夏熱冬暖地區(qū)建筑節(jié)能構(gòu)造設(shè)計探析

張嘉龍

（廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

中國建筑節(jié)能協(xié)會發(fā)布的《中國建筑能耗研究報告（2020）》顯示，2018年全國建筑全過程碳排放總量為49.3億t，占全國碳排放比重的51.3%。為進一步加強對民用建筑節(jié)能技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新，促進城市的節(jié)能減排，住建部批準(zhǔn)《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》（以下簡稱《通用規(guī)范》）為國家標(biāo)準(zhǔn)，自2022年4月1日起實施。該規(guī)范提出新建居住建筑和公共建筑平均設(shè)計能耗水平應(yīng)在2016年執(zhí)行的節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上分別降低30%和20%。發(fā)布新規(guī)旨在提高能源和資源的利用效率，推動可再生能源的利用，降低建筑碳排放，營造良好的建筑室內(nèi)環(huán)境，這對建筑規(guī)劃設(shè)計上的立面色劑、圍護結(jié)構(gòu)、建筑遮陽、再生能源等應(yīng)用方面提出了新的要求。

1 《通用規(guī)范》對規(guī)劃設(shè)計的影響

《通用規(guī)范》對夏熱冬暖地區(qū)建筑朝向的定義有所改變，原定義為“東西向”范圍為從東或西偏北≤60°至偏南＜60°范圍，新規(guī)劃規(guī)定東西方向120°范圍內(nèi)均屬于東西向，占比66%。由此可見，建筑師需要注意居住小區(qū)樓棟布局的朝向，盡量避免建筑物布置的法線角度大于30°，否則在節(jié)能方面，常規(guī)建筑南北向外墻外窗將比認定為東西朝向的外窗對遮陽系數(shù)和傳熱系數(shù)的限值更為嚴(yán)格。

2 《通用規(guī)范》對立面設(shè)計的影響

《通用規(guī)范》對各類型建筑窗墻面積比的計算做了統(tǒng)一規(guī)定：①居住建筑計算開間窗墻面積比。②公共建筑計算單一立面窗墻面積比。③工業(yè)建筑計算總窗墻面積比。其中居住建筑窗墻面積比以房間開間定位線與立面單元比值為判定依據(jù)，也就是說，設(shè)計時應(yīng)注意全樓最不利單元房間（最大開間）的窗墻比，此比值會影響外窗的限值設(shè)計。同時《通用規(guī)范》要求樓梯間、電梯間外墻外窗均參與窗墻比計算，另外由于南方地區(qū)首層入戶大堂多結(jié)合架空層設(shè)計落地玻璃窗，設(shè)計時應(yīng)避免大堂外窗過大。

夏熱冬暖地區(qū)由外窗透光部分進入室內(nèi)的熱量是造成夏季室溫過熱及空調(diào)能耗上升的主要原因。為了節(jié)約能源，《通用規(guī)范》要求對甲類公共建筑東、南、西向外窗和透光幕墻采取遮陽措施，而居住建筑沿用夏熱冬暖地區(qū)居住建筑現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，其中東西向外窗的建筑遮陽系數(shù)應(yīng)不大于0.8。因此在建筑設(shè)計中，建筑師應(yīng)從方案階段開始，結(jié)合立面考慮遮陽措施的設(shè)計[1]。

《通用規(guī)范》要求新建建筑安裝太陽能系統(tǒng)，并對其參數(shù)檢測計量、集熱器設(shè)計使用壽命提出了要求。同時要求新建、擴建和改建建筑以及既有建筑節(jié)能改造工程的建筑節(jié)能與可再生能源應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計、施工、驗收及運行管理必須嚴(yán)格執(zhí)行《通用規(guī)范》。因此，夏熱冬暖地區(qū)建筑如何結(jié)合太陽能系統(tǒng)進行外立面或屋面第五立面的設(shè)計，也是設(shè)計時需要提前考慮的地方。集熱器設(shè)計應(yīng)布置在向陽面，可結(jié)合陽臺飄板安裝平板太陽能集熱器，直接接入陽臺水箱，如圖1所示。

圖1 太陽能裝置墻身大樣

太陽能系統(tǒng)與建筑一體化是根據(jù)節(jié)能、環(huán)保、安全、美觀和經(jīng)濟實用的總體要求，使太陽能熱水系統(tǒng)作為建筑的標(biāo)準(zhǔn)體系進入建筑領(lǐng)域，使太陽能系統(tǒng)成為建筑的一個構(gòu)件，同時實現(xiàn)太陽能系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、配套化，實現(xiàn)太陽能系統(tǒng)與建筑的同步設(shè)計、同步施工、同步驗收、同步后期管理，實現(xiàn)二者的完美結(jié)合，從而達到建筑節(jié)能和增強建筑美觀性的雙重效果。太陽能裝置實景如圖2所示。

圖2 太陽能裝置實景

3 提升節(jié)能水平對各類建筑構(gòu)造的影響

3.1 對居住建筑節(jié)能構(gòu)造的影響

以夏熱冬暖地區(qū)某居住建筑為例進行熱工計算，《通用規(guī)范》規(guī)定了屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的限值K≤0.4，要求當(dāng)外墻圍護結(jié)構(gòu)熱惰性指標(biāo)不大于2.5時，外墻傳熱系數(shù)K≤0.7；當(dāng)熱惰性指標(biāo)大于2.5時，外墻傳熱系數(shù)K≤1.5。可見，對比舊規(guī)的傳熱系數(shù)0.9和2.5，新規(guī)提升了屋面和外墻的傳熱系數(shù)?，F(xiàn)行的夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)對外窗傳熱系數(shù)無要求，《通用規(guī)范》要求外窗傳熱系數(shù)小于3.5，其中，玻璃的太陽能得熱系數(shù)（solar heat gain coefficient,SHGC）小于0.35，這意味著以往外窗普通鋁合金窗加透明玻璃的構(gòu)造已不符合要求[2]，需改用普通鋁合金加Low-E玻璃，或者采用斷熱鋁合金窗框加中空玻璃。原外墻構(gòu)造為常規(guī)輕質(zhì)圍護結(jié)構(gòu)加氣混凝土結(jié)合砂漿找平層，傳熱系數(shù)可達到0.95。南方地區(qū)外圍護結(jié)構(gòu)需考慮保溫的位置主要為1 m的剪力墻部分，常規(guī)做法為剪力墻抹30 mm?；⒅楸厣皾{，此構(gòu)造的傳熱系數(shù)僅能降低至1.75。要達到新規(guī)定要求的1.5，需改用保溫板材（巖棉板或改性聚苯板），且出于對計算準(zhǔn)入條件的權(quán)衡，外墻、屋頂、外窗的傳熱系數(shù)不得降低。夏熱冬暖地區(qū)居住建筑主要維護結(jié)構(gòu)性能構(gòu)造提升參數(shù)如表1所示。

表1 夏熱冬暖地區(qū)居住建筑主要維護結(jié)構(gòu)性能構(gòu)造提升參數(shù)

3.2 對公共建筑節(jié)能構(gòu)造的影響

以廣州某公共建筑為例，針對新規(guī)，主要維護結(jié)構(gòu)熱工提升，主要提升在屋面和外窗，至少提升15%，同時東、西、南向外窗和幕墻需設(shè)置外遮陽措施。對于公共建筑，《通用規(guī)范》要求屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)不大于0.4，當(dāng)外墻圍護結(jié)構(gòu)熱惰性指標(biāo)不大于2.5時，傳熱系數(shù)K≤0.7；當(dāng)熱惰性指標(biāo)大于2.5時，傳熱系數(shù)小于K≤1.5[3]。以屋面構(gòu)造常用保溫材料擠塑聚苯板為例，節(jié)能模型計算厚度為80 mm才符合要求，而南方地區(qū)為延長防水層的使用壽命，多使用倒置式屋面，倒置式屋面保溫層的設(shè)計厚度應(yīng)在計算厚度的基礎(chǔ)上增加25%[4]，即保溫層實際施工厚度應(yīng)達到100 mm。外墻的傳熱系數(shù)設(shè)計值的提高不明顯，筆者以常見框剪結(jié)構(gòu)的公共建筑為例，對于大于1 m的剪力墻保溫構(gòu)造，采用原常見保溫砂漿的做法，即使用20 mm厚巖棉板仍符合新規(guī)的節(jié)能設(shè)計要求，性能指標(biāo)如表2所示。

表2 夏熱冬暖地區(qū)公共建筑主要維護結(jié)構(gòu)性能構(gòu)造提升參數(shù)

如前文所述，由外窗透光部分進入室內(nèi)的熱量是建筑能耗上升的主要原因，外窗作為建筑維護結(jié)構(gòu)的主要組成，《通用規(guī)范》對其設(shè)計系數(shù)的要求也比較嚴(yán)格，以本項目窗墻比0.5為例，現(xiàn)行普遍設(shè)計使用的普通鋁合金框加Low-E中空玻璃已不能滿足新規(guī)的節(jié)能要求，需使用斷熱橋鋁窗框才能達到新規(guī)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

除了圍護結(jié)構(gòu)熱工性能限值要求外，設(shè)計亦可通過性能權(quán)衡和對比參照建筑通過節(jié)能計算。在這方面，《通用規(guī)范》提高了透光圍護結(jié)構(gòu)權(quán)衡計算準(zhǔn)入條件，準(zhǔn)入條件為提升20%以上，如表3所示。對進行權(quán)衡判斷的建筑設(shè)置圍護結(jié)構(gòu)的基本要求，目的是避免出現(xiàn)圍護結(jié)構(gòu)熱工性能過差的情況，并控制窗墻比過大的項目，保證建筑能耗降低[5]。同時，公共建筑權(quán)衡計算準(zhǔn)入條件全面提升，增加了窗墻面積比小于0.4的強制要求，并增加了周邊地面和地下室外墻熱阻的強制要求，同時要求屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、周邊地面和地下室外墻熱阻不得降低。新標(biāo)準(zhǔn)對SHGC及外窗性能的要求提高，這雖然增加了建設(shè)單位的建設(shè)成本，但推動了生產(chǎn)廠家研發(fā)新產(chǎn)品。

表3 夏熱冬暖公共建筑透光維護結(jié)構(gòu)權(quán)衡準(zhǔn)入系數(shù)對比

3.3 對超高層建筑節(jié)能構(gòu)造的影響

對于超高層建筑，廣東省住建部在“十四五”規(guī)劃的通知中明確要求所有新建超高層建筑需要滿足綠色建筑三星標(biāo)準(zhǔn)。南方地區(qū)新建超高層建筑多為框筒結(jié)構(gòu)，并采用玻璃幕墻，一般窗墻比大于0.6。在此要求下，夏熱冬暖地區(qū)超高層建筑主要維護結(jié)構(gòu)性能構(gòu)造提升參數(shù)如表4所示。由于綠建三星規(guī)定性指標(biāo)要求圍護結(jié)構(gòu)熱工提升20%，由表中外窗SHGC≤0.2反推，玻璃的遮陽系數(shù)須小于0.28，現(xiàn)有市場產(chǎn)品使用三銀Low-E玻璃才能達到此標(biāo)準(zhǔn)。

表4 夏熱冬暖地區(qū)超高層建筑主要維護結(jié)構(gòu)性能構(gòu)造提升參數(shù)

4 結(jié)語

綜上所述，由于減碳目標(biāo)在建筑設(shè)計中越來越重要，因此應(yīng)在建筑規(guī)劃設(shè)計和建筑設(shè)計階段，控制朝向，結(jié)合立面控制各朝向窗墻比，充分挖掘建筑節(jié)能減碳的能力，而非在方案定型后或在施工圖階段再進行節(jié)能設(shè)計。未來的建筑趨勢將會是光伏發(fā)電與建筑結(jié)合，推動智慧建造與新型建筑工業(yè)化產(chǎn)品的協(xié)同發(fā)展。本文通過分析《通用規(guī)范》對夏熱冬暖地區(qū)建筑設(shè)計的影響，得出關(guān)鍵構(gòu)造較為合理的節(jié)能設(shè)計方案，為節(jié)能優(yōu)化設(shè)計提供了可行方法。