衛(wèi) 勇 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

1 背景

隨著我國提出“碳達(dá)峰、碳中和”的發(fā)展目標(biāo)，各行各業(yè)開始對碳排放進(jìn)行全面的控制，而建筑行業(yè)占全國能源碳排放的占比較大。我國作為建筑大國，能源需求量逐年增加。我國夏熱冬冷地區(qū)建筑密集高、能源消耗量大，同時(shí)該地區(qū)獨(dú)特的氣候條件，導(dǎo)致該地區(qū)空調(diào)使用周期遠(yuǎn)高于其他地區(qū)[1]?；诖吮尘?，如何在這一地區(qū)實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展、降低建筑能耗具有重要意義。本文以某一夏熱冬冷地區(qū)的居住建筑為研究對象，從建筑朝向、體形系數(shù)、窗墻比、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能和可再生能源的利用幾個(gè)方面探討了其對建筑能耗的影響，提出夏熱冬冷地區(qū)居住建筑被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)策略。

2 夏熱冬冷地區(qū)氣候特點(diǎn)

夏熱冬冷地區(qū)是指包括16 個(gè)省、直轄市、自治區(qū)在內(nèi)的長江中下游及其周邊地區(qū)。夏季氣候濕熱，太陽輻射強(qiáng)度較大，平均溫度在25～30℃，高溫日多，平均相對濕度80%左右；冬季氣候陰冷潮濕，日照率較低，平均溫度在0～10℃，平均相對濕度80%左右[2]。與北方集中供暖不同，夏熱冬冷地區(qū)冬季空調(diào)制熱情況較為普遍，同時(shí)夏季炎熱、冬季寒冷的氣候特點(diǎn)導(dǎo)致該地區(qū)空調(diào)全年使用時(shí)間相比其他地區(qū)較長、空調(diào)能耗也較高。

3 項(xiàng)目概況

本文選取夏熱冬冷地區(qū)具有代表性的合肥市新西站片區(qū)安置點(diǎn)項(xiàng)目的住宅建筑作為研究對象進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化策略分析。該項(xiàng)目位于合肥市蜀山區(qū)北部，其中地塊位于懷寧路以東，樊洼路以北，十里廟路以西。地塊現(xiàn)狀基地周邊環(huán)境多住宅小區(qū)，周邊配套較完善，交通便利，地理位置優(yōu)越（圖1）?？傆玫孛娣e134249．97m2，總建筑面積499413．46m2，其中住宅面積323406．47m2，公共服務(wù)設(shè)施建筑面積30290．71m2，小區(qū)門衛(wèi)管理50．00m2，地下總建筑面積134676．58m2，機(jī)動(dòng)車停車位共3622 輛，非機(jī)動(dòng)車停車位4150 輛，總設(shè)計(jì)戶數(shù)3316 戶，總?cè)藬?shù)10612 人。整個(gè)地塊被規(guī)劃支路分為五個(gè)地塊，包括1個(gè)學(xué)校地塊和4個(gè)居住區(qū)組團(tuán)，小學(xué)和幼兒園合理的布置在地塊之中，商業(yè)街和睦鄰中心靠整個(gè)地塊的中心偏北位置，位于規(guī)劃支路二上，方便整個(gè)居住區(qū)的居民。住宅共設(shè)計(jì)戶型6種，分別為47m2、63m2、94m2、78m2、110m2、126m2。本項(xiàng)目住宅建筑節(jié)能設(shè)計(jì)按照《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》（GB 55015-2021）和《安徽省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DB 34/1466-2019）的規(guī)范執(zhí)行。

圖1 項(xiàng)目總平面圖

4 被動(dòng)式居住建筑節(jié)能優(yōu)化策略

被動(dòng)式居住建筑達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)主要是通過以下幾個(gè)方面，一是采用合理的建筑形體和朝向，二是進(jìn)一步提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，三是適宜的窗墻比，四是充分利用可再生能源。以01 地塊住宅為研究對象進(jìn)行節(jié)能技術(shù)要點(diǎn)的探討如下。

4.1 適宜的建筑形體和朝向

建筑體型系數(shù)和建筑的節(jié)能效果之間存在較為明顯的關(guān)系，平面設(shè)計(jì)時(shí)，太多的凹凸變化會(huì)影響建筑的空調(diào)負(fù)荷，建筑的平立面越規(guī)整，能耗也就越低[3]。建筑高度、建筑的面寬、進(jìn)深、空間布局、立面構(gòu)件等要素都會(huì)對建筑的體型系數(shù)產(chǎn)生影響。本項(xiàng)目的住宅為高層住宅，相對較高的建筑高度導(dǎo)致室內(nèi)在冬季時(shí)溫度較低，增加冬季采光能耗，同時(shí)也對外圍護(hù)的保溫材料造成較大的浪費(fèi)。因此在對01 地塊的住宅進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，樓層數(shù)為21～27層，以點(diǎn)式住宅為主，控制體型系數(shù)在0．36～0．38，體系系數(shù)較小，利于節(jié)能（圖2）。

圖2 項(xiàng)目鳥瞰圖

在夏熱冬冷地區(qū)，南北朝向的建筑相比東西朝向的建筑而言房間更多、面積更大，能爭取到更多的日照，在冬季可充分利用太陽熱能。本工程對居住建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先要參考建筑所處的地域，將太陽輻射的因素考慮在內(nèi)，進(jìn)行建筑朝向的選擇；其次，在冬季要使建筑獲得充足的日照，向陽布置；第三，結(jié)合地區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向的相關(guān)影響因素，將建筑整體南向布置，住宅建筑的平面長軸設(shè)計(jì)在東西向。合理選擇建筑的朝向，充分利用太陽能，實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源的目標(biāo)。

4.2 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能

在住宅建筑中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能是影響建筑能耗最重要的因素，決定了建筑內(nèi)熱環(huán)境狀況，而節(jié)能設(shè)計(jì)中最有效的措施之一就是提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能。建筑主要通過外墻、屋頂、門窗這些圍護(hù)結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行室內(nèi)外熱量的交換。

4．2．1 外墻保溫隔熱設(shè)計(jì)

在建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，外墻是對建筑采暖能耗影響最大的，其散熱量占圍護(hù)結(jié)構(gòu)總散熱量的25%～30%。因此外墻作為建筑構(gòu)造的重要部分，其構(gòu)造形式和保溫隔熱材料的選取對整個(gè)建筑能耗有重要影響。

本項(xiàng)目住宅外墻的墻體材料為煤矸石空心磚，采用保溫板外墻外保溫系統(tǒng)。外墻外保溫構(gòu)造相比其他保溫技術(shù)，能避免熱橋的產(chǎn)生，具有更好的熱工性能及節(jié)能效果、更高的保溫效果、更高的綜合經(jīng)濟(jì)效益，并且施工相對方便，同時(shí)也可以保護(hù)建筑主體結(jié)構(gòu)、延長建筑使用壽命。選擇復(fù)合輕集料勻質(zhì)保溫板作為外墻外保溫材料（表1），用于外墻及架空樓板處，使外墻綜合平均傳熱系數(shù)控制在1．0K[W/(m2·K)]以下。

表1 復(fù)合輕集料勻質(zhì)保溫板熱工參數(shù)

4．2．2 屋面保溫隔熱設(shè)計(jì)

居住建筑的屋面主要由結(jié)構(gòu)層、保溫層、防水層組成。屋面作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分之一，其散熱量占整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)總散熱量的10%以上[4]。因此提高屋面保溫隔熱性能是節(jié)能設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)里的一個(gè)關(guān)鍵。降低屋面能耗的主要途徑是選擇合適的屋面保溫形式，以提高屋面的熱工性能，夏熱冬冷地區(qū)被動(dòng)式屋面的傳熱系數(shù)控制在0．40W/（m2·K）以下。

本設(shè)計(jì)屋面采取保溫隔熱處理，在結(jié)構(gòu)層上先鋪設(shè)保溫隔熱材料，再鋪設(shè)防水層和保護(hù)層，屋面的保溫隔熱材料選取容重適宜、導(dǎo)熱系數(shù)較高和吸水性較小的硬泡聚氨酯板（B1 級(jí)），以免屋面荷載過大。并且采用輕集料混凝土作為找坡層的材料，既用于結(jié)構(gòu)層又可起到保溫的效果，保證屋面的傳熱系數(shù)小于等于0．40[W/(m·K)]（表2）。

表2 屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成及傳熱系數(shù)

4．2．3 門窗節(jié)能設(shè)計(jì)

在居住建筑中，外窗的設(shè)計(jì)對居住環(huán)境的舒適性和圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體的保溫隔熱的性能起著重要作用。提高建筑門窗節(jié)能性能的主要措施一般是改變熱量的滲透、熱量的傳遞和太陽輻射。門窗的密閉性程度直接影響室內(nèi)外熱量的滲透量，使用較好的密封材料可減少室內(nèi)外空氣滲透、降低空調(diào)負(fù)荷。減少熱量的傳遞主要是通過降低外窗整體的導(dǎo)熱系數(shù)，比如應(yīng)用節(jié)能隔熱型的玻璃、斷熱鋁合金的窗框。玻璃窗主要分為單層玻璃、雙層中空玻璃，玻璃主要分為普通玻璃、熱反射玻璃和Low-E玻璃。

本建筑北向外窗采用斷熱鋁合金中空玻璃窗6 中透光Low-E+12 空氣+6厚，而東、南、西向外窗則采用斷熱鋁合金中置百葉玻璃窗5 中透光Low-E+20空氣+5厚，外窗熱工參數(shù)見表3，在滿足傳熱系數(shù)的同時(shí)，也兼顧了遮陽的要求。

表3 外窗熱工參數(shù)

4.3 建筑窗墻比設(shè)計(jì)

窗墻比是指窗戶洞口面積與房間單元面積的比值，窗墻比越大，房間采光通風(fēng)性能越好，可以降低人工照明的能耗，但建筑整體圍護(hù)結(jié)構(gòu)中保溫環(huán)節(jié)中就越薄弱，節(jié)能效果也就越差。合理控制窗墻比是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，下文以3#樓例進(jìn)行分析（圖3）。

圖3 3#標(biāo)準(zhǔn)層平面圖（圖片來源：作者自繪）

當(dāng)南向窗墻比增加時(shí)，進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射量變大，室內(nèi)溫度升高，因而建筑空調(diào)能耗增加，采暖能耗下降。增加3#南向窗墻比，降低采暖能耗，同時(shí)為南向臥室和起居室提供了充足的光照（表4），滿足采光系數(shù)要求，減少室內(nèi)照明燈的使用時(shí)間，使總能耗處于較低的值。

表4 主要房間采光系數(shù)計(jì)算

由于夏熱冬冷區(qū)域北向的太陽輻射量較小，北向窗墻比增加，會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)散熱量增大，建筑采暖能耗隨之增大，空調(diào)能耗變化不大。減少北向外窗的窗墻比可以有效降低建筑能耗（表5）。

表5 各朝向窗墻面積比信息表

4.4 可再生能源利用

可再生能源主要包括太陽能、地源熱和空氣源熱等，其中太陽能具有清潔、高效、安全的特點(diǎn)，已成為一種廣泛應(yīng)用的可再生能源。項(xiàng)目位于合肥市，地處北緯31°52′，位于江淮之間，屬于Ⅲ類太陽能資源豐富地區(qū)，年平均日照時(shí)數(shù)為2100h 左右，年日照百分率為48%。日照時(shí)數(shù)較低的月集中在春季和冬季，夏季和秋季日照指數(shù)較高，因此該區(qū)域以太陽能作為可再生能源。本項(xiàng)目利用太陽能熱水系統(tǒng)，采用分戶集熱-分戶儲(chǔ)熱的形式，集熱器總面積為2m2、水箱容積為100L。集熱器放置在陽臺(tái)窗下挑板上，儲(chǔ)熱水箱置于陽臺(tái)內(nèi)，避免了長路徑熱量損耗，提高集熱效率（圖4）。

圖4 3#標(biāo)準(zhǔn)層平面圖（圖片來源：作者自繪）

5 結(jié)語

綜上所述，建筑節(jié)能設(shè)計(jì)需要一系列綜合性的措施，不同的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)需根據(jù)建筑本身的功能需求使用特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件特征，合理的采用相應(yīng)的節(jié)能措施，達(dá)到節(jié)能減排的目的，為人們提高舒適節(jié)能的生活環(huán)境。本文針對夏熱冬冷地區(qū)的居住建筑，從建筑形體朝向、外墻保溫隔熱設(shè)計(jì)、屋面保溫設(shè)計(jì)、門窗設(shè)計(jì)和可再生能源利用方面提出建筑被動(dòng)式節(jié)能的優(yōu)化策略。