建筑围护结构热工性能在建筑节能中的应用

　　1 引言

　　《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2006）优选项第 5.2.16条规定：建筑设计总能耗低于国家批准或备案的节能标准规定值的80%.《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2005）中指出：在公共建筑（特别是大型商场、高档旅馆酒店、高档办公楼等）的全年能耗中，大约 50% ~ 60% 消耗于空调制冷与采暖系统，其中大约20% ~ 50% 由外围护结构传热所消耗（夏热冬暖地区大约 20%,夏热冬冷地区大约 35%,寒冷地区大约 40%,严寒地区大约 50%）。

　　关于夏热冬暖地区的建筑节能研究，国内学者已做了相当的工作。付祥钊（2002）、姬永洲（2009）从建筑围护结构层面对夏热冬暖地区的建筑节能技术做了全面分析和研究，指出该地区设计要注重通风、遮阳，围护结构要注重外窗玻璃，这是节能的关键。籍存德等（2006）分析了夏热冬暖地区办公建筑的耗能现状，并根据气候特点提出防晒墙和架空屋顶的设计，遮阳板的形式和选择及各朝向的玻璃优化等符合夏热冬暖地区的节能措施。林宪德（2003）根据台湾的气候特点，提出了隔热与遮阳并重的亚热带绿色建筑美学，并深入分析了各种绿色技术，指出了通风、遮阳、隔热、防潮对该地区建筑的重要性。林宪德（2010）设计的台湾绿色魔法学校通过开口设计、遮阳设计、屋顶花园实现节能 16.5%,通过风扇通风、浮力通风再节能 10.6%.

　　赵立华等（2008）对广州地区某窗墙面积比较大的公共建筑进行了动态模拟计算，结果表明：降低外窗的遮阳系数、外墙和屋顶的传热系数对减少建筑全年空调能耗和最大空调冷负荷有利，但降低窗的传热系数对减少建筑全年空调能耗和最大空调冷负荷不利。遮阳系数较小、传热系数较大的窗和传热系数较小的墙、屋顶组合起来节能效果最好，节能率达到 9.95%.上述众多学者的研究成果表明，通过改善围护结构热工性能实现建筑能耗的降低，夏热冬暖地区的难度要远高于其他地区。在标准执行过程中，大多数绿色建筑项目（袁小宜，2010;郑福居，2012;张磊，2014;余鸿高，2013）的节能率综合考虑围护结构、照明、空调等设备的节能效果及可再生能源利用量的计算。

　　《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2014）（以下简称“新版标准”）中则明确针对建筑围护结构热工性能制定了评分规则，其中，评分项第 5.2.3 条规定：围护结构热工性能比国家现行相关建筑节能设计标准的规定提高幅度或者供暖空调全年计算负荷的降低幅度达到5%,得 5 分；达到 10%,得 10 分。加分项第 11.2.1 条规定：围护结构热工性能比国家现行相关建筑节能设计标准的规定高 20% 或者供暖空调全年计算负荷降低幅度达到 15%,得 2 分。夏热冬暖地区围护结构热工性能的提高主要通过透明围护结构的遮阳系数的降低，其前提是建筑节能设计的各项规定性指标均满足标准要求，这在实际工程中往往很难做到。而供暖空调全年计算负荷的降低程度可通过比较计算得到，在建筑外形、内部功能分区、气象参数、建筑的室内供暖空调设计参数、空调供暖系统形式和设计的运行模式、系统设备参数等条件不变的情况下，计算设计建筑和参照建筑的负荷，并比较差异。随着新版标准的施行，有必要研究夏热冬暖地区提高建筑围护结构热工性能对降低建筑能耗的节能潜力，以及实现建筑低能耗所需要采取的综合措施。

　　2 围护结构热工性能对建筑能耗的影响分析

　　建筑屋顶传热系数、外墙传热系数、窗墙面积比、外窗遮阳系数、综合遮阳系数都会对建筑能耗产生不同程度的影响。外窗的遮阳系数对夏热冬暖地区建筑空调能耗的影响最大，尤其是大窗墙面积比的高层公共建筑，而外墙、屋面热工性能对建筑能耗的影响很小。本文算例一对大窗墙面积比的高层公共建筑的能耗进行了分析，算例二选取多层、小窗墙面积比的公共建筑，综合分析墙体、屋面、外窗的热工性能对建筑能耗的影响。

　　2.1 外窗遮阳系数对建筑能耗的影响

　　算例一选取某窗墙面积比较大的高层建筑进行节能计算，分析外窗遮阳系数降低对能耗的影响。建筑体形系数为 0.17,设计建筑除挑空楼板的传热系数外，屋面、外墙和窗的传热系数均满足规定性指标且与参照建筑相同，室内参数按《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2005）附录 B 设置。各朝向综合遮阳系数取值依次为 0.31、0.30、0.28、0.25、0.20,其中 0.30、0.28、0.25 分别对应参照建筑遮阳系数最小限值 0.31 降低 5%、10%、20% 后的值（表 1），采用斯维尔节能设计软件 20141212（SP3）版计算建筑能耗（表 2）。

　　由结果可知，当设计建筑综合遮阳系数按照比参照建筑降低 5%、10%、20% 时，空调全年计算负荷降低幅度均小于 5%,若按照新版标准的要求进行评价则均不能得分。遮阳系数为 0.20 时，空调负荷降低幅度达 6.62%,仅满足新版标准 5 分档的要求，而实际建筑外窗遮阳系数很难达到该水平。因而，该类建筑若要满足评分要求，宜使其在满足规定性指标的前提下按照外窗遮阳系数降低幅度进行评价。

　　根据现行节能设计标准，将不同窗墙面积比情况下的遮阳系数提高 5%、10%、20%（表 3）。当窗墙面积比大于 0.5 时，若要显着提高性能则意味着综合遮阳系数基本上应小于 0.30,实现起来具有一定的难度。可见对于窗墙面积比大的建筑，无论是提高围护结构热工性能，还是降低供暖空调全年计算负荷都有一定的困难。

　　2.2 围护结构热工性能对建筑能耗的综合影响

　　算例二为某窗墙面积比较小的公共建筑，体形系数为 0.38,外挑楼板传热系数K为3.84,不满足规定性指标的要求。王欢等（2011）发现该地区建筑外窗传热系数对空调能耗影响较小，因而仅分析屋顶传热系数、外墙传热系数、综合遮阳系数变化对其全年能耗的影响。

　　考虑到地域特点和技术的可行性，将屋顶传热系数 K 设为 0.9、0.7、0.5W/（m2·K）共 3 种工况，记为 A1 ~ A3;外墙传热系数 K 设为1.5、1.3、1.1、0.9、0.7W/（m2·K）共 5 种工况，记为 B1 ~ B5;综合遮阳系数设为 0.6、0.5、0.4、0.3、0.2 共 5 种工况，记为C1 ~ C5.上述所有工况组合得到 75 种不同的方式，外墙表面太阳辐射吸收系数取0.65,屋面太阳辐射吸收系数取0.75,室内参数按《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2005）附录 B 设置，具体参数设置如表 4 所示。将计算结果按照新版标准规定的能耗降低幅度范围进行归类，得到满足标准要求时对应的屋顶传热系数、外墙传热系数和综合遮阳系数的组合方式（图 1）。

　　建筑的外墙、屋面、外窗的传热系数均满足规定性指标要求，若忽略热工性能不合格的外挑楼板，则设计建筑在采用遮阳系数 0.42时，围护结构的热工性能提高 5%,采用 0.40 时提高 10%,采用 0.36时提高 20%.因而，对于小窗墙面积比的建筑，通过降低外窗遮阳系数可以比较容易获得新版标准第 5.2.3 条的 10 分，甚至于第 11.2.1条的 2 分加分，但前提是要满足各项规定性指标的要求，否则按空调全年计算负荷降低幅度进行评价。

　　根据图 1 所示，降低 5% 相对容易实现，优先推荐 A1B1C3 组合，屋顶采用常规钢筋混凝土 + 保温层构造，外墙采用自保温砌块辅以较薄保温层或选择太阳辐射吸收系数较小的饰面材料，外窗设计一定的遮阳构件或选择遮阳系数较小的玻璃即可满足，而挑空楼板依然可以不做保温处理。若要降低 10%,优先推荐 A1B3C4 组合，需要在以上基础上加大屋面和墙体保温层厚度，特别需要进一步降低综合遮阳系数。关于 A1B1C5 方案，虽外墙屋面可不采用过厚保温层，但遮阳系数过小的玻璃通常具有较低的可见光透射比，影响室内采光质量。

　　若要降低 15%,则仅有 A3B5C5 方案，设计建筑的能耗较参照建筑降低 15.05%,勉强达到新版标准第 11.2.1 条的要求，可得 2 分加分。但夏热冬暖地区的建筑屋面、外墙、外窗的现有技术都很难达到此热工性能。

　　目前夏热冬暖地区的公共建筑一般都通过权衡判断完成建筑节能设计，规定性指标完全合格的几乎没有，其中最普遍的是底面接触室外空气的架空或外挑楼板，按规范要求需要做保温处理，但这部分不会受到太阳直接照射，一般面积也较小，因此设计中往往不做保温处理；其次是外窗的遮阳系数和传热系数，标准中按单一朝向窗墙面积比给出不同的要求，但实际建筑中往往同一栋建筑采用同样的外窗，部分朝向性能提高而部分朝向不合格的情况普遍存在；另外，外墙传热系数不合格，夏热冬暖地区普遍采用 200mm 厚加气混凝土墙体，考虑钢筋混凝土剪力墙、梁、柱的热桥影响，其传热系数往往不能满足标准规定的 1.5W/（m2·K）的要求。

　　对于窗墙面积比较小的建筑，若要得到新版标准第 5.2.3 条的 5分，建议选择空调全年计算负荷降低幅度进行评价，若要得到 10 分，需要综合考虑实际情况选取评价方法；若要得到第 11.2.1 条的 2 分加分，宜按照围护结构热工性能提高幅度进行评价。

　　3 建筑及围护结构节能措施分析

　　通过以上分析可见，单纯依靠降低围护结构的传热系数和遮阳系数，对降低夏热冬暖地区公共建筑能耗作用有限。本文以两栋使用要求不同的建筑为研究对象，分析其围护结构热工性能、空调作息、空调使用面积、建筑遮阳、通风等因素对建筑能耗的影响，从而得出夏热冬暖地区公共建筑围护结构节能的技术措施。