《夏熱冬冷地區(qū)超低能耗住宅建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》介紹

潘 黎 徐 強(qiáng)

上海市建筑科學(xué)研究院有限公司

0 引言

超低能耗、近零能耗是建筑節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)于2019 年頒布了《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，涵蓋了我國(guó)各個(gè)氣候區(qū)的超低能耗指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)。由于夏熱冬冷地區(qū)氣候復(fù)雜，不僅夏季制冷和冬季供暖需求均較高，且沿長(zhǎng)江流域各城市帶的微氣候也差異顯著，很難使用統(tǒng)一的指標(biāo)體系和技術(shù)體系來(lái)表征超低能耗建筑。為提高超低能耗建筑技術(shù)指標(biāo)體系的可操作性和落地效果，需將夏熱冬冷地區(qū)劃分為不同的子氣候區(qū)，針對(duì)各個(gè)子氣候區(qū)建立相應(yīng)的技術(shù)體系。在國(guó)家“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“降低供暖空調(diào)用能需求的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和混合通風(fēng)適宜技術(shù)及方案”相關(guān)研究成果及備品備件廠家的適宜產(chǎn)品支持下，上海市建筑科學(xué)研究院有限公司于2018年底在中國(guó)建筑節(jié)能協(xié)會(huì)申請(qǐng)立項(xiàng)了團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《夏熱冬冷地區(qū)超低能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，目前處于送審階段。

標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)間歇用能模式，適用于夏熱冬冷地區(qū)新建、改建、擴(kuò)建和既有住宅建筑改造超低能耗控制目標(biāo)的設(shè)定、設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收和運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)住宅建筑全年單位套內(nèi)使用面積供暖、空調(diào)、通風(fēng)電耗不高于20 kWh/m2（不考慮可再生能源），且能符合室內(nèi)居住熱舒適要求。

1 目標(biāo)和定位

超低能耗住宅建筑的設(shè)計(jì)以耗電量為目標(biāo)、以性能設(shè)計(jì)為原則，通過(guò)定量分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，選取最適宜的圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)與技術(shù)措施。超低能耗建筑性能化設(shè)計(jì)是以建筑室內(nèi)環(huán)境參數(shù)和能耗指標(biāo)為性能目標(biāo)，利用建筑模擬工具，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行逐步優(yōu)化，最終達(dá)到預(yù)期性能目標(biāo)要求。超低能耗建筑特征體現(xiàn)在適應(yīng)氣候特征和周邊環(huán)境，將自然通風(fēng)、自然采光、太陽(yáng)輻射和室內(nèi)非供暖熱源得熱等各種被動(dòng)式節(jié)能手段與高性能?chē)o(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，提高供暖空調(diào)設(shè)備性能，在滿(mǎn)足室內(nèi)環(huán)境舒適的前提下最大限度地降低主動(dòng)式供暖、制冷設(shè)備的能源消耗。

超低能耗住宅建筑約束性指標(biāo)應(yīng)包括室內(nèi)環(huán)境參數(shù)及建筑采暖空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)耗電量，推薦性指標(biāo)應(yīng)包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能、能源設(shè)備系統(tǒng)等技術(shù)指標(biāo)。各地區(qū)可依據(jù)自身情況在滿(mǎn)足全年供暖、空調(diào)新風(fēng)能耗不高于20 kWh/m2的條件下對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、供暖空調(diào)設(shè)備系統(tǒng)等進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)。

為保障圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能提升，規(guī)避僅通過(guò)提高空調(diào)設(shè)備性能來(lái)實(shí)現(xiàn)能耗目標(biāo)的做法，本標(biāo)準(zhǔn)提出了單位面積負(fù)荷指標(biāo)，供圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)時(shí)參考，見(jiàn)表1，此處負(fù)荷指標(biāo)是平均負(fù)荷指標(biāo)的概念，不作為空調(diào)選型依據(jù)。

表1 間歇用能模式下的負(fù)荷指標(biāo)

2 子氣候區(qū)劃分

夏熱冬冷地區(qū)包含上海、重慶兩直轄市，湖北、湖南、江西、安徽、浙江五省，四川、貴州兩省東半部，江蘇、河南兩省南半部，福建省北半部，陜西、甘肅兩省南段，廣東、廣西兩省區(qū)北端，涉及16 個(gè)省、市、自治區(qū)。雖然上述地區(qū)總體處于夏季制冷和冬季供暖需求均較大的氣候區(qū)，但城市溫度、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻照量等氣象參數(shù)各有特點(diǎn)。根據(jù)供暖度日數(shù)和空調(diào)度日數(shù)，將夏熱冬冷地區(qū)氣候區(qū)聚類(lèi)分為多個(gè)建筑空調(diào)采暖需求特征相似的子氣候區(qū)。本標(biāo)準(zhǔn)中，夏熱冬冷地區(qū)分為3個(gè)子氣候區(qū)，各子氣候區(qū)供暖和制冷的需求差異如下：

1）A區(qū)：制冷需求顯著高于供暖需求；

2）B區(qū)：制冷和供暖相對(duì)均衡且較高；

3）C區(qū)：供暖需求比制冷需求更高。

從表2 可看出，長(zhǎng)江流域大部分城市處于夏季炎熱、冬季寒冷的氣候特征區(qū)域，在此氣候帶，夏季隔熱和冬季供暖同等重要。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)和通風(fēng)策略也將根據(jù)子氣候區(qū)進(jìn)行推薦。如果在建筑能耗計(jì)算時(shí)無(wú)法獲取所在城市的供暖度日數(shù)或制冷度日數(shù)，可依據(jù)表2 選取就近城市來(lái)確定所在子氣候區(qū)。

3 建筑能耗計(jì)算的主要指標(biāo)

3.1 環(huán)境參數(shù)

室內(nèi)環(huán)境指標(biāo)為建筑性能設(shè)計(jì)時(shí)需要達(dá)到的室內(nèi)舒適水平，其中，熱舒適指標(biāo)為主要指標(biāo)之一。根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和研究成果[1]，當(dāng)人體衣著適宜且處于安靜狀態(tài)時(shí)，室內(nèi)溫度20 ℃比較舒適，18 ℃無(wú)冷感，15 ℃是產(chǎn)生明顯冷感的溫度界限；冬季熱舒適（-1≤PMV≤1）對(duì)應(yīng)的溫度范圍為18～24 ℃。結(jié)合目前夏熱冬冷地區(qū)各省市的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，夏季舒適溫度普遍設(shè)置為26 ℃，冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度范圍16～18 ℃，本標(biāo)準(zhǔn)將冬季室內(nèi)供暖設(shè)計(jì)溫度統(tǒng)一設(shè)定為18 ℃，夏季仍為26 ℃。室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)符合表3的規(guī)定。

3.2 間歇模式

夏熱冬冷地區(qū)大多數(shù)居民采用“間歇時(shí)間、部分空間”的用能模式，本標(biāo)準(zhǔn)中的典型用能模式按表4 選用，為計(jì)算一致，客廳（包括起居室、書(shū)房）、臥室（包括住宅中所有的臥室）均采用同樣的用能模式。

表2 夏熱冬冷地區(qū)子氣候區(qū)的劃分

表3 建筑室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)

表4 住宅建筑間歇用能模式

3.3 供暖空調(diào)設(shè)備性能

空調(diào)器性能取值的高低直接影響能耗計(jì)算，較高的性能取值將會(huì)削弱圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能作用。為確定計(jì)算所用的空調(diào)制冷/制熱性能系數(shù)，同時(shí)考慮空調(diào)器性能提升，本標(biāo)準(zhǔn)選取1 臺(tái)2 級(jí)能效（按照 GB21455-2013 則為 1 級(jí)）2HP 空調(diào)器，參考空調(diào)額定制冷、額定低溫制熱時(shí)的規(guī)定工況參數(shù)，即取室外溫度制冷35 ℃、制熱2 ℃時(shí)的點(diǎn)性能系數(shù)作為空調(diào)器性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值。經(jīng)驗(yàn)證測(cè)算，能耗計(jì)算時(shí)，空調(diào)器性能分別按EER=3.50 W/W，COP=3.0 W/W取值。

3.4 建筑氣密性

在夏熱冬冷地區(qū)，氣密性太好會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)熱量較難散發(fā)，夏季冷負(fù)荷顯著升高，而冬季供暖時(shí)由于室內(nèi)外溫度差異顯著，導(dǎo)致室內(nèi)外存在一定的熱壓差，房間氣密性較差時(shí)，又會(huì)存在較大的熱壓滲透通風(fēng)，不僅影響冬季室內(nèi)熱舒適，同時(shí)供暖負(fù)荷顯著升高。為實(shí)現(xiàn)夏季和冬季的均衡，超低能耗住宅建筑氣密性設(shè)計(jì)應(yīng)適當(dāng)提高要求，減少冬季建筑的無(wú)組織滲風(fēng)，同時(shí)保證夏季房間的散熱。

另一方面，考慮到健康需求，依據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50736-2012）對(duì)居住建筑人均最小新風(fēng)量要求，人均居住面積介于20～50 m2之間的、滿(mǎn)足人員健康的最小新風(fēng)量為0.5 次/h。如果新風(fēng)量小于 0.5 次/h，則需采用機(jī)械通風(fēng)的方式補(bǔ)充新風(fēng)。而本標(biāo)準(zhǔn)能耗目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的前提是通過(guò)自然通風(fēng)和強(qiáng)化自然通風(fēng)的方式實(shí)現(xiàn)過(guò)渡季節(jié)的新風(fēng)量需求，為此，本標(biāo)準(zhǔn)中建筑滲漏換氣次數(shù)取值0.5 次/h，過(guò)渡季節(jié)通過(guò)自然通風(fēng)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)舒適，減少采暖空調(diào)時(shí)間。

4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)體系

圍護(hù)結(jié)構(gòu)指標(biāo)包括非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)和透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)指標(biāo)。夏熱冬冷地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵性能指標(biāo)有外窗遮陽(yáng)系數(shù)、外墻傳熱系數(shù)、外窗傳熱系數(shù)和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等。本標(biāo)準(zhǔn)在當(dāng)前節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，充分考慮了冬季保溫和夏季散熱的綜合需求，對(duì)各參數(shù)指標(biāo)性能進(jìn)行了一定的提升，如，對(duì)夏熱冬冷地區(qū)子氣候A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)，外墻傳熱系數(shù)分別要求不高于 0.7 W/m2·K、0.6 W/m2·K和0.5 W/m2·K；外窗傳熱系數(shù)不高于2.0 W/m2·K，1.8 W/m2·K 和 1.6 W/m2·K；外窗綜合遮陽(yáng)系數(shù)要求不高于0.35。

夏熱冬冷地區(qū)保溫形式的選取是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)可分為外保溫、內(nèi)保溫、夾心保溫及自保溫4 種形式，根據(jù)保溫的安全性、耐久性、及用能模式等，推薦保溫形式見(jiàn)表5。

本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)冷熱橋處理、氣密性設(shè)計(jì)也做了較為明確的說(shuō)明。

5 技術(shù)應(yīng)用

以能耗為目標(biāo)，采用性能化設(shè)計(jì)方法，通過(guò)課題研究建立了適宜上海地區(qū)的超低能耗建筑技術(shù)指標(biāo)體系，并應(yīng)用于上海建科集團(tuán)新建辦公建筑示范項(xiàng)目中。該項(xiàng)目位于上海市，竣工時(shí)間2019年，總建筑面積23 265.03 m2，其中，地上部分6層建筑面積9 127.92 m2。項(xiàng)目在建設(shè)過(guò)程中，結(jié)合了使用功能、結(jié)構(gòu)形式、施工工藝和材料性能，在超低能耗圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整(見(jiàn)表6)。此外，為實(shí)現(xiàn)全年能耗實(shí)測(cè)值的降低，采用了高性能多聯(lián)機(jī)組。

表5 保溫形式推薦

實(shí)測(cè)得到7、8、9、12、1月單位面積供暖空調(diào)總電耗數(shù)據(jù)為17.99 kWh/m2，其中，夏季典型月電耗為 8.18 kWh/m2，冬季典型月電耗為 9.81 kWh/m2。由于2020年2月未開(kāi)啟空調(diào)，無(wú)電耗數(shù)據(jù)，如按12月用能模式能耗5.77 kWh/m2估算，全年供暖空調(diào)能耗為23.76 kWh/m2，節(jié)能效果相對(duì)較明顯，同時(shí)也驗(yàn)證了性能化設(shè)計(jì)的可靠性，及通過(guò)提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)、空調(diào)設(shè)備機(jī)組性能、加強(qiáng)自然通風(fēng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能耗目標(biāo)的可行性。

表6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)