節能技術在小高層住宅中的應用研究*

韓春詠 祁少明

隨著我國住房制度的改革,住宅基本進入商品化階段,由于高層住宅容量大、占地小,同時,城市化進程的加快使城市可供開發的土地越來越少,為在有限的土地上還能夠有著更多更好的戶外使用空間,高層住宅的設計正越來越受到人們的重視。

建筑節能包括建筑物的節能和供熱系統的節能。對于建筑物能耗,其是一個綜合的過程,它受體形系數、圍護結構傳熱系數、窗墻面積比、樓梯間開敞與否、換氣次數、朝向、建筑物入口處是否設置門斗或其他避風措施等因素的影響。本文從高層住宅體形設計、圍護結構及門窗設計方面,提出一些節能措施的建議,以供參考。

1 圍護結構設計

在相同的室內外溫差條件下,建筑圍護結構保溫隔熱性能的好壞,直接影響到流出或流入室內的熱量的多少。建筑圍護結構保溫隔熱性能好,流出或流入室內的熱量就少,采暖、空調設備消耗的能量也就少;反之,建筑圍護結構保溫隔熱性能差,流出或流入室內的熱量就多,采暖、空調設備消耗的能量也就多[1]。從建筑傳熱耗熱量的構成來看,外墻所占比例最大,對于高層住宅來說,墻體散發的熱量比例更大,必須對圍護結構的墻體設計給予足夠的重視。

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

從表1的數據可以看出,當高層住宅采取250厚的加氣混凝土砌塊作為填充墻時,其傳熱系數為 0.84 W/(m2?K),對于張家口市的住宅來說,不滿足節能標準的要求(節能標準要求:體形系數超過0.3時為0.6 W/(m2?K);體形系數不超過0.3時為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、巖棉板等輕質高效保溫材料形成的復合墻體。對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。對于采用輕質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造做法,另外,像北京幾家單位聯合研制的GRC外掛保溫復合墻板,就具有良好的節能效應,我們還應積極開發高性能的節能墻體材料。研究表明,對于為了保證節能要求采取措施增加的初投資,一般在短時期內得以回收,具有良好的綜合經濟效益。

表1 不同構造做法外墻的熱工性能

2 門窗設計

窗戶是除墻體之外,圍護結構中熱量損失的另一個大戶。

窗戶的熱量損失包括兩部分,一部分為窗戶傳熱損失,一部分為冷風滲透損失。對于減少窗戶傳熱損失,可以采取增加窗戶的層數、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,其綜合經濟效益良好。在JGJ 26-95民用建筑節能設計標準(采暖居住建筑部分)中,考慮減少窗戶的耗熱量,對各個方向的窗墻面積比給予限定,但建筑設計應以人為本,適應住宅市場的需求,同時南向窗戶是很好的得熱體,所以我們不應過分追求小的窗墻面積比,應適當加大南向窗面積,縮小熱量流失嚴重的北向窗戶[2]。但由于大的窗戶造成多余的熱量損失,必須由增加圍護結構或窗戶的保溫性能得到補償。

一般情況,風速與建筑物的高度成拋物線正比關系,而風壓和風速的關系是平方正比關系,所以風壓隨著高度的增加而增加[4]。但在風對高層建筑滲風量研究中發現,在設計氣象條件下,高層建筑風的作用只是改變了滲風量的分布,而對總滲風量影響很小,對于供暖和空調系統具有自動調節功能的高層建筑,其滲風冷(熱)負荷可以不考慮風的影響,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滲透作用加強,所以高層建筑的門窗設計必須考慮減少冷風滲透。在窗戶面積一定的情況下,窗戶分格設計盡量減小窗戶的縫隙長度。

3 體形設計

體形系數是指建筑物圍合室內所需與大氣接觸外包表面積(F0)與其體積(V0)的比值,即圍合單位室內體積所需的外包面積,用S=F0/V0表示。由于建筑物內部的熱量是通過圍護結構散發出去的,所以傳熱量就與外表面傳熱面積相關。體形系數越小,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的增大而呈直線上升。

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

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、風車形等塔式形式。建筑在太陽輻射能利用方面,南向的墻體和窗戶是得熱體,對太陽能的利用有利。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,使建筑所得太陽輻射熱加大,有利于節約能源。

4 建議

在寒冷地區發展小高層住宅時,其建筑平面形式采用板條式組合形式節能效果較好,其外墻的設計要使其傳熱系數不小于節能標準的要求,其南向窗戶面積可以適當加大,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度。

[1] 董海榮,劉加平.多層住宅圍護結構整體性保溫的節能效應研究[J].工業建筑,2003(10):10-11.

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

[3] JGJ 26-95,民用建筑節能設計標準(采暖居住建筑部分)[S].

[4] 符永正.風對高層建筑空氣滲透的總體效應[J].通風除塵,1998(1):42-43.

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