夏热冬冷地区住宅建筑节能设计

张万利

（中国建材国际工程集团有限公司，上海200063）

住宅建筑的节能设计，是创造健康舒适的人居环境，有效降低建筑能耗的一种建筑技术手段，对人们的生活质量水平和社会的可持续发展均有着积极重要的意义，是当今住宅建筑发展的必由之路。我国现有住宅单位面积平均能耗比发达国家要高一倍，每年新建房屋面积更是高达17～18亿m2，超过所有发达国家每年建成建筑面积的总和，是世界能源浪费较高的国家之一。目前，我国能源利用率只有30%，而发达国家为50%～60%，差距巨大。民用建筑的采暖、空调、照明以及相关家用电器等设施消耗了全球约三分之一的能源。由此可见，建筑节能技术和措施在建筑领域的推行对全球能源的节约化有着极其重要的意义，而建筑领域的主要建筑类型之一的住宅建筑的节能设计，无疑对全社会实现可持续发展具有极其重要的作用。

1 夏热冬冷地区住宅建筑节能设计的意义

夏热冬冷地区大致在北纬30°～32°之间，介于我国寒冷地区与炎热地区之间，属于气候过渡地区，从地理位置上看大致属于长江中下游一带。目前我国的夏热冬冷地区涉及包括上海、江苏、浙江、安徽、福建、江西、湖北、湖南、重庆、四川、贵州省（市）等14个省（直辖市）的部分地区。此区域气候显著的特征是：夏季炎热气闷，冬季阴冷潮湿。最热月平均气温25～30℃，最高气温达40℃以上。2013年夏天全国持续高温，夏热冬冷地区尤为突出，浙江绍兴温度甚至一度达到了44.1℃；冬季气候寒冷，日平均温度为5℃的天数约20～80d。冬夏两季空气湿度均较大，相对湿度经常在70%～80%。随着现代人生活水平的提高及采暖制冷设备的不断普及，夏热冬冷地区冬天及夏天均需要大量使用空调或采暖设备，能耗巨大。因此，在夏热冬冷地区大力普及住宅的节能设计对节约能耗有着极其重要的意义。

2 建筑设计的节能措施

住宅的节能设计是指通过灵活的设计手段和特定的技术措施，如选择合理朝向、优化建筑平面及体形设计、合理控制窗墙比、优化围护结构保温设计、积极利用绿色能源等，使相同使用价值的住宅建筑在减少能耗的基础上提高舒适性。目前我国已经全面实行建筑节能专项审查。根据我国建筑节能发展的基本目标：新建采暖居住建筑1986年起，在1980～1981年当地通用设计能耗水平基础上普遍降低30%，为第一阶段；1996年起在达到第一阶段要求的基础上再节能30%，达到总节能50%，为第二阶段；2005年起在达到第二阶段要求基础上再节能30%，达到总节能65%，为第三阶段。2012年起，北京的节能要求更是达到了总节能75%。因此，节能设计早已过了仅仅是建筑设计环节中锦上添花的一环的时代，已成为建筑设计师必须掌握的一项基本技能，因此熟悉掌握各项节能措施也就无疑成为一名合格建筑师的必修课之一。

2.1 平面设计

由于我国大部分地区都处于北回归线以北，太阳总在南边的天空，南向日照时间及强度均较优，因此建筑的总体布局宜坐北朝南，如受地形影响有困难时，应尽量控制在南偏东15°和南偏西15°之间，充分利用冬季日照并避开冬季主导风向，降低冬季空调能耗。按照国家目前的相关规范，应满足每套住宅至少有两个居室在大寒日9时至15时之间有不少于3h或冬至日8时至16时之间有1h的满窗日照。在平面设计中应充分合理的组织室内风环境，利用夏季的凉爽时段通风，尽可能保证每个居室都有穿堂风，利用其为室内防暑降温，降低夏季空调能耗。

2.2 体形设计

建筑的体形设计也极大的影响着建筑能耗，其是指建筑物与室外大气接触的外表面积与其所覆盖的体积的比值，体现单位建筑体积所占有的外表面积，其中外表面积中不包括地面面积。从降低建筑能耗的角度出发，应该将体形系数控制在一个较低的水平上，有关研究表明，当建筑物的体形系数为0.15时最为节能。但是，体形系数不仅影响外围护结构的传热损失，它还与建筑造型、平面布局、采光通风等紧密相关。体形系数过小，将制约建筑师的创造性，造成建筑造型呆板，平面布局困难，甚至损害建筑功能。因此，在实际的工程设计中应权衡好建筑的功能性、美观性与其的关系，合理的控制建筑体形，避免一味追求复杂奇特的外形而忽略合理的体形系数要求；也应注意避免过于拘泥于较小的体形系数而制约了建筑的创造空间，这对设计师也提出了更高的要求。

2.3 窗墙比控制

窗墙比是指建筑各朝向开窗面积与其相应朝向外表面的比值。根据常规材料传热系数数据比较可以看出，窗的传热系数约是相同面积的保温墙体的3～6倍，经过窗户损失的能耗比相同面积墙体的热量损失要大24倍以上，因此，在其他条件不变的前提下，窗墙比越大，能耗的损失就越大。因此，从节约能耗的角度出发，必须控制住宅的窗墙面积比，但也应满足住宅其它的一些要求。一般情况下，窗墙面积比确定的基本原则是依据这一地区不同朝向墙面冬、夏日照情况，冬、夏季风影响，室内采光设计标准，室外空气温度以及开窗面积，建筑能耗所占比率及建筑立面艺术设计等因素综合来考虑确定的，一般宜控制在0.2～0.5之间。

3 建筑主体节能措施

在住宅的总体设计、平面设计、体形设计及立面设计完成之后，制定相应的保温隔热方案就成了住宅节能设计的关键，针对不同的部位合理地选择保温材料往往能使节能设计的效果事半功倍。

3.1 外墙

外墙保温按照保温层的位置大概可以分为外墙外保温体系、外墙内保温体系、外墙夹心保温体系3种类型。

外墙内保温体系是一种把保温层放置在主体墙材内侧的保温做法。这是一种传统的保温方式，它本身做法简单，造价较低，但是很容易在热桥的处理上出现问题，如结露水的浸渍或冻融而造成保温隔热墙面发霉、开裂等。近年来在我国的应用逐渐减少，一般不再单独使用，常常作为外墙外保温的补充。

外墙夹心保温体系是将保温材料置于同一外墙的内、外侧墙片之间的保温做法。内外侧墙体均可使用传统的粘土砖、混凝土空心砖砌块，由于此类传统材料的防水、耐候性能均良好，因此对保温材料的选材要求不高，聚苯乙烯、玻璃棉、岩棉均可使用；对施工季节和施工条件要求不高，不影响冬期施工，在寒冷地区得到一定应用。在夏热冬冷地区，此类墙体偏厚，且内外墙之间须有连接件连接，构造较传统墙体复杂，且在地震区建筑中圈梁及构造柱的设置，有热桥存在，保温材料的效率等不到充分发挥，因此鲜有使用。

外墙外保温体系是一种把保温层放置在主体墙材外面的保温做法，因其可以基本消除热桥影响，同时保护主体墙不受大的温度变形应力，是目前应用最广泛的保温做法，也是目前国家大力倡导的保温做法。因为保温材料置于建筑物外墙的外侧，基本上可以消除建筑物各个部位的冷、热桥影响，能充分发挥新型轻质高效保温材料的保温效能。相对于外墙内保温和夹心保温墙体，在使用相同保温材料情况下，需要保温材料的厚度较小，达到较高的节能效果。建筑外墙外保温提高了墙体的保温隔热性能，减少室内热能的传导损失，增加了室内的热稳定性。另外还在一定程度上阻止了风霜雨雪等对外围墙体的浸湿，提高了墙体的防潮性能，避免了室内的霉斑、结露、透寒等现象，进而创造了舒适的室内居住环境。并且因保温材料铺贴于墙体外侧，避免了保温材料中的挥发性有害物质对室内环境的污染。常用的外墙外保温材料有膨胀聚苯板、挤塑聚苯板、岩棉板、硬泡聚氨酯、酚醛树脂等。近年来由于大型火灾事故的频发，此类耐火性能为B级的保温材料层一度被禁用，为适应市场的需求，在膨胀聚苯板（EPS）、挤塑聚苯板（XPS）的基础上研发出基本未降低保温性能的、耐火等级为A级的保温材料，如HX隔离式防火保温板等。HX隔离式防火保温板是在B1级XPS（EPS）板的基础上，采用按一定格式开槽嵌入的方式将保温砂浆及高效防火剂置入XPA（EPS）板当中，并没有改变XPS（ESP）板的材料性质。在保持原有XPS（ESP）板良好物理力学性质基础上，提高了XPS（EPS）板的强度和刚度，减少了收缩变形，增强了与基层墙体的粘结强度，该材料是江苏省推荐的A级保温材料之一。

热工性能良好的建筑外围护结构是保证减少能耗的必要条件，因此大力提高外围护结构中占比最大的外墙的热工性能是建筑节能设计见效较大的一个重要途径。

3.2 门窗幕墙

玻璃门窗及玻璃幕墙是建筑采光、通风的通道，同时也是建筑保温隔热的薄弱环节，经过窗户损失的能耗比相同面积墙体的热量损失要大24倍以上，占到了建筑物能耗的50%以上。可以通过以下措施减少其能耗：

1）采用中空玻璃，其气体间层的厚度不宜小于9mm，当用于幕墙时，其厚度不应小于9mm，宜采用12mm或以上厚度，但不宜超过20mm。当需进一步提高保温性能时，可采用Low－E中空玻璃，充惰性气体的Low－E中空玻璃，两层或多层Low－E中空玻璃等。Low－E玻璃又称低辐射玻璃，是在玻璃表面镀上多层金属或其他化合物组成的膜系产品，具有优异的隔热效果和良好的透光性，其辐射率可降至0.15以下。严寒地区可以采用双层外窗，双层呼吸式玻璃幕墙进一步提高保温性能。

2）门窗型材采用木－金属复合型材、塑料型材、断热铝合金型材、玻璃钢型材等，幕墙可通过采用断热型材、断热连接紧固件、隐框结构等措施避免形成热桥。

3）结合外立面设置固定或活动外遮阳并采用智能化控制装置进行调节，以达到遮阳采光的协调，最大限度的减少建筑的空调能耗和照明能耗。

3.3 屋顶

对屋顶应用节能技术主要是隔离太阳辐射热，减少阳光直射，可采用加设保温隔热层、架空屋面、浅色屋面，安装太阳能热水器，屋面种植等技术措施。还有设计通风屋面、蓄水屋面等节能措施，从而达到减少空调冷负荷和空调节能的目的。屋顶的保温材料在夏热冬冷地区使用最多的是挤塑聚苯板，该材料是以聚苯乙烯树脂辅以聚合物在加热混合的同时，注入催化剂，而后挤塑压出连续性闭孔发泡的硬质泡塑料板，其内部为独立的密闭式气泡结构，是一种具有高抗压、吸水率低、防潮、不透气、质轻、耐腐蚀、超抗老化（长期使用几乎无老化）、导热系数低等优异性能的环保型保温材料，保温节能效果极佳。

4 可再生能源的利用

未来夏热冬冷地区住宅建筑节能的发展趋势是利用可再生的天然能源，以实现住宅节能的可持续发展。在节约不可再生能源的同时，人类还在寻求开发利用新能源以适应人口增加和能源枯竭的现实，这是历史赋予现代人的使命，而新能源有效地开发利用必定要以高科技为依托。如开发利用太阳能、风能、潮汐能、水力、地热及其他可再生的自然界能源，必须借助于先进的技术手段，并且要不断地完善和提高，以达到更有效地利用这些能源。其中太阳能及地下冷热源的利用在夏热冬冷地区有很高的利用价值。

4.1 太阳能

太阳能一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。太阳能是大自然馈赠给人类的取之不尽用之不竭的自然资源。我们地球所接受到的太阳能，只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，这些能量相当于全球所需总能量的3～4万倍。我国有丰富的太阳能资源，全国三分之二以上地区的全年太阳能辐照量大于5 700J／（m2·a），全年日照时数大于2 200h。

目前建筑上对太阳能的利用主要有以下几种方式：

1）太阳能热水

太阳能热水器将太阳光能转化为热能，将水从低温度加热到高温度，以满足人们在生活、生产中的热水使用。太阳能热水器按结构形式分为真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器，以真空管式太阳能热水器为主，占我国太阳能热水器的95%。太阳能热水器在夏热冬冷地区的应用十分广泛，部分地区甚至将其列为新建建筑必须执行的强制性规范。

2）光伏建筑一体化

光伏建筑一体化，是应用太阳能发电的一种新概念，简单地讲就是将太阳能光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力。根据光伏方阵与建筑结合的方式不同，光伏建筑一体化可分为两大类：一类是光伏方阵与建筑的结合。另一类是光伏方阵与建筑的集成。如光电瓦屋顶、光电幕墙和光电采光顶等。

4.2 地下冷热源

由于地表以下受太阳辐射小，土壤或水体温度冬季为12～22℃，温度比环境空气温度高，夏季为18～32℃，温度比环境空气温度低，可以为我们所利用。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。地源热泵是一种利用浅层地热能源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等的能量）的既可供热又可制冷的高效节能系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现由低品位热能向高品位热能转移。一般在空调系统中，地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。

5 结 语

夏热冬冷地区的节能的途径和措施还有很多，如何选择一套既经济又高效的住宅建筑的节能方案还有待我们所有的从业者不断地在实践中摸索。从建筑节能的角度来看，夏热冬冷地区住宅建筑设计应从建筑布局、建筑空间处理、建筑构造设计等方面采取综合的节能措施，要尽量利用自然界的物理性能去加强通风与隔热降温，围护结构的构造要满足节能要求，宁可多花一次性的基建投资费用而少花日常经营管理和采用人工空调的费用，并要协调好采光、通风、隔热保温等方面的矛盾，使经济效益、环境效益与社会效益统一起来，达到综合节能的目的。此外，在建筑与规划设计中要重视对可再生能源的利用，这也是今后夏热冬冷地区住宅节能的发展趋势。

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［2］ 罗 亿，刘忠伟.建筑节能技术与应用［M］.北京：化学工业出版社，2008.

［3］ 程明勇.浅谈城市住宅节能设计［J］.中国水运，2007，7.

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