西藏建筑节能设计分析

李仁春+王若瑾希

摘要：指出了西藏由于地理位置、气候特征等具体情况，建筑节能也已经成为设计中的必要因素。以“拉萨市曲水县工业园区小型企业孵化基地”项目为例，结合建筑所在地的气候特征，对影响建筑的物理环境和能耗等指标进行了计算，结果表明：节能建筑设计中常用的理论完全符合曲水县节能要求。

关键词：建筑节能；围护结构；热阻；传热系数；热惰性指标；窗墙比

中图分类号：TU243 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）2-0111-04

1 西藏建筑节能概况

根据相关资料显示，我国现有的近400亿m2建筑，仅有1%为节能建筑，单位面积采暖所耗能源相当于气候条件相近的发达国家的2～3倍[1]。西藏地处我国西南边陲，拥有丰富的太阳能、风能和地热能等可再生能源。西藏2004年才被规划为采暖区，2007年以前，西藏的建筑设计都是以西南地区的建筑设计标准为参照依据，没有根据本地区环境等条件而制定建筑设计标准体系，没有考虑冬季采暖，墙体基本不做保温。在整个冬季期间，多数建筑没有设置常规的采暖系统，在太阳辐射直接采暖的情况下，南向房间日温度波动幅度过大，在温度适中的时间段内人体还可以接受此环境，但北向的房间普遍寒冷，基本上无法使用。

随着西藏经济的快速发展，一些国内外先进的建筑节能理念与技术已传入西藏，但在节能建筑的推广过程中步伐缓慢、观念滞后，对节能建筑的认识还不到位，没有针对适应西藏气候特点的节能技术研究中心和相关配套开发产品。西藏自治区根据存在的实际问题，结合所在区位和气候因素等实际条件，在建筑节能方面出台了《居住建筑节能设计标准》[2]及《民用建筑采暖设计标准》[3]等相关规范与技术措施，促进了节能建筑在西藏的发展。

2 案例分析

拉萨市曲水县位于西藏腹地、拉萨河下游、雅鲁藏布江中游北岸，属于气候分区中的寒冷地区，地理坐标为东经90°73′，北纬29°37′，平均海拔3600 m。该地区日温差较大，日照时间长，辐射强，年日照时数近3000 h，无霜期短，年无霜期150 d，年降水量441.9 mm，历来是拉萨市的经济区和交通枢纽。

2.1 建筑总体布局节能

本项目在总体建筑节能上综合考虑当地太阳辐射与冬季西南偏西的主导风向等气候因素，避开冬季主导风向，充分利用日照条件，主要功能房间布置在南向，按1.34的日照间距系数等进行节能设计。

2.2 建筑单体的节能

2.2.1 建筑外围护结构节能设计

结合西藏地区特殊的气候条件，为了提高室内微气候的保温性能，防止冬季室内热流量流失，减少其采暖能耗，达到节能的目的。在方案设计过程中，根据二类办公建筑标准，按照区域保温设计的规范要求进行构造设计，外墙采用加气混凝土砌块与保温层结合的方式进行节能设计。屋顶利用保温层组合构造进行保温隔热设计，并对各节点构造的合理性进行验算。按照设计构造，计算步骤如下。

2.2.1.1 相关计算公式

（1）热阻值R的计算。

a.多层围护结构导热热阻计算公式为：

R=R1+R2+……+Rn

式（1）中 R为材料层导热热阻（m2·K/W）；R1、R2……Rn为各层材料热阻（m2·K/W）。

b.围护结构的传热阻计算公式：

R0=Ri+R+Re

式（2）中 R0为围护结构传热阻（m2·K/W）；Ri为内表面换热阻（m2·K/W）；Re为外表面换热阻（m2·K/W）；R为围护结构热阻（m2·K/W）。

（2）传热系数K的计算。其公式为：

K=1/R0

式（3）中 K为围护结构传热系数（m2·K/W）；R0为围护结构传热阻（m2·K/W）。

当外墙受周边热桥影响条件下，其平均传热系数计算公式为：

Km=（KPFP+Kb1Fb1+Kb2Fb2+Kb3Fb3）/（FP+Fb1+Fb2+Fb3）

式（4）中 Km為外墙平均传热系数[W/（m2·K）]；KP为外墙主体部位的传热系数[W/（m2·K）]；Kb1、Kb2、Kb3为外墙周边热桥部位的传热系数[W/（m2·K）]；FP为外墙主体部位的面积（m2）；Fb1、Fb2、Fb3为外墙周边热桥部位的面积（m2）。

（3）热惰性指标D的计算。

多层围护结构的D值计算公式为：

D=D1+D2+……+Dn=R1S1+R2S2+……+RnSn

式（5）中 D为围护结构热惰性指标；D1+D2+……+Dn为各材料层热惰性指标；R1、R2……Rn为各层材料热阻（m2·K/W）；S1、S2……Sn为各层材料蓄热系数[W/（m2·K）]。

2.2.1.2 计算步骤

项目中围护结构的外墙和屋顶均按照《民用建筑热工设计规范》（以下简称《规范》）[4]附表2.2和附表2.3取Ri=0.115，Re=0.043。根据构造及材料参数，利用公式（1）～（3）计算各构造热阻值、热惰性指标和传热系数。

（1）外墙主体。

根据表1的参数，运用式（2）和（3）得外墙主体传热阻R0=Ri+R+Re=2.182（m2·K/W）；外墙主体传热系数K=1/R0 =0.458W/（m2·K）。

（2）热桥柱。根据表2的参数，运用式（2）和（3）得热桥柱的传热阻R0=Ri+R+Re=1.436（m2·K/W）热桥柱的传热系数K=1/R0=0.696[W/（m2·K）]。

3）热桥梁、热桥过梁。在热桥梁的计算过程中，除热桥梁厚度为300 mm钢筋混凝土外，其余构造同热桥柱，热桥过梁构造参数同热桥梁。由式（1）、（2）和（3）可得：

热桥梁导热热阻RL=1.105（m2·K/W）；

热桥梁总传热阻R0L=1.263（m2·K/W）；

热桥梁传热系数K=1/R0 =0.792[W/（ m2·K）]；

热桥过梁导热热阻RG=RL=1.105（m2·K/W）；

热桥过梁总传热阻R0G=R0L=1.263（m2·K/W）；

热桥过梁传热系数K=1/R0 =0.792[W/（m2·K）]。

（4）热桥楼板。

根据表3的参数，运用式（2）和（3）得热桥楼板传热阻R0=Ri+R+Re=1.128（m2·K/W）；

传热系数K=1/R0 =0.888[W/（m2·K）]。

（5）屋顶。根据表4的参数，运用式（2）和（3）得：屋顶的传热阻R0=Ri+R+Re=1.128（m2·K/W）；

屋顶的传热系数K=1/R0 =0.888W/（m2·K）。通过对比计算结果，其结论符合《公共建筑节能设计标准》 [5]表4.2.2-3中屋顶传热系数K≤0.45 [W/（m2·K）]的要求。

同理可得：采暖与非采暖房间的分隔墙传热系数K=1.45W/（m2·K），采暖与非采暖房间之间的楼板传热系数K=1.07[W/（m2·K）]，满足规范K≤1.5 W/（m2·K）的要求；地面热阻R0=1.64（m2·K/W），周边地面热阻R0=3.35（m2·K/W）满足规范R0≥1.5 [W/（m2·K）]的要求。

（6）外围护墙体加权平均传热系数和平均热惰性指标计算。 根据表5的参数，运用式（4）得，外墙全楼加权平均传热系数为：

Km=（KPFP+Kb1Fb1+Kb2Fb2+Kb3Fb3+Kb4Fb4）/（ FP+Fb1+Fb2+Fb3+Fb4）=0.499[W/（m2·K）]，其结论符合《标准》表4.2.2-3中外墙传热系数K≤0.50 W/（m2·K）的要求。

外墙受周边热桥影响条件下，其平均热惰性指标计算公式同理传热系数由公式

Dm=（DPFP+Db1Fb1+Db2Fb2+Db3Fb3+Db4Fb4）/（ FP+Fb1+Fb2+Fb3+Fb4）得平均热惰性指标为5.954[W/（m2·K）]。

（7）最小传热阻R0，min的计算。

对于设计完成的围护结构，除应验算它的传热系数是否符合热工设计规范和节能设计标准的要求之外，还应验算其传热阻是否符合同一要求，以防止特殊构造或房间出现不满足的情况。

根据《规范》，最小传热阻R0，min计算公式为：

R0，min=（ti-te）[Δt]Ri

式（6）中ti为冬季室内计算温度（℃）；te为围护结构冬季室外计算温度（℃）；n为温差修正系数；Ri为围护结构内表面换热阻（m2·K/W）；Δt为室内空气与围护结构内表面之间的允许温差（℃）。

根据《规范》 得：ti取20℃，D=5.522， Dm=5.954，均属于类型Ⅱ。按照《规范》附表3.1，te取-8℃， n取1.00，外墙Δt取6.0，屋顶Δt取4.5。

运用式（6）计算得出：

外墙最小传热阻R0，min= 0.477（m2·K/W）；屋顶最小传热阻R0，min= 0.636（m2·K/W）。由以上计算结果得外墙各个不利点传热阻符合《规范》R0>R0，min的要求。

2.2.2 门窗的节能设计

门窗是建筑阻热薄弱的位置，据统计，建筑的总能耗有40%热量是通过门窗流失的。在西藏传统建筑中的门窗均为木结构，且采用单层玻璃。本项目在设计过程中，窗户采用传热系数为2.0 W/（m2·K）、气密性等参数满足设计要求的双层中空玻璃节能窗，在满足采光要求的同时，合理地控制窗墙比减少室内热量流失，达到节能的效果。

根据表6中的参数，结合拉萨民用建筑窗墙比北向≤0.20、东向和西向≤0.25、南向≥0.50[6]的设计要求，本建筑窗墙比满足規范要求。

2.2.3 体形系数

项目在建筑体型设计中，充分考虑建筑体型节能的要求，平面采用简单的东西轴长、南北轴短的长条形式，根据体形系数计算公式：

S=S0/V0

式中 S为建筑体形系数；F0为建筑物接触室外大气得外表面积（m2）；V0为建筑物接触室外大气部位包围的体积（m3）。

根据F0=F南+F北+F东+F西+F屋顶=2274.5 m2，VO=6895.81m3，计算得出S=F0/V0=2274.5/6895.81=0.33。符合寒冷地区体形系数应小于等于0.40的规定，满足设计要求。

3 结语

由该项目相关构造节能设计的计算可知，西藏地区建筑在节能设计过程中各种建筑材料在满足设计要求的同时，采用加强热桥保温设计；适当增加南向开窗面积，同时减小北向开窗面积以减少热量流失，充分利用太阳能辐射采暖；尽量使用规整的形体缩小体形系数；以上方法在节能设计中可增强节能效果。

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ibet Building Energy Efficiency Design is Analysed

— to Qushui County Industrial Park of Small Business Incubators as an Example

Li Renchun ，Wang Ruojinxi

（Institute of technology ，Tibet university ，Tibet， Lhasa， 850000，China）

Abstract： With the concept of building a conservation-oriented society in China continue to develop in-depth， building energy efficiency is one of the factors that the current level of construction technology must consider. In Tibet， due to geographical location， climate characteristics and other specific circumstances， building energy efficiency has also become a necessary factor in the design. In this paper， taking“the small business incubator base of Industrial Park in Qushui County” project as an example， combined with the location of the buildings climate characteristics， the physical environment， energy consumption and other indicators which affect the building were calculated. Finally we achieved the result that the frequently used theories in energy-efficient building design were completely in line with the energy efficiency requirements of Qushui County.

Key words： building energy efficiency； envelope structure；thermal resistance；heat transfer coefficient；thermal inertia index；window and wall ratio