被動房住宅圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)研究
——以寒冷地區(qū)天津市為例

房濤，管振忠，何文晶（1.山東建筑大學建筑城規(guī)學院，山東濟南　　250101；2.山東省綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心，山東濟南　250101）

被動房住宅圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)研究
——以寒冷地區(qū)天津市為例

房濤1，2，管振忠1，2，何文晶1，2
（1.山東建筑大學建筑城規(guī)學院，山東濟南250101；2.山東省綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心，山東濟南250101）

寒冷地區(qū)住宅圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計參數(shù)中的外圍護結(jié)構(gòu)保溫層厚度、外窗傳熱系數(shù)、窗墻比等是住宅運行能耗主要影響因素，針對節(jié)能設(shè)計參數(shù)的分析與優(yōu)化是實現(xiàn)超低能耗這一目標的關(guān)鍵。文章以寒冷地區(qū)天津市氣候特征為基礎(chǔ)，采用了多重能耗影響因素單一變量下的住宅能耗仿真計算方法，分析了設(shè)計階段外圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)對住宅運行能耗影響程度，以此確定了被動房住宅圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)值，結(jié)果表明:非透明圍護結(jié)構(gòu)中的外墻傳熱系數(shù)K為0.14 W/（m2·K），屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.145 W/（m2·K）；透明圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)南、北向均為0.78 W/（m2·K），東、西向均為1.0 W/（m2·K），太陽得熱系數(shù)SHGC值均不小于0.474；窗墻比在選用上述圍護結(jié)構(gòu)的前提下，南向為0.7～0.8，東、西、北向按照GB 50033—2013《建筑采光設(shè)計標準》對窗地比要求最小值設(shè)定。

寒冷地區(qū)；被動房住宅；節(jié)能設(shè)計；關(guān)鍵參數(shù)

0　引言

歐洲各國自20世紀80年代以來開始關(guān)注建筑的節(jié)能問題，經(jīng)過幾十年的發(fā)展逐漸形成了各自的節(jié)能建筑發(fā)展理念。2010年歐洲建筑性能指南EPBD（Energy Performance of Buildings Directive）對歐洲國家進行的調(diào)查顯示，不同國家對低能耗建筑的命名各不相同，包括“低能耗建筑”“高性能房屋”“節(jié)能住宅”“三升油住宅”等［1］。各國分別制定了低能耗建筑的計算方式和相應(yīng)標準，例如丹麥的DK Low energy class1、法國的 Effinergie、瑞士的Minergie、德國的Passivhaus等［2］。2011年6月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部與德國交通、建設(shè)和城市發(fā)展部簽署了《關(guān)于建筑節(jié)能與低碳生態(tài)城市建設(shè)技術(shù)合作諒解備忘錄》，其中將“發(fā)展被動式低能耗建筑以最大限度地降低建筑用能需求”作為重要合作內(nèi)容?！氨粍邮降湍芎慕ㄖ笔俏覈氲聡氨粍臃俊保╬assive house）這一近零能耗建筑概念后形成的較高層次民用節(jié)能建筑的統(tǒng)稱，而從我國的發(fā)展現(xiàn)狀來看，被動式低能耗建筑目前處于無設(shè)計、建設(shè)標準可供參照階段，僅有的幾項示范工程也是在現(xiàn)有建筑節(jié)能標準基礎(chǔ)之上，這一發(fā)展思路無法完全契合“熱損最小化，太陽能利用最大化”的被動房發(fā)展思路。我國在被動房研究方面，周正楠從被動房建筑的定義、創(chuàng)建歷史、標準等情況出發(fā)，從發(fā)展概念角度提出了加強保溫性能、提高氣密性、機械送風熱回收、低熱負荷的采暖方式等設(shè)計發(fā)展方向［3］，陳翚等通過對歐洲案例的介紹對我國被動房發(fā)展的基本要素、標準、經(jīng)濟指標和應(yīng)用前景進行了初步探索［4］，而中國建筑科學研究院學者從歐洲各國的政策法規(guī)、技術(shù)發(fā)展計劃過程等方向提煉出我國被動房建筑發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)策略［5］。鑒于此，我國急需建立針對不同類型氣候區(qū)的被動房建筑設(shè)計標準，因此，文章從能耗影響因素角度出發(fā)，利用計算機仿真技術(shù)對住宅圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計參數(shù)中的主要影響因素進行計算，依據(jù)計算建立了寒冷地區(qū)天津地市被動房住宅圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)指標參照體系，該體系可為提高和完善寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準提供理論依據(jù)，對指導寒冷地區(qū)被動房設(shè)計具有重要的實踐價值。

1　被動房住宅圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計參數(shù)確立依據(jù)

住宅能耗一般是指住宅在正常使用過程中的采暖、通風、空氣調(diào)節(jié)和照明所消耗的能源總量，這其中不包括生產(chǎn)和經(jīng)營性的能源消耗。因此，從能量供給的角度來看，我國寒冷地區(qū)被動房發(fā)展應(yīng)從住宅運行能耗的影響因素出發(fā)，研究其對室內(nèi)環(huán)境改變作用的機理，將各因素對住宅運行能耗的影響進行量化分析，通過數(shù)據(jù)分析建立起我國寒冷地區(qū)被動房住宅的節(jié)能設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)體系。

目前，國外針對住宅運行能耗影響因素的研究多集中于節(jié)能設(shè)計參數(shù)中圍護結(jié)構(gòu)保溫層厚度、透明圍護構(gòu)件傳熱系數(shù)、氣密性等幾個主要方面。如Tommerup等指出對現(xiàn)有建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能進行提升后可接近被動房標準［6］。Parker指出提高圍護結(jié)構(gòu)熱工性能和氣密性、南向立面采用大面積玻璃窗等技術(shù)可使住宅符合被動房要求［7］。Mahdav從圍護結(jié)構(gòu)保溫層厚度、外窗類型、空氣質(zhì)量、通風系統(tǒng)四個方面對比后指出，被動房住宅采暖能耗僅為普通低能耗住宅的35%［8］。Ferrante等認為被動房實現(xiàn)的關(guān)鍵是圍護結(jié)構(gòu)保溫性能、遮陽和通風熱回收技術(shù)［9］。Ferrara等利用TRNSYS對一棟獨立式住宅的現(xiàn)有設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化組合后，住宅的采暖制冷能耗可降低20%［10］。我國高等院校、科研院所的眾多學者對住宅建筑中的能耗影響因素進行了深入分析和研究。葉曉莉等指出提升圍護結(jié)構(gòu)熱工性能和氣密性是建筑實現(xiàn)能源需求最小化的關(guān)鍵［11］。金林輝等指出在夏熱冬冷地區(qū)住宅采用圍護結(jié)構(gòu)真空保溫、相變材料、熱回收技術(shù)，可實現(xiàn)節(jié)能80%目標［12］。張時聰?shù)日J為被動式設(shè)計、高性能圍護結(jié)構(gòu)、高效能源系統(tǒng)是建筑實現(xiàn)能源需求最小化目標的關(guān)鍵［13］。Fong等指出香港地區(qū)村屋朝向?qū)χ评淠芎牡挠绊懽饔蒙跷ⅲ?4］。

綜上所述，住宅本體節(jié)能設(shè)計參數(shù)中的外圍護結(jié)構(gòu)保溫層厚度、外窗傳熱系數(shù)、窗墻比等對住宅采暖和制冷能耗影響最為直接。因此，文章將上述三個主要節(jié)能設(shè)計因素對住宅采暖制冷能耗影響作用進行量化統(tǒng)計分析，以分析結(jié)果形成我國寒冷地區(qū)被動房住宅圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)指標參照體系。

2　被動房能耗仿真軟件、參照模型及室內(nèi)熱舒適指標的選擇

文章從軟件的使用用途、計算類型、數(shù)學模型、編程語言等幾個方面進行對比，最終選用由美國勞倫斯伯克利國家實驗室LBML（Lawrence Berkeley National Laboratory）聯(lián)合其他單位共同研發(fā)的能耗仿真計算軟件Energyplus，其吸收了DOE-2、BLAST等其他眾多能耗計算軟件的優(yōu)勢，計算結(jié)果更符合實際。研究用基礎(chǔ)模型尺寸選擇GB 50096—2011《住宅設(shè)計規(guī)范》［15］及J10968—2007《天津市住宅設(shè)計標準》［16］兩則規(guī)范標準中對住宅層高及室內(nèi)凈高的要求，確立設(shè)計研究用基礎(chǔ)模型的基本設(shè)計尺寸為層高3 m、平面5 m×15 m的幾何體［17］。基礎(chǔ)模型圍護結(jié)構(gòu)熱工設(shè)計參數(shù)按照DB 29—1—2010《天津市居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》（下稱節(jié)能設(shè)計標準）中要求進行設(shè)定，窗墻比分別為南向0.5、東西向0.35、北向0.3；外圍結(jié)構(gòu)中的外墻傳熱系數(shù)取值0.45 W/（m2·K）、屋頂取值0.35 W/（m2·K），透明部分外窗傳熱系數(shù)取值1.8 W/（m2·K），地面按照節(jié)能標準要求熱阻取值0.83m2·K/W。室內(nèi)舒適性指標依據(jù)GB 50736—2012《民用建筑采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》中相關(guān)要求進行設(shè)定［18］。

3　被動房住宅圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計參數(shù)對能耗影響的量化統(tǒng)計分析

3.1非透明圍護結(jié)構(gòu)對采暖制冷能耗的影響分析

住宅建筑中非透明外圍護結(jié)構(gòu)主要指外墻和屋面，這兩部分的熱工性能直接影響建筑的采暖和制冷負荷與能耗，其中傳熱系數(shù)是國內(nèi)外眾多節(jié)能標準中所提出的嚴格指標限值。基礎(chǔ)模型的外墻及屋面參照節(jié)能設(shè)計標準中推薦做法進行構(gòu)造設(shè)計，傳熱系數(shù)將通過改變保溫層厚度實現(xiàn)變化，取值區(qū)間最高值參照節(jié)能設(shè)計標準設(shè)定，最低值以德國被動房認證標準中的外墻屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)限值為參照，在此基礎(chǔ)上將外墻與屋面保溫層厚度以20 mm為單位再增加兩組，即外墻的平均傳熱系數(shù)區(qū)間為0.45 ～0.131 W/（m2·K），屋面的平均傳熱系數(shù)為0.35 ～0.136 W/（m2·K），具體構(gòu)造做法見表1、2。

表1　外墻構(gòu)造形式及相應(yīng)傳熱系數(shù)

從圖1中可知制冷能耗在保溫層逐漸增厚的過程中基本呈直線分布，表明增加保溫層厚度對夏季制冷能耗影響甚微，采暖能耗量隨保溫層厚度增加呈逐漸下降趨勢。從全年綜合能耗值分布曲線可知，保溫層厚度從60 mm增加至200 mm時，綜合能耗量降低明顯，超過260 mm后基本處于直線狀態(tài)由此可初步判定保溫層最佳厚度為260 mm，對應(yīng)外墻傳熱系數(shù)為0.14 W/（m2·K）。

表2　屋面構(gòu)造形式及相應(yīng)傳熱系數(shù)

圖1　耗能量與外墻保溫層厚度關(guān)系曲線圖

從圖2中可知制冷能耗隨保溫層厚度增加呈直線分布，表明增加屋面保溫層厚度對夏季制冷能耗影響甚微，采暖能耗量隨保溫層厚度增加呈逐漸下降趨勢。從全年綜合能耗值分布曲線可知，保溫層厚度從100 mm增加至160 mm時，綜合能耗量降低明顯，超過260 mm后基本處于直線狀態(tài)。由此可初步判定屋面保溫層最佳厚度為260 mm左右，對應(yīng)屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.145 W/（m2·K）。

圖2　耗能量與屋面保溫層厚度關(guān)系曲線圖

3.2透明外圍護結(jié)構(gòu)對采暖制冷能耗的影響

JGJ 26—2010《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》中外窗部分傳熱系數(shù)限值是非透明外圍護結(jié)構(gòu)部分的3～4倍，隨著玻璃制造技術(shù)及門窗制造工藝的提升，門窗的保溫隔熱性能有了極大改善因此在現(xiàn)代建筑設(shè)計中住宅的窗墻比均有逐漸增大的發(fā)展趨勢［19］。針對住宅外窗傳熱系數(shù)對住宅冷熱負荷的判定，可以通過選擇不同構(gòu)造類型的典型外窗進行整體計算分析。在實際使用過程中，質(zhì)檢部門對不同種類典型外窗均有相關(guān)熱工參數(shù)的標定，因此文章直接選用ISO 10077質(zhì)量體系認證的6種典型外窗進行各立面不同窗墻比下的建筑采暖與制冷綜合能耗統(tǒng)計，6種典型外窗的主要性能參數(shù)如表3所列，最終計算結(jié)果如圖3～5所示。

圖3中1～5號外窗在窗墻比為01.～0.6的區(qū)間范圍內(nèi)呈下降趨勢，在0.6～1.0的區(qū)間范圍內(nèi)呈上升趨勢。6號外窗在窗墻比為0.1～0.7的區(qū)間范圍內(nèi)呈下降趨勢，窗墻比在0.7～1.0的范圍內(nèi)呈上升趨勢。綜合6種外窗全年綜合能耗值，6號外窗（三層3 mm Low-E雙鍍膜玻璃中空窗、K6= 0.780 W/（m2·K）、SHGC6=0.474）在窗墻比為0.7～0.8的區(qū)間范圍內(nèi)出現(xiàn)全年綜合能耗最低值。

圖4中1～6號外窗全年綜合能耗曲線均隨窗前比的增大而上升，且綜合能耗曲線數(shù)值分布與外窗傳熱系數(shù)排序一致，6號外窗（三層3 mm Low-E雙鍍膜玻璃中空窗、K6=0.780 W/（m2·K）、SHGC6= 0.474）在不同窗墻比下的綜合能耗值最低。

表3　典型外窗構(gòu)造形式及相應(yīng)熱工性能參數(shù)

圖3　南向不同類型外窗及窗墻比下的耗能量曲線圖

圖4　北向不同外窗類型及窗墻比下的耗能量統(tǒng)計圖

圖5中綜合能耗統(tǒng)計曲線分布趨勢相同。1～4 號4種類型外窗在相同窗墻比下的綜合能耗值相近，5、6號外窗在相同窗墻比下的綜合能耗值相近，但兩者之間綜合能耗值相差較明顯。因此，當東西向外窗傳熱系數(shù)在1.0 W/（m2·K）以下時，不同間層填充氣體的三層3mmLow-E雙鍍膜玻璃中空窗對基礎(chǔ)模型全年綜合能耗值影響甚微。

圖5　東、西向不同外窗類型及窗墻比下的耗能量統(tǒng)計圖

4　被動房住宅圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)確立

被動房作為超低能耗建筑的一種，“熱損最小化，太陽能利用最大化”是該類建筑的核心內(nèi)涵，因此以上研究內(nèi)容是在對我國寒冷地區(qū)典型城市住宅運行能耗分析與歸類的基礎(chǔ)上，通過建立住宅能耗計算用參照模型，利用計算機能耗仿真技術(shù)實現(xiàn)了對各節(jié)能設(shè)計參數(shù)的量化計算。從“熱損最小化的角度，依次對住宅非透明外圍護結(jié)構(gòu)中的外墻和屋頂熱工性能進行了不同厚度保溫層下的全年能耗統(tǒng)計，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果確立外墻保溫層厚度為260 mm，傳熱系數(shù)為0.14 W/（m2·K）時，參照模型全年采暖與制冷耗能量最低；屋頂保溫層厚度為260 mm，傳熱系數(shù)為0.145 W/（m2·K）時，參照模型全年采暖與制冷耗能量最低。針對外窗這一透明圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)件，因其具備熱量散失和太陽能輻射得熱雙重屬性，因此從“太陽能利用最大化”角度將外窗的熱工性能和窗墻比這兩個因素進行四個不同方位的單獨耗能量影響分析，其中南向外窗選擇傳熱系數(shù)為0.780 W/（m2·K），太陽得熱系數(shù)為0.474窗墻比在0.7～0.8之間時可取得參照建筑全年耗能量最低值；對于北向外窗全年無太陽直接輻射的情況下，選擇傳熱系數(shù)為0.780 W/（m2·K），太陽得熱系數(shù)為0.474時，在不同窗墻比條件下均可取得最小耗能量，因此，針對北向外窗在滿足室內(nèi)天然采光要求的基礎(chǔ)上盡量降低開窗面積；對于東、西向外窗，從能耗統(tǒng)計結(jié)果看，外窗傳熱系數(shù)在1.0 W/（m2·K）以下時，參照模型全年耗能量相差不大，變化趨勢均為隨窗墻比增大而耗能量增大，因此建議東西向外窗選擇傳熱系數(shù)為1.0 W/（m2·K），采用雙鍍膜中空Low-E玻璃，在滿足天然采光要求的前提下盡量降低窗墻面積比。

根據(jù)以上分析結(jié)果，對參照建筑的非透明圍護結(jié)構(gòu)熱工性能、透明圍護結(jié)構(gòu)熱工性能、窗墻比等建筑節(jié)能關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的最終計算結(jié)果進行歸納，得到如表4所述我國寒冷地區(qū)天津市被動房住宅外圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)指標。

表4　天津地區(qū)被動房住宅外圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)值

5　結(jié)論

文章針對上述節(jié)能設(shè)計因素對住宅采暖制冷能耗影響作用進行仿真計算與量化統(tǒng)計分析，結(jié)果表明:

（1）寒冷地區(qū)被動房住宅類建筑節(jié)能設(shè)計主要參數(shù)中的非透明圍護結(jié)構(gòu)中的外墻傳熱系數(shù)K值為0.14 W/（m2·K），屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.145 W/（m2·K）；

（2）寒冷地區(qū)被動房住宅類建筑節(jié)能設(shè)計主要參數(shù)中的透明圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)依據(jù)方位分別為南向傳熱系數(shù)K值0.78 W/（m2·K），北向傳熱系數(shù)K 值0.78 W/（m2·K），東、西向傳熱系數(shù) K值1.0 W/（m2·K），太陽得熱系數(shù)SHGC值均不小于0.474；

（3）寒冷地區(qū)被動房住宅類建筑節(jié)能設(shè)計主要參數(shù)中的窗墻比在選用上述透明圍護結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，南向為0.7～0.8，東、西、北向按照GB 50033—2013《建筑采光設(shè)計標準》對窗地比要求最小值設(shè)定。

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（學科責編：李雪蕾）

Research on energy efficiency Design key parameters of Envelope for residential passive house building:A case study of cold zone in Tianjin

Fang Tao1，2，Guan Zhenzhong1，2，He Wenjing1，2
（1.School of Architecture and Urban Planning，Shandong Jianzhu University，Jinan 250001，China；2.Co-innovation Center of Green Building，Jinan 250001，China）

The insulation thickness of envelop，heat transfer coefficient of window and radio window to wall are main influencing factors to residence energy consumption in cold area.Analysis and optimization of energy efficiency design parameters of envelope for residential passive house is the key to realize the target of ultra-low energy consumption.Based on the climatic characteristics of Tianjin city，the paper used simulation calculation method of multiple factors with signal variable to analyze the influencing residence operational energy consumption，and established the energy efficiency design key parameter values of passive house.According to the calculating result，the values of heat transfer coefficient for exterior wall and roof are 0.14 W/（m2·K），0.145 W/（m2·K）.The values of heat transfer coefficient for transparent envelope are 0.78 W/（m2·K）in south and north facades，1.0 W/ （m2·K）in east and west facades，the solar heat gain coefficient must be not less than 0.474.Based on these selections of above envelops，the ratio of window to wall is 0.7～0.8 in south facade，and other facades need to meet the minimize ratio of glazing to floor area in Standard for daylighting designof buildings（GB 50033—2013）.

cold zone；residential passive house building；energy efficiency design；key parameter

TU20

A

1673-7644（2015）06-0558-08

2015-10-04

山東省自然科學基金項目（ZR2014JL034），山東省綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心團隊建設(shè)科研基金項目（Z0024）

房濤（1982-），男，講師，博士，主要從事低能耗建筑設(shè)計理論與方法等方面的研究.E-mail:arcft0123@163.com