上海高层住宅被动式超低能耗设计策略研究

2018-05-09DengFengZhuKai

住宅科技 2018年2期

■邓丰 Deng Feng 朱凯 Zhu Kai

0 引言

建设资源节约型社会，实现节能减排是当前中国社会发展的战略决策。建筑能耗在我国国家总能耗中占有很重的比例，住宅建筑又是其中建设量最大、与人类生活关系最为密切的建筑类型，对建筑节能担负着不可推卸的责任。因此，在保障居住舒适度的同时，尽可能降低住宅对传统能源的消耗，是我国当前建筑节能工作的重要内容之一。但由于人民生活水平的提高、居住家庭的年轻化和用能习惯的改变，对住宅室内热环境舒适度的要求也日益提高，采暖和空调的使用越来越普遍，对于能源的消耗仍将持续增加。

另一方面，建筑能耗控制与其所处的地域气候条件息息相关。对于住宅节能工作的开展，在不同地域气候、经济条件、居住习惯等共同影响下，应该有针对性地选用适合本地区的节能设计策略，这才是真正理性和高效的工作方法。

1 上海地区的地域气候特点及被动设计策略

上海地处夏热冬冷地区，年平均相对湿度较大，人口密度大，气候条件和建筑用能情况更为复杂。该地区的经济发展水平较高，每年新增建筑规模巨大，建筑节能效益大，节能技术的硬件基础好、接受度高，地方财政对可再生能源利用的补贴力度大。因此，针对该地区住宅节能的研究和实践可以充分发挥其地缘优势，具有辐射和示范作用。根据图1的上海地区气候焓湿图分析，可以得出该地区被动式超低能耗住宅设计策略（表1、图 2）。

2 典型高层住宅能耗研究

据统计，上海当代新建住宅小区中，高度为18层的住宅占比最高，达28%[1]；一梯两户的单元类型出现频率高达72%，一梯三户的单元类型出现频率也仅次于一梯两户，达到27%。因此，本文将选取某一梯三户点式18层住宅作为研究对象（图3），其节能建筑面积为4 501.09m2，屋顶有效面积为197.08m2，综合窗墙比为0.17，采用家用空气源热泵空调器。利用PKPM建筑节能软件，以现行的《上海市居住建筑节能设计标准》（DGJ 08—205—2015）为基准（以下简称《标准》），进行能耗模拟计算。

2.1 不同楼层的外围护结构负荷分析

通过模拟可以发现，在上海现行的《标准》下，该住宅的能源负荷主要来自外墙和外窗，其中，外墙占比53.45%，外窗占比28.94%。由此可见，外墙和外窗仍然是节能控制的重点。同时，由图4可以看出，不同楼层的负荷并不相同，顶层与首层的负荷明显大于标准层。这主要是来自屋顶与地面的负荷需求，甚至已经大于来自外窗的负荷需求。特别是顶层住户，其能耗几乎是标准层住户能耗的1.6倍。因此，围护结构的性能对于建筑能耗至关重要，而现行《标准》并未对地面和无采暖地下室顶板有相应的指标控制，导致首层住户经由地面损失的热量过大。

2.2 保温层厚度与位置对建筑能耗的影响

建筑保温层的厚度和位置不仅对建筑能耗的影响十分重要，还直接影响建筑总面积和容积率的计算，进而影响住宅的实际得房率。根据《建筑工程建筑面积计算规范》（GBT 50353—2013）（下称《计算规范》）3.0.24中规定：建筑物的外墙外保温层应按其保温材料的水平截面积计算，并计入自然层建筑面积。

2.2.1 建筑物节能综合指标的计算条件

建筑物的节能综合指标采用动态方法计算,计算条件如下：

（1）居室室内计算温度，冬季全天为18℃，夏季全天为26℃。

图1 上海地区气候焓湿图

表1 上海地区被动式超低能耗住宅设计策略（按优先选用级别排序）

图2 上海地区住宅设计策略图示

图3 一梯三户高层住宅典型平面图

图4 不同楼层外围护结构负荷分析

（2）室外气象计算参数采用典型气象年。采暖期为12月1日～次年2月28日，空调期为6月15日～8月31日。

（3）采暖和空调时，换气次数为1.0次/h。采暖、空调设备为家用气源热泵空调器，空调额定能效比取3.1，采暖额定能效比取2.5。

（4）室内得热平均强度为4.3W/m2。

（5）根据《被动式超低能耗绿色建筑技术导则（试行）》（以下简称《导则》），“夏热冬冷地区年供冷需求≤3.5+2.0×WDH20+2.2×DDH28。其中，WDH20为一年中室外湿球温度高于 20℃时刻的湿球温度与20℃差值的累计值（单位：kKh）；DDH28为一年中室外干球温度高于 28℃时刻的干球温度与 28℃差值的累计值（单位：kKh）”。

（6）根据CSWD气象数据进行测算。

2.2.2 保温层厚度对建筑能耗的影响

由表2和图5可以看出，节能计算参数设定的标准不同，会带来保温层厚度的不同。由于建筑保温层计入容积率计算，这将直接影响建筑的体形系数、建筑面积和容积率等重要指标；在控制容积率不变的前提下，住宅的得房率也必将减少。同时，在上海地区，围护结构传热系数的大幅度提升对最终能耗的减少影响有限。

2.2.3 保温层的经济厚度

在保温材料确定的情况下，保温层的厚度是决定建筑保温水平的重要参数。一般随着保温层厚度的增加，围护结构的绝热性能提高，从而建筑负荷降低，采暖设备造价和采暖系统运行费用也相应降低；但同时，围护结构的建造费用也相应增加。因此，存在某一特定的保温层厚度，即经济厚度δop，使建筑物总费用（建造费用和经营费用之和）最小[2]。

对于上海这样的夏热冬冷地区，计算保温层厚度不能只是单纯地考虑冬季采暖，还必须考虑夏季制冷对保温层厚度计算的影响。因为单纯增加保温层厚度以提高围护结构的保温性能，在非最热月或夜间气温降低时，不利于建筑散热，反而有可能导致年空调冷负荷增大。另外，还要考虑其他一些影响保温层经济厚度的因素，如墙体基体材料、保温材料性能及价格、空调能效、贴现系数PWF等。图6是外墙保温层分别设置为20mm、30mm、40mm、50mm、60mm 和 100mm时的建筑能耗差别和成本对比。可以看出，保温层越厚，能耗越低，但同时建设成本也会越高。案例的保温材料价格选择为市场询价，由目前材料的现状情况可以看出，当前节能建筑设计标准下所选用的30mm厚度在能耗和成本控制上更为合理。

2.2.4 保温层位置对建筑能耗的影响

有研究指出，针对夏热冬冷地区的间歇式用能，采用内保温空调的热响应比外保温要快得多（因为墙体的热容比空气大很多），因此，该地区内保温的实际节能效果优于外保温[3]。针对这一观点，对30mm厚保温层的不同设置位置分别进行模拟测算（表3），可以看出保温层的位置对住宅及其能耗的影响。

在上海地区，单纯的内保温并没有外保温的节能效果好。结合外保温设置部分内保温，虽然可以适当提高节能率，减少建筑能耗，但由于内保温占用室内空间，导致实际户内使用面积减少。以本案中户型C为例，设置10mm的内保温，将使户内实际使用面积减少0.31m2。据上海统计局发布的《2015年本市房地产市场综述》，2015年本市内环线以内新建住宅平均销售价格72 066元/m2。若是设置10mm厚内保温，户型C的业主将多花费2.2万元用于购买室内保温层所占用的空间，而由此每年仅能节约2kWh电。因此，与高房价相比，增加的能源费用完全可以忽略不计。由此可见，在目前的高房价前提下，从经济、能源等综合角度进行判断，上海地区并不十分适合采用内保温。

2.3 凸窗对建筑能耗的影响

住宅的窗墙比也与建筑能耗紧密相关。特别是在围护结构热工性能不理想的状态下，大面积的开窗将导致空调采暖的高能耗；但开窗面积过小，又不能保证日照、采光及通风的要求。因此，窗墙比的确定要兼顾保温和太阳得热两方面因素，在保证室内舒适通风和采光、空间视觉舒适及环境舒适的前提下，确定合适的开窗面积和位置。窗墙比并非越小越好，特别是在我国夏热冬冷地区，不能以牺牲春秋两季的舒适度来换取冬夏的窗墙要求，而应综合考虑该地区的生活习惯和居住行为对窗墙比的需求。

近年来，凸窗因其立面效果好、增加室内有效使用空间又不算入建筑面积，成为我国大部分地区住宅建筑中受欢迎程度和运用比例较高的一种立面窗处理形式。但从节能的角度来看，凸窗的窗体面积远大于洞口面积，大幅提高了窗墙比。根据《标准》规定，设置凸窗时，窗的传热系数限值应比选定的外窗限值低10%，其不透明部分（顶、底、侧面）的传热系数不应大于2.0W/（m2K）；而当采用平窗时，外窗传热系数控制为2.2。模拟计算结果显示，采用传热系数提高10%的凸窗与平窗能耗基本相同（图7）。

表2 保温层厚度对建筑能耗及相关指标的影响

由此可见，凸窗的存在和广受住户欢迎有其合理性。其优点显而易见，一方面，拓宽了室内的有效使用面积且不计入面积计算，这对于高房价的现状而言，具有相当的诱惑力；另一方面，能取得良好的空间感和景观视野，有助于改善室内空间品质，并争取到更多的阳光。但也由此形成了住宅表皮热工性能上的薄弱点，在酷暑或严寒时期，它都是增加热负荷和能耗的直接原因。权衡其所带来的利弊，在严寒或寒冷地区，应该限制采用；但在上海地区，可允许南向窗在改善设计和材料的前提下适当采用。

2.4 外遮阳对建筑能耗的影响

外遮阳是降低日照辐射的最主要手段，也是一种经济有效的节能方式，对于提高室内热舒适，降低夏季制冷能耗的贡献十分显著。在国内，由于之前很长一段时间对建筑节能和遮阳考虑较少，住宅墙体和外门窗热工性能差，外遮阳的生态和能效价值未获重视，造成外遮阳在国内住宅建筑中的推广运用严重滞后。

表3 保温层位置对住宅能耗的影响

图5 保温层厚度对建筑能耗的影响

图6 不同保温层厚度建筑能耗与成本的比较

图7 平窗与凸窗的能耗比较

本案例对有无外遮阳进行了模拟计算，外窗玻璃自身遮阳系数0.65，窗框系数0.75，可见光透射比0.60，增设卷帘活动外遮阳为铝合金百叶板，材质透射比0.20，外窗综合遮阳系数为0.38。可以看出，外遮阳对冬季采暖和夏季空调的能耗都有积极影响，但由于外窗玻璃为Low-e玻璃，自身遮阳系数就已经达到0.65，所以增设外遮阳以后的节能效果并不十分明显（图8）。若设有外遮阳，可以选用非Low-e的普通玻璃，这样可以大大节约玻璃的投资成本。其积极作用毋庸置疑：与优质的外窗配合，能够阻挡住绝大部分阳光的热辐射，提高住宅表皮热功性能，可以有效降低空调负荷，节约能源。因此，夏季通过外遮阳阻断热源可以作为住宅防热的重点。结合建筑形式，在南向及西向安装一定形式的可调外遮阳，随使用情况进行调节，这样既能满足夏季遮阳的要求，又不影响采光及冬季日照要求，是比较合理、高效的遮阳方式。

2.5 体形系数对建筑能耗的影响

控制住宅的体形系数，减少建筑外表皮面积，对被动降低住宅能耗至关重要。根据《计算规范》3.0.21 中的规定，在主体结构内的阳台，应按其结构外围水平面积计算全面积；在主体结构外的阳台，应按其结构底板水平投影面积计算1/2面积。如图9所示，本案例住宅模型中的3个凹阳台因在主体结构以内，按全面积计算；若将其封闭，阳台外侧做保温，体形系数可以从0.41降至0.36（图10）。在不改变围护结构其他参数的前提下，可以有效提升建筑节能效果，这将大大节省保温材料，减少建筑面积，提高住房得房率。

由图11可以看出，当凹阳台封闭，阳台外侧做外墙处理，可以减少外墙面积约469.8m2；阳台窗按外窗处理，可以减少外窗面积85.32m2。按照30mm厚外墙EPS保温板计算，单价约80元/m2，外墙保温可节约3.76万元人民币；模拟外窗选用金属隔热型材，传热系数2.20W/（m2K），市场询价按照单价500元/m2计算，外窗可节约4.27万元；则单栋住宅建筑共可节约8.03万元，单位面积可节约16.9元/m2。同时，凹阳台封闭后的全年能耗模拟结果将从封闭前的24.28 kWh/m2降至封闭后的18.15kWh/m2，降低25.2%，极其接近《导则》指标要求设定的全年空调采暖能耗模拟结果18.08kWh/m2，这相当于将外墙EPS保温层厚度增至100mm时的能耗水平。但在保温层厚度增至100mm的情况下，外墙保温材料和外窗的增量成本就将达到264.3万元，将增加312.6%的投资成本（图12）。由此可见，体形系数对能耗和成本的影响是巨大而有效的。通过封闭凹阳台、减少凹槽等措施，可以适当减小体形系数，取得事半功倍的节能效果。

2.6 空调方式对建筑能耗的影响

根据《标准》本案例模型进行基础工况分析，全年空调采暖模拟能耗为24.28kWh/m2。节能综合指标的计算条件是：冬季全天为18℃，夏季全天为26℃。但这并不符合上海地区的住宅舒适度普遍使用习惯，因此，将实际控制温度调整为：冬季15～18℃之间，夏季26～28℃之间；且空调的实际使用时间也并不是全时间全空间控制，大部分情况是房间有人开启、房间无人关闭、睡前定时2h关闭。另外，对于室内的舒适度，《标准》并未考虑湿度要求，而上海地区的实际情况是，夏季住宅空调的使用过程中存在除湿运行，因此，其舒适度标准可以参考《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736—2012）（下称《设计规范》）规定的“室内温度控制在26～28℃之间时，相对湿度不高于70%”。

图8 外遮阳对建筑能耗的影响

图9 凹阳台封闭图

图10 凹阳台封闭对体形系数和建筑能耗的影响

对当前上海住宅普遍采用的分体式空调和户式中央空调两种形式进行模拟，发现采用分体式空调可以使全年采暖空调能耗大幅度降低46%，约为13.23 kWh/m2；而采用户式中央空调，则将使全年采暖空调能耗提升37.6%，约为33.68 kWh/m2，是采用分体式空调机能耗的2.55倍（图13）。由此可见，仅从能耗控制的角度来看，分体式空调在上海更值得推广。

图11 凹阳台封闭对外墙保温和外窗造价的影响

图12 凹阳台封闭对能耗和增量成本的影响

图13 不同空调形式对能耗的影响

图14 模型案例被动节能率极限研究

3 能耗限值研究

为研究案例模型在上海地区的能耗限值，首先对模型采取如下措施：①将模型参数按照《导则》进行设置；②增设20mm厚胶粉聚苯颗粒厚保温砂浆内保温层；③凸窗改为平窗；④增设铝合金百叶卷帘活动外遮阳；⑤封闭凹阳台，阳台板外侧做外墙处理，封阳台窗按外窗处理；⑥户内采用分体式空调机。然后，进行能耗限值模拟计算，得出其年采暖空调能耗控制在12.88 kWh/m2，建筑节能率可达77.7%（图14）。