夏熱冬冷地區住宅建筑節能設計

張萬利

（中國建材國際工程集團有限公司，上海200063）

住宅建筑的節能設計，是創造健康舒適的人居環境，有效降低建筑能耗的一種建筑技術手段，對人們的生活質量水平和社會的可持續發展均有著積極重要的意義，是當今住宅建筑發展的必由之路。我國現有住宅單位面積平均能耗比發達國家要高一倍，每年新建房屋面積更是高達17～18億m2，超過所有發達國家每年建成建筑面積的總和，是世界能源浪費較高的國家之一。目前，我國能源利用率只有30%，而發達國家為50%～60%，差距巨大。民用建筑的采暖、空調、照明以及相關家用電器等設施消耗了全球約三分之一的能源。由此可見，建筑節能技術和措施在建筑領域的推行對全球能源的節約化有著極其重要的意義，而建筑領域的主要建筑類型之一的住宅建筑的節能設計，無疑對全社會實現可持續發展具有極其重要的作用。

1 夏熱冬冷地區住宅建筑節能設計的意義

夏熱冬冷地區大致在北緯30°～32°之間，介于我國寒冷地區與炎熱地區之間，屬于氣候過渡地區，從地理位置上看大致屬于長江中下游一帶。目前我國的夏熱冬冷地區涉及包括上海、江蘇、浙江、安徽、福建、江西、湖北、湖南、重慶、四川、貴州省（市）等14個省（直轄市）的部分地區。此區域氣候顯著的特征是：夏季炎熱氣悶，冬季陰冷潮濕。最熱月平均氣溫25～30℃，最高氣溫達40℃以上。2013年夏天全國持續高溫，夏熱冬冷地區尤為突出，浙江紹興溫度甚至一度達到了44.1℃；冬季氣候寒冷，日平均溫度為5℃的天數約20～80d。冬夏兩季空氣濕度均較大，相對濕度經常在70%～80%。隨著現代人生活水平的提高及采暖制冷設備的不斷普及，夏熱冬冷地區冬天及夏天均需要大量使用空調或采暖設備，能耗巨大。因此，在夏熱冬冷地區大力普及住宅的節能設計對節約能耗有著極其重要的意義。

2 建筑設計的節能措施

住宅的節能設計是指通過靈活的設計手段和特定的技術措施，如選擇合理朝向、優化建筑平面及體形設計、合理控制窗墻比、優化圍護結構保溫設計、積極利用綠色能源等，使相同使用價值的住宅建筑在減少能耗的基礎上提高舒適性。目前我國已經全面實行建筑節能專項審查。根據我國建筑節能發展的基本目標：新建采暖居住建筑1986年起，在1980～1981年當地通用設計能耗水平基礎上普遍降低30%，為第一階段；1996年起在達到第一階段要求的基礎上再節能30%，達到總節能50%，為第二階段；2005年起在達到第二階段要求基礎上再節能30%，達到總節能65%，為第三階段。2012年起，北京的節能要求更是達到了總節能75%。因此，節能設計早已過了僅僅是建筑設計環節中錦上添花的一環的時代，已成為建筑設計師必須掌握的一項基本技能，因此熟悉掌握各項節能措施也就無疑成為一名合格建筑師的必修課之一。

2.1 平面設計

由于我國大部分地區都處于北回歸線以北，太陽總在南邊的天空，南向日照時間及強度均較優，因此建筑的總體布局宜坐北朝南，如受地形影響有困難時，應盡量控制在南偏東15°和南偏西15°之間，充分利用冬季日照并避開冬季主導風向，降低冬季空調能耗。按照國家目前的相關規范，應滿足每套住宅至少有兩個居室在大寒日9時至15時之間有不少于3h或冬至日8時至16時之間有1h的滿窗日照。在平面設計中應充分合理的組織室內風環境，利用夏季的涼爽時段通風，盡可能保證每個居室都有穿堂風，利用其為室內防暑降溫，降低夏季空調能耗。

2.2 體形設計

建筑的體形設計也極大的影響著建筑能耗，其是指建筑物與室外大氣接觸的外表面積與其所覆蓋的體積的比值，體現單位建筑體積所占有的外表面積，其中外表面積中不包括地面面積。從降低建筑能耗的角度出發，應該將體形系數控制在一個較低的水平上，有關研究表明，當建筑物的體形系數為0.15時最為節能。但是，體形系數不僅影響外圍護結構的傳熱損失，它還與建筑造型、平面布局、采光通風等緊密相關。體形系數過小，將制約建筑師的創造性，造成建筑造型呆板，平面布局困難，甚至損害建筑功能。因此，在實際的工程設計中應權衡好建筑的功能性、美觀性與其的關系，合理的控制建筑體形，避免一味追求復雜奇特的外形而忽略合理的體形系數要求；也應注意避免過于拘泥于較小的體形系數而制約了建筑的創造空間，這對設計師也提出了更高的要求。

2.3 窗墻比控制

窗墻比是指建筑各朝向開窗面積與其相應朝向外表面的比值。根據常規材料傳熱系數數據比較可以看出，窗的傳熱系數約是相同面積的保溫墻體的3～6倍，經過窗戶損失的能耗比相同面積墻體的熱量損失要大24倍以上，因此，在其他條件不變的前提下，窗墻比越大，能耗的損失就越大。因此，從節約能耗的角度出發，必須控制住宅的窗墻面積比，但也應滿足住宅其它的一些要求。一般情況下，窗墻面積比確定的基本原則是依據這一地區不同朝向墻面冬、夏日照情況，冬、夏季風影響，室內采光設計標準，室外空氣溫度以及開窗面積，建筑能耗所占比率及建筑立面藝術設計等因素綜合來考慮確定的，一般宜控制在0.2～0.5之間。

3 建筑主體節能措施

在住宅的總體設計、平面設計、體形設計及立面設計完成之后，制定相應的保溫隔熱方案就成了住宅節能設計的關鍵，針對不同的部位合理地選擇保溫材料往往能使節能設計的效果事半功倍。

3.1 外墻

外墻保溫按照保溫層的位置大概可以分為外墻外保溫體系、外墻內保溫體系、外墻夾心保溫體系3種類型。

外墻內保溫體系是一種把保溫層放置在主體墻材內側的保溫做法。這是一種傳統的保溫方式，它本身做法簡單，造價較低，但是很容易在熱橋的處理上出現問題，如結露水的浸漬或凍融而造成保溫隔熱墻面發霉、開裂等。近年來在我國的應用逐漸減少，一般不再單獨使用，常常作為外墻外保溫的補充。

外墻夾心保溫體系是將保溫材料置于同一外墻的內、外側墻片之間的保溫做法。內外側墻體均可使用傳統的粘土磚、混凝土空心磚砌塊，由于此類傳統材料的防水、耐候性能均良好，因此對保溫材料的選材要求不高，聚苯乙烯、玻璃棉、巖棉均可使用；對施工季節和施工條件要求不高，不影響冬期施工，在寒冷地區得到一定應用。在夏熱冬冷地區，此類墻體偏厚，且內外墻之間須有連接件連接，構造較傳統墻體復雜，且在地震區建筑中圈梁及構造柱的設置，有熱橋存在，保溫材料的效率等不到充分發揮，因此鮮有使用。

外墻外保溫體系是一種把保溫層放置在主體墻材外面的保溫做法，因其可以基本消除熱橋影響，同時保護主體墻不受大的溫度變形應力，是目前應用最廣泛的保溫做法，也是目前國家大力倡導的保溫做法。因為保溫材料置于建筑物外墻的外側，基本上可以消除建筑物各個部位的冷、熱橋影響，能充分發揮新型輕質高效保溫材料的保溫效能。相對于外墻內保溫和夾心保溫墻體，在使用相同保溫材料情況下，需要保溫材料的厚度較小，達到較高的節能效果。建筑外墻外保溫提高了墻體的保溫隔熱性能，減少室內熱能的傳導損失，增加了室內的熱穩定性。另外還在一定程度上阻止了風霜雨雪等對外圍墻體的浸濕，提高了墻體的防潮性能，避免了室內的霉斑、結露、透寒等現象，進而創造了舒適的室內居住環境。并且因保溫材料鋪貼于墻體外側，避免了保溫材料中的揮發性有害物質對室內環境的污染。常用的外墻外保溫材料有膨脹聚苯板、擠塑聚苯板、巖棉板、硬泡聚氨酯、酚醛樹脂等。近年來由于大型火災事故的頻發，此類耐火性能為B級的保溫材料層一度被禁用，為適應市場的需求，在膨脹聚苯板（EPS）、擠塑聚苯板（XPS）的基礎上研發出基本未降低保溫性能的、耐火等級為A級的保溫材料，如HX隔離式防火保溫板等。HX隔離式防火保溫板是在B1級XPS（EPS）板的基礎上，采用按一定格式開槽嵌入的方式將保溫砂漿及高效防火劑置入XPA（EPS）板當中，并沒有改變XPS（ESP）板的材料性質。在保持原有XPS（ESP）板良好物理力學性質基礎上，提高了XPS（EPS）板的強度和剛度，減少了收縮變形，增強了與基層墻體的粘結強度，該材料是江蘇省推薦的A級保溫材料之一。

熱工性能良好的建筑外圍護結構是保證減少能耗的必要條件，因此大力提高外圍護結構中占比最大的外墻的熱工性能是建筑節能設計見效較大的一個重要途徑。

3.2 門窗幕墻

玻璃門窗及玻璃幕墻是建筑采光、通風的通道，同時也是建筑保溫隔熱的薄弱環節，經過窗戶損失的能耗比相同面積墻體的熱量損失要大24倍以上，占到了建筑物能耗的50%以上。可以通過以下措施減少其能耗：

1）采用中空玻璃，其氣體間層的厚度不宜小于9mm，當用于幕墻時，其厚度不應小于9mm，宜采用12mm或以上厚度，但不宜超過20mm。當需進一步提高保溫性能時，可采用Low－E中空玻璃，充惰性氣體的Low－E中空玻璃，兩層或多層Low－E中空玻璃等。Low－E玻璃又稱低輻射玻璃，是在玻璃表面鍍上多層金屬或其他化合物組成的膜系產品，具有優異的隔熱效果和良好的透光性，其輻射率可降至0.15以下。嚴寒地區可以采用雙層外窗，雙層呼吸式玻璃幕墻進一步提高保溫性能。

2）門窗型材采用木－金屬復合型材、塑料型材、斷熱鋁合金型材、玻璃鋼型材等，幕墻可通過采用斷熱型材、斷熱連接緊固件、隱框結構等措施避免形成熱橋。

3）結合外立面設置固定或活動外遮陽并采用智能化控制裝置進行調節，以達到遮陽采光的協調，最大限度的減少建筑的空調能耗和照明能耗。

3.3 屋頂

對屋頂應用節能技術主要是隔離太陽輻射熱，減少陽光直射，可采用加設保溫隔熱層、架空屋面、淺色屋面，安裝太陽能熱水器，屋面種植等技術措施。還有設計通風屋面、蓄水屋面等節能措施，從而達到減少空調冷負荷和空調節能的目的。屋頂的保溫材料在夏熱冬冷地區使用最多的是擠塑聚苯板，該材料是以聚苯乙烯樹脂輔以聚合物在加熱混合的同時，注入催化劑，而后擠塑壓出連續性閉孔發泡的硬質泡塑料板，其內部為獨立的密閉式氣泡結構，是一種具有高抗壓、吸水率低、防潮、不透氣、質輕、耐腐蝕、超抗老化（長期使用幾乎無老化）、導熱系數低等優異性能的環保型保溫材料，保溫節能效果極佳。

4 可再生能源的利用

未來夏熱冬冷地區住宅建筑節能的發展趨勢是利用可再生的天然能源，以實現住宅節能的可持續發展。在節約不可再生能源的同時，人類還在尋求開發利用新能源以適應人口增加和能源枯竭的現實，這是歷史賦予現代人的使命，而新能源有效地開發利用必定要以高科技為依托。如開發利用太陽能、風能、潮汐能、水力、地熱及其他可再生的自然界能源，必須借助于先進的技術手段，并且要不斷地完善和提高，以達到更有效地利用這些能源。其中太陽能及地下冷熱源的利用在夏熱冬冷地區有很高的利用價值。

4.1 太陽能

太陽能一般是指太陽光的輻射能量，在現代一般用作發電。太陽能是大自然饋贈給人類的取之不盡用之不竭的自然資源。我們地球所接受到的太陽能，只占太陽表面發出的全部能量的二十億分之一左右，這些能量相當于全球所需總能量的3～4萬倍。我國有豐富的太陽能資源，全國三分之二以上地區的全年太陽能輻照量大于5 700J／（m2·a），全年日照時數大于2 200h。

目前建筑上對太陽能的利用主要有以下幾種方式：

1）太陽能熱水

太陽能熱水器將太陽光能轉化為熱能，將水從低溫度加熱到高溫度，以滿足人們在生活、生產中的熱水使用。太陽能熱水器按結構形式分為真空管式太陽能熱水器和平板式太陽能熱水器，以真空管式太陽能熱水器為主，占我國太陽能熱水器的95%。太陽能熱水器在夏熱冬冷地區的應用十分廣泛，部分地區甚至將其列為新建建筑必須執行的強制性規范。

2）光伏建筑一體化

光伏建筑一體化，是應用太陽能發電的一種新概念，簡單地講就是將太陽能光伏發電方陣安裝在建筑的圍護結構外表面來提供電力。根據光伏方陣與建筑結合的方式不同，光伏建筑一體化可分為兩大類：一類是光伏方陣與建筑的結合。另一類是光伏方陣與建筑的集成。如光電瓦屋頂、光電幕墻和光電采光頂等。

4.2 地下冷熱源

由于地表以下受太陽輻射小，土壤或水體溫度冬季為12～22℃，溫度比環境空氣溫度高，夏季為18～32℃，溫度比環境空氣溫度低，可以為我們所利用。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽能量，比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在。這種儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源，使得地能也成為清潔的可再生能源一種形式。地源熱泵是一種利用淺層地熱能源（也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等的能量）的既可供熱又可制冷的高效節能系統。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現由低品位熱能向高品位熱能轉移。一般在空調系統中，地能分別在冬季作為熱泵供熱的熱源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的熱量取出來，提高溫度后，供給室內采暖；夏季，把室內的熱量取出來，釋放到地能中去。

5 結 語

夏熱冬冷地區的節能的途徑和措施還有很多，如何選擇一套既經濟又高效的住宅建筑的節能方案還有待我們所有的從業者不斷地在實踐中摸索。從建筑節能的角度來看，夏熱冬冷地區住宅建筑設計應從建筑布局、建筑空間處理、建筑構造設計等方面采取綜合的節能措施，要盡量利用自然界的物理性能去加強通風與隔熱降溫，圍護結構的構造要滿足節能要求，寧可多花一次性的基建投資費用而少花日常經營管理和采用人工空調的費用，并要協調好采光、通風、隔熱保溫等方面的矛盾，使經濟效益、環境效益與社會效益統一起來，達到綜合節能的目的。此外，在建筑與規劃設計中要重視對可再生能源的利用，這也是今后夏熱冬冷地區住宅節能的發展趨勢。

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