寒冷地区住宅建筑围护结构节能优化设计

李茂杰，杨坤丽，毛良河

(西南交通大学，四川成都610031)

5·12大地震对汶川造成极大的损害，汶川县城和附近的村庄3万多人受灾，县城建筑70%以上严重损毁，乡村建筑基本损毁。根据恢复重建规划的预测，到2010年末，县城总人口约为2.2万，按恢复震前人均住房面积28m2计算县城需建设住宅约6 000套，共计67万m2。如此大的灾后重建规模，必须对建筑节能问题予以高度的重视和研究。

1 研究对象

汶川属寒冷地区。研究对象选定某重建居民点中的B型1#楼(图1)，由三个单元组成，一梯四户，地形南低北高，南向为7层，北向为6层，南向一层为物业用房，北向大户型套内面积为116.5m2，南向小户型套内面积为64.25m2，建筑总面积为7 927.37m2。

图1 标准层单元平面

研究对象建筑为短肢剪力墙结构体系，用20mm厚XPS板做外保温层(图2)，外墙短肢剪力墙部位传热系数为1.08 W/(m2·K)，屋面用30mm厚XPS板做保温层(图3)，屋面传热系数为0.68 W/(m2·K)，外窗均采用塑钢普通中空玻璃窗(5+9A+5)，传热系数为2.85 W/(m2·K)，自身遮阳系数0.84，气密性为4级，可见光透射比0.40。

图2 墙身节点详图

图3 屋面节点详图

2 研究方法及工具

采用计算模拟分析的方法。相比其他研究方法，这种方法能较便捷、准确的分析得到不同外围护结构情况下建筑的能耗状况。

本次能耗模拟采用广泛应用的 PBECA 2008软件。PBECA以中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所建筑节能研究发展中心在建筑节能领域长期的研究为技术基础，以建筑师最常用的AutoCAD软件为图形平台，OpenGL技术为三维显示和分析平台，符合国家和地方节能设计标准，集设计、分析为一体的节能设计标准软件。依据标准层建立能耗模型如图4。

图4 能耗模型

3 围护结构节能优化措施

3.1 外墙

居民点建筑建在地震重点设防的汶川县城，从结构安全考虑，采用了短肢剪力墙结构体型。因此，大部分外围护结构墙体为钢筋混凝土基层，传热系数较大，对研究建筑进行比较分析:设计方案中外墙保温采用粘贴20mm厚挤塑聚苯板做外保温，外墙主体部位传热系数为1.08 W/(m2·K)，此时建筑单位耗热量指标为14.68 W/m2，大于指标限值13.63 W/m2的要求，不能达到节能50%的目标;当保温层增加到30mm厚，传热系数为0.81 W/(m2·K)，单位耗热量指标为12.15 W/m2即可达到节能目标;当保温层增加到50mm厚，传热系数为0.54 W/(m2·K)，单位耗热量指标为10.13 W/m2，节能效益相当明显。当保温层增加到30mm厚时，施工方法和工艺基本与20mm一致，只增加相应的材料费用;当增加到50mm厚时，粘贴挤塑聚苯板还需要用锚栓和加强玻璃纤维网格布加固，或改用无网或有网现浇系统进行施工，不仅增加施工难度，投资造价也会增加较多。所以采用30mm厚挤塑聚苯板做外保温是较为经济合理的选择。

3.2 屋面

居民点建筑屋面均采用倒置屋面构造，保温材料为30mm厚挤塑聚苯板，屋面总传热系数为0.68 W/(m2·K)，大于0.55 W/(m2·K)，不满足标准要求。将保温层厚度增加到50mm厚时，传热系数为0.48 W/(m2·K)，小于规定限值。屋面占建筑能耗的7% ～8%，增加保温层厚度，仅在增加保温层材料费的情况下即可对降低建筑能耗起到较大的作用。

3.3 门窗

户门占外围护结构的面积非常小，但它直接通往不采暖的室外，其保温措施不可忽视。设计采用了传热系数为1.70 W/(m2·K)的保温门。

窗户的传热耗热约占建筑能耗的23% ～25%，随着窗墙面积比的增加，比例会相应提高，因此，适当降低窗墙面积比和加强窗户的保温隔热就显得尤为重要。

居民点二期建筑外窗设计了较多的凸窗，凸窗较平窗增加了较多的散热面积，在温差较大的寒冷地区，凸窗很容易发生结露现象，因此，《四川省居住建筑节能设计标准》强制性规定，在寒冷地区除南向外不应设置凸窗。

建筑外窗均采用了传热系数为2.85 W/(m2·K)的塑钢普通中空玻璃窗，保温隔热效果较好，但阳台却采用了大面积的落地单层玻璃推拉门，对保温节能十分不利，如都采用双层中空玻璃门，造价会增加较多。可以结合阳台设计，将开敞式阳台用单层塑钢玻璃窗进行封闭，冬季阳台空间就会形成一个温度阻尼区，不仅减少起居室的热量散失，还可以增加阳台空间的热舒适度。

3.4 地面

地板和地面的保温常常被设计人员所忽视。在严寒和寒冷地区住宅建筑中，接触室外空气的地板，不采暖地下室上面的地板和直接接触土壤的周边地面未采取保温措施，不仅因地面温度过低影响居民舒适感，而且还会增加采暖能耗。《四川省居住建筑节能设计标准》对接触室外空气的地板、周边地面保温材料热阻和地下室外墙(与土壤接触的外墙)的热阻值都作了限定，因此，在地面相应部位需采取保温措施。

3.5 层高

适当降低建筑的层高，不仅可以节约建筑材料，降低工程造价，还可以减少外围护结构的面积，从而降低围护结构散失的热量，以达到减少单位建筑面积耗热量的节能目的。

居民点建筑层高均为2.9m，当层高降到2.7m时，建筑围护结构外表面积由8 090.15m2下降到7 731.30m2，建筑耗热量指标由14.68 W/m2下降到13.55 W/m2，小于指标限值13.63 W/m2，且在不更改屋顶和外墙保温层厚度的情况下可比原有层高时节能7.7%。

4 结束语

在不改变建筑平面和功能布置的前提下，以研究建筑B型1#楼为原型，采用上述优化设计策略，将除南向外的凸窗改为平窗，增加屋顶保温层厚度到50mm，外墙保温层厚度增加到30mm，层高降低到2.7m，增加周边地面和接触空气的架空楼板等处的保温措施，能耗由最初的14.68 W/m2降低到10.94 W/m2，比原设计方案节能25.5%;同时，实施优化节能方案后该高层住宅耗热量指标比节能标准规定的耗热量指标限值13.63 W/m2降低19.7%，优化设计后节能效果显著。

［1］ 清华大学建筑节能研究中心．中国建筑节能年度发展报告2010［M］．北京:中国建筑工业出版社，2010

［2］ 徐占发．建筑节能技术实用手册［M］．北京:机械工业出版社，2005

［3］ DB51/5027－2008．四川省居住建筑节能设计标准［S］