夏熱冬冷地區(qū)超低能耗住宅建筑設(shè)計(jì)策略探析
——以長(zhǎng)沙地區(qū)某小區(qū)住宅為例

文／向俊米 湖南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院 博士研究生丘陵地區(qū)城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

劉宏成 湖南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院丘陵地區(qū)城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

引言

我國(guó)1986年頒布《節(jié)約能源管理暫行條例》，標(biāo)志著政府開(kāi)始關(guān)注節(jié)能問(wèn)題。建筑節(jié)能是最優(yōu)潛力和最有效的節(jié)能途徑。超低能耗、零能耗建筑是降低建筑行業(yè)能耗的有效方案，只有超低能耗建筑、零能耗建筑的總比例大于50%，建筑能耗才開(kāi)始下降[1]。我國(guó)的建筑節(jié)能在嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)開(kāi)展較早，目前政策標(biāo)準(zhǔn)基本配套，超低能耗住宅在河北、天津等地已取得較好效果。夏熱冬冷地區(qū)超低能耗住宅通常參考德國(guó)被動(dòng)房的外圍護(hù)指標(biāo)與結(jié)構(gòu)體系，適用于該地區(qū)的超低能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)體系與產(chǎn)品還不成熟。

因此，有必要結(jié)合該地區(qū)氣候特征與居民用能方式，以長(zhǎng)沙市某小區(qū)住宅為例，綜合考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)對(duì)住宅夏、冬季和總能耗的影響，探索適宜的圍護(hù)結(jié)構(gòu)指標(biāo)與構(gòu)造做法，最大限度節(jié)約住宅能耗。

1 研究方法

現(xiàn)有超低能耗住宅計(jì)算方式以連續(xù)用能為主，不符合夏熱冬冷地區(qū)主要用能習(xí)慣。首先，通過(guò)文獻(xiàn)與問(wèn)卷調(diào)研得出夏熱冬冷地區(qū)典型用能方式；然后，分析各圍護(hù)結(jié)構(gòu)與住宅夏、冬季、總能耗的量化關(guān)系與圍護(hù)結(jié)構(gòu)指標(biāo)；最后，結(jié)合住宅實(shí)際情況篩選適宜的構(gòu)造做法與可再生能源利用方式。

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)與住宅能耗的量化關(guān)系

2.1 基準(zhǔn)模型

2.1.1 物理模型

長(zhǎng)沙市某小區(qū)住宅共11 層，每層兩梯四戶，總建筑面積4802.5m2，層高3.0m。選用Open Studio 軟件進(jìn)行模擬（圖1）。現(xiàn)有住宅外墻、屋面基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上增加保溫層厚度以變化圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)；選用德國(guó)被動(dòng)房[2]圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)建筑，參考《標(biāo)準(zhǔn)》[3]與研究[4]的圍護(hù)結(jié)構(gòu)指標(biāo)要求選取參數(shù)范圍進(jìn)行單因素模擬（表1），以分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)與夏、冬季及總能耗之間的量化關(guān)系。

2.1.2 用能方式

問(wèn)卷分為住戶基本情況與用能方式兩部分，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與入戶方式在湖南地區(qū)共發(fā)873 份。由問(wèn)卷調(diào)研可知，夏熱冬冷地區(qū)居民主要用能方式為間歇用能[5]，周一至周五工作日以夜間臥室用能為主，周末主要使用起居室與臥室空調(diào)。即起居室、臥室分開(kāi)設(shè)置用能時(shí)間，周一至周五分別為18 ∶00 ～22 ∶00、22 ∶00 ～7 ∶00；周末為7 ∶00 ～22 ∶00，22 ∶00 ～7 ∶00。分體空調(diào)占采暖、制冷設(shè)備總量的87%。因此區(qū)別于德國(guó)被動(dòng)房，用能系統(tǒng)選用一級(jí)能效分體空調(diào)，空調(diào)設(shè)定溫度夏季26℃，冬季12℃。制冷期為6 月15 日至8 月31 日，采暖期12 月1 日至次年2 月28 日[6]。

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)與能耗的量化關(guān)系

結(jié)合研究[1]，在標(biāo)準(zhǔn)建筑基礎(chǔ)上進(jìn)行單因素變化模擬，通過(guò)多元線性回歸分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)住宅夏、冬季與總能耗的影響，總結(jié)適宜該地區(qū)的零能耗住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)組合。

2.2.1 屋面與外墻

由圖2 可知，外墻傳熱系數(shù)減小總能耗下降明顯；外墻傳熱系數(shù)小于0.18W/m2·K 夏季能耗小幅增加，且住宅外墻主體為200mm 燒結(jié)多孔磚，保溫層過(guò)厚增加施工難度與脫落風(fēng)險(xiǎn)，因此外墻傳熱系數(shù)以0.18W/m2·K 為宜。屋面總能耗隨著傳熱系數(shù)減少下降緩慢；屋面k ≤0.20W/m2·K 時(shí)出現(xiàn)夏季反節(jié)能，保溫層過(guò)厚延遲效應(yīng)增加易導(dǎo)致頂層住戶夜間夏季夜間過(guò)熱，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)0.20W/m2·K 為最佳。

2.2.2 窗戶與遮陽(yáng)

由圖3 可知，隨著外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)的減小，冬季能耗、總能耗逐步增加，分析原因?yàn)橥獯疤?yáng)系數(shù)減小不利于冬季室內(nèi)太陽(yáng)得熱。當(dāng)外窗SHGC 小于0.3 時(shí)，冬季能耗與總能耗增加幅度加大，外窗SHGC≥0.3。外遮陽(yáng)SHGC小于0.3總能耗減小幅度增大，外遮陽(yáng)SHGC ≤0.3。

由圖4 可知，外窗傳熱系數(shù)減小對(duì)冬季能耗的影響大于夏季，分析原因外窗傳熱系數(shù)減小有利于阻止夏季白天室外熱量傳入室內(nèi)，但不利于夏季夜間散熱。當(dāng)外窗k ≤0.8w/m2·K，夏季能耗稍有增加，因此外窗傳熱系數(shù)以0.8w/m2·K為宜。

圖1 住宅模型示意圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

圖2 外墻、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對(duì)能耗影響圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

圖3 外窗、外遮陽(yáng)太陽(yáng)得熱系數(shù)對(duì)能耗影響圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

圖4 外窗傳熱系數(shù)對(duì)能耗影響圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)做法與參數(shù)范圍（表格來(lái)源：作者自繪）

2.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)與住宅能耗的量化模型

通過(guò)SPSS 軟件分別對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)與夏、冬季及總能耗進(jìn)行多元線性回歸，擬合優(yōu)度均大于0.9。經(jīng)計(jì)算，已設(shè)置外遮陽(yáng)時(shí)，外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)對(duì)夏季、冬季能耗的影響均不顯著。圍護(hù)結(jié)構(gòu)各熱工參數(shù)對(duì)總能耗的影響為外窗傳熱系數(shù)＞墻體傳熱系數(shù)＞外遮陽(yáng)太陽(yáng)得熱系數(shù)＞屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)＞外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)。因此窗戶選型以外窗傳熱系數(shù)為主要指標(biāo)。屋面、墻體、外窗傳熱系數(shù)對(duì)夏季能耗影響不明顯，遮陽(yáng)的太陽(yáng)得熱系數(shù)對(duì)夏季能耗影響最大。外窗傳熱系數(shù)、墻體傳熱系數(shù)對(duì)冬季能耗影響最大。

綜上所述，住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)為外墻、屋面、外窗傳熱系數(shù)0.18 w/m2·K、2.0w/m2·K、0.8w/m2·K，外遮陽(yáng)太陽(yáng)得熱系數(shù)0.3。通過(guò)Open studio 模擬，較未采用節(jié)能措施的住宅節(jié)能80.04%。

3 超低能耗住宅設(shè)計(jì)策略篩選

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

經(jīng)計(jì)算，外墻擠塑聚苯板厚度應(yīng)不大于200mm，外墻內(nèi)保溫占用室內(nèi)過(guò)多空間，夾心保溫影響外墻承載力，應(yīng)采用外墻外保溫。為方便施工，建議采用裝飾保溫一體化墻板。正置式保溫屋面常因蒸汽無(wú)法散出導(dǎo)致保溫層濕度增加，節(jié)能效果減小，因此選用倒置式保溫屋面，建議選用200mm 擠塑聚苯板屋面保溫復(fù)合板以便屋面保溫層更換與維修。三玻兩腔氬氣鋁塑木復(fù)合窗傳熱系數(shù)0.8w/m2·K，滿足外窗熱工參數(shù)要求。

3.2 可再生能源

受高層住宅用地限制，不適宜擺放光伏發(fā)電設(shè)備，選用太陽(yáng)能熱水器作為可再生能源利用方式。住宅共12 層，太陽(yáng)能集熱器置于屋面時(shí)中下層管線過(guò)長(zhǎng)，能源利用效率降低；單個(gè)集熱板面積2.5m2，共44 個(gè)，集熱器鋪設(shè)間隔1.5m，為屋面總面積的30%，大量占用屋面晾曬衣物空間，與長(zhǎng)沙地區(qū)定期晾曬棉被的生活習(xí)慣不符[5]。因此，選用陽(yáng)臺(tái)壁掛式太陽(yáng)能熱水器。

結(jié)語(yǔ)

以長(zhǎng)沙市某小區(qū)住宅為例，對(duì)夏熱冬冷地區(qū)超低能耗住宅建筑實(shí)施路徑進(jìn)行探索，得到結(jié)論如下：

（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)對(duì)總能耗的影響為外窗傳熱系數(shù)＞墻體傳熱系數(shù)＞遮陽(yáng)太陽(yáng)得熱系數(shù)＞屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)＞外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)，外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)對(duì)夏季、冬季、總能耗影響均不大。

（2）夏熱冬冷地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)對(duì)住宅冬季能耗的影響大于夏季；遮陽(yáng)的太陽(yáng)得熱系數(shù)對(duì)夏季能耗的影響最大，較嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)，該地區(qū)住宅隔熱設(shè)計(jì)十分重要。

（3）建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可再生能源利用應(yīng)結(jié)合住宅建筑空間特點(diǎn)與居民用能方式。外墻、屋面宜選擇外墻外保溫與倒置式屋面，均采用保溫裝飾一體化板；陽(yáng)臺(tái)壁掛式太陽(yáng)能熱水器較屋面太陽(yáng)能集熱器更適用于高層住宅。