嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計計算探討

王鴻宇

(山西省建筑設(shè)計研究院，山西太原 030013)

0 引言

建筑節(jié)能技術(shù)是針對建筑使用過程中一系列能耗所采取的綜合技術(shù)。總的來說，建筑節(jié)能主要從節(jié)約傳統(tǒng)能源和開發(fā)利用新能源兩個方面來著手。嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能首先要降低建筑圍護結(jié)構(gòu)的傳熱損失。2010年3月住建部發(fā)布的JGJ 26-2010嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對此地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計與計算有諸多細化和改進之處。

1 住區(qū)規(guī)劃和方案設(shè)計階段

在住區(qū)規(guī)劃和方案設(shè)計時應(yīng)注意與節(jié)能設(shè)計相銜接。在住區(qū)規(guī)劃時，建筑宜設(shè)在避風(fēng)向陽的地段，同時選擇好的建筑朝向，以利于利用冬季日照并避開冬季主導(dǎo)風(fēng)向(標(biāo)準(zhǔn)4.1.1條)，以有利于避開夏季有害日照方向。規(guī)劃應(yīng)該注意形成夏季住區(qū)通風(fēng)的條件，盡量避免將后排建筑落在前排建筑的風(fēng)影區(qū)內(nèi)，這樣對改善夏季住宅室內(nèi)熱環(huán)境和減少空調(diào)使用都是有利的。

戶型盡量不設(shè)計三面外墻房間和多向墻開窗的房間(標(biāo)準(zhǔn)4.1.2條)。標(biāo)準(zhǔn)4.2.5條確定可開設(shè)凸窗的方向，應(yīng)該注意北向是不允許開凸窗的，南向及寒冷地區(qū)東西向可以開設(shè)。標(biāo)準(zhǔn)4.1.4條注釋2規(guī)定了各方向夾角范圍，用以確定建筑的朝向歸屬，應(yīng)該注意建筑有可能出現(xiàn)沒有南向的情況，這條規(guī)定應(yīng)該在設(shè)計凸窗時遵守。

2 節(jié)能計算方法的確定

在確定居住建筑的節(jié)能計算方法時，主要核算體形系數(shù)和各開間窗墻面積比這兩個數(shù)據(jù)。

體形系數(shù)是建筑與室外大氣接觸的外表面積與其所包圍的體積Vo的比值。方案設(shè)計時應(yīng)注意控制體形系數(shù)，盡量減少建筑的凸凹和體形變化。建筑面積Ao及與之相對應(yīng)的Vo的計算應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)附錄F前兩款規(guī)定計算，外表面積也應(yīng)與Vo相對應(yīng)。此外還需注意以下幾點:

1)外表面積不計算地面面積。

2)凸窗凸出部分不計算。

3)坡屋頂面積為其周邊外墻所圍合屋頂?shù)恼归_面積。

4)有底商時，底商按照公建節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)計算，住宅部分外表面積算至分界部位樓面標(biāo)高處。

各開間窗墻面積比是外窗洞口面積和外窗所在墻面(含洞口面積)面積的比值。窗墻面積比的計算應(yīng)該注意以下幾點:1)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)4.1.4條時首先應(yīng)該按照標(biāo)準(zhǔn)4.1.4條注釋2確定門窗所在墻面的方向歸屬。凸出和凹槽部分墻面的朝向歸屬還應(yīng)該按照標(biāo)準(zhǔn)F.0.11條的規(guī)定來確定。內(nèi)天井部分墻面的朝向歸屬應(yīng)該按照標(biāo)準(zhǔn)F.0.12條的規(guī)定來確定。2)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定窗墻面積比應(yīng)該分開間計算(標(biāo)準(zhǔn)4.2.3條2)，應(yīng)包括樓梯間。3)各開間墻面積高度計算層高，中間房間計算軸線間寬度，邊緣房間計算軸線到外墻邊緣的寬度。4)對于陽臺，當(dāng)屬于標(biāo)準(zhǔn)4.2.7第2，4款情況時，應(yīng)計算陽臺的窗墻面積比;當(dāng)屬于標(biāo)準(zhǔn)4.2.7第3款情況時，應(yīng)計算與陽臺分隔墻面的窗墻面積比，注意陽臺門應(yīng)該全部計入窗戶面積。5)凸窗的窗面積按照窗洞口面積計算，同時應(yīng)該注意選擇更好的窗戶并加強凸窗上下板面的保溫(標(biāo)準(zhǔn)4.2.5條)。6)寒冷B區(qū)注意東西向窗戶的綜合遮陽系數(shù)小于標(biāo)準(zhǔn)表4.2.2.6的限值。7)外窗應(yīng)該滿足標(biāo)準(zhǔn)4.2.6條氣密性的要求。

當(dāng)體形系數(shù)和各開間的窗墻比均小于標(biāo)準(zhǔn)表4.1.3和表4.1.4限值時，就可以按照表 4.2.2-1～ 表 4.2.2-5規(guī)定的各圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值設(shè)計相應(yīng)的保溫構(gòu)造做法，注意圍護結(jié)構(gòu)的平均傳熱系數(shù)Km應(yīng)該按照標(biāo)準(zhǔn)附錄B和附錄C的方法取值或計算。

3 圍護結(jié)構(gòu)熱工性能的權(quán)衡判斷計算

當(dāng)體形系數(shù)或各開間的窗墻面積比有超過標(biāo)準(zhǔn)表4.1.3，表4.1.4限值時，則應(yīng)該進行圍護結(jié)構(gòu)熱工性能的權(quán)衡判斷。如果窗墻面積比超過表4.1.4限值加0.1時，則應(yīng)該適度調(diào)整方窗戶大小。

進行圍護結(jié)構(gòu)熱工性能的權(quán)衡判斷計算時，采暖空間室內(nèi)計算溫度tn取18℃;不采暖樓梯間、封閉外廊等室內(nèi)計算溫度取12℃。采暖期室外平均溫度te(查標(biāo)準(zhǔn)附錄A.0.1-1或當(dāng)?shù)卦O(shè)計資料)。單位建筑面積建筑物內(nèi)部得熱qIH取3.8 W/m2。

3.1 計算墻面、屋面的傳熱量qHq，qHw

需要查取太陽輻射對外墻、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)影響的修正系數(shù)ε(標(biāo)準(zhǔn)附錄E.0.2或當(dāng)?shù)卦O(shè)計資料)，注意核實墻面的方向。

需要量取計算的數(shù)據(jù)有:

1)分別計算采暖房間、不采暖樓梯間和封閉外廊等屋頂面積Fwi。

2)分別計算采暖房間、不采暖樓梯間和封閉外廊等各個方向的外墻面積Fqi。注意外墻面積不包括非采暖封閉陽臺部分的墻體，封閉陽臺的傳熱量另行計算。

需要設(shè)計計算的數(shù)據(jù)有:

1)外墻的平均傳熱系數(shù)Km應(yīng)該按照標(biāo)準(zhǔn)附錄B的方法計算。

2)屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)K可取主斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，如果屋頂有明顯熱橋可按照標(biāo)準(zhǔn)附錄B的方法計算。

3.2 計算地面、與室外接觸樓板的傳熱量qHy

計算地面?zhèn)鳠崃啃枰咳〉孛婷娣eFdi，分為周邊地面和非周邊地面兩組。需要設(shè)計計算地面的傳熱系數(shù)Kdi，應(yīng)用二維非穩(wěn)態(tài)傳熱計算程序計算，也可以從典型地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表中對應(yīng)查找。計算與室外接觸樓板的傳熱量需要量取樓板面積Fdi。需要設(shè)計樓板的傳熱系數(shù)Kdi，可以直接取樓板主斷面的傳熱系數(shù)。

3.3 計算外窗(門)傳熱量qHmc

需要查得窗(門)外表面采暖期平均太陽輻射熱Ityi(查標(biāo)準(zhǔn)附錄E.0.4)。需要量取計算的數(shù)據(jù)有:1)外窗(門)洞口面積Fmci。2)外門透明部分洞口面積。注意計算太陽輻射影響時只計算門的透明部分面積，而計算門的傳熱量時，傳熱系數(shù)為門的平均傳熱系數(shù)。需要設(shè)計計算的數(shù)據(jù)有:1)窗(門)的傳熱系數(shù)。2)外遮陽遮陽系數(shù)SD，應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)附錄D的方法計算。計算外遮陽系數(shù)時應(yīng)該注意一些不以遮陽形式出現(xiàn)的建筑出挑與凸凹。3)查得選取玻璃的遮陽系數(shù)SCB和窗框面積比，結(jié)合外遮陽遮陽系數(shù)SD，來計算門窗的綜合遮陽系數(shù)SC。

3.4 計算非采暖封閉陽臺傳熱量qHy

需要查得的數(shù)據(jù)有:1)不采暖封閉陽臺對內(nèi)部墻體、窗、門起保溫作用的溫差修正系數(shù)ζ(查標(biāo)準(zhǔn)附錄E.0.4)。2)封閉陽臺外表面采暖期平均太陽輻射熱Ityi(查標(biāo)準(zhǔn)附錄E.0.4)。需要量取計算的數(shù)據(jù)有:1)分隔封閉陽臺和室內(nèi)的墻、門、窗總面積Fqmc。2)分隔封閉陽臺和室內(nèi)的門、窗洞口面積及透明部分面積。需要設(shè)計計算的數(shù)據(jù)有:1)分隔封閉陽臺和室內(nèi)墻、門、窗的平均傳熱系數(shù)Kqmc(加權(quán)平均計算)。2)分隔封閉陽臺和室內(nèi)門、窗的太陽輻射修正系數(shù)C'mc。確定這個數(shù)字要先計算SCW和SCN兩個數(shù)字。SCW的計算方法和外窗SC的計算方法相同，不再贅述。SCN的計算應(yīng)該注意陽臺外窗以及內(nèi)構(gòu)件對它形成的遮陽，如上層陽臺的底板、陽臺的兩個側(cè)墻等都對陽臺內(nèi)門窗形成了遮陽，這些情況應(yīng)該考慮在計算SCN的過程中，否則會算得太陽輻射得熱大于實際情況。

3.5 計算空氣換熱耗熱量qINF

需要查得的數(shù)據(jù)有:1)空氣的比熱Cp，取0.28 W/(kg·K)。2)換氣次數(shù)N，取0.5/h。3)空氣密度取te時的值，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)132頁提供的公式求得。換氣體積V應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)附錄規(guī)定V在兩種條件下與建筑體積Vo的關(guān)系計算。

4 節(jié)能設(shè)計計算一些細節(jié)的探討

對于凹槽內(nèi)的窗戶，當(dāng)窗戶內(nèi)為廚房或居室時，窗戶在小于窗墻面積比加0.1的限值要求的同時還需要滿足窗地比要求，這樣會使開窗問題陷入兩難。無可否認凹槽對于建筑體形系數(shù)的控制是有害的。個人認為對于凹槽內(nèi)房間來說，它大多被采暖房間包圍，只有很少的圍護結(jié)構(gòu)接觸室外，房間的熱負荷是比較小的，對于節(jié)能有有利的一面。所以可以就單間房間的最頂層和最底層來核算其單位面積耗熱量，使其小于附錄A中的耗熱量限值。我想這樣對于保證建筑節(jié)能要求和提高居住建筑設(shè)計的自由度都是有利的。

在權(quán)衡判斷計算時，最關(guān)鍵的數(shù)字是建筑面積Ao，它應(yīng)該與Vo相對應(yīng)。對于陽臺，當(dāng)屬于標(biāo)準(zhǔn)4.2.7第2，4款情況時，陽臺應(yīng)該視為外墻內(nèi)，計算其建筑面積和體積;當(dāng)屬于標(biāo)準(zhǔn)4.2.7第3款情況時，陽臺可以視為外墻外不計算，也可以視為外墻內(nèi)計算。

地下室、半地下室不論采暖與否都不會作為居住空間，且地下室、半地下室和土壤間的傳熱計算非常復(fù)雜，不利于工程設(shè)計計算實踐。個人認為應(yīng)該不論地下室、半地下室采暖與否都與地上各層分開對待。計算體形系數(shù)時不計算地下室、半地下室的外表面積和體積。但地下室、半地下室要滿足標(biāo)準(zhǔn)中表4.2.2-1～表4.2.2-5規(guī)定的周邊地面和地下室與土壤接觸外墻的保溫層最小熱阻值。為了簡化計算，個人認為對于屋頂上不采暖的水箱間、電梯間等附屬用房，可不把它們的外表面積、體積、建筑面積計算入核算體形系數(shù)的數(shù)據(jù)建筑外表面積、Vo以及Ao中。但它們與采暖空間接觸的樓面的傳熱系數(shù)應(yīng)該小于標(biāo)準(zhǔn)中表4.2.2-1～表4.2.2-5規(guī)定屋面的傳熱系數(shù)限值。

在權(quán)衡判斷計算非采暖地下室頂板的傳熱量時，由于地下室溫度并不是te，所以需要對溫差進行修正，地下室外墻上有窗修正系數(shù)取0.75，地下室外墻上無窗且頂板位于室外地坪上修正系數(shù)取0.60，地下室外墻上無窗且頂板位于室外地坪下修正系數(shù)取0.40。需要量取計算頂板面積Fdi。需要計算樓板的傳熱系數(shù)Kdi，可以直接取頂板主斷面的傳熱系數(shù)。

封閉變形縫(兩側(cè)墻做內(nèi)保溫時)室內(nèi)外溫差修正系數(shù)取0.3，并量取變形縫兩側(cè)墻體面積。設(shè)計計算兩側(cè)墻的平均傳熱系數(shù)Km應(yīng)該小于標(biāo)準(zhǔn)中表4.2.2-1～表4.2.2-5規(guī)定分隔采暖空間和非采暖空間隔墻的限值，注意傳熱的墻有兩堵。如果當(dāng)變形縫內(nèi)填充保溫材料時，可不計算變形縫的耗熱量。

在權(quán)衡判斷計算時，對于不采暖樓梯間向不采暖地下室的傳熱量不會很大，可以不計算。不采暖樓梯間熱量來源于采暖空間，向地下室傳熱屬于再次傳熱，這個傳熱量對于提高地下室的溫度也是有益的。但是對于采暖的樓梯間則應(yīng)該滿足標(biāo)準(zhǔn)中分隔采暖與非采暖空間隔墻的傳熱系數(shù)限值，權(quán)衡判斷計算也應(yīng)該計算這部分的傳熱量。

通過數(shù)據(jù)梳理和分析，可以看出嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計計算需要處理的數(shù)據(jù)非常繁雜，尤其是采用權(quán)衡判斷方法來計算時需要特別細心。文章第四部分提出的一些建議和處理辦法，以期能對標(biāo)準(zhǔn)未詳細敘述的問題做進一步探討，以供參考。

[1]JGJ 26-2010，嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].

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

[3]DBJ04-216-2006，民用建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)[S].

[4]居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn).北京市地方標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿[Z].2011.

[5]王立雄.建筑節(jié)能[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[6]柳孝圖.建筑物理[M].第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[7]GB50176-93，民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范[S].