盛未力[英格卡購物中心(中國)管理有限公司， 上海 200235]

1 研究背景

租賃公寓，作為住宅建筑的一種，有著居住成本較低、空間私密性較高、配套管理集中等優(yōu)勢。近幾年，在“房住不炒”政策下，租賃公寓模式更是成為很多開發(fā)商的重要選擇之一[1]。與此同時，建筑作為全國最大的能耗去向之一，其能耗水平將對我國“碳達峰”和“碳中和”的成果產(chǎn)生巨大影響[2]。因此，在預(yù)期市場增長下，租賃公寓也必將成為承擔起更加重要的節(jié)能減排責(zé)任。在眾多節(jié)能措施和策略中，提升圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能往往是減少室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)能耗的“第一道防線”。夏熱冬冷地區(qū)的研究文獻顯示，外墻、屋頂、外窗對總能耗的影響較大，最高可以分別達到 17%、20% 和 63%[3]。因此，對這三項主要結(jié)構(gòu)的分析研究，將對提升建筑整體能效有著重要的價值。然而，在一些傳統(tǒng)的建筑能耗評估方法（如目視檢查、經(jīng)驗假設(shè)、查表法、數(shù)值計算等）中，其結(jié)果與實際性能可能存在的差距已經(jīng)得到文獻[4-5]的確認。本文將首先通過對租賃公寓圍護結(jié)構(gòu)進行計算并試驗驗證，來判斷現(xiàn)有評估方法可能產(chǎn)生的性能差距。然后通過相關(guān)結(jié)論對上海地區(qū)的 2030 年和 2060年的性能變化進行預(yù)測，從而最終得出對未來圍護結(jié)構(gòu)政策的建議。

2 研究對象

本文將針對位于上海市的某租賃公寓的圍護結(jié)構(gòu)進行深入研究。上海市地處氣候溫暖潮濕的地帶，在全國氣候區(qū)域劃分中屬于夏熱冬冷地區(qū)。本次研究對象建筑于 2018 年開始運營，全部用于租賃，目標客群為市區(qū)白領(lǐng)，租賃類型包括單人公寓和家庭公寓，最短租期為 1 a。建筑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計符合 DGJ 08-205-2015《上海市居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》及 GB 50176-2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》，并已獲得二星級綠色建筑設(shè)計標識證書。以其中一間頂樓家庭公寓為研究對象，其實際內(nèi)部測量地板面積為 69.9 m2、外墻面積為 39.5 m2（不含窗）、外窗面積為 19.6 m2、分戶墻面積為 23.0 m2、屋頂面積 69.9 m2。本次研究對象的各結(jié)構(gòu)的類型如表 1 所示。

表 1 研究對象的圍護結(jié)構(gòu)材料類型

3 圍護結(jié)構(gòu)熱工性能計算

在過往研究和文獻中，常見的表示圍護結(jié)構(gòu)的綜合熱工性的指標包括熱損失系數(shù)(Heat Loss Coefficient，單位 W/K) 和總傳熱值（Overall Thermal Transfer Value,OTTV,單位 W/m2）?？倐鳠嶂涤捎谄涔街胁捎么罅拷?jīng)驗值，且我國大陸地區(qū)暫無相關(guān)法規(guī)定義其適宜我國氣候的參考經(jīng)驗值，因此在國內(nèi)的使用比例較低[6]。為使計算結(jié)果更有代表性及可比性，本文使用國內(nèi)更常見的熱損失系數(shù)(Heat Loss Coefficient)來表示整間公寓的綜合熱工性。根據(jù)定義，熱損失系數(shù)為結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)[U-value或稱K值，單位 W/(m2·K）]與對應(yīng)結(jié)構(gòu)面積的乘積，各結(jié)構(gòu)熱損失系數(shù)之和即為該房間的綜合熱損失系數(shù)。本文將采取兩種計算方法來估算圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)和綜合熱損失系數(shù)。

3.1 計算方法一：設(shè)計規(guī)范法

在建筑設(shè)計期，建設(shè)單位需參考 GB 50176-2016 及DGJ 08-205-2015 等標準中的材料導(dǎo)熱系數(shù)，估算各結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)。

單層材料熱阻R的計算公式如式（1）所示。

式中：D—材料厚度，m；

λ—參考標準的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。

結(jié)構(gòu)材料總熱阻R計算如式（2）所示。

式中：Ri—室內(nèi)表面參考熱阻，取 0.11 m2·K/W；

∑R—各層材料熱阻之和，m2·K/W ；

Re—室外表面參考熱阻，取 0.04 m2·K/W。

結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)U計算公式如式（3）所示。

綜合熱損失系數(shù)計算如式（4）所示。

式中：A—各結(jié)構(gòu)的表面積。

根據(jù)以上公式計算，可以得出各結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)如表 2所示。

表 2 研究對象建筑相關(guān)圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以得出，該建筑綜合熱損失系數(shù)C為103.80 W/K，各結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)均符合相關(guān)設(shè)計規(guī)范，尤其在屋頂和外墻的表現(xiàn)上更加突出，建筑綜合熱損失系數(shù)C較低。戶門也低于規(guī)范要求，但由于面積較小，對綜合熱損失系數(shù)C貢獻有限。

3.2 計算方法二： 能耗模擬法

在社會各界鼓勵低能耗、超低能耗住宅的大環(huán)境下，通過軟件模擬來估算建筑能耗已經(jīng)成為眾多項目輔助設(shè)計的重要步驟。對于建筑圍護結(jié)構(gòu)的綜合熱損失系數(shù)，也可以通過能耗模擬來進行計算。本次模擬的假設(shè)條件如下。

（1）氣象參數(shù)：CHN_SH_Shanghai.583620_CSWD。

（2）公寓室內(nèi)溫度：冬季（12 月、1 月、2 月）為18 ℃；夏季全天為 26 ℃；過渡季空調(diào)常關(guān)。

（3）換氣次數(shù)：1 次/h。

（4）冷熱橋系數(shù)：0.04 W/（m2·K）。

通過能耗模擬，可以得出研究對象的綜合熱損失系數(shù)C為 109.04 W/K?？傮w來說，兩種方法得出的結(jié)果相近。但對比方法一，方法二由能耗模擬得出的綜合熱損失系數(shù)C有 5.1% 的增加。主要原因可能來自能耗模擬在計算時考慮的因素更多，包含了冷熱橋和換氣時產(chǎn)生的熱損失。因此，在設(shè)計過程中，軟件模擬在估算能耗的輔助設(shè)計中具有一定的價值。

4 驗證性試驗

從過去的一些文獻中可以發(fā)現(xiàn)，建筑在實際運行中的圍護結(jié)構(gòu)性能可能會與設(shè)計值有所偏離。這樣的結(jié)果可能是由建筑施工偏差（冷熱橋）或使用年限等原因造成的[4]。由于本研究對象已經(jīng)投入運營，所以本次研究可通過現(xiàn)場測量的方式，對建筑圍護結(jié)構(gòu)進行二次確認。

本次試驗參考 ISO 9869:2014《熱絕緣建筑構(gòu)件熱阻和傳熱的現(xiàn)場測定》進行設(shè)計。試驗器材包括位于墻體內(nèi)外表面的熱電偶，位于內(nèi)表面的熱通量計，以及用于數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)收集器。測量參數(shù)包括結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面溫度（Ti和To）及相同位置的熱通量（q），測量頻率為每 5 min 讀取一次。測量期間房間保持空置，除測量設(shè)備外，無其他電器開啟。

可用式（5）計算圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)U。

式中：q—由建筑內(nèi)向外的熱通量，W/m2；

Ti—結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，℃；To—結(jié)構(gòu)外表面溫度，℃。

由于太陽輻射會對測量傳感器造成較大誤差，因此其他圍護結(jié)構(gòu)不在二次確認范圍內(nèi)，即本次試驗對象為項目北側(cè)外墻。在經(jīng)歷約 2 000 h 的持續(xù)測量后，測量結(jié)果如圖1 所示。

圖 1 現(xiàn)場測量結(jié)果

從圖 1 中可以看出，測量外墻的平均內(nèi)表面溫度高于外表面溫度。這可能是由熱量增加引起的，例如太陽輻射和附近房間的人員活動。相比之下，外表面的溫度變化范圍也更大，其標準差（s.d.）為 8.32，而內(nèi)表面溫度的標準差為 2.38。室內(nèi)測量的溫度更穩(wěn)定的現(xiàn)象可能是由建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱阻和熱儲存引起的，該效應(yīng)緩和了室內(nèi)與室外環(huán)境的熱交換。由測量參數(shù)可以計算出，該測量外墻結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)約為 0.55 W/(m2·K)，比計算方法一中的 0.51 W/（m2·K）約高出 7%。由于兩種方法（規(guī)范計算法和試驗測量法），本身均存在誤差，所以結(jié)果均值上的少量區(qū)別可歸因為允許誤差，無法得出該圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計與實際性能存在顯著差異的結(jié)論。綜上，可以證明，設(shè)計規(guī)范法的估算結(jié)果在本次研究對象中較為可靠。

5 “雙碳”背景下圍護結(jié)構(gòu)性能的意義與思路

我國自 2020 年以來，“雙碳”愿景已在各行業(yè)進行鋪展，其中建筑作為用能比例最大的末端之一，有不可推卸的節(jié)能責(zé)任。與此同時，政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change）報告說，2017 年人類活動造成的全球氣候變暖比工業(yè)化前的水平高出約 1±0.2 K，每十年氣溫可能上升 0.2 K。未來持續(xù)的溫度升高可能會影響建筑對采暖制冷的能源需求。在全球氣候變暖的效應(yīng)下，需對建筑圍護結(jié)構(gòu)的應(yīng)對能力進行探究，以得出相應(yīng)的政策建議。

5.1 圍護結(jié)構(gòu)熱損失負荷情景模擬

全球氣候模式模擬結(jié)果表明，在不同的溫室氣體濃度情景（RCP2.6/RCP8.5 情景）下，未來不同時期我國年平均氣溫將持續(xù)上升。根據(jù)《中華人民共和國氣候變化第三次國家信息通報》預(yù)測，在低濃度（RCP 2.6）的情景下，2030 年和 2060 年的年平均氣溫將分別上升 0.08 K 和0.32 K；在高濃度（RCP 8.5）的情景下，2030 年和 2060 年的年平均氣溫將分別上升 0.62 K 和 2.48 K。假設(shè)室內(nèi)設(shè)定溫度不變，在不同未來室外空氣溫度情景下，可以通過所研究房間的綜合熱損失系數(shù)來計算其對熱損失負荷的影響。計算公式如式（6）所示。

根據(jù)上述計算方法，圖 2 列出了不同氣候情景下，熱損失負荷在室內(nèi)溫度為 25～27°C 的變化。

由圖 2 可知，在夏季工況下，為了保持 26 ℃ 左右的內(nèi)表面溫度，研究對象在不同的氣候變化情景中的傳熱表現(xiàn)也不同。在 RCP2.6 低濃度情景中，熱損失負荷很小，只有272～297 W；然而，RCP8.5 中對氣候顯著變暖的悲觀預(yù)測將導(dǎo)致 2060 年熱損失負荷高達 522 W，比 RCP2.6 高出75%。這意味著未來空調(diào)能耗將更多地取決于上海的實際溫度變化?？梢灶A(yù)見，近 40 a 整個城市乃至全國的低碳排放工作的成效將變得至關(guān)重要。

圖 2 在不同氣候情景下 2030 年和 2060 年的熱損失負荷預(yù)測

5.2 政策建議

在上海市，國家標準對住宅建筑的節(jié)能性能進行了規(guī)定，其中包括圍護結(jié)構(gòu)（U值和采光系數(shù)）、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)、管道系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和人工照明系統(tǒng)的最低節(jié)能要求。此外，上海市作為中國綠色建筑戰(zhàn)略的先行者，相關(guān)部門還額外要求上海市區(qū)住宅建筑至少達到《綠色建筑評估標準》中的一星級標準，這大大提高了上海市建筑設(shè)計的嚴格度。從本次研究的公寓項目中可以發(fā)現(xiàn)，對于嚴格按照現(xiàn)行節(jié)能標準進行設(shè)計與建設(shè)的公寓來說，其圍護結(jié)構(gòu)可以確保其在當前環(huán)境下的空調(diào)能源需求保持在一個較低值。然而，隨著預(yù)期的全球溫室效應(yīng)，可能導(dǎo)致 2060 年相同外殼結(jié)構(gòu)的冷負荷大幅增加。這意味著決策者應(yīng)該不斷更新建筑標準，并設(shè)定更嚴格的圍護結(jié)構(gòu)限值。根據(jù)本文的情景模型，到 2030年和 2060 年，建議在未來的法規(guī)更新中，圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的限值應(yīng)分別至少比當前值降低 3.5% 和 11.4%，以抵消環(huán)境變化對建筑性能的影響。此外，對于按照先前較寬松的圍護結(jié)構(gòu)法規(guī)建造的既有建筑，建議出臺計劃改造指南。這將填補上海市現(xiàn)有建筑法規(guī)對節(jié)能改造強制要求的空白。相關(guān)政策可借鑒國外較成熟的法規(guī)，如《英國建筑法規(guī) 2010》第 L1B 部分，為現(xiàn)有圍護各結(jié)構(gòu)部分提出最大U值的限值，任何未滿足要求的建筑在改造期間需進行圍護結(jié)構(gòu)升級。

6 結(jié) 語

對建筑節(jié)能的嚴格要求，是國家節(jié)能減排中工作中的重點之一，也體現(xiàn)出我國對全球氣候變化負責(zé)任的態(tài)度。本文通過數(shù)據(jù)計算和試驗分析證明了研究對象的圍護結(jié)構(gòu)已落實了相關(guān)政策對其熱工性的要求，有較可靠的保溫性能。但隨著時間的推移，全球氣候變化可能導(dǎo)致同樣的圍護結(jié)構(gòu)的空調(diào)負荷大幅增加，這迫使國家和地方的政策制定者不斷優(yōu)化現(xiàn)有的建設(shè)和運營法規(guī)，以為國家實現(xiàn)碳中和目標作出貢獻。