夏热冬暖地区公共建筑围护结构的节能技术分析

2015-12-10王可睿莫馥任李怡赵立华WANGKeruiMOFurenLIYiZHAOLihua

生态城市与绿色建筑 2015年2期

王可睿莫馥任李怡赵立华 / WANG Kerui, MO Furen, LI Yi, ZHAO Lihua

1 引言

《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2006）优选项第5.2.16条规定：建筑设计总能耗低于国家批准或备案的节能标准规定值的80%。《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2005）中指出：在公共建筑（特别是大型商场、高档旅馆酒店、高档办公楼等）的全年能耗中，大约50%～60%消耗于空调制冷与采暖系统，其中大约20%～50%由外围护结构传热所消耗（夏热冬暖地区大约20%，夏热冬冷地区大约35%，寒冷地区大约40%，严寒地区大约50%）。关于夏热冬暖地区的建筑节能研究，国内学者已做了相当的工作。付祥钊（2002）、姬永洲（2009）从建筑围护结构层面对夏热冬暖地区的建筑节能技术做了全面分析和研究，指出该地区设计要注重通风、遮阳，围护结构要注重外窗玻璃，这是节能的关键。籍存德等（2006）分析了夏热冬暖地区办公建筑的耗能现状，并根据气候特点提出防晒墙和架空屋顶的设计，遮阳板的形式和选择及各朝向的玻璃优化等符合夏热冬暖地区的节能措施。林宪德（2003）根据台湾的气候特点，提出了隔热与遮阳并重的亚热带绿色建筑美学，并深入分析了各种绿色技术，指出了通风、遮阳、隔热、防潮对该地区建筑的重要性。林宪德（2010）设计的台湾绿色魔法学校通过开口设计、遮阳设计、屋顶花园实现节能16.5%，通过风扇通风、浮力通风再节能10.6%。赵立华等（2008）对广州地区某窗墙面积比较大的公共建筑进行了动态模拟计算，结果表明：降低外窗的遮阳系数、外墙和屋顶的传热系数对减少建筑全年空调能耗和最大空调冷负荷有利，但降低窗的传热系数对减少建筑全年空调能耗和最大空调冷负荷不利。遮阳系数较小、传热系数较大的窗和传热系数较小的墙、屋顶组合起来节能效果最好，节能率达到9.95%。上述众多学者的研究成果表明，通过改善围护结构热工性能实现建筑能耗的降低，夏热冬暖地区的难度要远高于其他地区。在标准执行过程中，大多数绿色建筑项目（袁小宜，2010；郑福居，2012；张磊，2014；余鸿高，2013）的节能率综合考虑围护结构、照明、空调等设备的节能效果及可再生能源利用量的计算。

表1 设计建筑与参照建筑外窗热工参数对比

表2 遮阳系数降低对空调全年计算负荷的影响

《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2014）（以下简称“新版标准”）中则明确针对建筑围护结构热工性能制定了评分规则，其中，评分项第5.2.3条规定：围护结构热工性能比国家现行相关建筑节能设计标准的规定提高幅度或者供暖空调全年计算负荷的降低幅度达到5%，得5分；达到10%，得10分。加分项第11.2.1条规定：围护结构热工性能比国家现行相关建筑节能设计标准的规定高20%或者供暖空调全年计算负荷降低幅度达到15%，得2分。夏热冬暖地区围护结构热工性能的提高主要通过透明围护结构的遮阳系数的降低，其前提是建筑节能设计的各项规定性指标均满足标准要求，这在实际工程中往往很难做到。而供暖空调全年计算负荷的降低程度可通过比较计算得到，在建筑外形、内部功能分区、气象参数、建筑的室内供暖空调设计参数、空调供暖系统形式和设计的运行模式、系统设备参数等条件不变的情况下，计算设计建筑和参照建筑的负荷，并比较差异。随着新版标准的施行，有必要研究夏热冬暖地区提高建筑围护结构热工性能对降低建筑能耗的节能潜力，以及实现建筑低能耗所需要采取的综合措施。

2 围护结构热工性能对建筑能耗的影响分析

建筑屋顶传热系数、外墙传热系数、窗墙面积比、外窗遮阳系数、综合遮阳系数都会对建筑能耗产生不同程度的影响。外窗的遮阳系数对夏热冬暖地区建筑空调能耗的影响最大，尤其是大窗墙面积比的高层公共建筑，而外墙、屋面热工性能对建筑能耗的影响很小。本文算例一对大窗墙面积比的高层公共建筑的能耗进行了分析，算例二选取多层、小窗墙面积比的公共建筑，综合分析墙体、屋面、外窗的热工性能对建筑能耗的影响。

2.1 外窗遮阳系数对建筑能耗的影响

算例一选取某窗墙面积比较大的高层建筑进行节能计算，分析外窗遮阳系数降低对能耗的影响。建筑体形系数为0.17，设计建筑除挑空楼板的传热系数外，屋面、外墙和窗的传热系数均满足规定性指标且与参照建筑相同，室内参数按《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2005）附录B设置。各朝向综合遮阳系数取值依次为0.31、0.30、0.28、0.25、0.20，其中0.30、0.28、0.25分别对应参照建筑遮阳系数最小限值0.31降低5%、10%、20%后的值（表1），采用斯维尔节能设计软件20141212（SP3）版计算建筑能耗（表2）。

由结果可知，当设计建筑综合遮阳系数按照比参照建筑降低5%、10%、20%时，空调全年计算负荷降低幅度均小于5%，若按照新版标准的要求进行评价则均不能得分。遮阳系数为0.20时，空调负荷降低幅度达6.62%，仅满足新版标准5分档的要求，而实际建筑外窗遮阳系数很难达到该水平。因而，该类建筑若要满足评分要求，宜使其在满足规定性指标的前提下按照外窗遮阳系数降低幅度进行评价。

根据现行节能设计标准，将不同窗墙面积比情况下的遮阳系数提高5%、10%、20%（表3）。当窗墙面积比大于0.5时，若要显著提高性能则意味着综合遮阳系数基本上应小于0.30，实现起来具有一定的难度。可见对于窗墙面积比大的建筑，无论是提高围护结构热工性能，还是降低供暖空调全年计算负荷都有一定的困难。

2.2 围护结构热工性能对建筑能耗的综合影响

算例二为某窗墙面积比较小的公共建筑，体形系数为0.38，外挑楼板传热系数K为3.84，不满足规定性指标的要求。王欢等（2011）发现该地区建筑外窗传热系数对空调能耗影响较小，因而仅分析屋顶传热系数、外墙传热系数、综合遮阳系数变化对其全年能耗的影响。考虑到地域特点和技术的可行性，将屋顶传热系数K设为0.9、0.7、0.5W/（m2·K）共3种工况，记为A1～A3；外墙传热系数K设为1.5、1.3、1.1、0.9、0.7W/（m2·K）共5种工况，记为B1～B5；综合遮阳系数设为0.6、0.5、0.4、0.3、0.2共5种工况，记为C1～C5。上述所有工况组合得到75种不同的方式，外墙表面太阳辐射吸收系数取0.65，屋面太阳辐射吸收系数取0.75，室内参数按《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2005）附录B设置，具体参数设置如表4所示。将计算结果按照新版标准规定的能耗降低幅度范围进行归类，得到满足标准要求时对应的屋顶传热系数、外墙传热系数和综合遮阳系数的组合方式（图1）。

建筑的外墙、屋面、外窗的传热系数均满足规定性指标要求，若忽略热工性能不合格的外挑楼板，则设计建筑在采用遮阳系数0.42时，围护结构的热工性能提高5%，采用0.40时提高10%，采用0.36时提高20%。因而，对于小窗墙面积比的建筑，通过降低外窗遮阳系数可以比较容易获得新版标准第5.2.3条的10分，甚至于第11.2.1条的2分加分，但前提是要满足各项规定性指标的要求，否则按空调全年计算负荷降低幅度进行评价。

根据图1所示，降低5%相对容易实现，优先推荐A1B1C3组合，屋顶采用常规钢筋混凝土+保温层构造，外墙采用自保温砌块辅以较薄保温层或选择太阳辐射吸收系数较小的饰面材料，外窗设计一定的遮阳构件或选择遮阳系数较小的玻璃即可满足，而挑空楼板依然可以不做保温处理。若要降低10%，优先推荐A1B3C4组合，需要在以上基础上加大屋面和墙体保温层厚度，特别需要进一步降低综合遮阳系数。关于A1B1C5方案，虽外墙屋面可不采用过厚保温层，但遮阳系数过小的玻璃通常具有较低的可见光透射比，影响室内采光质量。若要降低15%，则仅有A3B5C5方案，设计建筑的能耗较参照建筑降低15.05%，勉强达到新版标准第11.2.1条的要求，可得2分加分。但夏热冬暖地区的建筑屋面、外墙、外窗的现有技术都很难达到此热工性能。

表3 不同窗墙面积比综合遮阳系数性能提高对比

表4 设计建筑与参照建筑热工参数对比

图1 空调全年计算负荷降低幅度范围对应围护结构热工参数组合方式

图2 档案馆库房墙体构造

目前夏热冬暖地区的公共建筑一般都通过权衡判断完成建筑节能设计，规定性指标完全合格的几乎没有，其中最普遍的是底面接触室外空气的架空或外挑楼板，按规范要求需要做保温处理，但这部分不会受到太阳直接照射，一般面积也较小，因此设计中往往不做保温处理；其次是外窗的遮阳系数和传热系数，标准中按单一朝向窗墙面积比给出不同的要求，但实际建筑中往往同一栋建筑采用同样的外窗，部分朝向性能提高而部分朝向不合格的情况普遍存在；另外，外墙传热系数不合格，夏热冬暖地区普遍采用200mm厚加气混凝土墙体，考虑钢筋混凝土剪力墙、梁、柱的热桥影响，其传热系数往往不能满足标准规定的1.5W/（m2·K）的要求。

对于窗墙面积比较小的建筑，若要得到新版标准第5.2.3条的5分，建议选择空调全年计算负荷降低幅度进行评价，若要得到10分，需要综合考虑实际情况选取评价方法；若要得到第11.2.1条的2分加分，宜按照围护结构热工性能提高幅度进行评价。

3 建筑及围护结构节能措施分析

通过以上分析可见，单纯依靠降低围护结构的传热系数和遮阳系数，对降低夏热冬暖地区公共建筑能耗作用有限。本文以两栋使用要求不同的建筑为研究对象，分析其围护结构热工性能、空调作息、空调使用面积、建筑遮阳、通风等因素对建筑能耗的影响，从而得出夏热冬暖地区公共建筑围护结构节能的技术措施。

3.1 内部热环境质量要求严格的建筑节能措施分析

某些建筑因其功能的特殊性，要求建筑内部具有稳定的热环境，如档案馆库房对室内的温湿度及波幅要求较高，温度要求在14～24℃之间，昼夜温差±2℃以内，相对湿度保持在45%～60%，波幅±5%。严格的温湿度要求使得档案馆库房能耗高，空调设备的全年连续运行需相关人员加班维护，导致档案馆运行费用较高，这也是一直困扰档案馆的难题。华南理工大学（2009）的相关研究表明，广东省档案馆采用围护结构，主要是墙体综合节能技术（图2），实现了在工作时间外不开启空调，室内温度依然能保证恒定。广东省档案馆5年的运行数据显示，该技术节能效果显著，并广泛应用于广东省各类档案库房类建筑。获得国家绿色建筑二星级标识的佛山档案馆也采用了这种围护结构（表5）。

档案馆库房建筑的外围护结构具有高效的保温、遮阳、蓄热等热工性能，这种优异的热工性能可以保持建筑室内的温湿度，减少空调运行时间，从而降低空调能耗（图3）。运用DeST-c 2K（20100728版）软件对该档案馆进行室温及能耗模拟，在确定库房间歇使用空调能够保证室温满足要求的前提下，建筑围护结构和空调运行时间缩短对建筑节能具有一定的贡献。

自2006年以来，中国旅游者的不文明行为因高层的重视而得到广泛的关注，但是至今，每到旅游旺季，旅游者的各类不文明行为就会见诸报端，比如乱扔垃圾导致景区被污染，站在历史人物的雕像身上拍照之类，这些典型的不文明行为常被人们指责为“中国人素质太低”，似乎对于景区而言，并不能实现有很效的管理，但根据本课题组的研究，景区在塑造和引导旅游者的文明行为方面，可以发挥切实的作用。并且只有旅游业的所有相关主体共同努力，才能够实现中国旅游者整体文明程度的提升，景区理应发挥其应有的作用。

图3 根据建筑图纸建立的档案馆模拟模型

图4 夏至日档案库房温度变化曲线

表5 佛山档案馆围护结构热工参数

表6 档案馆各项节能措施节能情况汇总

3.1.1 室温模拟结果分析

选取夏至日（6月22日）所在的一周（6月20～27日）的时间作为研究对象，对顶层所有不同朝向的档案库房提取一天中库房温度最高值，根据模拟结果可以看出（图4），在工作日8:00～17:00开启空调，其余时间段关闭空调便可满足档案库房对温度的要求。

3.1.2 能耗模拟分析

档案库房的室内参数设置为：房间温度22～16℃；湿度60%～45%。明功率密度、热扰、人员密度和裙房部分的室内设计参数及空调作息均按《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2005）的相关规定，考虑库存状态，档案库房家具系数取值35，设计建筑和参照建筑设置相同。

围护结构的高性能对降低建筑能耗的作用可分为两部分，首先是减少了传热损失和太阳辐射得热，其次是高性能使得空调运行时间减少，为此设置了设计建筑的两种工况进行计算：参照建筑库房部分空调作息为全时间段开启，设计建筑工况一的空调作息同参照建筑一致，为全时间段开启；工况二的空调作息为工作日的8:00～17:00开启，其余时间关闭，模拟结果如表6所示。

当设计建筑为工况一时，只有围护结构对建筑能耗有影响，建筑的空调全年计算负荷降低幅度达到16.7%，可见当建筑内部需连续保证室内温湿度参数时，通过改善围护结构的热工性能，建筑空调全年计算负荷降低幅度可以达到15%；当设计建筑为工况二时，由于围护结构良好的热惰性，建筑的空调全年计算负荷降低幅度达到25%，节能效果显著。值得注意的是，由于造价、墙体厚度、窗墙比等的特殊性，这种围护结构在夏热冬暖地区是不可能被一般建筑所采用的。

3.2 以满足热舒适要求为主的建筑节能措施分析

大部分公共建筑的室内热环境以满足人的热舒适为主，这类建筑的温湿度要求在人的舒适范围内即可，吉沃尼（Givoni，1992）建议热湿气候区的舒适范围上限应扩及到气温29℃、湿度80%的情形，他甚至建议，在充分通风环境下的舒适范围可扩大至气温32℃、湿度90%。在夏热冬暖地区的气候条件下适当提高热舒适上限，通过适当的建筑设计，公共建筑的大堂、过厅、走廊、休闲区等公共空间完全可以不设置空调。林宪德（2010）设计的台湾绿色魔法学校通过开口设计、遮阳设计、浮力通风设计，大厅以及和大厅相连的亚热带绿建筑博物馆均未设置空调，建筑面积相当于一层总面积的一半左右。深圳市建筑科学研究院有限公司（2009）设计的深圳建科大楼采用了开放式大堂及以空中庭院形式设置的茶水间。黄印金（2012）指出番禺中心医院候诊厅采用自然通风设计，良好的自然通风气流能满足病人就医的环境舒适度，没有设置空调。

本文以佛山科技馆青少宫为例，分析建筑节能措施对降低空调负荷的作用。佛山科技馆青少宫以绿色三星级为建设目标。根据项目特点，经反复优化，主要采用良好的围护结构、大厅自然通风、外墙穿孔板遮阳等建筑节能技术。为减少太阳辐射对建筑的影响，采用穿孔铝板为外墙和外窗遮阳（图5、6）。为减少公共空间的空调面积，科技馆和青少宫共用大厅，采用可活动的Low-E玻璃百叶，实现良好的遮阳和自然通风（图7）。通过DeST-c模拟得出具体的节能量化值，并计算出各种设计措施对空调节能贡献的比重。

3.2.1 围护结构性能对能耗影响

图5 佛山科技馆外表皮穿孔板大样

图6 佛山科技馆青少宫外立面效果

图7 大厅分析模型

表7 科技馆青少年宫围护结构热工参数

表8 科技馆青少年宫各项节能措施节能情况汇总

建筑除了外挑楼板、天窗遮阳系数不满足现行标准的规定性指标外，其余围护结构均满足，围护结构热工参数如表7所示。通过能耗模拟权衡计算，建筑的空调全年计算负荷降低幅度达到4%（表8工况一）。如果进一步降低遮阳系数有一定的难度，大厅可改用自然通风并增加外墙穿孔板遮阳。

3.2.2 大厅自然通风对能耗的影响

建筑中部设置了5层高的入口公共大厅，建筑面积为2 000m2，采用可开启的幕墙实现自然通风，不设置空调。经优化分析，压花玻璃百叶开启与水平面呈60°时可实现最佳的遮阳通风效果。通过在大厅采用空调和自然通风，建筑的空调全年计算负荷降低幅度达到9.8%（表8工况二）。

3.2.3 穿孔板遮阳对能耗的影响

在夏热冬暖地区，遮阳对建筑能耗的降低尤为重要。通过遮阳可减少照射到建筑的太阳辐射量。该建筑选用的外立面穿孔板对建筑墙体起到遮挡作用，大大降低了能耗。李怡（2012）研究发现厚度5mm的铝制穿孔板最佳穿孔率为30%。通过在围护结构优化、大厅自然通风的基础上再采用穿孔板遮阳，建筑的空调全年计算负荷降低幅度达到17.6%（表8工况三）。

最终数据显示：外墙穿孔板遮阳的节能量占整体节能量的44.3%，节能贡献最大；其次是公共大厅采用自然通风，此大厅面积约占总建筑面积的2%，比例不大，但节能量占整体节能量的32.7%，节能效果巨大；围护结构的节能贡献较小，为23.0%。

4 总结

新版绿色建筑评价标准根据围护结构热工性能相对于国家和行业节能设计标准规定的提高程度或者供暖空调全年计算负荷的降低程度分档评分。夏热冬暖地区不同窗墙面积比的建筑应选择不同的评价方法：（1）对于大窗墙面积比建筑，宜在建筑满足全部规定性指标的前提下，按照外窗综合遮阳系数降低幅度进行评价，但实现起来具有一定的难度。（2）对于窗墙面积比小的建筑，若要得到新版标准第5.2.3条的5分，建议选择空调全年计算负荷降低幅度进行评价；若要得到第11.2.1条的2分加分，在建筑满足全部规定性指标的前提下，按照围护结构热工性能提高幅度进行评价；若要得到新版标准第5.2.3条的10分，需要综合考虑实际情况选取评价方法。

对于内部热环境质量要求严格的建筑，热工性能优异的围护结构可以从两方面实现节能：一方面采用良好的围护结构直接减少建筑能耗；另一方面可以利用良好的围护结构降低室外环境对建筑的影响，尽量保持建筑室内的温湿度，在不必要时减少空调运行时间，从而降低空调能耗。

对于以满足热舒适为主的建筑，应加强建筑开口设计、遮阳设计、自然通风设计，在保证人体舒适要求的前提下尽量减少空调的使用面积，或者尽量缩短建筑空调使用时间。

[1]中华人民共和国建设部.GB/T 50378-2006 绿色建筑评价标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[2]中华人民共和国建设部.GB 50189-2005 公共建筑节能设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[3]付祥钊，侯余波.中国夏热冬暖地区建筑节能技术(下)[J].建设科技，2002（5）.

[4]姬永洲.夏热冬暖地区民用建筑节能技术要点及浅析[J].大众科技，2009（7）.

[5]籍存德，郝瑞珍，肖景文，等.夏热冬暖地区办公建筑节能设计探讨[J].建筑科学，2006，22（6）.

[6]林宪德.湿热气候的绿色建筑[M].台湾：詹氏书局，2003.

[7]林宪德.绿色魔法学校[M].台湾：新自然主义股份有限公司，2010.

[8]赵立华，李宁，王钊.广州地区办公建筑外围护结构的热工性能与节能分析[J].建筑科学，2008（04）.

[9]袁小宜，叶青，刘宗源，等.实践平民化的绿色建筑——深圳建科大楼设计[J].建筑学报，2010（01）.

[10]郑福居，魏慧娇，孙晓峰，等.中新天津生态城公屋展示中心绿色建筑节能技术探讨[G]//中国城市科学研究会.第8届国际绿色建筑与建筑节能大会论文集.城市发展研究，2012.