探究租赁公寓围护结构热工性能及未来政策建议

盛未力[英格卡购物中心(中国)管理有限公司， 上海 200235]

1 研究背景

租赁公寓，作为住宅建筑的一种，有着居住成本较低、空间私密性较高、配套管理集中等优势。近几年，在“房住不炒”政策下，租赁公寓模式更是成为很多开发商的重要选择之一[1]。与此同时，建筑作为全国最大的能耗去向之一，其能耗水平将对我国“碳达峰”和“碳中和”的成果产生巨大影响[2]。因此，在预期市场增长下，租赁公寓也必将成为承担起更加重要的节能减排责任。在众多节能措施和策略中，提升围护结构的热工性能往往是减少室内空气调节能耗的“第一道防线”。夏热冬冷地区的研究文献显示，外墙、屋顶、外窗对总能耗的影响较大，最高可以分别达到 17%、20% 和 63%[3]。因此，对这三项主要结构的分析研究，将对提升建筑整体能效有着重要的价值。然而，在一些传统的建筑能耗评估方法（如目视检查、经验假设、查表法、数值计算等）中，其结果与实际性能可能存在的差距已经得到文献[4-5]的确认。本文将首先通过对租赁公寓围护结构进行计算并试验验证，来判断现有评估方法可能产生的性能差距。然后通过相关结论对上海地区的 2030 年和 2060年的性能变化进行预测，从而最终得出对未来围护结构政策的建议。

2 研究对象

本文将针对位于上海市的某租赁公寓的围护结构进行深入研究。上海市地处气候温暖潮湿的地带，在全国气候区域划分中属于夏热冬冷地区。本次研究对象建筑于 2018 年开始运营，全部用于租赁，目标客群为市区白领，租赁类型包括单人公寓和家庭公寓，最短租期为 1 a。建筑围护结构设计符合 DGJ 08-205-2015《上海市居住建筑节能设计标准》及 GB 50176-2016《民用建筑热工设计规范》，并已获得二星级绿色建筑设计标识证书。以其中一间顶楼家庭公寓为研究对象，其实际内部测量地板面积为 69.9 m2、外墙面积为 39.5 m2（不含窗）、外窗面积为 19.6 m2、分户墙面积为 23.0 m2、屋顶面积 69.9 m2。本次研究对象的各结构的类型如表 1 所示。

表 1 研究对象的围护结构材料类型

3 围护结构热工性能计算

在过往研究和文献中，常见的表示围护结构的综合热工性的指标包括热损失系数(Heat Loss Coefficient，单位 W/K) 和总传热值（Overall Thermal Transfer Value,OTTV,单位 W/m2）。总传热值由于其公式中采用大量经验值，且我国大陆地区暂无相关法规定义其适宜我国气候的参考经验值，因此在国内的使用比例较低[6]。为使计算结果更有代表性及可比性，本文使用国内更常见的热损失系数(Heat Loss Coefficient)来表示整间公寓的综合热工性。根据定义，热损失系数为结构传热系数[U-value或称K值，单位 W/(m2·K）]与对应结构面积的乘积，各结构热损失系数之和即为该房间的综合热损失系数。本文将采取两种计算方法来估算围护结构传热系数和综合热损失系数。

3.1 计算方法一：设计规范法

在建筑设计期，建设单位需参考 GB 50176-2016 及DGJ 08-205-2015 等标准中的材料导热系数，估算各结构的传热系数。

单层材料热阻R的计算公式如式（1）所示。

式中：D—材料厚度，m；

λ—参考标准的导热系数，W/（m·K）。

结构材料总热阻R计算如式（2）所示。

式中：Ri—室内表面参考热阻，取 0.11 m2·K/W；

∑R—各层材料热阻之和，m2·K/W ；

Re—室外表面参考热阻，取 0.04 m2·K/W。

结构传热系数U计算公式如式（3）所示。

综合热损失系数计算如式（4）所示。

式中：A—各结构的表面积。

根据以上公式计算，可以得出各结构的传热系数如表 2所示。

表 2 研究对象建筑相关围护结构热工参数

根据以上数据可以得出，该建筑综合热损失系数C为103.80 W/K，各结构传热系数均符合相关设计规范，尤其在屋顶和外墙的表现上更加突出，建筑综合热损失系数C较低。户门也低于规范要求，但由于面积较小，对综合热损失系数C贡献有限。

3.2 计算方法二： 能耗模拟法

在社会各界鼓励低能耗、超低能耗住宅的大环境下，通过软件模拟来估算建筑能耗已经成为众多项目辅助设计的重要步骤。对于建筑围护结构的综合热损失系数，也可以通过能耗模拟来进行计算。本次模拟的假设条件如下。

（1）气象参数：CHN_SH_Shanghai.583620_CSWD。

（2）公寓室内温度：冬季（12 月、1 月、2 月）为18 ℃；夏季全天为 26 ℃；过渡季空调常关。

（3）换气次数：1 次/h。

（4）冷热桥系数：0.04 W/（m2·K）。

通过能耗模拟，可以得出研究对象的综合热损失系数C为 109.04 W/K。总体来说，两种方法得出的结果相近。但对比方法一，方法二由能耗模拟得出的综合热损失系数C有 5.1% 的增加。主要原因可能来自能耗模拟在计算时考虑的因素更多，包含了冷热桥和换气时产生的热损失。因此，在设计过程中，软件模拟在估算能耗的辅助设计中具有一定的价值。

4 验证性试验

从过去的一些文献中可以发现，建筑在实际运行中的围护结构性能可能会与设计值有所偏离。这样的结果可能是由建筑施工偏差（冷热桥）或使用年限等原因造成的[4]。由于本研究对象已经投入运营，所以本次研究可通过现场测量的方式，对建筑围护结构进行二次确认。

本次试验参考 ISO 9869:2014《热绝缘建筑构件热阻和传热的现场测定》进行设计。试验器材包括位于墙体内外表面的热电偶，位于内表面的热通量计，以及用于数据采集的数据收集器。测量参数包括结构内外表面温度（Ti和To）及相同位置的热通量（q），测量频率为每 5 min 读取一次。测量期间房间保持空置，除测量设备外，无其他电器开启。

可用式（5）计算围护结构传热系数U。

式中：q—由建筑内向外的热通量，W/m2；

Ti—结构内表面温度，℃；To—结构外表面温度，℃。

由于太阳辐射会对测量传感器造成较大误差，因此其他围护结构不在二次确认范围内，即本次试验对象为项目北侧外墙。在经历约 2 000 h 的持续测量后，测量结果如图1 所示。

图 1 现场测量结果

从图 1 中可以看出，测量外墙的平均内表面温度高于外表面温度。这可能是由热量增加引起的，例如太阳辐射和附近房间的人员活动。相比之下，外表面的温度变化范围也更大，其标准差（s.d.）为 8.32，而内表面温度的标准差为 2.38。室内测量的温度更稳定的现象可能是由建筑围护结构的热阻和热储存引起的，该效应缓和了室内与室外环境的热交换。由测量参数可以计算出，该测量外墙结构的传热系数约为 0.55 W/(m2·K)，比计算方法一中的 0.51 W/（m2·K）约高出 7%。由于两种方法（规范计算法和试验测量法），本身均存在误差，所以结果均值上的少量区别可归因为允许误差，无法得出该围护结构设计与实际性能存在显著差异的结论。综上，可以证明，设计规范法的估算结果在本次研究对象中较为可靠。

5 “双碳”背景下围护结构性能的意义与思路

我国自 2020 年以来，“双碳”愿景已在各行业进行铺展，其中建筑作为用能比例最大的末端之一，有不可推卸的节能责任。与此同时，政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change）报告说，2017 年人类活动造成的全球气候变暖比工业化前的水平高出约 1±0.2 K，每十年气温可能上升 0.2 K。未来持续的温度升高可能会影响建筑对采暖制冷的能源需求。在全球气候变暖的效应下，需对建筑围护结构的应对能力进行探究，以得出相应的政策建议。

5.1 围护结构热损失负荷情景模拟

全球气候模式模拟结果表明，在不同的温室气体浓度情景（RCP2.6/RCP8.5 情景）下，未来不同时期我国年平均气温将持续上升。根据《中华人民共和国气候变化第三次国家信息通报》预测，在低浓度（RCP 2.6）的情景下，2030 年和 2060 年的年平均气温将分别上升 0.08 K 和0.32 K；在高浓度（RCP 8.5）的情景下，2030 年和 2060 年的年平均气温将分别上升 0.62 K 和 2.48 K。假设室内设定温度不变，在不同未来室外空气温度情景下，可以通过所研究房间的综合热损失系数来计算其对热损失负荷的影响。计算公式如式（6）所示。

根据上述计算方法，图 2 列出了不同气候情景下，热损失负荷在室内温度为 25～27°C 的变化。

由图 2 可知，在夏季工况下，为了保持 26 ℃ 左右的内表面温度，研究对象在不同的气候变化情景中的传热表现也不同。在 RCP2.6 低浓度情景中，热损失负荷很小，只有272～297 W；然而，RCP8.5 中对气候显著变暖的悲观预测将导致 2060 年热损失负荷高达 522 W，比 RCP2.6 高出75%。这意味着未来空调能耗将更多地取决于上海的实际温度变化。可以预见，近 40 a 整个城市乃至全国的低碳排放工作的成效将变得至关重要。

图 2 在不同气候情景下 2030 年和 2060 年的热损失负荷预测

5.2 政策建议

在上海市，国家标准对住宅建筑的节能性能进行了规定，其中包括围护结构（U值和采光系数）、空调通风系统、管道系统、电气系统和人工照明系统的最低节能要求。此外，上海市作为中国绿色建筑战略的先行者，相关部门还额外要求上海市区住宅建筑至少达到《绿色建筑评估标准》中的一星级标准，这大大提高了上海市建筑设计的严格度。从本次研究的公寓项目中可以发现，对于严格按照现行节能标准进行设计与建设的公寓来说，其围护结构可以确保其在当前环境下的空调能源需求保持在一个较低值。然而，随着预期的全球温室效应，可能导致 2060 年相同外壳结构的冷负荷大幅增加。这意味着决策者应该不断更新建筑标准，并设定更严格的围护结构限值。根据本文的情景模型，到 2030年和 2060 年，建议在未来的法规更新中，围护结构传热系数的限值应分别至少比当前值降低 3.5% 和 11.4%，以抵消环境变化对建筑性能的影响。此外，对于按照先前较宽松的围护结构法规建造的既有建筑，建议出台计划改造指南。这将填补上海市现有建筑法规对节能改造强制要求的空白。相关政策可借鉴国外较成熟的法规，如《英国建筑法规 2010》第 L1B 部分，为现有围护各结构部分提出最大U值的限值，任何未满足要求的建筑在改造期间需进行围护结构升级。

6 结 语

对建筑节能的严格要求，是国家节能减排中工作中的重点之一，也体现出我国对全球气候变化负责任的态度。本文通过数据计算和试验分析证明了研究对象的围护结构已落实了相关政策对其热工性的要求，有较可靠的保温性能。但随着时间的推移，全球气候变化可能导致同样的围护结构的空调负荷大幅增加，这迫使国家和地方的政策制定者不断优化现有的建设和运营法规，以为国家实现碳中和目标作出贡献。