公共建筑圍護結構的節(jié)能設計

張世林（大慶油田有限責任公司第二采油廠規(guī)劃設計研究所）

公共建筑圍護結構的節(jié)能設計

張世林（大慶油田有限責任公司第二采油廠規(guī)劃設計研究所）

建筑外圍護結構的傳熱損失是嚴寒和寒冷地區(qū)建筑能耗中的主要部分，因此，提高建筑圍護結構的保溫隔熱性能對于實現(xiàn)公共建筑50%的節(jié)能目標具有重大意義。結合《大慶油田采油二廠員工食堂及公寓樓改造工程》圍護結構節(jié)能設計方案，探討了公共建筑外墻、屋面、門窗三大構件的保溫隔熱設計原則，以及設計中應重點注意的問題，如外保溫與內保溫復合墻體的比較及選用、防止圍護結構表面結露以及提高窗的氣密性的具體措施等內容，對類似工程設計具有一定的借鑒意義。

公共建筑圍護結構保溫隔熱節(jié)能

我國建筑耗能占全國能源總消費的比例已經(jīng)超過27.5%，目前僅有3.2×108m2的居住建筑可以算作節(jié)能建筑，而95%的新建建筑都屬于高耗能建筑。與氣候接近的發(fā)達國家相比，單位面積的采暖能耗為其3倍，而舒適度則遠遠不如發(fā)達國家。嚴寒和寒冷地區(qū)的建筑能耗主要是冬季采暖能耗，室內外溫差非常大，外圍護結構的傳熱損失是主要部分。因此，提高建筑圍護結構保溫性能對于實現(xiàn)公共建筑50%的節(jié)能目標意義重大。

1　建筑圍護結構節(jié)能設計實例

采油二廠員工食堂及公寓樓改造工程為大慶采油二廠2012年改造項目。公寓樓部分為原有建筑，建筑面積5990m2；食堂為新擴建部分，建筑面積2876m2。該建筑新舊部分均按節(jié)能要求進行設計。

該建筑圍護結構采用的節(jié)能設計方法：

1）該建筑所在區(qū)域為嚴寒A區(qū)，在總體布局上該建筑體型系數(shù)確定為0.25。

2）新建部分外墻為200mm厚陶粒混凝土砌塊+ 100mm厚巖棉板［導熱系數(shù)小于0.045W/（m2·K）］+ 100mm厚陶粒混凝土砌塊；舊建筑外墻為490mm厚紅磚（原有）+100mm厚巖棉板+外掛GRC成品構件；外墻傳熱系數(shù)均小于0.45W/（m2·K）。

3）新舊建筑屋面保溫層分別為130mm和150mm厚巖棉板；金屬屋面內部采用不燃燒體玻璃棉卷氈進行保溫［導熱系數(shù)小于0.058W/（m2·K）］；屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)均小于0.35W/（m2·K）。屋面透明部分的面積小于屋頂總面積的20%，傳熱系數(shù)小于2.5W/（m2·K）。

4）外窗采用塑鋼雙玻璃窗，抗風壓性能為4級，保溫性能為6級，氣密性能為6級，傳熱系數(shù)小于2.5W/（m2·K）。玻璃幕墻為隱框格構式幕墻，抗風壓性能為6級，氣密性能為3級，水密性能為5級，遮陽系數(shù)0.49，玻璃可見光透射比0.4。所有冷橋及門窗洞口均采用30mm厚巖棉進行保溫。

5）首層地面距外墻2m范圍內采用50mm厚擠塑苯板保溫。

以上建筑圍護結構熱工計算均能滿足公共建筑節(jié)能設計標準。

2　建筑圍護結構節(jié)能設計要點

2.1屋面的保溫隔熱

建筑圍護面積中屋面所占比例雖然遠低于外墻，但對于建筑物頂層卻是比例最大的外圍護結構。如果屋面保溫隔熱性太差，對頂層房間的室內熱環(huán)境和建筑采暖空調所需能耗的影響很大。

為了提高屋面的保溫隔熱性能，在設計中可參照以下原則：

◇保溫材料的選擇綜合考慮建筑物的使用要求、環(huán)境氣候條件、屋面的結構形式、防水處理方法、施工條件等各種因素，經(jīng)過技術經(jīng)濟比較后方可確定；

◇選用導熱系數(shù)小、蓄熱系數(shù)大的保溫隔熱材料，但不適合選用密度過大的材料；

◇根據(jù)節(jié)能建筑的熱工要求來確定建筑物保溫隔熱層的厚度，同時也要注意屋面材料層的排列順序，可考慮倒置式屋面；

◇不適合選用吸水率較高的材料，否則濕作業(yè)時隔熱層會大量吸水，從而降低屋面的熱工性能；屋面最好設置排氣孔，可以排除隔熱層內部不宜排出去的水分。

2.2外墻的保溫隔熱

外墻是建筑圍護結構中比例最大的部分，冬季在嚴寒地區(qū)建筑物的室內外溫差能達到30～60℃，墻體熱損失特別大，所以墻體的保溫隔熱是建筑節(jié)能的重要部分。

在確定外墻的傳熱系數(shù)時應采用平均傳熱系數(shù)，即按面積加權法求得的傳熱系數(shù)，主要是應考慮圍護結構周邊混凝土梁、柱等熱橋部位的影響，避免造成建筑物耗熱量或耗冷量的計算值偏小，從而達不到預期的保溫節(jié)能效果。

提高外墻的保溫隔熱性能，設計時必須考慮外墻保溫層應滿足水密性、抗風壓、溫濕度變化的耐候性要求，墻體不能產(chǎn)生裂縫；同時應能抵抗外界的碰撞，在邊角處、面層裝飾等方面，以及與門窗洞口、穿墻管等相鄰部位之間均應設計合理。

在嚴寒地區(qū)建筑的保溫性能主要取決于圍護結構本身材料的熱工特性，以及圍護結構內外表面與室外空氣的換熱狀況。如果圍護結構的熱阻值越大，則保溫性能就越好，向室外散熱量也就越小；減小圍護結構的傳熱系數(shù)是提高外墻保溫性能的最主要措施。減少傳熱系數(shù)的途徑主要是采用不同材料和做法的復合節(jié)能墻體。根據(jù)絕熱材料在墻體中的位置，分為內保溫、外保溫和中間保溫三種形式，綜合比較外墻外保溫技術更適合嚴寒地區(qū)建筑外墻，它與外墻內保溫優(yōu)缺點的比較見表1。

在寒冷地區(qū)如果建筑物地下外墻的熱阻值過小，則建筑內表面尤其是墻角部位就容易結露。從節(jié)能和衛(wèi)生角度要求出發(fā)，這些部位必須達到防止結露或產(chǎn)生凍腳的熱阻值。外墻熱橋部位的內表面溫度不應低于建筑室內空氣露點溫度。為防止圍護結構表面結露，設計應遵循以下原則：

◇對梁、柱等熱橋部位應采用外保溫措施，加強保溫層厚度、減少熱損失，能有效控制熱橋內表面溫度不低于室內空氣露點溫度；

◇防止室外冷風滲透進入室內，如門洞口、窗過梁等熱橋部位造成的表面溫度低而產(chǎn)生結露；

◇避免墻體和屋面及地面相接處陰角部位的結露，由于陰角部位易形成二維或三維熱流，熱量損失較大，應適當加強這些部位的保溫層厚度；

◇對冬季氣候陰冷潮濕地區(qū)，應控制室內相對濕度；

◇如果公共建筑采用間斷式采暖，應防止夜間溫度下降造成的結露［1］。

2.3門窗的保溫隔熱

在建筑墻體、屋面、外窗三大圍護構件中，窗的熱工性能最差，它是影響室內熱環(huán)境和建筑耗能最主要的因素之一。對于公共建筑，窗的耗能約為屋面的4倍、墻體的3倍，占建筑圍護結構總耗能的40%～50%，因此提高窗的保溫隔熱性能十分重要。公共建筑每個朝向的窗（包括透明幕墻）墻面積比均不應大于0.7。當窗墻面積比小于0.4時，玻璃的可見光透射比不應小于0.4。外窗的氣密性不應低于GB7107《建筑外窗氣密性能分級及其檢測方法》規(guī)定的4級［2］。在工程實踐中，常見外窗中塑料平開窗100%大于4級，而鋁合金推拉窗只有59%大于4級。提高窗的氣密性可采取以下措施：

◇通過提高窗用型材的規(guī)格尺寸、準確度、組裝的精準度、尺寸穩(wěn)定性來增加開啟縫隙部位的搭接量和減少開啟縫隙的寬度，從而達到減少空氣滲透的目的；

表1　外保溫、內保溫復合墻體比較

◇改進窗戶的密封方法，宜逐步推廣采用三級密封方式；

◇注意各種密封材料和密封方法的互相配合，可在玻璃下安設密封的襯墊材料，在玻璃兩側用密封條來密封，在密封條上方再加注密封料。

不提倡建筑外立面采用大面積玻璃幕墻。當追求通透效果、大面積使用透明幕墻時，可采用中空玻璃、填充惰性氣體、暖邊間隔技術和“斷熱橋”型材龍骨或雙層皮通風式幕墻，把玻璃幕墻的傳熱系數(shù)由普通單層玻璃的6.0W/（m2·K）以上降到1.5W/（m2·K），在玻璃間層中設百葉或格柵，可以使玻璃幕墻具有良好的遮陽隔熱性能。

此外，屋面透明部分的面積不應大于屋頂總面積的20%。在嚴寒地區(qū)建筑的外門應設門斗，設置門斗可以避免冷風直接進入室內，在節(jié)能的同時，也提高了門廳的舒適性。

3　結束語

在公共建筑節(jié)能50%的目標中，北方地區(qū)圍護結構分擔節(jié)能率達到25%，所以建筑圍護結構在節(jié)能設計中占有十分重要位置。對公共建筑進行節(jié)能改造，總投資回收期可在5～7年左右，節(jié)能的經(jīng)濟效益良好。

［1］郎四維.公共建筑節(jié)能設計標準宣貫輔導教材［M］.1版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005：33-36.

［2］中國建筑科學研究院，中國建筑業(yè)協(xié)會建筑節(jié)能專業(yè)委員會.GB50189—2005公共建筑節(jié)能設計標準［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.002.015

2014-12-12）

張世林，高級工程師（國家一級注冊結構師、二級注冊建筑師），1996年畢業(yè)于哈爾濱工程大學（建筑工程專業(yè)），從事建筑工程設計，E-mail：zhangshilin@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市采油二廠規(guī)劃設計研究所，163414。