西藏建筑節(jié)能設(shè)計(jì)分析

李仁春+王若瑾希

摘要：指出了西藏由于地理位置、氣候特征等具體情況，建筑節(jié)能也已經(jīng)成為設(shè)計(jì)中的必要因素。以“拉薩市曲水縣工業(yè)園區(qū)小型企業(yè)孵化基地”項(xiàng)目為例，結(jié)合建筑所在地的氣候特征，對(duì)影響建筑的物理環(huán)境和能耗等指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明：節(jié)能建筑設(shè)計(jì)中常用的理論完全符合曲水縣節(jié)能要求。

關(guān)鍵詞：建筑節(jié)能；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；熱阻；傳熱系數(shù)；熱惰性指標(biāo)；窗墻比

中圖分類號(hào)：TU243 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2017）2-0111-04

1 西藏建筑節(jié)能概況

根據(jù)相關(guān)資料顯示，我國(guó)現(xiàn)有的近400億m2建筑，僅有1%為節(jié)能建筑，單位面積采暖所耗能源相當(dāng)于氣候條件相近的發(fā)達(dá)國(guó)家的2～3倍[1]。西藏地處我國(guó)西南邊陲，擁有豐富的太陽能、風(fēng)能和地?zé)崮艿瓤稍偕茉?。西?004年才被規(guī)劃為采暖區(qū)，2007年以前，西藏的建筑設(shè)計(jì)都是以西南地區(qū)的建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為參照依據(jù)，沒有根據(jù)本地區(qū)環(huán)境等條件而制定建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系，沒有考慮冬季采暖，墻體基本不做保溫。在整個(gè)冬季期間，多數(shù)建筑沒有設(shè)置常規(guī)的采暖系統(tǒng)，在太陽輻射直接采暖的情況下，南向房間日溫度波動(dòng)幅度過大，在溫度適中的時(shí)間段內(nèi)人體還可以接受此環(huán)境，但北向的房間普遍寒冷，基本上無法使用。

隨著西藏經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，一些國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的建筑節(jié)能理念與技術(shù)已傳入西藏，但在節(jié)能建筑的推廣過程中步伐緩慢、觀念滯后，對(duì)節(jié)能建筑的認(rèn)識(shí)還不到位，沒有針對(duì)適應(yīng)西藏氣候特點(diǎn)的節(jié)能技術(shù)研究中心和相關(guān)配套開發(fā)產(chǎn)品。西藏自治區(qū)根據(jù)存在的實(shí)際問題，結(jié)合所在區(qū)位和氣候因素等實(shí)際條件，在建筑節(jié)能方面出臺(tái)了《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2]及《民用建筑采暖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]等相關(guān)規(guī)范與技術(shù)措施，促進(jìn)了節(jié)能建筑在西藏的發(fā)展。

2 案例分析

拉薩市曲水縣位于西藏腹地、拉薩河下游、雅魯藏布江中游北岸，屬于氣候分區(qū)中的寒冷地區(qū)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)90°73′，北緯29°37′，平均海拔3600 m。該地區(qū)日溫差較大，日照時(shí)間長(zhǎng)，輻射強(qiáng)，年日照時(shí)數(shù)近3000 h，無霜期短，年無霜期150 d，年降水量441.9 mm，歷來是拉薩市的經(jīng)濟(jì)區(qū)和交通樞紐。

2.1 建筑總體布局節(jié)能

本項(xiàng)目在總體建筑節(jié)能上綜合考慮當(dāng)?shù)靥栞椛渑c冬季西南偏西的主導(dǎo)風(fēng)向等氣候因素，避開冬季主導(dǎo)風(fēng)向，充分利用日照條件，主要功能房間布置在南向，按1.34的日照間距系數(shù)等進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)。

2.2 建筑單體的節(jié)能

2.2.1 建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)

結(jié)合西藏地區(qū)特殊的氣候條件，為了提高室內(nèi)微氣候的保溫性能，防止冬季室內(nèi)熱流量流失，減少其采暖能耗，達(dá)到節(jié)能的目的。在方案設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)二類辦公建筑標(biāo)準(zhǔn)，按照區(qū)域保溫設(shè)計(jì)的規(guī)范要求進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計(jì)，外墻采用加氣混凝土砌塊與保溫層結(jié)合的方式進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)。屋頂利用保溫層組合構(gòu)造進(jìn)行保溫隔熱設(shè)計(jì)，并對(duì)各節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的合理性進(jìn)行驗(yàn)算。按照設(shè)計(jì)構(gòu)造，計(jì)算步驟如下。

2.2.1.1 相關(guān)計(jì)算公式

（1）熱阻值R的計(jì)算。

a.多層圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱熱阻計(jì)算公式為：

R=R1+R2+……+Rn

式（1）中 R為材料層導(dǎo)熱熱阻（m2·K/W）；R1、R2……Rn為各層材料熱阻（m2·K/W）。

b.圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱阻計(jì)算公式：

R0=Ri+R+Re

式（2）中 R0為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱阻（m2·K/W）；Ri為內(nèi)表面換熱阻（m2·K/W）；Re為外表面換熱阻（m2·K/W）；R為圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻（m2·K/W）。

（2）傳熱系數(shù)K的計(jì)算。其公式為：

K=1/R0

式（3）中 K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)（m2·K/W）；R0為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱阻（m2·K/W）。

當(dāng)外墻受周邊熱橋影響條件下，其平均傳熱系數(shù)計(jì)算公式為：

Km=（KPFP+Kb1Fb1+Kb2Fb2+Kb3Fb3）/（FP+Fb1+Fb2+Fb3）

式（4）中 Km為外墻平均傳熱系數(shù)[W/（m2·K）]；KP為外墻主體部位的傳熱系數(shù)[W/（m2·K）]；Kb1、Kb2、Kb3為外墻周邊熱橋部位的傳熱系數(shù)[W/（m2·K）]；FP為外墻主體部位的面積（m2）；Fb1、Fb2、Fb3為外墻周邊熱橋部位的面積（m2）。

（3）熱惰性指標(biāo)D的計(jì)算。

多層圍護(hù)結(jié)構(gòu)的D值計(jì)算公式為：

D=D1+D2+……+Dn=R1S1+R2S2+……+RnSn

式（5）中 D為圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱惰性指標(biāo)；D1+D2+……+Dn為各材料層熱惰性指標(biāo)；R1、R2……Rn為各層材料熱阻（m2·K/W）；S1、S2……Sn為各層材料蓄熱系數(shù)[W/（m2·K）]。

2.2.1.2 計(jì)算步驟

項(xiàng)目中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外墻和屋頂均按照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）[4]附表2.2和附表2.3取Ri=0.115，Re=0.043。根據(jù)構(gòu)造及材料參數(shù)，利用公式（1）～（3）計(jì)算各構(gòu)造熱阻值、熱惰性指標(biāo)和傳熱系數(shù)。

（1）外墻主體。

根據(jù)表1的參數(shù)，運(yùn)用式（2）和（3）得外墻主體傳熱阻R0=Ri+R+Re=2.182（m2·K/W）；外墻主體傳熱系數(shù)K=1/R0 =0.458W/（m2·K）。

（2）熱橋柱。根據(jù)表2的參數(shù)，運(yùn)用式（2）和（3）得熱橋柱的傳熱阻R0=Ri+R+Re=1.436（m2·K/W）熱橋柱的傳熱系數(shù)K=1/R0=0.696[W/（m2·K）]。

3）熱橋梁、熱橋過梁。在熱橋梁的計(jì)算過程中，除熱橋梁厚度為300 mm鋼筋混凝土外，其余構(gòu)造同熱橋柱，熱橋過梁構(gòu)造參數(shù)同熱橋梁。由式（1）、（2）和（3）可得：

熱橋梁導(dǎo)熱熱阻RL=1.105（m2·K/W）；

熱橋梁總傳熱阻R0L=1.263（m2·K/W）；

熱橋梁傳熱系數(shù)K=1/R0 =0.792[W/（ m2·K）]；

熱橋過梁導(dǎo)熱熱阻RG=RL=1.105（m2·K/W）；

熱橋過梁總傳熱阻R0G=R0L=1.263（m2·K/W）；

熱橋過梁傳熱系數(shù)K=1/R0 =0.792[W/（m2·K）]。

（4）熱橋樓板。

根據(jù)表3的參數(shù)，運(yùn)用式（2）和（3）得熱橋樓板傳熱阻R0=Ri+R+Re=1.128（m2·K/W）；

傳熱系數(shù)K=1/R0 =0.888[W/（m2·K）]。

（5）屋頂。根據(jù)表4的參數(shù)，運(yùn)用式（2）和（3）得：屋頂?shù)膫鳠嶙鑂0=Ri+R+Re=1.128（m2·K/W）；

屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)K=1/R0 =0.888W/（m2·K）。通過對(duì)比計(jì)算結(jié)果，其結(jié)論符合《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》 [5]表4.2.2-3中屋頂傳熱系數(shù)K≤0.45 [W/（m2·K）]的要求。

同理可得：采暖與非采暖房間的分隔墻傳熱系數(shù)K=1.45W/（m2·K），采暖與非采暖房間之間的樓板傳熱系數(shù)K=1.07[W/（m2·K）]，滿足規(guī)范K≤1.5 W/（m2·K）的要求；地面熱阻R0=1.64（m2·K/W），周邊地面熱阻R0=3.35（m2·K/W）滿足規(guī)范R0≥1.5 [W/（m2·K）]的要求。

（6）外圍護(hù)墻體加權(quán)平均傳熱系數(shù)和平均熱惰性指標(biāo)計(jì)算。 根據(jù)表5的參數(shù)，運(yùn)用式（4）得，外墻全樓加權(quán)平均傳熱系數(shù)為：

Km=（KPFP+Kb1Fb1+Kb2Fb2+Kb3Fb3+Kb4Fb4）/（ FP+Fb1+Fb2+Fb3+Fb4）=0.499[W/（m2·K）]，其結(jié)論符合《標(biāo)準(zhǔn)》表4.2.2-3中外墻傳熱系數(shù)K≤0.50 W/（m2·K）的要求。

外墻受周邊熱橋影響條件下，其平均熱惰性指標(biāo)計(jì)算公式同理傳熱系數(shù)由公式

Dm=（DPFP+Db1Fb1+Db2Fb2+Db3Fb3+Db4Fb4）/（ FP+Fb1+Fb2+Fb3+Fb4）得平均熱惰性指標(biāo)為5.954[W/（m2·K）]。

（7）最小傳熱阻R0，min的計(jì)算。

對(duì)于設(shè)計(jì)完成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，除應(yīng)驗(yàn)算它的傳熱系數(shù)是否符合熱工設(shè)計(jì)規(guī)范和節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求之外，還應(yīng)驗(yàn)算其傳熱阻是否符合同一要求，以防止特殊構(gòu)造或房間出現(xiàn)不滿足的情況。

根據(jù)《規(guī)范》，最小傳熱阻R0，min計(jì)算公式為：

R0，min=（ti-te）[Δt]Ri

式（6）中ti為冬季室內(nèi)計(jì)算溫度（℃）；te為圍護(hù)結(jié)構(gòu)冬季室外計(jì)算溫度（℃）；n為溫差修正系數(shù)；Ri為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱阻（m2·K/W）；Δt為室內(nèi)空氣與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面之間的允許溫差（℃）。

根據(jù)《規(guī)范》 得：ti取20℃，D=5.522， Dm=5.954，均屬于類型Ⅱ。按照《規(guī)范》附表3.1，te取-8℃， n取1.00，外墻Δt取6.0，屋頂Δt取4.5。

運(yùn)用式（6）計(jì)算得出：

外墻最小傳熱阻R0，min= 0.477（m2·K/W）；屋頂最小傳熱阻R0，min= 0.636（m2·K/W）。由以上計(jì)算結(jié)果得外墻各個(gè)不利點(diǎn)傳熱阻符合《規(guī)范》R0>R0，min的要求。

2.2.2 門窗的節(jié)能設(shè)計(jì)

門窗是建筑阻熱薄弱的位置，據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑的總能耗有40%熱量是通過門窗流失的。在西藏傳統(tǒng)建筑中的門窗均為木結(jié)構(gòu)，且采用單層玻璃。本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過程中，窗戶采用傳熱系數(shù)為2.0 W/（m2·K）、氣密性等參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求的雙層中空玻璃節(jié)能窗，在滿足采光要求的同時(shí)，合理地控制窗墻比減少室內(nèi)熱量流失，達(dá)到節(jié)能的效果。

根據(jù)表6中的參數(shù)，結(jié)合拉薩民用建筑窗墻比北向≤0.20、東向和西向≤0.25、南向≥0.50[6]的設(shè)計(jì)要求，本建筑窗墻比滿足規(guī)范要求。

2.2.3 體形系數(shù)

項(xiàng)目在建筑體型設(shè)計(jì)中，充分考慮建筑體型節(jié)能的要求，平面采用簡(jiǎn)單的東西軸長(zhǎng)、南北軸短的長(zhǎng)條形式，根據(jù)體形系數(shù)計(jì)算公式：

S=S0/V0

式中 S為建筑體形系數(shù)；F0為建筑物接觸室外大氣得外表面積（m2）；V0為建筑物接觸室外大氣部位包圍的體積（m3）。

根據(jù)F0=F南+F北+F東+F西+F屋頂=2274.5 m2，VO=6895.81m3，計(jì)算得出S=F0/V0=2274.5/6895.81=0.33。符合寒冷地區(qū)體形系數(shù)應(yīng)小于等于0.40的規(guī)定，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語

由該項(xiàng)目相關(guān)構(gòu)造節(jié)能設(shè)計(jì)的計(jì)算可知，西藏地區(qū)建筑在節(jié)能設(shè)計(jì)過程中各種建筑材料在滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，采用加強(qiáng)熱橋保溫設(shè)計(jì)；適當(dāng)增加南向開窗面積，同時(shí)減小北向開窗面積以減少熱量流失，充分利用太陽能輻射采暖；盡量使用規(guī)整的形體縮小體形系數(shù)；以上方法在節(jié)能設(shè)計(jì)中可增強(qiáng)節(jié)能效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧明安，莊肅茂.鑄成科技，浪尖上的舞者[J].中州建設(shè)，2010（20）：58～61.

[2]西藏自治區(qū)建設(shè)勘察設(shè)計(jì)院.西藏自治區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：DB 54/0016-2007[S].西安：西安科技大學(xué)，2007.

[3]西藏自治區(qū)建設(shè)勘察設(shè)計(jì)院.西藏自治區(qū)民用建筑采暖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：DB 54/0015-2007[S].西安：西安科技大學(xué)，2007.

[4]中國(guó)建設(shè)部.民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50176-93[S].北京：中國(guó)計(jì)算出版社，1993.

[5]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50189-2005[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

[6]劉建平.西藏建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的探討[J].中國(guó)勘察設(shè)計(jì)，2009（11）：46～48.

[7]柳孝圖.建筑物理[M].3版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[8]牛 帥. 影響居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)因素的分析與研究[D].青島：青島理工大學(xué)，2013.

[9]呂賽男. 基于全生命周期成本的綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2012.

[10]張海濱. 寒冷地區(qū)居住建筑體型設(shè)計(jì)參數(shù)與建筑節(jié)能的定量關(guān)系研究[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[11]楊 秀，張聲遠(yuǎn)，齊 曄，. 建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與節(jié)能量估算[J]. 城市發(fā)展研究，2011（10）：7～13.

[12]魯慧敏. 寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

[13]曾旭東，趙 昂. 基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)用研究[J]. 重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（2）：33～35.

[14]任 俊. 居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)計(jì)算與評(píng)價(jià)方法研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2004.

[15]鄭文暉. 建筑節(jié)能氣候設(shè)計(jì)方法研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2003.

ibet Building Energy Efficiency Design is Analysed

— to Qushui County Industrial Park of Small Business Incubators as an Example

Li Renchun ，Wang Ruojinxi

（Institute of technology ，Tibet university ，Tibet， Lhasa， 850000，China）

Abstract： With the concept of building a conservation-oriented society in China continue to develop in-depth， building energy efficiency is one of the factors that the current level of construction technology must consider. In Tibet， due to geographical location， climate characteristics and other specific circumstances， building energy efficiency has also become a necessary factor in the design. In this paper， taking“the small business incubator base of Industrial Park in Qushui County” project as an example， combined with the location of the buildings climate characteristics， the physical environment， energy consumption and other indicators which affect the building were calculated. Finally we achieved the result that the frequently used theories in energy-efficient building design were completely in line with the energy efficiency requirements of Qushui County.

Key words： building energy efficiency； envelope structure；thermal resistance；heat transfer coefficient；thermal inertia index；window and wall ratio