談北方地區居住建筑節能設計

劉紅霞

(山西凱的建筑設計規劃有限公司晉城分公司，山西晉城 048000)

1 概述

據統計，目前發達國家建筑用能已達社會終端能耗40%以上，而我國建筑能耗約占全國能源消費總量25%。由于我國城鎮化率的飛速增長，到2020年建筑用能占社會總能耗的比例將近10%～20%，趨同發達國家。節能減排早已是我國一項基本國策，降低建筑用能對能源安全有重要作用。對嚴寒和寒冷地區的新建、改建建筑進行節能設計，既可以改善建筑室內熱環境，提高采暖系統的能源利用效率，還有利于節約能源和保護環境、抑制全球氣候變暖，真正實現資源和經濟社會的可持續發展。

2 居住建筑節能設計概述

我國現行規范將采暖能耗降低65%作為節能目標，要求將建筑物耗熱量指標小于等于規定值，再按此目標對建筑節能設計提出措施要求。筆者所處北方城市采暖能源以煤為主，冬季采暖方式以集中供熱為主。根據嚴寒和寒冷地區氣候條件，當地居住建筑冬季采暖能耗是全年建筑能耗的主體，最普遍有效的節能方法就是根據建筑圍護結構的熱工性能參數要求，在建筑外圍護結構做一定厚度的保溫，降低傳熱損失;同時提高采暖、通風和照明系統的能源利用效率，滿足對建筑物總能耗指標的要求。

考慮到北方不同地區的經濟、技術情況與居住建筑結構、構造的實際情況，節能措施及節能材料可做選擇和調整，但保溫材料必須具有相關部分節能技術產品認定證書、質量監督檢驗單位出具的防火、材料性能檢驗報告。

3 居住建筑節能設計方法及措施

判定居住建筑是節能建筑的一般方法是模擬計算。通過專業的節能軟件將擬建建筑建成三維模型，根據建筑圍護結構的各個部位的物理性能，做相應建筑材料及厚度的保溫措施，最后在保證室內熱環境的前提下以計算出的建筑物建筑的耗熱量、采暖耗煤量指標而判定。

北方地區(嚴寒和寒冷地區)居住建筑節能建筑部分設計及措施主要包括以下幾點。

3.1 建筑物布局、朝向、日照間距

居住建筑布局大多是組團、區等形式進行群體組合，我國現行GB 50096—2011住宅設計規范中規定“每套住宅至少應有一個居住空間能獲得日照”，北方居住建筑設計首先要考慮充分利用自然能源，冬季太陽高度角和方位角的變化規律使建筑最大限度增加太陽輻射得熱，南北朝向的建筑冬季可以獲得多的日照得熱，這是最直接有效的節能措施。根據北方地區夏季最多頻率風向，南北向建筑在炎熱夏季對流通風效果更佳;北方地區冬季主導風向為西北風，南北朝向建筑也可以減少冷風直灌。總體布局中建筑物南北間距也需通過模擬計算確定，因為在采暖季建筑的南墻太陽輻射面積因其南側建筑的遮擋而縮小，室內有效日照時間就會減少。

3.2 建筑體形

北方居住建筑設計平面、立面盡量簡化規整，減小凹凸，標準層面積小的住宅建筑適當增加層數，多單元組合的住宅一字并列，減少和避免建造單元少的點式低層建筑等。原因是首先當代建筑設計注重與城市設計共生滿足，建筑形態設計摒棄復雜凸凹主張簡單，其次建筑體形對建筑物的節能效果有很大影響，相同條件下，外表面積越大，體型系數越大，單位面積散熱量也越大。衡量建筑體形的合理性，一般用建筑體形系數來表達。北方的嚴寒地區外墻的傳熱耗熱量占圍護結構耗熱量的28%以上，外墻過多容易產生結露長毛現象。一個建筑體形系數在0.3的基礎上每增加0.01，其建筑能耗增加2.4% ～2.8%。

3.3 屋面、外墻、地下室頂板等圍護結構保溫措施

住宅圍護結構的熱耗量占整個建筑采暖熱耗量的1/3以上，能耗是由圍護結構的熱傳導和冷風滲透兩個方面造成的。提高住宅外圍護結構的保溫隔熱性能，可以減少冬季室內傳出的熱量和夏季室外傳入的熱量，有利于節能。

屋面保溫層應優先選用輕質、導熱系數低、吸水率低、性能穩定的高效保溫材料。目前住宅墻體多為加氣混凝土砌塊，這種材料本身具有低的導熱系數，但由于墻體中的梁、柱等容易形成冷橋的鋼筋混凝土構造，不能滿足保溫隔熱的設計，因此一般采用外墻外保溫。高效保溫材料的使用可以保護主體結構、延長建筑物壽命、消除“冷熱橋”影響;避免內墻潮濕結露。

另外地下室頂板、樓梯間、外走廊、戶門、與土壤接觸的地面等部位雖然未與室外空氣直接接觸，但由于受二維、三維傳熱的影響，造成大量熱損失，一定要增設保溫材料層或采取措施。變形縫接觸室外空氣處用保溫材料滿填。

3.4 外窗節能措施

外窗是影響建筑能耗的重要因素，作為能耗散失的最薄弱部位，其能耗占建筑總能耗的比例較大，其中傳熱損失為1/3，冷風滲透為1/3。提高外窗的保溫性能，減少熱傳遞量可采取如下措施:

控制窗墻比——居住建筑窗墻比計算只考慮最可能超標的開間，這樣建筑節能施工圖審查也比較方便。由于住宅窗面積的大小受日照、采光、通風、視線間距等滿足室內環境要求制約，東西南北朝向窗大小滿足室內采光設計標準后，根據限值不同可適當調整。

提高外窗的氣密性——規范明確嚴寒地區及寒冷地區規定外窗的氣密性等級不應低于GB/T 710—2008建筑外門窗氣密性、水密、抗風壓性能及檢測方法中規定的等級。節能設計中選用新型的、密封性能良好的門窗材料，窗玻璃選用空氣層夾層或惰性氣體夾層的中空玻璃，避免冬季室外空氣滲漏。窗四周與墻相交之處容易出現熱橋，窗框與墻間的縫隙用密閉型材料密封，例如聚氨酯填堵，門窗洞口室外部位抹30厚玻化微珠保溫砂漿，5厚聚合物抗裂砂漿面層，壓入耐堿玻纖網格布。外窗的開啟方式在滿足自然通風條件下多選用固定扇。

無熱橋設計——外墻熱橋主要出現在梁、柱、窗口周邊、樓板和外墻的連接處，凸窗上下板和外墻連接處、空調擱板、雨篷、屋頂檐口、女人墻和屋頂連接、混凝土裝飾構件等處。熱橋是出現高密度熱流的部位，加強熱橋部位的保溫，可以減小采暖負荷。另陽臺和房間之間隔墻不可省去。陽臺和直接連通的房間之間隔墻視作外墻，住宅外門設防風門斗，對穿墻管線、屋頂上入孔進行封閉處理。

4 新技術、新材料

北方居住建筑節能設計近年來也隨著時代變遷與時俱進，建筑節能方面出現了很多新興節能材料和技術措施。

4.1 圍護結構保溫系統

近年來我國推行的建筑高效保溫與結構一體化技術。集保溫隔熱功能與圍護結構功能于一體，具有與建筑同壽命、安全可靠、施工方便等優點，是對傳統建筑保溫材料粘貼技術和施工方法的重大變革。可有效解決傳統節能保溫工程空鼓、開裂、脫落等質量通病，提升建筑保溫耐火性，符合國家節能減排的要求。當前，重點推廣難燃級聚氨酯等高效保溫材料、CL結構體系、保溫型復合免拆模板保溫系統、非承重砌塊自保溫結構體系、裝配式墻板自保溫體系、居住建筑夾芯保溫復合磚砌體結構體系等一體化技術。

4.2 外窗

高效保溫性能的外窗目前有德國120系列塑鋼節能型材玻璃:構造形式為三玻一中空一真空。節能窗的傳熱系數 K≤0.8 W/(m·K)～1.0 W/(m·K)的外窗，其性能遠高于現在普遍使用的空氣層夾層或惰性氣體夾層的中空玻璃節能型材窗。

4.3 高效熱回收裝置

高效熱回收系統目前是被動式房屋必備的設備，它是實現室內新風能夠滿足室內二氧化碳含量不大于1 000 ppm和將換氣熱損失降到最低的關鍵設備，其熱回收效率在80%以上。期待著某一天它能用于我國北方地區的住宅建筑。

4.4 其他

居住建筑節能設計除了以上建筑部分新技術外，其他專業還包括了太陽能發電、采暖系統;地下水源、地表水源、污水源、土壤源、空氣源等熱泵采暖技術應用;被動式太陽能、通風設計及自然采光、遮陽、太陽光導采光系統設計;中水回收、雨水回收、工業余熱利用設計;節水潔具、節電電器等。

5 面臨的挑戰和困難

居住建筑節能設計盡量降低了建筑能耗，但它仍面臨的挑戰和困難。一是無法保證建筑物舒適度要求，人感覺最舒服的室內相對濕度是在40% ～60%，溫度在18℃ ～26℃，并且新風量滿足人體需要。目前尚無住宅建筑能單靠節能設計達到這個目標。二是施工質量難以保證房屋，由于建筑本身的氣密性不好、或外墻外保溫系統有質量問題，即使按圖紙做了保溫，仍有部分能耗損失導致室內溫度不能達標。三是建筑設計、運行、管理水平有待提高，加強對應用節能技術的設計、審圖、施工安裝、監理、監督等人員的專項培訓，提高設計和施工水平。

6 結語

居住建筑節能是建筑節能的重點。節能理念貫穿建筑設計始終，從初期總體規劃到單體設計，由整體到構件，要最大限度利用自然資源，高效利用本土產品;大膽采用新技術、新材料，在保證建筑物內的環境滿足舒適度的同時，實現最大幅度的節能，建筑節能性能的提高可以大大緩解我國城市化進程中的能源壓力，有利于建設節約型社會。