談北方地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)

劉紅霞

(山西凱的建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃有限公司晉城分公司，山西晉城 048000)

1 概述

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前發(fā)達(dá)國(guó)家建筑用能已達(dá)社會(huì)終端能耗40%以上，而我國(guó)建筑能耗約占全國(guó)能源消費(fèi)總量25%。由于我國(guó)城鎮(zhèn)化率的飛速增長(zhǎng)，到2020年建筑用能占社會(huì)總能耗的比例將近10%～20%，趨同發(fā)達(dá)國(guó)家。節(jié)能減排早已是我國(guó)一項(xiàng)基本國(guó)策，降低建筑用能對(duì)能源安全有重要作用。對(duì)嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的新建、改建建筑進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，既可以改善建筑室內(nèi)熱環(huán)境，提高采暖系統(tǒng)的能源利用效率，還有利于節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境、抑制全球氣候變暖，真正實(shí)現(xiàn)資源和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

2 居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)概述

我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范將采暖能耗降低65%作為節(jié)能目標(biāo)，要求將建筑物耗熱量指標(biāo)小于等于規(guī)定值，再按此目標(biāo)對(duì)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)提出措施要求。筆者所處北方城市采暖能源以煤為主，冬季采暖方式以集中供熱為主。根據(jù)嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)氣候條件，當(dāng)?shù)鼐幼〗ㄖ静膳芎氖侨杲ㄖ芎牡闹黧w，最普遍有效的節(jié)能方法就是根據(jù)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能參數(shù)要求，在建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)做一定厚度的保溫，降低傳熱損失;同時(shí)提高采暖、通風(fēng)和照明系統(tǒng)的能源利用效率，滿足對(duì)建筑物總能耗指標(biāo)的要求。

考慮到北方不同地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)情況與居住建筑結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的實(shí)際情況，節(jié)能措施及節(jié)能材料可做選擇和調(diào)整，但保溫材料必須具有相關(guān)部分節(jié)能技術(shù)產(chǎn)品認(rèn)定證書、質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)單位出具的防火、材料性能檢驗(yàn)報(bào)告。

3 居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方法及措施

判定居住建筑是節(jié)能建筑的一般方法是模擬計(jì)算。通過(guò)專業(yè)的節(jié)能軟件將擬建建筑建成三維模型，根據(jù)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的各個(gè)部位的物理性能，做相應(yīng)建筑材料及厚度的保溫措施，最后在保證室內(nèi)熱環(huán)境的前提下以計(jì)算出的建筑物建筑的耗熱量、采暖耗煤量指標(biāo)而判定。

北方地區(qū)(嚴(yán)寒和寒冷地區(qū))居住建筑節(jié)能建筑部分設(shè)計(jì)及措施主要包括以下幾點(diǎn)。

3.1 建筑物布局、朝向、日照間距

居住建筑布局大多是組團(tuán)、區(qū)等形式進(jìn)行群體組合，我國(guó)現(xiàn)行GB 50096—2011住宅設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定“每套住宅至少應(yīng)有一個(gè)居住空間能獲得日照”，北方居住建筑設(shè)計(jì)首先要考慮充分利用自然能源，冬季太陽(yáng)高度角和方位角的變化規(guī)律使建筑最大限度增加太陽(yáng)輻射得熱，南北朝向的建筑冬季可以獲得多的日照得熱，這是最直接有效的節(jié)能措施。根據(jù)北方地區(qū)夏季最多頻率風(fēng)向，南北向建筑在炎熱夏季對(duì)流通風(fēng)效果更佳;北方地區(qū)冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，南北朝向建筑也可以減少冷風(fēng)直灌?？傮w布局中建筑物南北間距也需通過(guò)模擬計(jì)算確定，因?yàn)樵诓膳窘ㄖ哪蠅μ?yáng)輻射面積因其南側(cè)建筑的遮擋而縮小，室內(nèi)有效日照時(shí)間就會(huì)減少。

3.2 建筑體形

北方居住建筑設(shè)計(jì)平面、立面盡量簡(jiǎn)化規(guī)整，減小凹凸，標(biāo)準(zhǔn)層面積小的住宅建筑適當(dāng)增加層數(shù)，多單元組合的住宅一字并列，減少和避免建造單元少的點(diǎn)式低層建筑等。原因是首先當(dāng)代建筑設(shè)計(jì)注重與城市設(shè)計(jì)共生滿足，建筑形態(tài)設(shè)計(jì)摒棄復(fù)雜凸凹主張簡(jiǎn)單，其次建筑體形對(duì)建筑物的節(jié)能效果有很大影響，相同條件下，外表面積越大，體型系數(shù)越大，單位面積散熱量也越大。衡量建筑體形的合理性，一般用建筑體形系數(shù)來(lái)表達(dá)。北方的嚴(yán)寒地區(qū)外墻的傳熱耗熱量占圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量的28%以上，外墻過(guò)多容易產(chǎn)生結(jié)露長(zhǎng)毛現(xiàn)象。一個(gè)建筑體形系數(shù)在0.3的基礎(chǔ)上每增加0.01，其建筑能耗增加2.4% ～2.8%。

3.3 屋面、外墻、地下室頂板等圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫措施

住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱耗量占整個(gè)建筑采暖熱耗量的1/3以上，能耗是由圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)和冷風(fēng)滲透兩個(gè)方面造成的。提高住宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能，可以減少冬季室內(nèi)傳出的熱量和夏季室外傳入的熱量，有利于節(jié)能。

屋面保溫層應(yīng)優(yōu)先選用輕質(zhì)、導(dǎo)熱系數(shù)低、吸水率低、性能穩(wěn)定的高效保溫材料。目前住宅墻體多為加氣混凝土砌塊，這種材料本身具有低的導(dǎo)熱系數(shù)，但由于墻體中的梁、柱等容易形成冷橋的鋼筋混凝土構(gòu)造，不能滿足保溫隔熱的設(shè)計(jì)，因此一般采用外墻外保溫。高效保溫材料的使用可以保護(hù)主體結(jié)構(gòu)、延長(zhǎng)建筑物壽命、消除“冷熱橋”影響;避免內(nèi)墻潮濕結(jié)露。

另外地下室頂板、樓梯間、外走廊、戶門、與土壤接觸的地面等部位雖然未與室外空氣直接接觸，但由于受二維、三維傳熱的影響，造成大量熱損失，一定要增設(shè)保溫材料層或采取措施。變形縫接觸室外空氣處用保溫材料滿填。

3.4 外窗節(jié)能措施

外窗是影響建筑能耗的重要因素，作為能耗散失的最薄弱部位，其能耗占建筑總能耗的比例較大，其中傳熱損失為1/3，冷風(fēng)滲透為1/3。提高外窗的保溫性能，減少熱傳遞量可采取如下措施:

控制窗墻比——居住建筑窗墻比計(jì)算只考慮最可能超標(biāo)的開間，這樣建筑節(jié)能施工圖審查也比較方便。由于住宅窗面積的大小受日照、采光、通風(fēng)、視線間距等滿足室內(nèi)環(huán)境要求制約，東西南北朝向窗大小滿足室內(nèi)采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后，根據(jù)限值不同可適當(dāng)調(diào)整。

提高外窗的氣密性——規(guī)范明確嚴(yán)寒地區(qū)及寒冷地區(qū)規(guī)定外窗的氣密性等級(jí)不應(yīng)低于GB/T 710—2008建筑外門窗氣密性、水密、抗風(fēng)壓性能及檢測(cè)方法中規(guī)定的等級(jí)。節(jié)能設(shè)計(jì)中選用新型的、密封性能良好的門窗材料，窗玻璃選用空氣層夾層或惰性氣體夾層的中空玻璃，避免冬季室外空氣滲漏。窗四周與墻相交之處容易出現(xiàn)熱橋，窗框與墻間的縫隙用密閉型材料密封，例如聚氨酯填堵，門窗洞口室外部位抹30厚玻化微珠保溫砂漿，5厚聚合物抗裂砂漿面層，壓入耐堿玻纖網(wǎng)格布。外窗的開啟方式在滿足自然通風(fēng)條件下多選用固定扇。

無(wú)熱橋設(shè)計(jì)——外墻熱橋主要出現(xiàn)在梁、柱、窗口周邊、樓板和外墻的連接處，凸窗上下板和外墻連接處、空調(diào)擱板、雨篷、屋頂檐口、女人墻和屋頂連接、混凝土裝飾構(gòu)件等處。熱橋是出現(xiàn)高密度熱流的部位，加強(qiáng)熱橋部位的保溫，可以減小采暖負(fù)荷。另陽(yáng)臺(tái)和房間之間隔墻不可省去。陽(yáng)臺(tái)和直接連通的房間之間隔墻視作外墻，住宅外門設(shè)防風(fēng)門斗，對(duì)穿墻管線、屋頂上入孔進(jìn)行封閉處理。

4 新技術(shù)、新材料

北方居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)近年來(lái)也隨著時(shí)代變遷與時(shí)俱進(jìn)，建筑節(jié)能方面出現(xiàn)了很多新興節(jié)能材料和技術(shù)措施。

4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫系統(tǒng)

近年來(lái)我國(guó)推行的建筑高效保溫與結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)。集保溫隔熱功能與圍護(hù)結(jié)構(gòu)功能于一體，具有與建筑同壽命、安全可靠、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)傳統(tǒng)建筑保溫材料粘貼技術(shù)和施工方法的重大變革?？捎行Ы鉀Q傳統(tǒng)節(jié)能保溫工程空鼓、開裂、脫落等質(zhì)量通病，提升建筑保溫耐火性，符合國(guó)家節(jié)能減排的要求。當(dāng)前，重點(diǎn)推廣難燃級(jí)聚氨酯等高效保溫材料、CL結(jié)構(gòu)體系、保溫型復(fù)合免拆模板保溫系統(tǒng)、非承重砌塊自保溫結(jié)構(gòu)體系、裝配式墻板自保溫體系、居住建筑夾芯保溫復(fù)合磚砌體結(jié)構(gòu)體系等一體化技術(shù)。

4.2 外窗

高效保溫性能的外窗目前有德國(guó)120系列塑鋼節(jié)能型材玻璃:構(gòu)造形式為三玻一中空一真空。節(jié)能窗的傳熱系數(shù) K≤0.8 W/(m·K)～1.0 W/(m·K)的外窗，其性能遠(yuǎn)高于現(xiàn)在普遍使用的空氣層夾層或惰性氣體夾層的中空玻璃節(jié)能型材窗。

4.3 高效熱回收裝置

高效熱回收系統(tǒng)目前是被動(dòng)式房屋必備的設(shè)備，它是實(shí)現(xiàn)室內(nèi)新風(fēng)能夠滿足室內(nèi)二氧化碳含量不大于1 000 ppm和將換氣熱損失降到最低的關(guān)鍵設(shè)備，其熱回收效率在80%以上。期待著某一天它能用于我國(guó)北方地區(qū)的住宅建筑。

4.4 其他

居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)除了以上建筑部分新技術(shù)外，其他專業(yè)還包括了太陽(yáng)能發(fā)電、采暖系統(tǒng);地下水源、地表水源、污水源、土壤源、空氣源等熱泵采暖技術(shù)應(yīng)用;被動(dòng)式太陽(yáng)能、通風(fēng)設(shè)計(jì)及自然采光、遮陽(yáng)、太陽(yáng)光導(dǎo)采光系統(tǒng)設(shè)計(jì);中水回收、雨水回收、工業(yè)余熱利用設(shè)計(jì);節(jié)水潔具、節(jié)電電器等。

5 面臨的挑戰(zhàn)和困難

居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)盡量降低了建筑能耗，但它仍面臨的挑戰(zhàn)和困難。一是無(wú)法保證建筑物舒適度要求，人感覺最舒服的室內(nèi)相對(duì)濕度是在40% ～60%，溫度在18℃ ～26℃，并且新風(fēng)量滿足人體需要。目前尚無(wú)住宅建筑能單靠節(jié)能設(shè)計(jì)達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。二是施工質(zhì)量難以保證房屋，由于建筑本身的氣密性不好、或外墻外保溫系統(tǒng)有質(zhì)量問(wèn)題，即使按圖紙做了保溫，仍有部分能耗損失導(dǎo)致室內(nèi)溫度不能達(dá)標(biāo)。三是建筑設(shè)計(jì)、運(yùn)行、管理水平有待提高，加強(qiáng)對(duì)應(yīng)用節(jié)能技術(shù)的設(shè)計(jì)、審圖、施工安裝、監(jiān)理、監(jiān)督等人員的專項(xiàng)培訓(xùn)，提高設(shè)計(jì)和施工水平。

6 結(jié)語(yǔ)

居住建筑節(jié)能是建筑節(jié)能的重點(diǎn)。節(jié)能理念貫穿建筑設(shè)計(jì)始終，從初期總體規(guī)劃到單體設(shè)計(jì)，由整體到構(gòu)件，要最大限度利用自然資源，高效利用本土產(chǎn)品;大膽采用新技術(shù)、新材料，在保證建筑物內(nèi)的環(huán)境滿足舒適度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)最大幅度的節(jié)能，建筑節(jié)能性能的提高可以大大緩解我國(guó)城市化進(jìn)程中的能源壓力，有利于建設(shè)節(jié)約型社會(huì)。