被动房住宅围护结构节能设计关键参数研究——以寒冷地区天津市为例

房涛，管振忠，何文晶（1.山东建筑大学建筑城规学院，山东济南　　250101；2.山东省绿色建筑协同创新中心，山东济南　250101）

被动房住宅围护结构节能设计关键参数研究
——以寒冷地区天津市为例

房涛1，2，管振忠1，2，何文晶1，2
（1.山东建筑大学建筑城规学院，山东济南250101；2.山东省绿色建筑协同创新中心，山东济南250101）

寒冷地区住宅围护结构节能设计参数中的外围护结构保温层厚度、外窗传热系数、窗墙比等是住宅运行能耗主要影响因素，针对节能设计参数的分析与优化是实现超低能耗这一目标的关键。文章以寒冷地区天津市气候特征为基础，采用了多重能耗影响因素单一变量下的住宅能耗仿真计算方法，分析了设计阶段外围护结构节能设计关键参数对住宅运行能耗影响程度，以此确定了被动房住宅围护结构节能设计关键参数值，结果表明:非透明围护结构中的外墙传热系数K为0.14 W/（m2·K），屋面传热系数为0.145 W/（m2·K）；透明围护结构传热系数南、北向均为0.78 W/（m2·K），东、西向均为1.0 W/（m2·K），太阳得热系数SHGC值均不小于0.474；窗墙比在选用上述围护结构的前提下，南向为0.7～0.8，东、西、北向按照GB 50033—2013《建筑采光设计标准》对窗地比要求最小值设定。

寒冷地区；被动房住宅；节能设计；关键参数

0　引言

欧洲各国自20世纪80年代以来开始关注建筑的节能问题，经过几十年的发展逐渐形成了各自的节能建筑发展理念。2010年欧洲建筑性能指南EPBD（Energy Performance of Buildings Directive）对欧洲国家进行的调查显示，不同国家对低能耗建筑的命名各不相同，包括“低能耗建筑”“高性能房屋”“节能住宅”“三升油住宅”等［1］。各国分别制定了低能耗建筑的计算方式和相应标准，例如丹麦的DK Low energy class1、法国的 Effinergie、瑞士的Minergie、德国的Passivhaus等［2］。2011年6月，住房和城乡建设部与德国交通、建设和城市发展部签署了《关于建筑节能与低碳生态城市建设技术合作谅解备忘录》，其中将“发展被动式低能耗建筑以最大限度地降低建筑用能需求”作为重要合作内容。“被动式低能耗建筑”是我国引入德国“被动房”（passive house）这一近零能耗建筑概念后形成的较高层次民用节能建筑的统称，而从我国的发展现状来看，被动式低能耗建筑目前处于无设计、建设标准可供参照阶段，仅有的几项示范工程也是在现有建筑节能标准基础之上，这一发展思路无法完全契合“热损最小化，太阳能利用最大化”的被动房发展思路。我国在被动房研究方面，周正楠从被动房建筑的定义、创建历史、标准等情况出发，从发展概念角度提出了加强保温性能、提高气密性、机械送风热回收、低热负荷的采暖方式等设计发展方向［3］，陈翚等通过对欧洲案例的介绍对我国被动房发展的基本要素、标准、经济指标和应用前景进行了初步探索［4］，而中国建筑科学研究院学者从欧洲各国的政策法规、技术发展计划过程等方向提炼出我国被动房建筑发展的关键技术策略［5］。鉴于此，我国急需建立针对不同类型气候区的被动房建筑设计标准，因此，文章从能耗影响因素角度出发，利用计算机仿真技术对住宅围护结构节能设计参数中的主要影响因素进行计算，依据计算建立了寒冷地区天津地市被动房住宅围护结构节能设计关键参数指标参照体系，该体系可为提高和完善寒冷地区居住建筑节能设计标准提供理论依据，对指导寒冷地区被动房设计具有重要的实践价值。

1　被动房住宅围护结构节能设计参数确立依据

住宅能耗一般是指住宅在正常使用过程中的采暖、通风、空气调节和照明所消耗的能源总量，这其中不包括生产和经营性的能源消耗。因此，从能量供给的角度来看，我国寒冷地区被动房发展应从住宅运行能耗的影响因素出发，研究其对室内环境改变作用的机理，将各因素对住宅运行能耗的影响进行量化分析，通过数据分析建立起我国寒冷地区被动房住宅的节能设计关键参数体系。

目前，国外针对住宅运行能耗影响因素的研究多集中于节能设计参数中围护结构保温层厚度、透明围护构件传热系数、气密性等几个主要方面。如Tommerup等指出对现有建筑围护结构热工性能进行提升后可接近被动房标准［6］。Parker指出提高围护结构热工性能和气密性、南向立面采用大面积玻璃窗等技术可使住宅符合被动房要求［7］。Mahdav从围护结构保温层厚度、外窗类型、空气质量、通风系统四个方面对比后指出，被动房住宅采暖能耗仅为普通低能耗住宅的35%［8］。Ferrante等认为被动房实现的关键是围护结构保温性能、遮阳和通风热回收技术［9］。Ferrara等利用TRNSYS对一栋独立式住宅的现有设计参数进行优化组合后，住宅的采暖制冷能耗可降低20%［10］。我国高等院校、科研院所的众多学者对住宅建筑中的能耗影响因素进行了深入分析和研究。叶晓莉等指出提升围护结构热工性能和气密性是建筑实现能源需求最小化的关键［11］。金林辉等指出在夏热冬冷地区住宅采用围护结构真空保温、相变材料、热回收技术，可实现节能80%目标［12］。张时聪等认为被动式设计、高性能围护结构、高效能源系统是建筑实现能源需求最小化目标的关键［13］。Fong等指出香港地区村屋朝向对制冷能耗的影响作用甚微［14］。

综上所述，住宅本体节能设计参数中的外围护结构保温层厚度、外窗传热系数、窗墙比等对住宅采暖和制冷能耗影响最为直接。因此，文章将上述三个主要节能设计因素对住宅采暖制冷能耗影响作用进行量化统计分析，以分析结果形成我国寒冷地区被动房住宅围护结构节能设计的关键参数指标参照体系。

2　被动房能耗仿真软件、参照模型及室内热舒适指标的选择

文章从软件的使用用途、计算类型、数学模型、编程语言等几个方面进行对比，最终选用由美国劳伦斯伯克利国家实验室LBML（Lawrence Berkeley National Laboratory）联合其他单位共同研发的能耗仿真计算软件Energyplus，其吸收了DOE-2、BLAST等其他众多能耗计算软件的优势，计算结果更符合实际。研究用基础模型尺寸选择GB 50096—2011《住宅设计规范》［15］及J10968—2007《天津市住宅设计标准》［16］两则规范标准中对住宅层高及室内净高的要求，确立设计研究用基础模型的基本设计尺寸为层高3 m、平面5 m×15 m的几何体［17］。基础模型围护结构热工设计参数按照DB 29—1—2010《天津市居住建筑节能设计标准》（下称节能设计标准）中要求进行设定，窗墙比分别为南向0.5、东西向0.35、北向0.3；外围结构中的外墙传热系数取值0.45 W/（m2·K）、屋顶取值0.35 W/（m2·K），透明部分外窗传热系数取值1.8 W/（m2·K），地面按照节能标准要求热阻取值0.83m2·K/W。室内舒适性指标依据GB 50736—2012《民用建筑采暖通风与空气调节设计规范》中相关要求进行设定［18］。

3　被动房住宅围护结构节能设计参数对能耗影响的量化统计分析

3.1非透明围护结构对采暖制冷能耗的影响分析

住宅建筑中非透明外围护结构主要指外墙和屋面，这两部分的热工性能直接影响建筑的采暖和制冷负荷与能耗，其中传热系数是国内外众多节能标准中所提出的严格指标限值。基础模型的外墙及屋面参照节能设计标准中推荐做法进行构造设计，传热系数将通过改变保温层厚度实现变化，取值区间最高值参照节能设计标准设定，最低值以德国被动房认证标准中的外墙屋面传热系数限值为参照，在此基础上将外墙与屋面保温层厚度以20 mm为单位再增加两组，即外墙的平均传热系数区间为0.45 ～0.131 W/（m2·K），屋面的平均传热系数为0.35 ～0.136 W/（m2·K），具体构造做法见表1、2。

表1　外墙构造形式及相应传热系数

从图1中可知制冷能耗在保温层逐渐增厚的过程中基本呈直线分布，表明增加保温层厚度对夏季制冷能耗影响甚微，采暖能耗量随保温层厚度增加呈逐渐下降趋势。从全年综合能耗值分布曲线可知，保温层厚度从60 mm增加至200 mm时，综合能耗量降低明显，超过260 mm后基本处于直线状态由此可初步判定保温层最佳厚度为260 mm，对应外墙传热系数为0.14 W/（m2·K）。

表2　屋面构造形式及相应传热系数

图1　耗能量与外墙保温层厚度关系曲线图

从图2中可知制冷能耗随保温层厚度增加呈直线分布，表明增加屋面保温层厚度对夏季制冷能耗影响甚微，采暖能耗量随保温层厚度增加呈逐渐下降趋势。从全年综合能耗值分布曲线可知，保温层厚度从100 mm增加至160 mm时，综合能耗量降低明显，超过260 mm后基本处于直线状态。由此可初步判定屋面保温层最佳厚度为260 mm左右，对应屋面传热系数为0.145 W/（m2·K）。

图2　耗能量与屋面保温层厚度关系曲线图

3.2透明外围护结构对采暖制冷能耗的影响

JGJ 26—2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》中外窗部分传热系数限值是非透明外围护结构部分的3～4倍，随着玻璃制造技术及门窗制造工艺的提升，门窗的保温隔热性能有了极大改善因此在现代建筑设计中住宅的窗墙比均有逐渐增大的发展趋势［19］。针对住宅外窗传热系数对住宅冷热负荷的判定，可以通过选择不同构造类型的典型外窗进行整体计算分析。在实际使用过程中，质检部门对不同种类典型外窗均有相关热工参数的标定，因此文章直接选用ISO 10077质量体系认证的6种典型外窗进行各立面不同窗墙比下的建筑采暖与制冷综合能耗统计，6种典型外窗的主要性能参数如表3所列，最终计算结果如图3～5所示。

图3中1～5号外窗在窗墙比为01.～0.6的区间范围内呈下降趋势，在0.6～1.0的区间范围内呈上升趋势。6号外窗在窗墙比为0.1～0.7的区间范围内呈下降趋势，窗墙比在0.7～1.0的范围内呈上升趋势。综合6种外窗全年综合能耗值，6号外窗（三层3 mm Low-E双镀膜玻璃中空窗、K6= 0.780 W/（m2·K）、SHGC6=0.474）在窗墙比为0.7～0.8的区间范围内出现全年综合能耗最低值。

图4中1～6号外窗全年综合能耗曲线均随窗前比的增大而上升，且综合能耗曲线数值分布与外窗传热系数排序一致，6号外窗（三层3 mm Low-E双镀膜玻璃中空窗、K6=0.780 W/（m2·K）、SHGC6= 0.474）在不同窗墙比下的综合能耗值最低。

表3　典型外窗构造形式及相应热工性能参数

图3　南向不同类型外窗及窗墙比下的耗能量曲线图

图4　北向不同外窗类型及窗墙比下的耗能量统计图

图5中综合能耗统计曲线分布趋势相同。1～4 号4种类型外窗在相同窗墙比下的综合能耗值相近，5、6号外窗在相同窗墙比下的综合能耗值相近，但两者之间综合能耗值相差较明显。因此，当东西向外窗传热系数在1.0 W/（m2·K）以下时，不同间层填充气体的三层3mmLow-E双镀膜玻璃中空窗对基础模型全年综合能耗值影响甚微。

图5　东、西向不同外窗类型及窗墙比下的耗能量统计图

4　被动房住宅围护结构节能设计关键参数确立

被动房作为超低能耗建筑的一种，“热损最小化，太阳能利用最大化”是该类建筑的核心内涵，因此以上研究内容是在对我国寒冷地区典型城市住宅运行能耗分析与归类的基础上，通过建立住宅能耗计算用参照模型，利用计算机能耗仿真技术实现了对各节能设计参数的量化计算。从“热损最小化的角度，依次对住宅非透明外围护结构中的外墙和屋顶热工性能进行了不同厚度保温层下的全年能耗统计，根据统计结果确立外墙保温层厚度为260 mm，传热系数为0.14 W/（m2·K）时，参照模型全年采暖与制冷耗能量最低；屋顶保温层厚度为260 mm，传热系数为0.145 W/（m2·K）时，参照模型全年采暖与制冷耗能量最低。针对外窗这一透明围护结构构件，因其具备热量散失和太阳能辐射得热双重属性，因此从“太阳能利用最大化”角度将外窗的热工性能和窗墙比这两个因素进行四个不同方位的单独耗能量影响分析，其中南向外窗选择传热系数为0.780 W/（m2·K），太阳得热系数为0.474窗墙比在0.7～0.8之间时可取得参照建筑全年耗能量最低值；对于北向外窗全年无太阳直接辐射的情况下，选择传热系数为0.780 W/（m2·K），太阳得热系数为0.474时，在不同窗墙比条件下均可取得最小耗能量，因此，针对北向外窗在满足室内天然采光要求的基础上尽量降低开窗面积；对于东、西向外窗，从能耗统计结果看，外窗传热系数在1.0 W/（m2·K）以下时，参照模型全年耗能量相差不大，变化趋势均为随窗墙比增大而耗能量增大，因此建议东西向外窗选择传热系数为1.0 W/（m2·K），采用双镀膜中空Low-E玻璃，在满足天然采光要求的前提下尽量降低窗墙面积比。

根据以上分析结果，对参照建筑的非透明围护结构热工性能、透明围护结构热工性能、窗墙比等建筑节能关键设计参数的最终计算结果进行归纳，得到如表4所述我国寒冷地区天津市被动房住宅外围护结构节能设计关键参数指标。

表4　天津地区被动房住宅外围护结构节能设计关键参数值

5　结论

文章针对上述节能设计因素对住宅采暖制冷能耗影响作用进行仿真计算与量化统计分析，结果表明:

（1）寒冷地区被动房住宅类建筑节能设计主要参数中的非透明围护结构中的外墙传热系数K值为0.14 W/（m2·K），屋面传热系数为0.145 W/（m2·K）；

（2）寒冷地区被动房住宅类建筑节能设计主要参数中的透明围护结构传热系数依据方位分别为南向传热系数K值0.78 W/（m2·K），北向传热系数K 值0.78 W/（m2·K），东、西向传热系数 K值1.0 W/（m2·K），太阳得热系数SHGC值均不小于0.474；

（3）寒冷地区被动房住宅类建筑节能设计主要参数中的窗墙比在选用上述透明围护结构基础上，南向为0.7～0.8，东、西、北向按照GB 50033—2013《建筑采光设计标准》对窗地比要求最小值设定。

［1］Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of Council of 19 May 2010 on the energy performance of buildings（recast）［EB/OL］.Official Journal of the European Union，2010，13-25.http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do？uri =OJ:L:2010:153:0013:0035:EN:PDF.

［2］Thomsen K.E.，Wittchen K.B..European national strategies t move towards very low energy buildings［EB/OL］.SBi 2008:07. http://www.euroace.org/PublicDocumentDownload.aspx Command=Core_Download&EntryId=107.

［3］周正楠.对欧洲“被动房”建筑的介绍与思考［J］.建筑学报2009（5）:10-13.

［4］陈翚.欧洲被动式住房理念及其技术的发展与应用研究［J］.建筑学报，2011（9）:38-43.

［5］张时聪，陈曦，徐伟.近零能耗建筑的研究与实践［J］.建设科技，2014，22（11）:27-29.

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［13］张时聪，徐伟，姜益强，等.国际典型“零能耗建筑”示范工程技术路线研究［J］.暖通空调，2014，44（1）:52-59.

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［16］J 10968—2007，天津市住宅设计标准［S］.天津:天津市建设管理委员会，2007.

［17］DB 29—1—2010，天津市住宅设计标准［S］.天津:天津市城乡建设和交通委员会，2010.

［18］GB 50736—2012，民用建筑供暖通风与空气调节设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2012.

［19］冯雅，杨红.《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中窗墙面积比的确定［J］.西安建筑科技大学学报（自然科学版）2001，33（4）:348-351.

（学科责编：李雪蕾）

Research on energy efficiency Design key parameters of Envelope for residential passive house building:A case study of cold zone in Tianjin

Fang Tao1，2，Guan Zhenzhong1，2，He Wenjing1，2
（1.School of Architecture and Urban Planning，Shandong Jianzhu University，Jinan 250001，China；2.Co-innovation Center of Green Building，Jinan 250001，China）

The insulation thickness of envelop，heat transfer coefficient of window and radio window to wall are main influencing factors to residence energy consumption in cold area.Analysis and optimization of energy efficiency design parameters of envelope for residential passive house is the key to realize the target of ultra-low energy consumption.Based on the climatic characteristics of Tianjin city，the paper used simulation calculation method of multiple factors with signal variable to analyze the influencing residence operational energy consumption，and established the energy efficiency design key parameter values of passive house.According to the calculating result，the values of heat transfer coefficient for exterior wall and roof are 0.14 W/（m2·K），0.145 W/（m2·K）.The values of heat transfer coefficient for transparent envelope are 0.78 W/（m2·K）in south and north facades，1.0 W/ （m2·K）in east and west facades，the solar heat gain coefficient must be not less than 0.474.Based on these selections of above envelops，the ratio of window to wall is 0.7～0.8 in south facade，and other facades need to meet the minimize ratio of glazing to floor area in Standard for daylighting designof buildings（GB 50033—2013）.

cold zone；residential passive house building；energy efficiency design；key parameter

TU20

A

1673-7644（2015）06-0558-08

2015-10-04

山东省自然科学基金项目（ZR2014JL034），山东省绿色建筑协同创新中心团队建设科研基金项目（Z0024）

房涛（1982-），男，讲师，博士，主要从事低能耗建筑设计理论与方法等方面的研究.E-mail:arcft0123@163.com