围合街区中东西向住宅低能耗设计思考与研究

文/中铁房地产集团北方有限公司 陈焕朵

中国建筑设计研究院有限公司 周瑞雪 潘 悦

0 引言

近年来，随着我国提出“碳达峰”和“碳中和”的明确时间节点，建筑行业进行节能减排、降低能源消耗与浪费成为迫切任务。寒冷地区的居住建筑，坐北朝南一直是首选布局模式，由此住宅呈行列式排布成为住区的主要空间形态，邻里空间格局单一，土地利用率难以保证。究其原因，地域气候是其外因，而忽视东西向住宅空间设计及相关技术措施则是重要内因[1]。随着一些先进规划理念的引进，“围合街区”“小街区密路网”“超低能耗”“近零能耗”等新名词逐渐进入人们视野。东西向住宅结合低能耗技术，既可推动土地集约化利用和住区空间形式的改良，又可平衡东西向住宅与南北向住宅的居住体验，是未来居住区规划的探索方向。

低能耗技术是介于普通节能建筑和超低能耗建筑之间的技术，通过采用成熟、多样化的技术手段，满足特定情况下的降低能耗要求，成本增量较低，有较强的现实意义。本文以北京某围合街区项目为研究对象，结合工程设计和理论研究对其低能耗技术进行探讨和分析。

1 围合街区中东西向住宅规划特点

围合街区从城市规划层面的控制尺度一般为南北宽75～90m、东西长120～140m的长方形用地，按照常规建筑南北向排布，最多2排4栋建筑，通过增加转角单元和东西单元，可平均提升地块容积率0.2～0.3，有效提高土地利用效率。但一般规划用地均有一定的偏角，东西向住宅一般应对角布置，如果用地为南偏西，则可将东西向单元布置于用地西南角及东北角，居室日照通过西向解决，反之亦然（见图1）[2]。

图1 围合街区中东西向住宅规划

2 东西向住宅单体设计特点

与南北向住宅相比，东西向住宅在日照、采光、隔热、制冷、通风、节地、空间形态等方面均有区别。寒冷地区东西向住宅的主要空间均可获得短时日照和采光，可避免局部房间日照及采光差的问题。但西向空间需解决隔热问题，西向厨房的制冷问题尤为突出。为兼顾规划形态、室内舒适度、节能、经济性等因素，针对这一局部可采用一定措施重点解决。住宅的通风效果主要取决于平面布局，而在围合街区规划形态下，东西向住宅一般高度较低，前后无遮挡，甚至会获得比南北向住宅更好的通风效果。同时东西向住宅可在节约用地和空间形态上发挥不可或缺的积极作用（见图2）。

图2 东西向住宅效果

3 东西向住宅设计策略

3.1 提高外围护性能，制定低能耗指标

参考《超低能耗居住建筑设计标准》[3]，兼顾室内舒适性、技术可行性和经济性，对外围护性能制定如下指标：非透光位置平均传热系数K≤0.24W/（m2·K）；西向透光部分平均传热系数K≤1.10W/（m2·K），同时太阳得热系数冬季≥0.45，夏季≤0.30。

以钢筋混凝土剪力墙结构体系为例，为实现立面多样化，外墙可选择不同的材料构造。为达到较好的热工性能，常规单一的外保温材料往往较厚，会大量占用建筑的有效使用面积，保温材料与外墙之间的节点处理也较为复杂。因此外保温不仅要保证传热性能，而且应考虑轻量化需求。在预制夹心保温外墙应用中，为保证保温效果，技术上应重点考虑VIP真空绝热板的完整性，设计时应全盘考虑材料尺寸及排板。案例项目同时还探索了新型材料复合的保温构造，中空玻璃微珠是水性纳米系统材料，可达到A级不燃的防火性能，该材料涂覆在物体表面后形成致密的真空层，其真空结构可达到或低于空气导热系数，很好地降低热量损失，同时具有较低的热辐射率，可减少热辐射能损失。为达到低能耗要求，装配式钢筋混凝土外墙还应考虑预制和现浇不同结构间的衔接关系。结合项目实践，外墙外保温可采用不同的组合方式：一种是预制段2mm厚中空玻璃微珠+76mm厚硬泡聚氨酯板（石墨挤塑聚苯板）+2mm厚中空玻璃微珠，现浇段2mm厚中空玻璃微珠+116mm厚岩棉+2mm厚中空玻璃微珠；另一种是预制段20mm厚VIP-I型真空板+60mm厚硬泡聚氨酯板，现浇段为20mm厚VIP-I型真空板+75mm厚岩棉板。

屋顶采用更高性能的材料构造可整体平衡外围护能耗损失，250mm厚石墨聚苯板+50mm厚复合轻骨料垫层或300mm厚模塑聚苯板+30mm厚细石混凝土垫层构造使屋顶平均传热系数达到0.16W/（m2·K）。与此同时将西向外窗的传热系数由1.8W/（m2·K）降至1.1W/（m2·K），并且降低得热系数。

3.2 完善气密性构造

当南北向单元与东西向单元共处一栋建筑时，用变形缝将二者在地上分隔。性能化设计针对东西单元采取单独措施，将东西向单元封闭成完整的气密区，如图3所示，气密区由外门窗、钢筋混凝土墙面相交形成。气密性应符合在室内外压差50Pa下，换气次数不超过1.0次/h。

图3 气密区

3.3 西向主要空间增设简易新风系统作为隔热辅助手段

考虑室内净高影响，住户可在每个主要房间选配无管道新风系统加速空气循环。适用于50m2以内小面积的新风系统包括单向流和双向流2种。新风机可采用壁挂式，在外墙留洞；也可与窗户组合，挂在窗上或考虑室内效果与窗帘结合布置，如图4所示。

图4 小型新风系统

3.4 功能布局优化

首先应尽量保证主要房间免受西晒，可将厨房、卫生间等次要房间置于西面；其次在西向房间外设置阳台、挑板等外遮阳措施可降低西晒影响。对案例项目的某套型进行模拟试验，在6—8月，西侧靠窗区域最多受到约480h/年的阳光直射（见图5）。活动外遮阳可有效降低阳光直射，在夏季平均可减少西侧房间5.3h/d的西晒，外遮阳还可有效提高夏季室内热舒适性。对于案例项目所采用的高性能外窗，外遮阳可将西侧受阳光直射区域的体感温度从28.3℃降低至26.6℃；对于普通外窗，则从30.8℃降低至27.2℃（见图6）。在无外遮阳情况下，相较普通外窗，高性能外窗本身可将体感温度降低约2.5℃。

图5 太阳直射时长分布

图6 室内体感温度分布

3.5 厨房制冷

厨房热量主要来源是太阳辐射及灶具产热，较难通过普通隔热措施解决，需增加制冷措施以保证室内热舒适度。可将冷霸（凉霸）集成在吊顶内，整合换气、吹风、照明等功能，搭载大尺寸出风口，在整个厨房大范围摆风，同时通过定向调节避免直吹灶火。这一措施可解决东西向住宅夏季过热问题，在控制成本增量的情况下为整体热舒适度的提升提供保障。

4 东西向住宅能耗指标测算

案例项目结合《居住建筑节能设计标准》《超低能耗居住建筑设计标准》对80节能住宅、低能耗住宅、超低能耗住宅的不同部位的材料选用进行计算，如表1所示。重点关注建筑能耗，在建筑的热舒适度、技术可行性、实践经济性中寻求平衡。案例项目住宅的外表系数均大于1.0，体形系数为0.3～0.4。选取典型楼进行模拟，最终可看到，通过采用相关措施有效提高了建筑外围护性能指标：非透明部分围护结构传热系数K=0.23W/（m2·K），外门窗传热系数K=1.10W/（m2·K），户门、单元门传热系数K=2.00W/（m2·K），仅针对东西向住宅的隔热、局部制冷问题采取主动和被动相结合的技术措施后，住宅的供暖和供冷能耗介于超低能耗指标和80节能参照建筑能耗指标之间，能耗大幅降低。在综合成本可控的情况下，解决了东西向住宅的核心痛点。

表1 节能技术指标对比

5 结语

在土地集约化与建筑高质量发展的新时代，将会有越来越多的居住区采用“小街区密路网”规划，东西向住宅作为南北向住宅的有益补充，对形成围合街区、提升土地使用效率大有裨益。采用低能耗方法设计的东西向住宅，可在低成本增量的基础上，提升居住品质，是未来居住建筑规划设计的发展趋势。