節(jié)能技術(shù)在小高層住宅中的應(yīng)用研究*

韓春詠 祁少明

隨著我國(guó)住房制度的改革,住宅基本進(jìn)入商品化階段,由于高層住宅容量大、占地小,同時(shí),城市化進(jìn)程的加快使城市可供開(kāi)發(fā)的土地越來(lái)越少,為在有限的土地上還能夠有著更多更好的戶外使用空間,高層住宅的設(shè)計(jì)正越來(lái)越受到人們的重視。

建筑節(jié)能包括建筑物的節(jié)能和供熱系統(tǒng)的節(jié)能。對(duì)于建筑物能耗,其是一個(gè)綜合的過(guò)程,它受體形系數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、窗墻面積比、樓梯間開(kāi)敞與否、換氣次數(shù)、朝向、建筑物入口處是否設(shè)置門(mén)斗或其他避風(fēng)措施等因素的影響。本文從高層住宅體形設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及門(mén)窗設(shè)計(jì)方面,提出一些節(jié)能措施的建議,以供參考。

1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在相同的室內(nèi)外溫差條件下,建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能的好壞,直接影響到流出或流入室內(nèi)的熱量的多少。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能好,流出或流入室內(nèi)的熱量就少,采暖、空調(diào)設(shè)備消耗的能量也就少;反之,建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能差,流出或流入室內(nèi)的熱量就多,采暖、空調(diào)設(shè)備消耗的能量也就多[1]。從建筑傳熱耗熱量的構(gòu)成來(lái)看,外墻所占比例最大,對(duì)于高層住宅來(lái)說(shuō),墻體散發(fā)的熱量比例更大,必須對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的墻體設(shè)計(jì)給予足夠的重視。

寒冷地區(qū)小高層住宅主要采用的是框架、框架—剪力墻結(jié)構(gòu),近幾年逐漸發(fā)展起輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系、異型梁柱結(jié)構(gòu)。外墻材料的選擇要考慮其性能滿足要求、經(jīng)濟(jì)、盡量就地取材等原則。表1描述了幾種構(gòu)造做法的外墻熱工性能。

從表1的數(shù)據(jù)可以看出,當(dāng)高層住宅采取250厚的加氣混凝土砌塊作為填充墻時(shí),其傳熱系數(shù)為 0.84 W/(m2?K),對(duì)于張家口市的住宅來(lái)說(shuō),不滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求(節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求:體形系數(shù)超過(guò)0.3時(shí)為0.6 W/(m2?K);體形系數(shù)不超過(guò)0.3時(shí)為0.75 W/(m2?K)),張家口不能采用 250厚單一的加氣混凝土砌塊,必須增設(shè)保溫層。考慮施工方便,保溫層自重不宜太大,墻體總厚度不能太大而使房間的使用面積減少等,高層住宅建筑的外墻,宜采用聚苯乙烯泡沫塑料板、水泥珍珠巖板、巖棉板等輕質(zhì)高效保溫材料形成的復(fù)合墻體。對(duì)于鋼筋混凝土剪力墻適合采用表1中增加空氣間層和聚苯乙烯泡沫塑料板的做法。對(duì)于采用輕質(zhì)加氣混凝土板材的外墻,墻體總厚度小,但其熱惰性差。表1中只是給出部分墻體構(gòu)造做法,另外,像北京幾家單位聯(lián)合研制的GRC外掛保溫復(fù)合墻板,就具有良好的節(jié)能效應(yīng),我們還應(yīng)積極開(kāi)發(fā)高性能的節(jié)能墻體材料。研究表明,對(duì)于為了保證節(jié)能要求采取措施增加的初投資,一般在短時(shí)期內(nèi)得以回收,具有良好的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

表1 不同構(gòu)造做法外墻的熱工性能

2 門(mén)窗設(shè)計(jì)

窗戶是除墻體之外,圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱量損失的另一個(gè)大戶。

窗戶的熱量損失包括兩部分,一部分為窗戶傳熱損失,一部分為冷風(fēng)滲透損失。對(duì)于減少窗戶傳熱損失,可以采取增加窗戶的層數(shù)、采用雙層玻璃、采用諸如塑鋼絕熱性能好的型材。大量研究表明,采用這些保溫措施,其綜合經(jīng)濟(jì)效益良好。在JGJ 26-95民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)中,考慮減少窗戶的耗熱量,對(duì)各個(gè)方向的窗墻面積比給予限定,但建筑設(shè)計(jì)應(yīng)以人為本,適應(yīng)住宅市場(chǎng)的需求,同時(shí)南向窗戶是很好的得熱體,所以我們不應(yīng)過(guò)分追求小的窗墻面積比,應(yīng)適當(dāng)加大南向窗面積,縮小熱量流失嚴(yán)重的北向窗戶[2]。但由于大的窗戶造成多余的熱量損失,必須由增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)或窗戶的保溫性能得到補(bǔ)償。

一般情況,風(fēng)速與建筑物的高度成拋物線正比關(guān)系,而風(fēng)壓和風(fēng)速的關(guān)系是平方正比關(guān)系,所以風(fēng)壓隨著高度的增加而增加[4]。但在風(fēng)對(duì)高層建筑滲風(fēng)量研究中發(fā)現(xiàn),在設(shè)計(jì)氣象條件下,高層建筑風(fēng)的作用只是改變了滲風(fēng)量的分布,而對(duì)總滲風(fēng)量影響很小,對(duì)于供暖和空調(diào)系統(tǒng)具有自動(dòng)調(diào)節(jié)功能的高層建筑,其滲風(fēng)冷(熱)負(fù)荷可以不考慮風(fēng)的影響,按單純的熱壓作用即可。但是由于建筑總高度的增加,使由建筑熱壓引起的冷風(fēng)滲透作用加強(qiáng),所以高層建筑的門(mén)窗設(shè)計(jì)必須考慮減少冷風(fēng)滲透。在窗戶面積一定的情況下,窗戶分格設(shè)計(jì)盡量減小窗戶的縫隙長(zhǎng)度。

3 體形設(shè)計(jì)

體形系數(shù)是指建筑物圍合室內(nèi)所需與大氣接觸外包表面積(F0)與其體積(V0)的比值,即圍合單位室內(nèi)體積所需的外包面積,用S=F0/V0表示。由于建筑物內(nèi)部的熱量是通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)散發(fā)出去的,所以傳熱量就與外表面?zhèn)鳠崦娣e相關(guān)。體形系數(shù)越小,表示單位體積的外包表面積越小,即散失熱量的途徑越少,越具有節(jié)能意義。大量研究證明,在其他條件相同的情況下,建筑物的采暖耗熱量隨體形系數(shù)的增大而呈直線上升。

高層住宅雖然提高了居住密度,節(jié)約了用地,但為了解決通風(fēng)、采光等問(wèn)題,體形一般凹凸變化比較多,勢(shì)必造成建筑體形系數(shù)加大,不利于節(jié)能,因此,我們盡量使建筑平面形式規(guī)整,而且盡量采用組合式平面,減少外圍護(hù)墻體的面積,減小建筑體形系數(shù)。但體形系數(shù)相等的建筑,其耗熱量指標(biāo)也不一定完全相同。例如圖1描述的幾種高層住宅的平面形式,面積均為938 m2,外墻周長(zhǎng)均為175 m,同樣高度的三棟建筑體形系數(shù)相等。但由于三棟建筑各個(gè)方向墻的面積不同,根據(jù)JGJ 26-95民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)中的規(guī)定,不同方向墻體的傳熱系數(shù)修正系數(shù)ε不同,所以它們的耗熱量指標(biāo)也不同。因此,在考慮高層住宅節(jié)能時(shí),也不能只考慮建筑體形系數(shù)。

目前,高層住宅典型的平面形式基本有板條形單元式;蝶形、蛙形、Y形、風(fēng)車(chē)形等塔式形式。建筑在太陽(yáng)輻射能利用方面,南向的墻體和窗戶是得熱體,對(duì)太陽(yáng)能的利用有利。板條式組合住宅,雖然電梯的利用率偏低,但減少了交通面積,特別是板式住宅可以使南向外墻面積比例加大,使建筑所得太陽(yáng)輻射熱加大,有利于節(jié)約能源。

4 建議

在寒冷地區(qū)發(fā)展小高層住宅時(shí),其建筑平面形式采用板條式組合形式節(jié)能效果較好,其外墻的設(shè)計(jì)要使其傳熱系數(shù)不小于節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求,其南向窗戶面積可以適當(dāng)加大,但要盡量縮小北向窗戶的面積,窗戶的分格要減小窗戶的縫隙長(zhǎng)度。

[1] 董海榮,劉加平.多層住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體性保溫的節(jié)能效應(yīng)研究[J].工業(yè)建筑,2003(10):10-11.

[2] 董海榮.寒冷地區(qū)住宅建筑窗墻面積比的確定[J].低溫建筑技術(shù),2004(5):23-24.

[3] JGJ 26-95,民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)[S].

[4] 符永正.風(fēng)對(duì)高層建筑空氣滲透的總體效應(yīng)[J].通風(fēng)除塵,1998(1):42-43.

[5] 郎 勇.議建筑節(jié)能及發(fā)展趨勢(shì)[J].山西建筑,2008,34(11):247-248.