)的順序相反，導致外窗熱工性能相差很大。

兩版標準在參照建筑參數(shù)的確定上主要區(qū)別在屋頂和外窗，另外新標對空調(diào)能效比的設(shè)定較高，同時要求計算室內(nèi)得熱量。

2.4 模擬方法

在利用能耗模擬軟件DeST進行計算時，需要輸入建筑的運行狀態(tài)，包括照明、設(shè)備、空調(diào)等。夏熱冬冷地區(qū)，居住建筑的空調(diào)采暖模式具有個體差異性[8]，基本采取部分空間、部分時間空調(diào)采暖模式，對以上5種模式進行模擬計算時，建筑形狀、大小、朝向以及平面劃分等方面完全相同，照明、設(shè)備和空調(diào)的設(shè)置也完全相同，以保證建筑圍護結(jié)構(gòu)是唯一的變化參數(shù)。

該建筑每戶居住人數(shù)為3.2人，人均使用面積為33m2/人?；谝酝鶎ο臒岫涞貐^(qū)居住建筑空調(diào)使用情況的調(diào)查研究[8]，以及新標對建筑節(jié)能總結(jié)評價指標的計算條件用的規(guī)定[9]，夏熱冬冷地區(qū)多在各居室安裝空調(diào)，故本文設(shè)置室內(nèi)使用分體空調(diào)，在客廳、主臥和次臥分別安裝一臺分體空調(diào)[8]，空調(diào)房間新風量為30m3/hp，空調(diào)采暖時換氣次數(shù)為1acr/h。根據(jù)《建筑照明設(shè)計標準》中對居住建筑照明功率密度的要求，設(shè)置計算模型的照明密度均為現(xiàn)行值，并設(shè)定相應(yīng)的照度標準值[10]。各房間的設(shè)備功率參考旅館建筑中客房設(shè)備[11]，并根據(jù)普遍情況進行適當調(diào)整。房間的空調(diào)、照明和設(shè)備設(shè)置(表2)。

表2 各類空調(diào)、照明和設(shè)備的設(shè)置情況

根據(jù)以往的調(diào)查研究，夏熱冬冷地區(qū)居住建筑主要為多層住宅，住戶主要為上班族，戶型主要為三室兩廳[8]。夏季空調(diào)的時間一般為1個月～2個月，每天4h～8h，集中在夜晚時間開啟，冬季采暖的方式則較多樣，使用時間一般半個月到一個月，同樣集中在夜晚使用。本文為研究建筑全年的空調(diào)采暖能耗，根據(jù)本省夏熱冬冷地區(qū)氣候，設(shè)定夏季空調(diào)房間室內(nèi)計算溫度上限為26℃，冬季采暖房間室內(nèi)計算溫度下限為16℃。各房間空調(diào)、照明、設(shè)備運行狀態(tài)如表3。

表3 各類房間照明、設(shè)備、空調(diào)的運行時間表

2.5 模擬結(jié)果

對以上5種計算模式進行全年冷熱負荷的計算，得到全年冷熱負荷的變化，如圖3所示(以模式5為例)，觀察模式5的全年冷熱負荷變化圖，可知冷負荷集中在5月到10月，熱負荷集中在12月到2月，空調(diào)制冷的能耗比例較大。

5種計算模式下，建筑照明、設(shè)備和電梯的能耗相同，單位面積耗電量分別為8.29kWh/a·m2、10.60kWh/a·m2、4.16kWh/a·m2，單位面積空調(diào)耗電量月變化如圖4，耗電量都在7月份達到最大，在3月、4月和11月各模式均未超過0.1kWh/a·m2。模式1在制冷季的耗電量明顯小于其他模式，而在采暖季均大于其他模式，模式2～模式5在制冷季的耗電量很接近，在采暖季的耗電量區(qū)別較明顯。

5種模式下各個月份、全年、制冷季和采暖季的空調(diào)單位面積耗電量(表4)，全年空調(diào)單位面積耗電量模式2的最大，最小為模式5，差值為0.12kWh/a·m2；制冷季共有6個月，模式2的最大，最小為模式1，差值為0.89kWh/a·m2；取暖月為3個月，模式1最大，模式5最小，差值為0.74kWh/a·m2。對比模式1～4按不同標準建立的參照建筑，實際建筑的節(jié)能率各不相同，其中，以行標JGJ 75-2012為參考時節(jié)能率最高，為1.45%，以新標為參考時節(jié)能率最低，為0.12%。

表4 五種模式的計算結(jié)果

2.6 結(jié)果分析

5種計算模式的外墻傳熱系數(shù)相同，屋頂和外窗有所區(qū)別。屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)主要影響頂層房間的空調(diào)能耗，外窗的熱工性能影響到每層每個開窗的房間，所以對于建筑空調(diào)總能耗，樓層越高，屋頂傳熱系數(shù)起到的影響就越小，同時外窗熱工性能的影響就越大。

從5月到10月，引起不同模式空調(diào)能耗變化的主要因素為外窗遮陽系數(shù)。在夏季，空調(diào)的使用時間主要在夜間，較小的平均綜合遮陽系數(shù)能大量減少白天進入室內(nèi)的太陽輻射得熱，從而降低空調(diào)能耗。模式1的耗電量明顯較小，模式2～模式5的耗電量接近，其中模式2耗電量稍大。由表1可知，模式1外窗的平均綜合遮陽系數(shù)最小，即降低了白天的太陽輻射得熱，而模式2的平均綜合遮陽系數(shù)最大，導致空調(diào)能耗高。模式3與模式4的外墻和外窗熱工性能接近，但屋頂傳熱系數(shù)較低，制冷季的空調(diào)能耗稍高，可見較大的屋頂傳熱系數(shù)降低了制冷能耗。

12月到2月，外窗遮陽系數(shù)和傳熱系數(shù)是影響不同模式空調(diào)能耗變化的主要原因。模式1的耗電量遠大于模式2～模式5。由表1可知，模式1外窗傳熱系數(shù)遠大于模式2～模式5，而平均綜合遮陽系數(shù)較小，不利于太陽輻射得熱，同時屋頂?shù)谋匦阅茌^差，故模式1的圍護結(jié)構(gòu)最不利于冬季保溫，導致模式1冬季采暖能耗最高。其次是模式4，外窗的傳熱系數(shù)較大，不利于保溫。模式2和模式3相比，雖然屋頂保溫性能稍差，但外窗使室內(nèi)太陽輻射得熱較大，使得采暖能耗稍低。而模式2與模式5相比，模式5的外墻和外窗的保溫性能彌補了外窗遮陽和屋頂保溫的不足，兩種模式的采暖能耗相近?？梢娡獯罢陉栂禂?shù)對建筑能耗的影響大于屋頂和外墻的傳熱系數(shù)。

由以上分析可知，外窗的平均綜合遮陽系數(shù)對建筑能耗的影響很大，即使外墻和屋頂大幅度提高熱工性能，對建筑節(jié)能效果并不明顯，所以需要根據(jù)氣候特征和建筑使用情況合理設(shè)計圍護結(jié)構(gòu)。

3 節(jié)能分析

根據(jù)5種模式的空調(diào)單位面積耗電量和圍護結(jié)構(gòu)熱工性能，可知在福建省夏熱冬冷地區(qū)，屋頂和外墻的熱工性能對全年空調(diào)能耗的影響較小，外窗平均綜合遮陽系數(shù)對全年空調(diào)能耗的影響較大。圍護結(jié)構(gòu)的保溫對冬季采暖和夏季制冷的能耗有相反的作用，因為提高外墻和屋頂?shù)谋馗魺嵝阅埽谑覂?nèi)外溫度較高時，室內(nèi)熱量不能及時傳出，而室外高溫空氣持續(xù)作用在圍護結(jié)構(gòu)上，反而會消耗更多的空調(diào)制冷能耗。在夏季，較低的外窗平均綜合遮陽系數(shù)有利于降低室內(nèi)太陽輻射得熱，從而降低空調(diào)制冷能耗，在冬季，較高的外窗平均綜合遮陽系數(shù)有利于提高室內(nèi)太陽輻射得熱，從而降低空調(diào)采暖能耗。

《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》要求夏熱冬暖地區(qū)“必須滿足夏季防熱要求，適當兼顧冬季保溫”[12]。夏熱冬冷地區(qū)緯度和經(jīng)度跨度較大，氣候存在差異[13]，同時居住建筑存在住戶差異性，所以住戶空調(diào)使用情況不盡相同。合肥、南京、武漢等地區(qū)不僅夏季炎熱，而且冬季寒冷，所以不僅需要夏季空調(diào)制冷，而且冬季也需要間歇空調(diào)采暖[14]。而福州、韶關(guān)、桂林等靠南的地區(qū)，由于冬季時間較短且平均氣溫較高，一般僅在夏季使用空調(diào)制冷，冬季很少使用空調(diào)采暖。福建省夏熱冬冷地區(qū)福建省地理區(qū)域接近一半，夏季炎熱冬季稍冷，在不劃分采暖期和空調(diào)期的情況下，采暖的能耗也遠小于制冷的能耗[13]。本文分析的5種模式都包括了冬季采暖，在實際住戶使用中，冬季為間歇性采暖，應(yīng)重點考慮夏季空調(diào)制冷能耗。從全年來看，應(yīng)主要考慮夏季降低制冷能耗。

新標和舊標在參照建筑上的規(guī)定使得外窗熱工性能區(qū)別很大，表4和圖4表明舊標利于夏季節(jié)能以及新標利于冬季節(jié)能。對于福建省夏熱冬冷地區(qū)，新標對于空調(diào)能耗的降低作用不明顯，特別是對于主要空調(diào)能耗用于夏季制冷的情況，該地區(qū)的建筑節(jié)能仍然存在較大空間。值得注意，該夏熱冬冷地區(qū)與武漢、合肥等夏熱冬冷地區(qū)氣候條件存在差異，同時與夏熱冬暖地區(qū)北區(qū)的氣候條件有相似之處。該地區(qū)地理面積在福建省約一半，今后的節(jié)能工作會進一步深入開展，所以應(yīng)多考量圍護結(jié)構(gòu)與空調(diào)能耗的關(guān)系，可以使建筑節(jié)能率進一步提高。

4 結(jié)論

以福建省夏熱冬冷地區(qū)某典型居住建筑為例，本文探討了先后頒布的兩部福建省標準DBJ 13-62-2004和DBJ 13-62-2014及相關(guān)行業(yè)標準對該建筑節(jié)能設(shè)計的影響，通過對該建筑模型進行模擬，得到如下結(jié)果：

(1)制冷季外窗遮陽系數(shù)對空調(diào)能耗影響最大。外窗遮陽系數(shù)越小，越有利于降低空調(diào)能耗。

(2)制冷季屋頂傳熱系數(shù)越大，越有利于降低空調(diào)能耗。

(3)采暖季外窗遮陽系數(shù)和傳熱系數(shù)是影響空調(diào)能耗的主要原因。外窗遮陽系數(shù)越大，越有利于降低采暖能耗；外窗傳熱系數(shù)越小，越有利于降低采暖能耗。

綜合上文的分析探究，對于福建省夏熱冬冷地區(qū)的居住建筑節(jié)能設(shè)計有3個建議：

(1)空調(diào)能耗主要用于夏季制冷，則需要提高外窗的遮陽性能，該措施是降低建筑空調(diào)能耗的高效方法[15]。

(2)外墻和屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)不應(yīng)盲目提高，應(yīng)該采用經(jīng)濟適用的構(gòu)造以滿足節(jié)能設(shè)計要求。

(3)在居住建筑節(jié)能設(shè)計中，除按照新版《福建省夏熱冬冷地區(qū)居住建筑的節(jié)能設(shè)計標準》設(shè)計，應(yīng)多考量圍護結(jié)構(gòu)與空調(diào)能耗的關(guān)系，以提高節(jié)能率。

此外，本文僅對5個模式進行案例分析，屋頂、外墻、外窗三者的傳熱系數(shù)以及外窗的平均綜合遮陽系數(shù)4個熱工參數(shù)對于建筑能耗的影響也僅限于高層住宅的對比分析，實際工程中還存在大量多層和底層住宅，相應(yīng)的結(jié)論可能有所差異，需要進一步研究分析。

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圖片來源：

圖2～圖4：作者自繪

Energy-Saving Analysis on Residential Buildings in Hot-Summer and Cold-Winter Zone of Fujian——With Hot-Summer and Cold-Winter Zone in Fujian as an Example

HONGXiaowei1WANGJianfei1ZHANGYufeng2

(1.Xiamen Academy of Building Research Group Co., Ltd, Xiamen 361000; 2.South China University of Technology, Guangzhou 510640)

As the Evaluation standard for green building of Fujian being published and executed, new requirements came to popularize green buildings.According to the new version and the old version of the standard for energy-saving design of residential buildings, and other relevant standards, analysis on energy-saving of residential building in hot-summer and cold-winter zone of Fujian shows different energy-saving rate of a same building under different standards.The influence of thermal transfer coefficient of exterior walls, roofs, windows on building energy consumption were verified by comparative analysis.

Residential Building; Energy-saving; DeST

洪霄偉(1989.7- )，女，助理工程師。

E-mail:hongxiaowei0708@163.com

2016-06-06

TU201.5

A

1004-6135(2016)10-0011-06