夏热冬暖地区建筑节能构造设计探析

张嘉龙

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州 510010）

0 引言

中国建筑节能协会发布的《中国建筑能耗研究报告（2020）》显示，2018年全国建筑全过程碳排放总量为49.3亿t，占全国碳排放比重的51.3%。为进一步加强对民用建筑节能技术的研发和创新，促进城市的节能减排，住建部批准《建筑节能与可再生能源利用通用规范》（以下简称《通用规范》）为国家标准，自2022年4月1日起实施。该规范提出新建居住建筑和公共建筑平均设计能耗水平应在2016年执行的节能设计标准的基础上分别降低30%和20%。发布新规旨在提高能源和资源的利用效率，推动可再生能源的利用，降低建筑碳排放，营造良好的建筑室内环境，这对建筑规划设计上的立面色剂、围护结构、建筑遮阳、再生能源等应用方面提出了新的要求。

1 《通用规范》对规划设计的影响

《通用规范》对夏热冬暖地区建筑朝向的定义有所改变，原定义为“东西向”范围为从东或西偏北≤60°至偏南＜60°范围，新规划规定东西方向120°范围内均属于东西向，占比66%。由此可见，建筑师需要注意居住小区楼栋布局的朝向，尽量避免建筑物布置的法线角度大于30°，否则在节能方面，常规建筑南北向外墙外窗将比认定为东西朝向的外窗对遮阳系数和传热系数的限值更为严格。

2 《通用规范》对立面设计的影响

《通用规范》对各类型建筑窗墙面积比的计算做了统一规定：①居住建筑计算开间窗墙面积比。②公共建筑计算单一立面窗墙面积比。③工业建筑计算总窗墙面积比。其中居住建筑窗墙面积比以房间开间定位线与立面单元比值为判定依据，也就是说，设计时应注意全楼最不利单元房间（最大开间）的窗墙比，此比值会影响外窗的限值设计。同时《通用规范》要求楼梯间、电梯间外墙外窗均参与窗墙比计算，另外由于南方地区首层入户大堂多结合架空层设计落地玻璃窗，设计时应避免大堂外窗过大。

夏热冬暖地区由外窗透光部分进入室内的热量是造成夏季室温过热及空调能耗上升的主要原因。为了节约能源，《通用规范》要求对甲类公共建筑东、南、西向外窗和透光幕墙采取遮阳措施，而居住建筑沿用夏热冬暖地区居住建筑现行标准，其中东西向外窗的建筑遮阳系数应不大于0.8。因此在建筑设计中，建筑师应从方案阶段开始，结合立面考虑遮阳措施的设计[1]。

《通用规范》要求新建建筑安装太阳能系统，并对其参数检测计量、集热器设计使用寿命提出了要求。同时要求新建、扩建和改建建筑以及既有建筑节能改造工程的建筑节能与可再生能源应用系统的设计、施工、验收及运行管理必须严格执行《通用规范》。因此，夏热冬暖地区建筑如何结合太阳能系统进行外立面或屋面第五立面的设计，也是设计时需要提前考虑的地方。集热器设计应布置在向阳面，可结合阳台飘板安装平板太阳能集热器，直接接入阳台水箱，如图1所示。

图1 太阳能装置墙身大样

太阳能系统与建筑一体化是根据节能、环保、安全、美观和经济实用的总体要求，使太阳能热水系统作为建筑的标准体系进入建筑领域，使太阳能系统成为建筑的一个构件，同时实现太阳能系统的标准化、系列化、配套化，实现太阳能系统与建筑的同步设计、同步施工、同步验收、同步后期管理，实现二者的完美结合，从而达到建筑节能和增强建筑美观性的双重效果。太阳能装置实景如图2所示。

图2 太阳能装置实景

3 提升节能水平对各类建筑构造的影响

3.1 对居住建筑节能构造的影响

以夏热冬暖地区某居住建筑为例进行热工计算，《通用规范》规定了屋面传热系数的限值K≤0.4，要求当外墙围护结构热惰性指标不大于2.5时，外墙传热系数K≤0.7；当热惰性指标大于2.5时，外墙传热系数K≤1.5。可见，对比旧规的传热系数0.9和2.5，新规提升了屋面和外墙的传热系数。现行的夏热冬暖地区居住建筑节能标准对外窗传热系数无要求，《通用规范》要求外窗传热系数小于3.5，其中，玻璃的太阳能得热系数（solar heat gain coefficient,SHGC）小于0.35，这意味着以往外窗普通铝合金窗加透明玻璃的构造已不符合要求[2]，需改用普通铝合金加Low-E玻璃，或者采用断热铝合金窗框加中空玻璃。原外墙构造为常规轻质围护结构加气混凝土结合砂浆找平层，传热系数可达到0.95。南方地区外围护结构需考虑保温的位置主要为1 m的剪力墙部分，常规做法为剪力墙抹30 mm玻化微珠保温砂浆，此构造的传热系数仅能降低至1.75。要达到新规定要求的1.5，需改用保温板材（岩棉板或改性聚苯板），且出于对计算准入条件的权衡，外墙、屋顶、外窗的传热系数不得降低。夏热冬暖地区居住建筑主要维护结构性能构造提升参数如表1所示。

表1 夏热冬暖地区居住建筑主要维护结构性能构造提升参数

3.2 对公共建筑节能构造的影响

以广州某公共建筑为例，针对新规，主要维护结构热工提升，主要提升在屋面和外窗，至少提升15%，同时东、西、南向外窗和幕墙需设置外遮阳措施。对于公共建筑，《通用规范》要求屋面传热系数不大于0.4，当外墙围护结构热惰性指标不大于2.5时，传热系数K≤0.7；当热惰性指标大于2.5时，传热系数小于K≤1.5[3]。以屋面构造常用保温材料挤塑聚苯板为例，节能模型计算厚度为80 mm才符合要求，而南方地区为延长防水层的使用寿命，多使用倒置式屋面，倒置式屋面保温层的设计厚度应在计算厚度的基础上增加25%[4]，即保温层实际施工厚度应达到100 mm。外墙的传热系数设计值的提高不明显，笔者以常见框剪结构的公共建筑为例，对于大于1 m的剪力墙保温构造，采用原常见保温砂浆的做法，即使用20 mm厚岩棉板仍符合新规的节能设计要求，性能指标如表2所示。

表2 夏热冬暖地区公共建筑主要维护结构性能构造提升参数

如前文所述，由外窗透光部分进入室内的热量是建筑能耗上升的主要原因，外窗作为建筑维护结构的主要组成，《通用规范》对其设计系数的要求也比较严格，以本项目窗墙比0.5为例，现行普遍设计使用的普通铝合金框加Low-E中空玻璃已不能满足新规的节能要求，需使用断热桥铝窗框才能达到新规的设计标准。

除了围护结构热工性能限值要求外，设计亦可通过性能权衡和对比参照建筑通过节能计算。在这方面，《通用规范》提高了透光围护结构权衡计算准入条件，准入条件为提升20%以上，如表3所示。对进行权衡判断的建筑设置围护结构的基本要求，目的是避免出现围护结构热工性能过差的情况，并控制窗墙比过大的项目，保证建筑能耗降低[5]。同时，公共建筑权衡计算准入条件全面提升，增加了窗墙面积比小于0.4的强制要求，并增加了周边地面和地下室外墙热阻的强制要求，同时要求屋面传热系数、周边地面和地下室外墙热阻不得降低。新标准对SHGC及外窗性能的要求提高，这虽然增加了建设单位的建设成本，但推动了生产厂家研发新产品。

表3 夏热冬暖公共建筑透光维护结构权衡准入系数对比

3.3 对超高层建筑节能构造的影响

对于超高层建筑，广东省住建部在“十四五”规划的通知中明确要求所有新建超高层建筑需要满足绿色建筑三星标准。南方地区新建超高层建筑多为框筒结构，并采用玻璃幕墙，一般窗墙比大于0.6。在此要求下，夏热冬暖地区超高层建筑主要维护结构性能构造提升参数如表4所示。由于绿建三星规定性指标要求围护结构热工提升20%，由表中外窗SHGC≤0.2反推，玻璃的遮阳系数须小于0.28，现有市场产品使用三银Low-E玻璃才能达到此标准。

表4 夏热冬暖地区超高层建筑主要维护结构性能构造提升参数

4 结语

综上所述，由于减碳目标在建筑设计中越来越重要，因此应在建筑规划设计和建筑设计阶段，控制朝向，结合立面控制各朝向窗墙比，充分挖掘建筑节能减碳的能力，而非在方案定型后或在施工图阶段再进行节能设计。未来的建筑趋势将会是光伏发电与建筑结合，推动智慧建造与新型建筑工业化产品的协同发展。本文通过分析《通用规范》对夏热冬暖地区建筑设计的影响，得出关键构造较为合理的节能设计方案，为节能优化设计提供了可行方法。