嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)建筑用能強(qiáng)度指標(biāo)及室內(nèi)環(huán)境營(yíng)造技術(shù)適用性研究

魏香玉，陳永良，陳宇紅，王 麗，衛(wèi) 松

（河南省建筑科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450053）

中國(guó)北方地區(qū)每年存在數(shù)十天時(shí)間最高氣溫在-10℃以下，平均氣溫在-18℃以下，此時(shí)建筑物的保暖工作用能強(qiáng)度指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)直接關(guān)系到建筑物的宜居性。而室內(nèi)環(huán)境營(yíng)造技術(shù)是該用能強(qiáng)度指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)的核心實(shí)現(xiàn)路徑。

根據(jù)住建部及其他相關(guān)部門的具體要求，冬季居室供暖溫度需要保障室溫在18℃以上，即室內(nèi)外溫差需要達(dá)到30℃。此時(shí)除布局集中供能水暖系統(tǒng)外，還應(yīng)加強(qiáng)建筑物的隔熱保溫性能，此時(shí)增加墻體厚度、增加隔熱夾層、使用多層中空玻璃等室內(nèi)環(huán)境營(yíng)造技術(shù)，確保建筑物的供熱用能受到有效控制。

該研究對(duì)不同形式建筑隔熱技術(shù)條件下的建筑用能強(qiáng)度指標(biāo)變化特征進(jìn)行分析，尋找最大建筑物套內(nèi)面積率的建筑物用能強(qiáng)度控制方案。

1 墻體結(jié)構(gòu)與套內(nèi)面積率

北方低溫地區(qū)的建筑物，外墻部分使用專門設(shè)計(jì)的隔熱墻體，而內(nèi)墻的承重墻結(jié)構(gòu)和非承重墻結(jié)構(gòu)與南方非低溫地區(qū)的墻體結(jié)構(gòu)基本一致。而建筑物的室內(nèi)環(huán)境營(yíng)造技術(shù)受到墻體厚度的影響，特別對(duì)其套內(nèi)面積占比的控制目標(biāo)是其重要技術(shù)目標(biāo)。受到早期粘土治磚技術(shù)的影響，多參照標(biāo)磚尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，標(biāo)磚尺寸為240 mm×120 mm×60 mm，即單磚墻厚度120 mm，雙磚墻厚度240 mm，附屬保溫措施為聚苯烯板（標(biāo)準(zhǔn)厚度80 mm），發(fā)泡水泥涂層（標(biāo)準(zhǔn)厚度50 mm），普通砂漿涂層（標(biāo)準(zhǔn)厚度20 mm）。所以，該地區(qū)保溫墻體的常見(jiàn)構(gòu)造如表1所示。

表1 保溫墻體的常見(jiàn)構(gòu)造表Tab.1 Common structure of thermal insulation wall mm

由表1可知，發(fā)現(xiàn)建筑物保溫外墻的厚度在470~710 mm，考察4種常見(jiàn)建筑物平面，分別為雙通道一梯三戶結(jié)構(gòu)下的12 m×55 m結(jié)構(gòu)，建筑面積660 m，三通道一梯兩戶結(jié)構(gòu)下的11 m×72 m結(jié)構(gòu)，建筑面積792 m，商業(yè)房結(jié)構(gòu)下的9 m×35 m結(jié)構(gòu)，建筑面積315 m，商業(yè)主樓結(jié)構(gòu)下的25 m×45 m結(jié)構(gòu)，建筑面積1 125 m。所以，該地區(qū)常見(jiàn)建筑物平面條件下的建筑面積與套內(nèi)面積的分布情況如表2所示。

表2 建筑物套內(nèi)面積率試算表（墻體橫截面/套內(nèi)面積率）Tab.2 Trial calculation table of building interior area ratio (wall cross section / interior area ratio)

表2中，相同墻體厚度條件下，單層建筑面積越大，套內(nèi)面積率越高，當(dāng)單層建筑面積達(dá)到1125 m時(shí)，建筑套內(nèi)面積率達(dá)到91.2%~94.1%。但此套內(nèi)面積并不包括建筑物內(nèi)墻，內(nèi)承重墻一般采用厚度240 mm的雙磚墻，非承重墻一般采用厚度120 mm的單磚墻。

2 不同溫差下墻體結(jié)構(gòu)與保溫窗結(jié)構(gòu)對(duì)用能強(qiáng) 度的影響

建筑物用能強(qiáng)度的工程學(xué)意義為每平方米建筑面積的供熱能耗，北方地區(qū)的冬季供熱一般采用蒸汽熱能，蒸汽熱能一般來(lái)自火電廠鍋爐余熱，可以折算為W/m的用能強(qiáng)度。所以后續(xù)研究在ANSYS仿真環(huán)境下對(duì)不同室內(nèi)環(huán)境營(yíng)造使用的隔熱結(jié)構(gòu)對(duì)建筑物用能強(qiáng)度的影響。

2.1 墻體結(jié)構(gòu)影響

研究前文表1及表2中的4種隔熱墻，分析不同溫差條件下的保溫墻結(jié)構(gòu)在不同溫差條件下的用能強(qiáng)度特征曲線，如圖1所示。

圖1 建筑物墻體結(jié)構(gòu)對(duì)用能強(qiáng)度的影響Fig.1 Influence of building wall structure on energy consumption intensity

圖1中，更厚的墻體結(jié)構(gòu)對(duì)建筑物在不同室內(nèi)外溫差條件下的用能強(qiáng)度指標(biāo)特征曲線有直接影響，其中，室內(nèi)外20℃溫差條件下，用能強(qiáng)度最大值和最小值為3.5 W/m和11.3 W/m，差值為7.8 W/m，墻體厚度最大的雙磚雙夾層墻用能強(qiáng)度為單磚雙夾層墻的31.0%，室內(nèi)外35℃溫差條件下，用能強(qiáng)度最大值和最小值為9.8 W/m和25.1 W/m，差值為15.3 W/m，墻體厚度最大的雙磚雙夾層墻用能強(qiáng)度為單磚雙夾層墻的39.0%。

2.2 保溫窗結(jié)構(gòu)

北方地區(qū)的常見(jiàn)保溫窗結(jié)構(gòu)主要為2層夾膠鋼化玻璃中間構(gòu)筑8~10 mm厚的真空隔熱層，該結(jié)構(gòu)可以避免保溫窗內(nèi)外的熱交換，但無(wú)法避免熱輻射過(guò)程。所以，該研究?jī)H研究一種最常見(jiàn)保溫窗結(jié)構(gòu)，即兩層夾膠鋼化玻璃層厚度均為12 mm，中間真空層厚度為10 mm。該保溫窗在不同室內(nèi)外溫差條件下對(duì)用能強(qiáng)度的影響特征曲線如圖2所示。

圖2 建筑物墻體結(jié)構(gòu)對(duì)用能強(qiáng)度的影響Fig.2 Influence of building wall structure on energy consumption intensity

圖2中，室內(nèi)外溫差20℃條件下用能強(qiáng)度指標(biāo)為4.9 W/m，室內(nèi)外溫差35℃條件下用能強(qiáng)度指標(biāo)約為12.4 W/m，將該圖數(shù)據(jù)與前文圖1數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該保溫窗結(jié)構(gòu)的保溫效果略低于厚度710 mm的雙磚雙夾層墻體，但較其他形式保溫墻體的保溫性能更強(qiáng)。所以，以往受制于建筑物保溫技術(shù)在北方地區(qū)通過(guò)增加外立面墻體結(jié)構(gòu)面積占比且壓縮窗口面積占比的方式已經(jīng)存在足夠的技術(shù)積累，使用保溫窗雙層夾膠鋼化玻璃作為玻璃幕墻的全幕墻結(jié)構(gòu)建筑可以在北方地區(qū)實(shí)現(xiàn)大溫差條件下的建筑物用能強(qiáng)度控制。

3 低用能強(qiáng)度需求下的建筑物室內(nèi)環(huán)境營(yíng)造技 術(shù)策略

綜合上述分析，與南方地區(qū)常用的240 mm外墻和大規(guī)模使用的玻璃幕墻相比，北方建筑物保溫墻體厚度470~710 mm的技術(shù)條件，會(huì)嚴(yán)重影響建筑物套內(nèi)面積率，影響建筑物室內(nèi)環(huán)境，且影響建筑物的宜居性。而該研究發(fā)現(xiàn)基于雙層夾膠鋼化玻璃真空結(jié)構(gòu)幕墻對(duì)用能強(qiáng)度的影響能力僅次于厚度710 mm的雙磚雙夾層結(jié)構(gòu)墻體，但強(qiáng)于厚度630 mm的雙磚單夾層結(jié)構(gòu)墻體。所以，該研究提供了兩個(gè)室內(nèi)環(huán)境營(yíng)造技術(shù)導(dǎo)向：

（1）北方低溫地區(qū)可以使用全玻璃幕墻結(jié)構(gòu)。玻璃幕墻除使用厚度更大的夾膠鋼化玻璃，減少玻璃幕墻真空層的氣壓，使用鍍膜技術(shù)增加玻璃幕墻對(duì)室內(nèi)來(lái)源的紅外線和遠(yuǎn)紅外線的反射率，增加幕墻對(duì)室外來(lái)源的光線透過(guò)率。此時(shí)可以進(jìn)一步增加全玻璃幕墻的保溫性能，有效控制建筑物的用能強(qiáng)度。

（2）增加單層建筑面積可以提升建筑物套內(nèi)面積占比。如果建筑物墻體厚度不能被有效控制，那么，根據(jù)前文仿真分析，建筑物外墻占用面積呈線性關(guān)系增加，而建筑物建筑面積和套內(nèi)面積呈二次方關(guān)系增加，此時(shí)增加建筑物單層面積，可以有效提升建筑物套內(nèi)面積占比，建議建筑物單層面積超過(guò)1 000 m時(shí)，可以得到更高的經(jīng)濟(jì)性。

4 總結(jié)

該技術(shù)體系對(duì)建筑物室內(nèi)環(huán)境的營(yíng)造路徑，包括對(duì)建筑物墻體壓占面積的控制技術(shù)和不同結(jié)構(gòu)的建筑物外墻條件在不同室內(nèi)外溫差條件下的保溫能力及其對(duì)建筑物用能強(qiáng)度的控制能力。增加建筑物單層面積可以有效提升該控制能力，且證實(shí)北方地區(qū)可以在同等建筑物用能強(qiáng)度控制需求下使用全玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，有效增加建筑物套內(nèi)面積占比。