夏热冬冷地区超低能耗住宅建筑设计策略探析——以长沙地区某小区住宅为例

文／向俊米 湖南大学建筑与规划学院 博士研究生丘陵地区城乡人居环境科学湖南省重点实验室

刘宏成 湖南大学建筑与规划学院丘陵地区城乡人居环境科学湖南省重点实验室

引言

我国1986年颁布《节约能源管理暂行条例》，标志着政府开始关注节能问题。建筑节能是最优潜力和最有效的节能途径。超低能耗、零能耗建筑是降低建筑行业能耗的有效方案，只有超低能耗建筑、零能耗建筑的总比例大于50%，建筑能耗才开始下降[1]。我国的建筑节能在严寒、寒冷地区开展较早，目前政策标准基本配套，超低能耗住宅在河北、天津等地已取得较好效果。夏热冬冷地区超低能耗住宅通常参考德国被动房的外围护指标与结构体系，适用于该地区的超低能耗建筑标准、技术体系与产品还不成熟。

因此，有必要结合该地区气候特征与居民用能方式，以长沙市某小区住宅为例，综合考虑围护结构热工参数对住宅夏、冬季和总能耗的影响，探索适宜的围护结构指标与构造做法，最大限度节约住宅能耗。

1 研究方法

现有超低能耗住宅计算方式以连续用能为主，不符合夏热冬冷地区主要用能习惯。首先，通过文献与问卷调研得出夏热冬冷地区典型用能方式；然后，分析各围护结构与住宅夏、冬季、总能耗的量化关系与围护结构指标；最后，结合住宅实际情况筛选适宜的构造做法与可再生能源利用方式。

2 围护结构与住宅能耗的量化关系

2.1 基准模型

2.1.1 物理模型

长沙市某小区住宅共11 层，每层两梯四户，总建筑面积4802.5m2，层高3.0m。选用Open Studio 软件进行模拟（图1）。现有住宅外墙、屋面基础结构上增加保温层厚度以变化围护结构热工参数；选用德国被动房[2]围护结构热工指标为标准建筑，参考《标准》[3]与研究[4]的围护结构指标要求选取参数范围进行单因素模拟（表1），以分析围护结构参数与夏、冬季及总能耗之间的量化关系。

2.1.2 用能方式

问卷分为住户基本情况与用能方式两部分，通过网络与入户方式在湖南地区共发873 份。由问卷调研可知，夏热冬冷地区居民主要用能方式为间歇用能[5]，周一至周五工作日以夜间卧室用能为主，周末主要使用起居室与卧室空调。即起居室、卧室分开设置用能时间，周一至周五分别为18 ∶00 ～22 ∶00、22 ∶00 ～7 ∶00；周末为7 ∶00 ～22 ∶00，22 ∶00 ～7 ∶00。分体空调占采暖、制冷设备总量的87%。因此区别于德国被动房，用能系统选用一级能效分体空调，空调设定温度夏季26℃，冬季12℃。制冷期为6 月15 日至8 月31 日，采暖期12 月1 日至次年2 月28 日[6]。

2.2 围护结构与能耗的量化关系

结合研究[1]，在标准建筑基础上进行单因素变化模拟，通过多元线性回归分析围护结构参数对住宅夏、冬季与总能耗的影响，总结适宜该地区的零能耗住宅围护结构热工参数组合。

2.2.1 屋面与外墙

由图2 可知，外墙传热系数减小总能耗下降明显；外墙传热系数小于0.18W/m2·K 夏季能耗小幅增加，且住宅外墙主体为200mm 烧结多孔砖，保温层过厚增加施工难度与脱落风险，因此外墙传热系数以0.18W/m2·K 为宜。屋面总能耗随着传热系数减少下降缓慢；屋面k ≤0.20W/m2·K 时出现夏季反节能，保温层过厚延迟效应增加易导致顶层住户夜间夏季夜间过热，屋面传热系数0.20W/m2·K 为最佳。

2.2.2 窗户与遮阳

由图3 可知，随着外窗太阳得热系数的减小，冬季能耗、总能耗逐步增加，分析原因为外窗太阳系数减小不利于冬季室内太阳得热。当外窗SHGC 小于0.3 时，冬季能耗与总能耗增加幅度加大，外窗SHGC≥0.3。外遮阳SHGC小于0.3总能耗减小幅度增大，外遮阳SHGC ≤0.3。

由图4 可知，外窗传热系数减小对冬季能耗的影响大于夏季，分析原因外窗传热系数减小有利于阻止夏季白天室外热量传入室内，但不利于夏季夜间散热。当外窗k ≤0.8w/m2·K，夏季能耗稍有增加，因此外窗传热系数以0.8w/m2·K为宜。

图1 住宅模型示意图（图片来源：作者自绘）

图2 外墙、屋面传热系数对能耗影响图（图片来源：作者自绘）

图3 外窗、外遮阳太阳得热系数对能耗影响图（图片来源：作者自绘）

图4 外窗传热系数对能耗影响图（图片来源：作者自绘）

表1 围护结构做法与参数范围（表格来源：作者自绘）

2.3 围护结构热工参数与住宅能耗的量化模型

通过SPSS 软件分别对围护结构热工参数与夏、冬季及总能耗进行多元线性回归，拟合优度均大于0.9。经计算，已设置外遮阳时，外窗太阳得热系数对夏季、冬季能耗的影响均不显著。围护结构各热工参数对总能耗的影响为外窗传热系数＞墙体传热系数＞外遮阳太阳得热系数＞屋面传热系数＞外窗太阳得热系数。因此窗户选型以外窗传热系数为主要指标。屋面、墙体、外窗传热系数对夏季能耗影响不明显，遮阳的太阳得热系数对夏季能耗影响最大。外窗传热系数、墙体传热系数对冬季能耗影响最大。

综上所述，住宅围护结构热工参数为外墙、屋面、外窗传热系数0.18 w/m2·K、2.0w/m2·K、0.8w/m2·K，外遮阳太阳得热系数0.3。通过Open studio 模拟，较未采用节能措施的住宅节能80.04%。

3 超低能耗住宅设计策略筛选

3.1 围护结构

经计算，外墙挤塑聚苯板厚度应不大于200mm，外墙内保温占用室内过多空间，夹心保温影响外墙承载力，应采用外墙外保温。为方便施工，建议采用装饰保温一体化墙板。正置式保温屋面常因蒸汽无法散出导致保温层湿度增加，节能效果减小，因此选用倒置式保温屋面，建议选用200mm 挤塑聚苯板屋面保温复合板以便屋面保温层更换与维修。三玻两腔氩气铝塑木复合窗传热系数0.8w/m2·K，满足外窗热工参数要求。

3.2 可再生能源

受高层住宅用地限制，不适宜摆放光伏发电设备，选用太阳能热水器作为可再生能源利用方式。住宅共12 层，太阳能集热器置于屋面时中下层管线过长，能源利用效率降低；单个集热板面积2.5m2，共44 个，集热器铺设间隔1.5m，为屋面总面积的30%，大量占用屋面晾晒衣物空间，与长沙地区定期晾晒棉被的生活习惯不符[5]。因此，选用阳台壁挂式太阳能热水器。

结语

以长沙市某小区住宅为例，对夏热冬冷地区超低能耗住宅建筑实施路径进行探索，得到结论如下：

（1）围护结构热工参数对总能耗的影响为外窗传热系数＞墙体传热系数＞遮阳太阳得热系数＞屋面传热系数＞外窗太阳得热系数，外窗太阳得热系数对夏季、冬季、总能耗影响均不大。

（2）夏热冬冷地区围护结构传热系数对住宅冬季能耗的影响大于夏季；遮阳的太阳得热系数对夏季能耗的影响最大，较严寒、寒冷地区，该地区住宅隔热设计十分重要。

（3）建筑围护结构设计、可再生能源利用应结合住宅建筑空间特点与居民用能方式。外墙、屋面宜选择外墙外保温与倒置式屋面，均采用保温装饰一体化板；阳台壁挂式太阳能热水器较屋面太阳能集热器更适用于高层住宅。