南方高层住宅建筑节能设计

吴定春

摘要：随着建筑耗能的增加，建筑节能设计引起了广泛关注。南方沿海城市的一个重要气候特点是冬暖夏热，其住宅建筑的节能设计是针对这个特点进行的，本文结合设计实例，探讨南方高层住宅节能设计，包括了外墙、外窗、屋面等方面，效益非常明显，适合推广。

关键词：住宅；外墙；外窗；屋面；节能设计；经济分析

可持续发展成为当今社会发展的主旋律。现阶段我国大力推进建筑节能，建筑节能处在关键时期。为贯彻落实国家建筑节能政策，积极推广建筑节能技术，对住宅建筑进行建筑节能设计是非常必要。而不同地区的节能设计方法是不同的，南方沿海城市是冬暖夏热的气候特点，主要应重点解决夏季隔热、通风、外围护构造的抗风压、防雨水以及外窗采光和遮阳的平衡。本文结合南方住宅建筑实例，探讨建筑节能设计问题。

1 工程概括

某高层住宅建筑工程，位于广东湛江沿海地区,是夏热冬暖的典型地区,四周环海,共五栋高层住宅,楼高近100m,建筑面积近20万m2。外墙大部分为剪力墙。

2 设计思路

本工程围护构造节能设计应适应夏热冬暖地区沿海城市气候和周边环境特点,其中外墙构造应注重适当的热工性能、安全性和防雨水渗透性能；外窗应注重遮阳、通风和隔声性能；屋面构造应注重热工性能和防雨水渗透性能。下面重点讲述围护构造方面的设计思路。

2.1 外墙

该工程外墙大部分为剪力墙(大部分200mm厚),热工性能极差[K值约3.5W/(m2.K)],基本风压大(0.8kPa),而且建设单位要求外贴面砖。为提高外墙的热工性能以及房间的舒适度,需要对外墙构造进行改善,目前剪力墙改善热工性能的方法有两种:内保温和外保温方式,表1为内外保温措施的特点分析。

表1内外保温优缺点

应建设方要求,在初步设计设想中,外墙提供五种设计方案,三种为为外保温系统(方案一～三),二种为内保温系统(方案四～五),详见表2。

表2外墙保温构造设计方案对比表

据考察,目前该地区还没有相关类似工程的外保温施工经验,国内外虽然有众多外保温产品可以提供选用,但厂家难提供超过本工程难度的实例,而内保温在解决该类工程也有一定优势。综合考虑工程实际及现有的保温构造优缺点,干挂外保温和内保温措施(方案三～五)都是较适合的选择。

2.2 外窗

外窗是建筑围护构造的重要组成部分,也是一个薄弱环节。外窗的热工性能主要由四个方面决定:传热系数、遮阳系数(包括建筑外遮阳)、气密性和可开启面积。由于本工程位于夏热冬暖地区的南区,用节能软件计算可以知道,外窗的传热系数对建筑节能效果影响不大,主要应控制外窗系统遮阳系数和气密性。

原建筑设计采用断热铝合金型材,由于断热铝材主要是改善铝合金型材的热桥效应,降低窗户传热系数。而传热系数的大小对本工程(夏热冬暖地区的南区)的节能效果影响不大,而且断热铝材的价位高(每平方米窗增加100元左右),把资金投入这方面,意义不大。粉末喷涂铝材价位较合适,同样断面抗风压强度比PVC塑料型材高,能满足节能设计需要,而且表面颜色可根据建筑外观设计要求进行订货。

遮阳系数在节能设计中有两部份组成:窗本身遮阳系数SC和建筑外遮阳系数SD。因此建筑设计时建筑师应尽可能结合建筑立面特点设计固定外遮阳或活动外遮阳；而窗本身遮阳系数主要通过选择合适的玻璃来实现,考虑到住宅建筑和南方居家的心理特点,玻璃的选择应兼顾可见光透过率(>0.5)和可见光反射率(<0.2),目前针对南方地区开发的遮阳性的低辐射镀膜玻璃(即Low-E玻璃)是较好的选择。Low-E玻璃根据生产工艺分在线和离线两种。在线Low-E玻璃产品可单片使用,但同样的可见光透过率遮阳系数大；离线Low-E玻璃产品长期暴露于空气中会氧化,应组合成中空玻璃使用,增加成本。本工程四周都有公路,隔声方面应加强处理。由于中空玻璃、平开窗隔声较好,约比铝合金单玻推拉窗提高10分贝,通过经济分析,采用LOW-E中空玻璃应是较合理的选择。

外窗气密性能对节能效果影响较大。室外空气通过渗透作用影响室内热环境。外窗的气密性能与开启型式、型材断面、密封材料性能和组装厂的加工工艺有关。因此,具体施工时,材料质量和组装企业资质应加以考核。

外窗可开启面积的控制对于南方地区的节能有重要的影响。由于节能率是通过计算设定的条件下(围护构造密闭、一定的室内外温度)空调采暖设备运行的能耗大小得出的,外窗可开启面积对节能率没有影响,但南方地区建筑实际使用过程中,夏季早晚通过引入室外温度较低的空气来改善室内热环境,减少空调设备使用时间,是一个很好的节能方式,因此节能标准中对外窗可开启面积有一个强制性规定。

2.3屋面

屋面构造的热工性能对于整栋建筑的节能率影响不大,但对于顶层建筑室内的热环境影响巨大。夏热冬暖地区屋面构造现阶段主要通过两种方式来改善顶层室内环境热工性能:提高热阻和降低外表面温度。

提高热阻———就是在构造中增加保温材料,提高热阻,降低传热系数的目的。现阶段最常用保温材料是挤塑板(即XPS),它导热系数较低、吸水率低、抗压强度高,很适合用于屋面保温隔热,而且目前挤塑板市场竞争激烈,价位很低,但产品质量也参差不齐,差别很大,价位区间较大(400～900多元/m3)。建议应选用品牌厂家,并应抽样检测来保证质量。

降低外表面温度主要通过外遮阳、反射或水分蒸发方式来实现。比如屋顶表面增加一层遮阳设施、隔热涂料、蓄水屋面、种植屋面等等。这种具有南方地区特色的屋面构造是值得我们探索和倡导的。

3设计结果

本工程建筑设计时,迎合目前该地区用户的消费心理,各朝向开大面积外窗,而且大部分外墙为剪力墙构造,致使窗墙面积比和外墙热工指标均超过规定性指标要求,可用对比评定法对它进行节能综合评价。

屋顶、外墙、外窗达到相同节能效果,外墙的投资比例较大。但考虑东西住户、屋顶住户的室内热环境,从节能和用户舒适性角度,应优先改善屋顶、东西外墙和外窗的隔热性能,中间住户应优先改善外窗的热工性能。这样可最大限度的提高性价比。首先对东西外墙、屋面、外窗按上述设计思路进行节能设计,对围护构造各热工性能进行调整,用对比评定法初步核算,直到设计建筑能耗不大于参照建筑能耗,即完成一次节能构造的调整。结果如表3(核算结果一),可以看出,在东西外墙、屋面参数设置相对合理的基础上,需要把玻璃的遮蔽系数Se降低至0.32,设计建筑空调采暖耗电指数才小于参照建筑,而Low-E中空玻璃在该参数条件下,可见光透过率小于0.4,无法满足建设方和用户最大限度的通、透、亮要求。因此,必须对南北外墙也进行保温处理,经对比评定法再次核算。其中玻璃的遮蔽系数Se调至0.5。可见光透过率也可达到0.6左右,可满足建设方和用户的需求。

本工程节能设计的围护构造最后选用的结果:屋顶、各朝向外墙和外窗都选用较好的节能材料,它不一定是最佳结果,但是在综合考虑到现有的技术条件、建设方的定位、资金的投入、管理部门的政策等方方面面的影响得出的较为均衡、稳妥的方案。

4 经济分析

为了全面了解建筑节能设计对建造成本影响,以本工程其中一栋建筑为例,选用构造(核算结果二)与常规建筑进行经济比较。

表3节能建筑增加费用(建筑面积:29569m2)

注：围护构造常规措施: 屋面(水泥板架空),外墙(无内外保温措施),外窗(铝合金单玻窗或PVC塑料单玻窗)。

从表3经济分析可以看出,项目各方面都使用较好的节能措施,每平方米建筑面积基本可以控制在100元左右,并给项目增加不少的卖点,就算把该成本分摊到用户头上,每户仅增加几千元的费用,应该也是乐意接受的。

5 总结

总之，住宅建筑的节能设计将是我国建筑业的发展方向，建筑节能有利于从根本上促进能源资源节约和合理利用，缓解我国能源资源供应与经济社会发展的矛盾。我们建筑设计人员一定要认识到节能设计的重要性，根据建筑所处气候区的特点、建筑的结构型式，运用科学的设计方法，改善建筑的节能效果，创造出更多的节能环保的建筑精品。

参考文献

[1] 李志锋，夏热冬暖地区住宅建筑节能设计问题探析[J]科技创新导报，2008.21

[2] 袁智 张宇峰 王世晓 孟庆林，上海地区高层住宅围护结构节能技术分析[J]南方建筑， 2010.02