夏熱冬冷地區(qū)中小型特殊類公共建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)策略

胡思太 （安徽安德建筑設(shè)計(jì)有限公司，安徽 合肥 230022）

0 前言

公共建筑是我國(guó)建筑節(jié)能工作的重點(diǎn)領(lǐng)域，2005年實(shí)行2015年修訂的《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189）已經(jīng)實(shí)行多年，該規(guī)范編寫(xiě)和修訂一直以暖通專家為主。

我國(guó)地域遼闊，氣候多樣，經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，以建筑師的職業(yè)實(shí)踐和視角分析夏熱冬冷氣候區(qū)中小型公共建筑的節(jié)能設(shè)的特點(diǎn)，是對(duì)建筑節(jié)能基礎(chǔ)性研究的一個(gè)補(bǔ)充。

1 夏熱東冷氣候區(qū)的氣候特點(diǎn)和節(jié)能設(shè)計(jì)策略

1.1 氣候特點(diǎn)

夏熱冬冷氣候區(qū)的特點(diǎn)主要是夏天炎熱，冬天寒冷（絕對(duì)溫度并不是很低，例如合肥市的累年最低日平均溫度為-6.4℃），以本地區(qū)的合肥為例，其HDD26 是 1725（℃·d），CDD18 是 210（℃·d）[1]，建筑的能耗指標(biāo)與空調(diào)度日數(shù)和采暖度日數(shù)之間有非常強(qiáng)的相關(guān)性，設(shè)計(jì)和生活實(shí)踐中也得出，合肥的節(jié)能設(shè)計(jì)的主要矛盾的夏季的隔熱和遮陽(yáng)，夏季制冷是建筑的主要能耗。

1.2 設(shè)計(jì)策略

為了順應(yīng)氣候,加強(qiáng)建筑的隔熱防熱設(shè)計(jì)是本氣候區(qū)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)策略之一，設(shè)計(jì)中注意主要功能房間的朝向，自然通風(fēng)，南向利用綠化的遮陰等。另一個(gè)主要設(shè)計(jì)策略是合理設(shè)置外遮陽(yáng)，以合肥地區(qū) (北緯31.51度）為例，本氣候區(qū)太陽(yáng)高度角（hs）的的變化反映了同緯度地區(qū)絕大多數(shù)的城市特點(diǎn),見(jiàn)表1。

不同節(jié)氣合肥正午12點(diǎn)太陽(yáng)高度角（度） 表1

根據(jù)太陽(yáng)得熱系數(shù)（SHGC）的定義式，SHGC是入射角的函數(shù)，直觀上看增加適當(dāng)?shù)恼陉?yáng)措施后，夏天太陽(yáng)的高度角（hs）高，在外門窗上的陰影就多，得熱系數(shù)就低，冬季太陽(yáng)高度角低，室內(nèi)入射的光線多，得熱系數(shù)就高。外窗得熱系數(shù)是動(dòng)態(tài)的。如圖1所示。

圖1 合肥市的太陽(yáng)高度角

同緯度區(qū)類似城市都有相似的特點(diǎn)，合適外遮陽(yáng)會(huì)對(duì)外窗形成夏季和冬季不同的得熱系數(shù)。在安徽省居住建筑的節(jié)能地方標(biāo)準(zhǔn)中寫(xiě)明，如果南向陽(yáng)臺(tái)的進(jìn)深大于1.5m，可以認(rèn)定該陽(yáng)臺(tái)的外門窗滿足規(guī)范要求的夏季綜合遮陽(yáng)系數(shù)[2]。

安徽省《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中也要求建筑的東、南、西向的外窗應(yīng)采取遮陽(yáng)措施，對(duì)于甲二類建筑當(dāng)南向的單一立面窗墻比大于0.4小于0.5時(shí)，規(guī)定性指標(biāo)為西、南、東三個(gè)朝向的外窗的得熱系數(shù)小于等于0.35，同時(shí)要求冬季各朝向的外窗得熱系數(shù)應(yīng)大于等于0.52[3]。這種情況，建筑的對(duì)應(yīng)朝向只有設(shè)置外遮陽(yáng)，才能滿足此規(guī)定性指標(biāo)。

合理科學(xué)的設(shè)置建筑的朝向利用自然通風(fēng)和遮陽(yáng)，是夏熱冬冷地區(qū)常用的節(jié)能設(shè)計(jì)策略，但是在現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)工程中，往往忽略這這些傳統(tǒng)手法，在方案設(shè)計(jì)總沒(méi)有系統(tǒng)的考慮建筑體型系數(shù)、朝向、外立面開(kāi)窗、外遮陽(yáng)手法等。

2 中小型特殊類公共建筑

2.1 小型公共建筑的定義

《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2015）中的乙類建筑定義為：小于300m2的建筑[4]。乙類建筑的特點(diǎn)是建筑規(guī)模小，內(nèi)部功能比較簡(jiǎn)單，與甲類建筑的能耗特性不同。為了減少建筑節(jié)能計(jì)算的工作量，2015年版的《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50189）中，乙類建筑不再權(quán)衡計(jì)算，強(qiáng)制性要求滿足規(guī)定性指標(biāo)即可。

但是在現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)工作中，有些特殊類的公共建筑：如農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)，小型商業(yè)并聯(lián)店、中小學(xué)校等盡管總面積超過(guò)300m2，但單個(gè)使用單元大多在300m2以內(nèi)，在夏熱冬冷地區(qū)春秋季節(jié)可以通過(guò)開(kāi)啟外窗利用自然通風(fēng)達(dá)到室內(nèi)溫度舒適度要求，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間并不長(zhǎng)，屬于《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51161）中的A類公共建筑。

2.2 特殊類型一：商業(yè)小鋪面和農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)

農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)中小鋪面是和并聯(lián)小商鋪是城鄉(xiāng)常見(jiàn)的中小型公共建筑，商業(yè)的經(jīng)營(yíng)模式和本地區(qū)的氣候特點(diǎn)決定了小的鋪面絕一年中大多數(shù)時(shí)間都是敞開(kāi)門經(jīng)營(yíng)，而且店面多是并聯(lián)，以一定的單元重復(fù)，幾乎沒(méi)有單個(gè)店鋪超300m2。營(yíng)業(yè)時(shí)間是間歇性的，一般是早晚市，周六、周日的營(yíng)業(yè)時(shí)間略長(zhǎng)。

小鋪面圍合的室內(nèi)農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)大多是有頂?shù)陌胧覂?nèi)空間，盡管有遮風(fēng)避雨的頂棚和相對(duì)圍合的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，很少使用集中空調(diào)，且為滿足消防排煙要求，頂棚的自然排煙面積需占地面面積的25%，所以這類空間的往往不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能，而是將通風(fēng)問(wèn)題設(shè)計(jì)列為需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題，盡量使市場(chǎng)內(nèi)部空氣流通；利用自然通風(fēng)，利用室內(nèi)空氣對(duì)流來(lái)達(dá)到改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的效果。

2.3 特殊類型二：中小學(xué)校

同樣，中小學(xué)校的使用特點(diǎn)決定了一般情況下不設(shè)集中空器調(diào)節(jié)系統(tǒng)和新風(fēng)系統(tǒng)。而且學(xué)校的寒暑假期間，正好本氣候區(qū)最冷最熱的時(shí)段（合肥地區(qū)的中小學(xué)暑假是約2個(gè)月、寒假約20多天）。隔熱通風(fēng)同樣是學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范中的重點(diǎn)要求，《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50099）要求的小學(xué)和初中普通教室的換氣次數(shù)是2.5次/h和3.5次/h[5]。設(shè)計(jì)時(shí)通常按照窗戶的自然通風(fēng)面積進(jìn)行計(jì)算，但在夏天炎熱和冬天氣溫寒冷時(shí)，教室窗戶一般處于關(guān)閉狀態(tài)，就無(wú)法保證通風(fēng)換氣次數(shù)達(dá)標(biāo)，造成了設(shè)計(jì)時(shí)達(dá)標(biāo)但運(yùn)營(yíng)時(shí)（考慮節(jié)能）卻難以實(shí)現(xiàn)換氣效果的尷尬情況，在本氣候區(qū)的冬季，衛(wèi)生規(guī)范優(yōu)先推薦課間開(kāi)窗自然通風(fēng)換氣[6]。在夏熱冬冷地區(qū)在夏季,良好的通風(fēng)對(duì)于建筑、人和環(huán)境都有較大的熱舒適作用,空氣對(duì)流可以有效帶走室內(nèi)的熱量,并且降低室內(nèi)空氣濕度；由于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料、室內(nèi)裝修材料其成分或溶劑中含有相當(dāng)?shù)挠泻ξ?而且人體及學(xué)生日常生活也會(huì)影響室內(nèi)的空氣品質(zhì),所以良好的建筑通風(fēng)可以更新室內(nèi)空氣、帶走有害物；它所帶來(lái)的節(jié)能效果明顯。自然通風(fēng)（機(jī)械輔助式自然通風(fēng)）是人們樂(lè)于接受的通風(fēng)方式,除了能減少傳統(tǒng)空調(diào)制冷系統(tǒng)的使用，降低能耗外,更重要的一個(gè)原因是有利于人的生理和心理健康，這一點(diǎn)學(xué)校建筑中尤為重要。

2.4 節(jié)能設(shè)計(jì)中建筑實(shí)際能耗

由于上述建筑的建筑形態(tài)和使用的特點(diǎn)，對(duì)采光和通風(fēng)都有較高要求，此類建筑一般不會(huì)滿足按節(jié)能率為導(dǎo)向編制《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)范》要求的部分朝向上的窗墻比，體型系數(shù)、夏冬季節(jié)不同的外窗得熱系數(shù)等規(guī)定性指標(biāo)的要求，要通過(guò)權(quán)衡計(jì)算滿足節(jié)能規(guī)范要求，往往要單方面提高建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，例如增加外墻外保溫和屋頂?shù)牟牧系暮穸?、提高外門窗的熱工性能，安徽版的公共建筑節(jié)能規(guī)范中甲二類公建的的規(guī)定性指標(biāo)為對(duì)于重質(zhì)結(jié)構(gòu)，外墻的K值（w/m2·k）小于0.7，屋面K值小于0.5，外窗K值最大不超過(guò)2.6，這已經(jīng)是非常低的指標(biāo)了，但權(quán)衡計(jì)算的結(jié)果，上述指標(biāo)往往還要更加小。

《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51161-2016）中夏熱冬冷地區(qū)A類建筑（過(guò)度季節(jié)自然通風(fēng)，減少空調(diào)的運(yùn)行時(shí)間）的引導(dǎo)值是70kW·h/m2·a[7]，實(shí)際設(shè)計(jì)中我們發(fā)現(xiàn)通過(guò)節(jié)能權(quán)衡計(jì)算出的此類建筑的全年每平方米的能耗衡遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于此數(shù)值，盡管二者計(jì)算結(jié)果不具備可比性，但是設(shè)計(jì)節(jié)能建筑的實(shí)際能耗的調(diào)查和數(shù)據(jù)收集，對(duì)我們開(kāi)展建筑節(jié)能和節(jié)能投入的經(jīng)濟(jì)型分析更具有實(shí)際意義。

節(jié)能率的正確理解：

設(shè)計(jì)中通常說(shuō)設(shè)計(jì)與未采取節(jié)能措施前相比，全年采暖、空調(diào)總能耗應(yīng)降低50%以上，即節(jié)能率50%，這里說(shuō)的未采取節(jié)能措施前，在2005版的《公共建節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50189）中是上個(gè)世紀(jì)80年度初的建筑，基準(zhǔn)建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)按當(dāng)時(shí)的傳統(tǒng)做法，例如夏熱冬冷地區(qū)的上海維護(hù)結(jié)構(gòu)的K值（w/m2·k）外墻為 2.35，外窗 6.4，屋面 1.55。[8]，并據(jù)此在保持與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)下室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的條件下，計(jì)算基準(zhǔn)建筑的全年（7650h）的暖通空調(diào)和照明的能耗，將它作為100%。

2015版規(guī)范在2005版規(guī)范本的的基礎(chǔ)上，建筑的總體（供暖、通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)和照明）節(jié)能率又有了20～23%的提高。其中從北方到南方維護(hù)結(jié)構(gòu)分擔(dān)的節(jié)能率為6%～4%[9]，這里比較的基準(zhǔn)是滿足2005年規(guī)定性指標(biāo)的建筑，可從這里以看出節(jié)能率是理論上宏觀上的執(zhí)行規(guī)范后前后建筑能耗比較，是各個(gè)專業(yè)綜合提高節(jié)能效率的綜合結(jié)果,不存在單個(gè)建筑的前后節(jié)能率，而且是保持假定的室內(nèi)環(huán)境下按全年每天24h模擬計(jì)算出的能耗對(duì)比。在夏熱冬冷地區(qū)，即使是大型的全空調(diào)系統(tǒng)的建筑也很難符合符合規(guī)范中假定，通過(guò)權(quán)衡計(jì)算得出全年能耗并不是建筑實(shí)際的運(yùn)行能耗，這在本氣候區(qū)的上述中小型公共建筑中體現(xiàn)的更為明顯，對(duì)著一類建筑簡(jiǎn)單的提高節(jié)能率，并不能達(dá)到實(shí)際意義上在節(jié)能，而應(yīng)該參考《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》中夏熱冬冷地區(qū)A類建筑的能耗指標(biāo)。

3 結(jié)論

符合夏熱冬冷地區(qū)氣候的節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)該注意建筑的自然通風(fēng)、隔熱、和遮陽(yáng)設(shè)計(jì)，節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)貫穿到建筑設(shè)計(jì)的全過(guò)程,從方案就開(kāi)始考慮朝向、立面窗墻面積比、窗自然通風(fēng)的開(kāi)啟形式、遮陽(yáng)形式等設(shè)計(jì)策略，握節(jié)能設(shè)計(jì)的主動(dòng)權(quán)。對(duì)于農(nóng)貿(mào)市場(chǎng),中小學(xué)校等類型中小型公共建筑應(yīng)該更注重建筑實(shí)際能耗的控制，加強(qiáng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集分析。分析實(shí)際運(yùn)行中節(jié)能的的投入和圍護(hù)成本和節(jié)約電費(fèi)直接的關(guān)系。宏觀上節(jié)能設(shè)計(jì)管理不單單要看節(jié)能率，更應(yīng)該關(guān)心使用中的的實(shí)際能耗，建筑節(jié)能材料的綠色環(huán)保、維護(hù)、更新成本。