嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計計算探討

王鴻宇

(山西省建筑設計研究院，山西太原 030013)

0 引言

建筑節能技術是針對建筑使用過程中一系列能耗所采取的綜合技術。總的來說，建筑節能主要從節約傳統能源和開發利用新能源兩個方面來著手。嚴寒和寒冷地區居住建筑節能首先要降低建筑圍護結構的傳熱損失。2010年3月住建部發布的JGJ 26-2010嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準對此地區居住建筑節能設計與計算有諸多細化和改進之處。

1 住區規劃和方案設計階段

在住區規劃和方案設計時應注意與節能設計相銜接。在住區規劃時，建筑宜設在避風向陽的地段，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風向(標準4.1.1條)，以有利于避開夏季有害日照方向。規劃應該注意形成夏季住區通風的條件，盡量避免將后排建筑落在前排建筑的風影區內，這樣對改善夏季住宅室內熱環境和減少空調使用都是有利的。

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

2 節能計算方法的確定

在確定居住建筑的節能計算方法時，主要核算體形系數和各開間窗墻面積比這兩個數據。

體形系數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。方案設計時應注意控制體形系數，盡量減少建筑的凸凹和體形變化。建筑面積Ao及與之相對應的Vo的計算應按照標準附錄F前兩款規定計算，外表面積也應與Vo相對應。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的展開面積。

4)有底商時，底商按照公建節能標準計算，住宅部分外表面積算至分界部位樓面標高處。

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該注意以下幾點:1)執行標準4.1.4條時首先應該按照標準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該按照標準F.0.11條的規定來確定。內天井部分墻面的朝向歸屬應該按照標準F.0.12條的規定來確定。2)標準規定窗墻面積比應該分開間計算(標準4.2.3條2)，應包括樓梯間。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，當屬于標準4.2.7第2，4款情況時，應計算陽臺的窗墻面積比;當屬于標準4.2.7第3款情況時，應計算與陽臺分隔墻面的窗墻面積比，注意陽臺門應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，同時應該注意選擇更好的窗戶并加強凸窗上下板面的保溫(標準4.2.5條)。6)寒冷B區注意東西向窗戶的綜合遮陽系數小于標準表4.2.2.6的限值。7)外窗應該滿足標準4.2.6條氣密性的要求。

當體形系數和各開間的窗墻比均小于標準表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規定的各圍護結構傳熱系數限值設計相應的保溫構造做法，注意圍護結構的平均傳熱系數Km應該按照標準附錄B和附錄C的方法取值或計算。

3 圍護結構熱工性能的權衡判斷計算

當體形系數或各開間的窗墻面積比有超過標準表4.1.3，表4.1.4限值時，則應該進行圍護結構熱工性能的權衡判斷。如果窗墻面積比超過表4.1.4限值加0.1時，則應該適度調整方窗戶大小。

進行圍護結構熱工性能的權衡判斷計算時，采暖空間室內計算溫度tn取18℃;不采暖樓梯間、封閉外廊等室內計算溫度取12℃。采暖期室外平均溫度te(查標準附錄A.0.1-1或當地設計資料)。單位建筑面積建筑物內部得熱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、屋面傳熱系數影響的修正系數ε(標準附錄E.0.2或當地設計資料)，注意核實墻面的方向。

需要量取計算的數據有:

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。

需要設計計算的數據有:

1)外墻的平均傳熱系數Km應該按照標準附錄B的方法計算。

2)屋面傳熱系數K可取主斷面傳熱系數，如果屋頂有明顯熱橋可按照標準附錄B的方法計算。

3.2 計算地面、與室外接觸樓板的傳熱量qHy

計算地面傳熱量需要量取地面面積Fdi，分為周邊地面和非周邊地面兩組。需要設計計算地面的傳熱系數Kdi，應用二維非穩態傳熱計算程序計算，也可以從典型地面傳熱系數表中對應查找。計算與室外接觸樓板的傳熱量需要量取樓板面積Fdi。需要設計樓板的傳熱系數Kdi，可以直接取樓板主斷面的傳熱系數。

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(查標準附錄E.0.4)。需要量取計算的數據有: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，傳熱系數為門的平均傳熱系數。需要設計計算的數據有:1)窗(門)的傳熱系數。2)外遮陽遮陽系數SD，應按照標準附錄D的方法計算。計算外遮陽系數時應該注意一些不以遮陽形式出現的建筑出挑與凸凹。3)查得選取玻璃的遮陽系數SCB和窗框面積比，結合外遮陽遮陽系數SD，來計算門窗的綜合遮陽系數SC。

3.4 計算非采暖封閉陽臺傳熱量qHy

需要查得的數據有:1)不采暖封閉陽臺對內部墻體、窗、門起保溫作用的溫差修正系數ζ(查標準附錄E.0.4)。2)封閉陽臺外表面采暖期平均太陽輻射熱Ityi(查標準附錄E.0.4)。需要量取計算的數據有:1)分隔封閉陽臺和室內的墻、門、窗總面積Fqmc。2)分隔封閉陽臺和室內的門、窗洞口面積及透明部分面積。需要設計計算的數據有:1)分隔封閉陽臺和室內墻、門、窗的平均傳熱系數Kqmc(加權平均計算)。2)分隔封閉陽臺和室內門、窗的太陽輻射修正系數C'mc。確定這個數字要先計算SCW和SCN兩個數字。SCW的計算方法和外窗SC的計算方法相同，不再贅述。SCN的計算應該注意陽臺外窗以及內構件對它形成的遮陽，如上層陽臺的底板、陽臺的兩個側墻等都對陽臺內門窗形成了遮陽，這些情況應該考慮在計算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

需要查得的數據有:1)空氣的比熱Cp，取0.28 W/(kg·K)。2)換氣次數N，取0.5/h。3)空氣密度取te時的值，可根據標準132頁提供的公式求得。換氣體積V應根據標準附錄規定V在兩種條件下與建筑體積Vo的關系計算。

4 節能設計計算一些細節的探討

對于凹槽內的窗戶，當窗戶內為廚房或居室時，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的控制是有害的。個人認為對于凹槽內房間來說，它大多被采暖房間包圍，只有很少的圍護結構接觸室外，房間的熱負荷是比較小的，對于節能有有利的一面。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能要求和提高居住建筑設計的自由度都是有利的。

在權衡判斷計算時，最關鍵的數字是建筑面積Ao，它應該與Vo相對應。對于陽臺，當屬于標準4.2.7第2，4款情況時，陽臺應該視為外墻內，計算其建筑面積和體積;當屬于標準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雜，不利于工程設計計算實踐。個人認為應該不論地下室、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、半地下室要滿足標準中表4.2.2-1～表4.2.2-5規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的數據建筑外表面積、Vo以及Ao中。但它們與采暖空間接觸的樓面的傳熱系數應該小于標準中表4.2.2-1～表4.2.2-5規定屋面的傳熱系數限值。

在權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Kdi，可以直接取頂板主斷面的傳熱系數。

封閉變形縫(兩側墻做內保溫時)室內外溫差修正系數取0.3，并量取變形縫兩側墻體面積。設計計算兩側墻的平均傳熱系數Km應該小于標準中表4.2.2-1～表4.2.2-5規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。如果當變形縫內填充保溫材料時，可不計算變形縫的耗熱量。

在權衡判斷計算時，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該滿足標準中分隔采暖與非采暖空間隔墻的傳熱系數限值，權衡判斷計算也應該計算這部分的傳熱量。

通過數據梳理和分析，可以看出嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計計算需要處理的數據非常繁雜，尤其是采用權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，以期能對標準未詳細敘述的問題做進一步探討，以供參考。

[1]JGJ 26-2010，嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準[S].

[2]JGJ 26-95，民用建筑節能設計標準(采暖居住建筑部分)[S].

[3]DBJ04-216-2006，民用建筑節能設計標準(采暖居住建筑部分)[S].

[4]居住建筑節能設計標準.北京市地方標準征求意見稿[Z].2011.

[5]王立雄.建筑節能[M].北京:中國建筑工業出版社，2009.

[6]柳孝圖.建筑物理[M].第2版.北京:中國建筑工業出版社，2010.

[7]GB50176-93，民用建筑熱工設計規范[S].