節能設計標準對居住建筑節能的影響
——以福建省夏熱冬冷地區為例

洪霄偉 王建飛 張宇峰

(1.廈門市建筑科學研究院集團股份有限公司 福建廈門 361000;2.華南理工大學 廣東廣州 510640)

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節能設計標準對居住建筑節能的影響
——以福建省夏熱冬冷地區為例

洪霄偉1王建飛1張宇峰2

(1.廈門市建筑科學研究院集團股份有限公司 福建廈門 361000;2.華南理工大學 廣東廣州 510640)

隨著新版《福建省居住建筑節能設計標準》DBJ/T 13-62-2014的發布和實施，福建省建筑節能工作有了新的要求。根據新版和舊版標準及其參考的行標，對福建省夏熱冬冷地區某典型居住建筑進行節能分析，得到不同標準規定下建筑的節能率，并分析不同圍護結構熱工參數對能耗的影響。文章通過對比分析，提出福建省夏熱冬冷地區居住建筑的節能設計建議。

居住建筑；節能；DeST

1 節能設計背景

2003年發布并實施行業標準《夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準》JGJ 75-2003(下文簡稱行標JGJ 75-2003)。2004年福建省建設廳發布并實施《福建省居住建筑節能設計標準實施細則》DBJ 13-62-2004(下文簡稱舊標)，規定福建省夏熱冬冷地區執行夏熱冬暖地區北區居住建筑節能設計規定，區域劃分(圖1)。舊標的“對比評價法”計算方法按行標JGJ 75-2003規定進行。

2010年和2012年先后頒布實施《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》JGJ 134-2010(下文簡稱行標JGJ 134-2010)和《夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準》JGJ 75-2012(下文簡稱行標JGJ 75-2012)，兩部標準對建筑熱工節能設計和建筑節能設計的綜合評價都有了較大的改變。福建省仍然沿用舊標，其夏熱冬冷地區的標準并未相應更新，直到2014年頒布新標準《福建省居住建筑節能設計標準》DBJ 13-62-2014(下文簡稱新標)。 隨著新標的發布和實施，福建省建筑節能工作有了新的要求。新標將本省夏熱冬冷地區單獨劃分出來，執行夏熱冬冷地區的標準。

綜上所述，本省夏熱冬冷地區居住建筑節能設計在新標實施前后有很大的變化。本文基于實際案例，分別采用舊標、新標以及行業標準進行對比評價，利用能耗模擬軟件DeST分析以上標準規定下的建筑節能率，探究不同標準對本省夏熱冬冷地區居住建筑節能設計約束的異同以及其產生的原因。

2 分析對象和方法

2.1 分析對象

經過對三明、南平、寧德等夏熱冬冷地區的城市商品房的調查，發現住宅的樓層數主要集中在11層、18層、32層3種層數[2]。

本文選取某商住進行分析，該建筑位于福建省夏熱冬冷地區的三明永安市，該建筑于2014年進行節能設計，南北朝向，地上32層，每層4戶，層高3m，住宅戶型均為三室兩廳一廚兩衛，住宅平面圖如圖2所示。

建筑圍護結構如下：(1)外墻采用14mm水泥砂漿+200mm加氣混凝土砌塊+10mm石灰砂漿；(2)屋頂采用40mm碎石、卵石混凝土+10mm水泥砂漿+25mm擠塑聚苯復合板+20mm水泥砂漿+30mm輕集料混凝土+120mm鋼筋混凝土；(3)外窗采用普通鋁合金窗(無色透明中空玻璃)。另外，建筑體形系數≤0.4。

2.2 參照建筑

根據上文對福建省夏熱冬冷地區節能設計標準變更的描述，分別給出各標準對應的屋頂、外墻和外窗的節能要求(表1)。參考福建省對居住建筑節能設計的舊標和新標及其參考的行業標準，同時結合實際建筑，共設置5種計算模式(表1)，其中模式1～模式4分別指參考舊標(同行標JGJ 75-2003)、行標JGJ 75-2012、新標、行標JGJ 134-2010要求確定的參照建筑，模式5為實際建筑。實際建筑屋頂傳熱系數0.98 W/(m2·k)，熱惰性指標2.59，外窗傳熱系數1.4 W/(m2·k)，熱惰性指標3.26，外窗傳熱系數3.8 W/(m2·k)，遮陽系數0.8，平均窗墻面積比0.19。

2.3 標準對比

根據以上5種計算模式可知，新標和舊標以及行標對建筑節能的規定不同。因舊標幾乎完全按照行標JGJ 75-2003做出規定，所以對舊標與行標JGJ 75-2012，新標與行標JGJ 134-2010，舊標與新標三組標準進行差異說明。

(1)舊標與行標JGJ 75-2012

舊標與行標JGJ 75-2012的對比，事實上是夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準新舊版本的對比。行標JGJ 75-2012對輕質屋頂和重質屋頂均減小傳熱系數的限值，傳熱系數均減小0.1W/(m2·k)，但對于外墻則將傳熱系數限值由2.0W/(m2·k)增大到2.5W/(m2·k)，并稍降低熱惰性指標，可見行標JGJ 75-2012與舊標相比，對屋頂熱工性能要求有所提高，而對外墻的熱工性能的要求有所放松。對于外窗的平均傳熱系數和綜合遮陽系數的限值確定方法則完全不同。兩個標準均要首先確定外墻的傳熱系數和熱惰性指標后再查表，舊標先確定遮陽系數，其后根據窗墻面積比確定傳熱系數，行標JGJ 75-2012則先確定傳熱系數再根據窗墻面積比確定遮陽系數。

區域標準節能要求(傳熱系數K,熱惰性指標D)參照建筑夏熱冬暖北區舊標行標JGJ75-2003[3]屋頂:K≤0.5(輕);K≤1.0,D≥2.5外墻:K≤0.7(輕);K≤1.0,D≥2.5;K≤2.0,D≥3.0外窗:外墻→遮陽系數→傳熱系數 計算模式1:K屋頂=1.0W/(m2·k);D≥2.5,K墻體=1.5W/(m2·k);K外窗=6.5W/(m2·k),SW=0.6;行標JGJ75-2012[4]屋頂:K≤0.4(輕);0.42.5外墻:K≤1.0,D≤2.5;K≤1.5,D>2.5外窗:體形系數→窗墻面積比→遮陽系數/傳熱系數 計算模式4:K屋頂=1.0W/(m2·k);D≥2.5,K墻體=1.5W/(m2·k);K外窗=4.7W/(m2·k),SW無要求。

注：K墻體——外墻平均傳熱系數W/(m2·K)；K屋頂——屋面平均傳熱系數W/(m2·K)；K外窗——外窗加權平均傳熱系數W/(m2·K)；D墻體/D屋頂——外墻或屋頂的熱惰性指標；SW——外窗平均綜合遮陽系數；

舊標明確參照建筑墻體傳熱系數應取1.5W/(m2·k)，屋頂傳熱系數應取1.0W/(m2·k)，綜合遮陽系數應取0.6，并查表得外窗傳熱系數為6.5W/(m2·k)。行標JGJ 75-2012明確參照建筑墻體傳熱系數應取1.5W/(m2·k)，屋頂的傳熱系數應取0.9W/(m2·k)，北區窗的傳熱系數應取4.0W/(m2·k)，并查表得外窗綜合遮陽系為0.9。

(2)新標與行標JGJ 134-2010

新標編制過程中參考舊標、行標JGJ 75-2012 和行標JGJ 134-2010，結合福建省夏熱冬冷地區的特點給出節能要求，可看出新標對建筑節能要求的限值和方法具有綜合性。新標與行標JGJ 134-2010相比，對屋頂傳熱系數的限值減小到0.8W/(m2·k)，且對熱惰性指標規定2.5為最小值，但對于外墻，當體形系數不大于0.4時，傳熱系數的限值由1.5W/(m2·k)增大到2.0W/(m2·k)，但對熱惰性指標要求增大。新標與行標JGJ 134-2010對外窗的熱工性能規定均需首先判斷建筑體形系數，其后，行標只需判斷窗墻面積比后即可同時確定傳熱系數和遮陽系數，但新標則仍需要參考外墻的熱工性能指標，再根據傳熱系數和窗墻面積比最終確定遮陽系數。

新標明確參照建筑墻體傳熱系數應取1.5W/(m2·k)，屋頂傳熱系數應取0.8W/(m2·k)，窗的傳熱系數應取4.0W/(m2·k)，并查表得外窗綜合遮陽系數為0.8。行標JGJ 134-2010規定參照建筑屋面、外墻和外窗的傳熱系數應取標準內對應的限值，即墻體傳熱系數應取1.5W/(m2·k)，屋頂傳熱系數應取1.0W/(m2·k)，窗的傳熱系數應取4.7W/(m2·k)，外窗綜合遮陽系數無要求，此處設為為0.8。

(3)舊標與新標

新標對屋頂的傳熱系數限值減小到0.8W/(m2·k)，對熱惰性指標仍以2.5作為重質屋頂的最小值。對于體形系數都不大于0.4的建筑，新標對外墻的熱惰性指標要求大有放松。這是在實際工程中發現熱惰性指標稍小的外墻足夠滿足節能要求，也可降低工程成本和推廣新型建材之后進行的調整[6-7]。新標對外窗熱工性能的要求與舊標不同，除需要判斷體形系數，確定傳熱系數與遮陽系數的順序相反，導致外窗熱工性能相差很大。

兩版標準在參照建筑參數的確定上主要區別在屋頂和外窗，另外新標對空調能效比的設定較高，同時要求計算室內得熱量。

2.4 模擬方法

在利用能耗模擬軟件DeST進行計算時，需要輸入建筑的運行狀態，包括照明、設備、空調等。夏熱冬冷地區，居住建筑的空調采暖模式具有個體差異性[8]，基本采取部分空間、部分時間空調采暖模式，對以上5種模式進行模擬計算時，建筑形狀、大小、朝向以及平面劃分等方面完全相同，照明、設備和空調的設置也完全相同，以保證建筑圍護結構是唯一的變化參數。

該建筑每戶居住人數為3.2人，人均使用面積為33m2/人。基于以往對夏熱冬冷地區居住建筑空調使用情況的調查研究[8]，以及新標對建筑節能總結評價指標的計算條件用的規定[9]，夏熱冬冷地區多在各居室安裝空調，故本文設置室內使用分體空調，在客廳、主臥和次臥分別安裝一臺分體空調[8]，空調房間新風量為30m3/hp，空調采暖時換氣次數為1acr/h。根據《建筑照明設計標準》中對居住建筑照明功率密度的要求，設置計算模型的照明密度均為現行值，并設定相應的照度標準值[10]。各房間的設備功率參考旅館建筑中客房設備[11]，并根據普遍情況進行適當調整。房間的空調、照明和設備設置(表2)。

表2 各類空調、照明和設備的設置情況

根據以往的調查研究，夏熱冬冷地區居住建筑主要為多層住宅，住戶主要為上班族，戶型主要為三室兩廳[8]。夏季空調的時間一般為1個月～2個月，每天4h～8h，集中在夜晚時間開啟，冬季采暖的方式則較多樣，使用時間一般半個月到一個月，同樣集中在夜晚使用。本文為研究建筑全年的空調采暖能耗，根據本省夏熱冬冷地區氣候，設定夏季空調房間室內計算溫度上限為26℃，冬季采暖房間室內計算溫度下限為16℃。各房間空調、照明、設備運行狀態如表3。

表3 各類房間照明、設備、空調的運行時間表

2.5 模擬結果

對以上5種計算模式進行全年冷熱負荷的計算，得到全年冷熱負荷的變化，如圖3所示(以模式5為例)，觀察模式5的全年冷熱負荷變化圖，可知冷負荷集中在5月到10月，熱負荷集中在12月到2月，空調制冷的能耗比例較大。

5種計算模式下，建筑照明、設備和電梯的能耗相同，單位面積耗電量分別為8.29kWh/a·m2、10.60kWh/a·m2、4.16kWh/a·m2，單位面積空調耗電量月變化如圖4，耗電量都在7月份達到最大，在3月、4月和11月各模式均未超過0.1kWh/a·m2。模式1在制冷季的耗電量明顯小于其他模式，而在采暖季均大于其他模式，模式2～模式5在制冷季的耗電量很接近，在采暖季的耗電量區別較明顯。

5種模式下各個月份、全年、制冷季和采暖季的空調單位面積耗電量(表4)，全年空調單位面積耗電量模式2的最大，最小為模式5，差值為0.12kWh/a·m2；制冷季共有6個月，模式2的最大，最小為模式1，差值為0.89kWh/a·m2；取暖月為3個月，模式1最大，模式5最小，差值為0.74kWh/a·m2。對比模式1～4按不同標準建立的參照建筑，實際建筑的節能率各不相同，其中，以行標JGJ 75-2012為參考時節能率最高，為1.45%，以新標為參考時節能率最低，為0.12%。

表4 五種模式的計算結果

2.6 結果分析

5種計算模式的外墻傳熱系數相同，屋頂和外窗有所區別。屋頂的傳熱系數主要影響頂層房間的空調能耗，外窗的熱工性能影響到每層每個開窗的房間，所以對于建筑空調總能耗，樓層越高，屋頂傳熱系數起到的影響就越小，同時外窗熱工性能的影響就越大。

從5月到10月，引起不同模式空調能耗變化的主要因素為外窗遮陽系數。在夏季，空調的使用時間主要在夜間，較小的平均綜合遮陽系數能大量減少白天進入室內的太陽輻射得熱，從而降低空調能耗。模式1的耗電量明顯較小，模式2～模式5的耗電量接近，其中模式2耗電量稍大。由表1可知，模式1外窗的平均綜合遮陽系數最小，即降低了白天的太陽輻射得熱，而模式2的平均綜合遮陽系數最大，導致空調能耗高。模式3與模式4的外墻和外窗熱工性能接近，但屋頂傳熱系數較低，制冷季的空調能耗稍高，可見較大的屋頂傳熱系數降低了制冷能耗。

12月到2月，外窗遮陽系數和傳熱系數是影響不同模式空調能耗變化的主要原因。模式1的耗電量遠大于模式2～模式5。由表1可知，模式1外窗傳熱系數遠大于模式2～模式5，而平均綜合遮陽系數較小，不利于太陽輻射得熱，同時屋頂的保溫性能較差，故模式1的圍護結構最不利于冬季保溫，導致模式1冬季采暖能耗最高。其次是模式4，外窗的傳熱系數較大，不利于保溫。模式2和模式3相比，雖然屋頂保溫性能稍差，但外窗使室內太陽輻射得熱較大，使得采暖能耗稍低。而模式2與模式5相比，模式5的外墻和外窗的保溫性能彌補了外窗遮陽和屋頂保溫的不足，兩種模式的采暖能耗相近。可見外窗遮陽系數對建筑能耗的影響大于屋頂和外墻的傳熱系數。

由以上分析可知，外窗的平均綜合遮陽系數對建筑能耗的影響很大，即使外墻和屋頂大幅度提高熱工性能，對建筑節能效果并不明顯，所以需要根據氣候特征和建筑使用情況合理設計圍護結構。

3 節能分析

根據5種模式的空調單位面積耗電量和圍護結構熱工性能，可知在福建省夏熱冬冷地區，屋頂和外墻的熱工性能對全年空調能耗的影響較小，外窗平均綜合遮陽系數對全年空調能耗的影響較大。圍護結構的保溫對冬季采暖和夏季制冷的能耗有相反的作用，因為提高外墻和屋頂的保溫隔熱性能，在室內外溫度較高時，室內熱量不能及時傳出，而室外高溫空氣持續作用在圍護結構上，反而會消耗更多的空調制冷能耗。在夏季，較低的外窗平均綜合遮陽系數有利于降低室內太陽輻射得熱，從而降低空調制冷能耗，在冬季，較高的外窗平均綜合遮陽系數有利于提高室內太陽輻射得熱，從而降低空調采暖能耗。

《民用建筑熱工設計規范》要求夏熱冬暖地區“必須滿足夏季防熱要求，適當兼顧冬季保溫”[12]。夏熱冬冷地區緯度和經度跨度較大，氣候存在差異[13]，同時居住建筑存在住戶差異性，所以住戶空調使用情況不盡相同。合肥、南京、武漢等地區不僅夏季炎熱，而且冬季寒冷，所以不僅需要夏季空調制冷，而且冬季也需要間歇空調采暖[14]。而福州、韶關、桂林等靠南的地區，由于冬季時間較短且平均氣溫較高，一般僅在夏季使用空調制冷，冬季很少使用空調采暖。福建省夏熱冬冷地區福建省地理區域接近一半，夏季炎熱冬季稍冷，在不劃分采暖期和空調期的情況下，采暖的能耗也遠小于制冷的能耗[13]。本文分析的5種模式都包括了冬季采暖，在實際住戶使用中，冬季為間歇性采暖，應重點考慮夏季空調制冷能耗。從全年來看，應主要考慮夏季降低制冷能耗。

新標和舊標在參照建筑上的規定使得外窗熱工性能區別很大，表4和圖4表明舊標利于夏季節能以及新標利于冬季節能。對于福建省夏熱冬冷地區，新標對于空調能耗的降低作用不明顯，特別是對于主要空調能耗用于夏季制冷的情況，該地區的建筑節能仍然存在較大空間。值得注意，該夏熱冬冷地區與武漢、合肥等夏熱冬冷地區氣候條件存在差異，同時與夏熱冬暖地區北區的氣候條件有相似之處。該地區地理面積在福建省約一半，今后的節能工作會進一步深入開展，所以應多考量圍護結構與空調能耗的關系，可以使建筑節能率進一步提高。

4 結論

以福建省夏熱冬冷地區某典型居住建筑為例，本文探討了先后頒布的兩部福建省標準DBJ 13-62-2004和DBJ 13-62-2014及相關行業標準對該建筑節能設計的影響，通過對該建筑模型進行模擬，得到如下結果：

(1)制冷季外窗遮陽系數對空調能耗影響最大。外窗遮陽系數越小，越有利于降低空調能耗。

(2)制冷季屋頂傳熱系數越大，越有利于降低空調能耗。

(3)采暖季外窗遮陽系數和傳熱系數是影響空調能耗的主要原因。外窗遮陽系數越大，越有利于降低采暖能耗；外窗傳熱系數越小，越有利于降低采暖能耗。

綜合上文的分析探究，對于福建省夏熱冬冷地區的居住建筑節能設計有3個建議：

(1)空調能耗主要用于夏季制冷，則需要提高外窗的遮陽性能，該措施是降低建筑空調能耗的高效方法[15]。

(2)外墻和屋頂的傳熱系數不應盲目提高，應該采用經濟適用的構造以滿足節能設計要求。

(3)在居住建筑節能設計中，除按照新版《福建省夏熱冬冷地區居住建筑的節能設計標準》設計，應多考量圍護結構與空調能耗的關系，以提高節能率。

此外，本文僅對5個模式進行案例分析，屋頂、外墻、外窗三者的傳熱系數以及外窗的平均綜合遮陽系數4個熱工參數對于建筑能耗的影響也僅限于高層住宅的對比分析，實際工程中還存在大量多層和底層住宅，相應的結論可能有所差異，需要進一步研究分析。

[1] DBJ13-62-2004 福建省居住建筑節能設計標準實施細則[S].2004.

[2] 中國福建[EB/OL].http://www.fujian.gov.cn/ggfwpt/zf/spf/xjspf/.

[3] JGJ 75-2003 夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準[S].北京： 中國建筑工業出版社，2003.

[4] JGJ 75-2012 夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準[S].北京： 中國建筑工業出版社，2012.

[5] JGJ 134-2010 夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準[S].北京： 中國建筑工業出版社，2010.

[6] 胡達明.復合墻體——在夏熱冬暖地區的熱工可行性研究[Z].中國福建，2006(3)：86-88.

[7] 趙士懷.福建省居住建筑節能設計標準DBJ13-62-2014解讀[J].福建建設科技，2015(2)：1-3.

[8] 李楠.夏熱冬冷地區人員行為對住宅建筑能耗的影響研究[D].重慶：重慶大學，2011.

[9] DBJ 13-62-2014 福建省居住建筑節能設計標準[S].2014.

[10] GB 50034-2013 建筑照明設計標準[S].北京： 中國建筑工業出版社，2013.

[11] GB 50189-2015 公共建筑節能設計標準[S].北京： 中國建筑工業出版社，2015.

[12] GB 50176-1993 民用建筑熱工設計規范[S].北京： 中國計劃出版社，1993.

[13] 余曉平,付祥釗,黃光德,等.夏熱冬冷地區采暖期/空調期劃分對居住建筑能耗限值的影響分析[J].建筑科學.2007(08)：27-31.

[14] 董旭娟,閆增峰,王智偉.夏熱冬冷地區城市住宅供暖方式調查與室內熱環境測試研究[J].建筑科學.2014(12)：2-7.

[15] 趙士懷.福建省建筑節能設計若干問題[C].福建省科協第六屆學術年會-節能與可再生能源分論壇.福州，2006：83-85.

圖片來源：

圖2～圖4：作者自繪

Energy-Saving Analysis on Residential Buildings in Hot-Summer and Cold-Winter Zone of Fujian——With Hot-Summer and Cold-Winter Zone in Fujian as an Example

HONGXiaowei1WANGJianfei1ZHANGYufeng2

(1.Xiamen Academy of Building Research Group Co., Ltd, Xiamen 361000; 2.South China University of Technology, Guangzhou 510640)

As the Evaluation standard for green building of Fujian being published and executed, new requirements came to popularize green buildings.According to the new version and the old version of the standard for energy-saving design of residential buildings, and other relevant standards, analysis on energy-saving of residential building in hot-summer and cold-winter zone of Fujian shows different energy-saving rate of a same building under different standards.The influence of thermal transfer coefficient of exterior walls, roofs, windows on building energy consumption were verified by comparative analysis.

Residential Building; Energy-saving; DeST

洪霄偉(1989.7- )，女，助理工程師。

E-mail:hongxiaowei0708@163.com

2016-06-06

TU201.5

A

1004-6135(2016)10-0011-06