寒冷地區(qū)住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)

李茂杰，楊坤麗，毛良河

(西南交通大學(xué)，四川成都610031)

5·12大地震對(duì)汶川造成極大的損害，汶川縣城和附近的村莊3萬(wàn)多人受災(zāi)，縣城建筑70%以上嚴(yán)重?fù)p毀，鄉(xiāng)村建筑基本損毀。根據(jù)恢復(fù)重建規(guī)劃的預(yù)測(cè)，到2010年末，縣城總?cè)丝诩s為2.2萬(wàn)，按恢復(fù)震前人均住房面積28m2計(jì)算縣城需建設(shè)住宅約6 000套，共計(jì)67萬(wàn)m2。如此大的災(zāi)后重建規(guī)模，必須對(duì)建筑節(jié)能問題予以高度的重視和研究。

1 研究對(duì)象

汶川屬寒冷地區(qū)。研究對(duì)象選定某重建居民點(diǎn)中的B型1#樓(圖1)，由三個(gè)單元組成，一梯四戶，地形南低北高，南向?yàn)?層，北向?yàn)?層，南向一層為物業(yè)用房，北向大戶型套內(nèi)面積為116.5m2，南向小戶型套內(nèi)面積為64.25m2，建筑總面積為7 927.37m2。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層單元平面

研究對(duì)象建筑為短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系，用20mm厚XPS板做外保溫層(圖2)，外墻短肢剪力墻部位傳熱系數(shù)為1.08 W/(m2·K)，屋面用30mm厚XPS板做保溫層(圖3)，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.68 W/(m2·K)，外窗均采用塑鋼普通中空玻璃窗(5+9A+5)，傳熱系數(shù)為2.85 W/(m2·K)，自身遮陽(yáng)系數(shù)0.84，氣密性為4級(jí)，可見光透射比0.40。

圖2 墻身節(jié)點(diǎn)詳圖

圖3 屋面節(jié)點(diǎn)詳圖

2 研究方法及工具

采用計(jì)算模擬分析的方法。相比其他研究方法，這種方法能較便捷、準(zhǔn)確的分析得到不同外圍護(hù)結(jié)構(gòu)情況下建筑的能耗狀況。

本次能耗模擬采用廣泛應(yīng)用的 PBECA 2008軟件。PBECA以中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑工程軟件研究所建筑節(jié)能研究發(fā)展中心在建筑節(jié)能領(lǐng)域長(zhǎng)期的研究為技術(shù)基礎(chǔ)，以建筑師最常用的AutoCAD軟件為圖形平臺(tái)，OpenGL技術(shù)為三維顯示和分析平臺(tái)，符合國(guó)家和地方節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，集設(shè)計(jì)、分析為一體的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軟件。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)層建立能耗模型如圖4。

圖4 能耗模型

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能優(yōu)化措施

3.1 外墻

居民點(diǎn)建筑建在地震重點(diǎn)設(shè)防的汶川縣城，從結(jié)構(gòu)安全考慮，采用了短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體型。因此，大部分外圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體為鋼筋混凝土基層，傳熱系數(shù)較大，對(duì)研究建筑進(jìn)行比較分析:設(shè)計(jì)方案中外墻保溫采用粘貼20mm厚擠塑聚苯板做外保溫，外墻主體部位傳熱系數(shù)為1.08 W/(m2·K)，此時(shí)建筑單位耗熱量指標(biāo)為14.68 W/m2，大于指標(biāo)限值13.63 W/m2的要求，不能達(dá)到節(jié)能50%的目標(biāo);當(dāng)保溫層增加到30mm厚，傳熱系數(shù)為0.81 W/(m2·K)，單位耗熱量指標(biāo)為12.15 W/m2即可達(dá)到節(jié)能目標(biāo);當(dāng)保溫層增加到50mm厚，傳熱系數(shù)為0.54 W/(m2·K)，單位耗熱量指標(biāo)為10.13 W/m2，節(jié)能效益相當(dāng)明顯。當(dāng)保溫層增加到30mm厚時(shí)，施工方法和工藝基本與20mm一致，只增加相應(yīng)的材料費(fèi)用;當(dāng)增加到50mm厚時(shí)，粘貼擠塑聚苯板還需要用錨栓和加強(qiáng)玻璃纖維網(wǎng)格布加固，或改用無(wú)網(wǎng)或有網(wǎng)現(xiàn)澆系統(tǒng)進(jìn)行施工，不僅增加施工難度，投資造價(jià)也會(huì)增加較多。所以采用30mm厚擠塑聚苯板做外保溫是較為經(jīng)濟(jì)合理的選擇。

3.2 屋面

居民點(diǎn)建筑屋面均采用倒置屋面構(gòu)造，保溫材料為30mm厚擠塑聚苯板，屋面總傳熱系數(shù)為0.68 W/(m2·K)，大于0.55 W/(m2·K)，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。將保溫層厚度增加到50mm厚時(shí)，傳熱系數(shù)為0.48 W/(m2·K)，小于規(guī)定限值。屋面占建筑能耗的7% ～8%，增加保溫層厚度，僅在增加保溫層材料費(fèi)的情況下即可對(duì)降低建筑能耗起到較大的作用。

3.3 門窗

戶門占外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積非常小，但它直接通往不采暖的室外，其保溫措施不可忽視。設(shè)計(jì)采用了傳熱系數(shù)為1.70 W/(m2·K)的保溫門。

窗戶的傳熱耗熱約占建筑能耗的23% ～25%，隨著窗墻面積比的增加，比例會(huì)相應(yīng)提高，因此，適當(dāng)降低窗墻面積比和加強(qiáng)窗戶的保溫隔熱就顯得尤為重要。

居民點(diǎn)二期建筑外窗設(shè)計(jì)了較多的凸窗，凸窗較平窗增加了較多的散熱面積，在溫差較大的寒冷地區(qū)，凸窗很容易發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，因此，《四川省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》強(qiáng)制性規(guī)定，在寒冷地區(qū)除南向外不應(yīng)設(shè)置凸窗。

建筑外窗均采用了傳熱系數(shù)為2.85 W/(m2·K)的塑鋼普通中空玻璃窗，保溫隔熱效果較好，但陽(yáng)臺(tái)卻采用了大面積的落地單層玻璃推拉門，對(duì)保溫節(jié)能十分不利，如都采用雙層中空玻璃門，造價(jià)會(huì)增加較多。可以結(jié)合陽(yáng)臺(tái)設(shè)計(jì)，將開敞式陽(yáng)臺(tái)用單層塑鋼玻璃窗進(jìn)行封閉，冬季陽(yáng)臺(tái)空間就會(huì)形成一個(gè)溫度阻尼區(qū)，不僅減少起居室的熱量散失，還可以增加陽(yáng)臺(tái)空間的熱舒適度。

3.4 地面

地板和地面的保溫常常被設(shè)計(jì)人員所忽視。在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)住宅建筑中，接觸室外空氣的地板，不采暖地下室上面的地板和直接接觸土壤的周邊地面未采取保溫措施，不僅因地面溫度過低影響居民舒適感，而且還會(huì)增加采暖能耗。《四川省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)接觸室外空氣的地板、周邊地面保溫材料熱阻和地下室外墻(與土壤接觸的外墻)的熱阻值都作了限定，因此，在地面相應(yīng)部位需采取保溫措施。

3.5 層高

適當(dāng)降低建筑的層高，不僅可以節(jié)約建筑材料，降低工程造價(jià)，還可以減少外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積，從而降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)散失的熱量，以達(dá)到減少單位建筑面積耗熱量的節(jié)能目的。

居民點(diǎn)建筑層高均為2.9m，當(dāng)層高降到2.7m時(shí)，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面積由8 090.15m2下降到7 731.30m2，建筑耗熱量指標(biāo)由14.68 W/m2下降到13.55 W/m2，小于指標(biāo)限值13.63 W/m2，且在不更改屋頂和外墻保溫層厚度的情況下可比原有層高時(shí)節(jié)能7.7%。

4 結(jié)束語(yǔ)

在不改變建筑平面和功能布置的前提下，以研究建筑B型1#樓為原型，采用上述優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，將除南向外的凸窗改為平窗，增加屋頂保溫層厚度到50mm，外墻保溫層厚度增加到30mm，層高降低到2.7m，增加周邊地面和接觸空氣的架空樓板等處的保溫措施，能耗由最初的14.68 W/m2降低到10.94 W/m2，比原設(shè)計(jì)方案節(jié)能25.5%;同時(shí)，實(shí)施優(yōu)化節(jié)能方案后該高層住宅耗熱量指標(biāo)比節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的耗熱量指標(biāo)限值13.63 W/m2降低19.7%，優(yōu)化設(shè)計(jì)后節(jié)能效果顯著。

［1］ 清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心．中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展報(bào)告2010［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010

［2］ 徐占發(fā)．建筑節(jié)能技術(shù)實(shí)用手冊(cè)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005

［3］ DB51/5027－2008．四川省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］