夏熱冬冷地區中小型特殊類公共建筑的節能設計策略

胡思太 （安徽安德建筑設計有限公司，安徽 合肥 230022）

0 前言

公共建筑是我國建筑節能工作的重點領域，2005年實行2015年修訂的《公共建筑節能設計標準》（GB50189）已經實行多年，該規范編寫和修訂一直以暖通專家為主。

我國地域遼闊，氣候多樣，經濟發展不平衡，以建筑師的職業實踐和視角分析夏熱冬冷氣候區中小型公共建筑的節能設的特點，是對建筑節能基礎性研究的一個補充。

1 夏熱東冷氣候區的氣候特點和節能設計策略

1.1 氣候特點

夏熱冬冷氣候區的特點主要是夏天炎熱，冬天寒冷（絕對溫度并不是很低，例如合肥市的累年最低日平均溫度為-6.4℃），以本地區的合肥為例，其HDD26 是 1725（℃·d），CDD18 是 210（℃·d）[1]，建筑的能耗指標與空調度日數和采暖度日數之間有非常強的相關性，設計和生活實踐中也得出，合肥的節能設計的主要矛盾的夏季的隔熱和遮陽，夏季制冷是建筑的主要能耗。

1.2 設計策略

為了順應氣候,加強建筑的隔熱防熱設計是本氣候區的傳統設計策略之一，設計中注意主要功能房間的朝向，自然通風，南向利用綠化的遮陰等。另一個主要設計策略是合理設置外遮陽，以合肥地區 (北緯31.51度）為例，本氣候區太陽高度角（hs）的的變化反映了同緯度地區絕大多數的城市特點,見表1。

不同節氣合肥正午12點太陽高度角（度） 表1

根據太陽得熱系數（SHGC）的定義式，SHGC是入射角的函數，直觀上看增加適當的遮陽措施后，夏天太陽的高度角（hs）高，在外門窗上的陰影就多，得熱系數就低，冬季太陽高度角低，室內入射的光線多，得熱系數就高。外窗得熱系數是動態的。如圖1所示。

圖1 合肥市的太陽高度角

同緯度區類似城市都有相似的特點，合適外遮陽會對外窗形成夏季和冬季不同的得熱系數。在安徽省居住建筑的節能地方標準中寫明，如果南向陽臺的進深大于1.5m，可以認定該陽臺的外門窗滿足規范要求的夏季綜合遮陽系數[2]。

安徽省《公共建筑節能設計標準》中也要求建筑的東、南、西向的外窗應采取遮陽措施，對于甲二類建筑當南向的單一立面窗墻比大于0.4小于0.5時，規定性指標為西、南、東三個朝向的外窗的得熱系數小于等于0.35，同時要求冬季各朝向的外窗得熱系數應大于等于0.52[3]。這種情況，建筑的對應朝向只有設置外遮陽，才能滿足此規定性指標。

合理科學的設置建筑的朝向利用自然通風和遮陽，是夏熱冬冷地區常用的節能設計策略，但是在現實設計工程中，往往忽略這這些傳統手法，在方案設計總沒有系統的考慮建筑體型系數、朝向、外立面開窗、外遮陽手法等。

2 中小型特殊類公共建筑

2.1 小型公共建筑的定義

《公共建筑節能設計標準》（GB50189-2015）中的乙類建筑定義為：小于300m2的建筑[4]。乙類建筑的特點是建筑規模小，內部功能比較簡單，與甲類建筑的能耗特性不同。為了減少建筑節能計算的工作量，2015年版的《公共建筑節能設計規范》（GB50189）中，乙類建筑不再權衡計算，強制性要求滿足規定性指標即可。

但是在現實設計工作中，有些特殊類的公共建筑：如農貿市場，小型商業并聯店、中小學校等盡管總面積超過300m2，但單個使用單元大多在300m2以內，在夏熱冬冷地區春秋季節可以通過開啟外窗利用自然通風達到室內溫度舒適度要求，空調系統運行的時間并不長，屬于《民用建筑能耗標準》（GB/T51161）中的A類公共建筑。

2.2 特殊類型一：商業小鋪面和農貿市場

農貿市場中小鋪面是和并聯小商鋪是城鄉常見的中小型公共建筑，商業的經營模式和本地區的氣候特點決定了小的鋪面絕一年中大多數時間都是敞開門經營，而且店面多是并聯，以一定的單元重復，幾乎沒有單個店鋪超300m2。營業時間是間歇性的，一般是早晚市，周六、周日的營業時間略長。

小鋪面圍合的室內農貿市場大多是有頂的半室內空間，盡管有遮風避雨的頂棚和相對圍合的圍護結構，很少使用集中空調，且為滿足消防排煙要求，頂棚的自然排煙面積需占地面面積的25%，所以這類空間的往往不考慮圍護結構的節能，而是將通風問題設計列為需要解決的重點問題，盡量使市場內部空氣流通；利用自然通風，利用室內空氣對流來達到改善室內空氣質量的效果。

2.3 特殊類型二：中小學校

同樣，中小學校的使用特點決定了一般情況下不設集中空器調節系統和新風系統。而且學校的寒暑假期間，正好本氣候區最冷最熱的時段（合肥地區的中小學暑假是約2個月、寒假約20多天）。隔熱通風同樣是學校設計規范中的重點要求，《中小學校設計規范》（GB50099）要求的小學和初中普通教室的換氣次數是2.5次/h和3.5次/h[5]。設計時通常按照窗戶的自然通風面積進行計算，但在夏天炎熱和冬天氣溫寒冷時，教室窗戶一般處于關閉狀態，就無法保證通風換氣次數達標，造成了設計時達標但運營時（考慮節能）卻難以實現換氣效果的尷尬情況，在本氣候區的冬季，衛生規范優先推薦課間開窗自然通風換氣[6]。在夏熱冬冷地區在夏季,良好的通風對于建筑、人和環境都有較大的熱舒適作用,空氣對流可以有效帶走室內的熱量,并且降低室內空氣濕度；由于建筑圍護結構材料、室內裝修材料其成分或溶劑中含有相當的有害物,而且人體及學生日常生活也會影響室內的空氣品質,所以良好的建筑通風可以更新室內空氣、帶走有害物；它所帶來的節能效果明顯。自然通風（機械輔助式自然通風）是人們樂于接受的通風方式,除了能減少傳統空調制冷系統的使用，降低能耗外,更重要的一個原因是有利于人的生理和心理健康，這一點學校建筑中尤為重要。

2.4 節能設計中建筑實際能耗

由于上述建筑的建筑形態和使用的特點，對采光和通風都有較高要求，此類建筑一般不會滿足按節能率為導向編制《公共建筑節能設計規范規范》要求的部分朝向上的窗墻比，體型系數、夏冬季節不同的外窗得熱系數等規定性指標的要求，要通過權衡計算滿足節能規范要求，往往要單方面提高建筑維護結構的熱工性能，例如增加外墻外保溫和屋頂的材料的厚度、提高外門窗的熱工性能，安徽版的公共建筑節能規范中甲二類公建的的規定性指標為對于重質結構，外墻的K值（w/m2·k）小于0.7，屋面K值小于0.5，外窗K值最大不超過2.6，這已經是非常低的指標了，但權衡計算的結果，上述指標往往還要更加小。

《民用建筑能耗標準》（GB/T 51161-2016）中夏熱冬冷地區A類建筑（過度季節自然通風，減少空調的運行時間）的引導值是70kW·h/m2·a[7]，實際設計中我們發現通過節能權衡計算出的此類建筑的全年每平方米的能耗衡遠遠小于此數值，盡管二者計算結果不具備可比性，但是設計節能建筑的實際能耗的調查和數據收集，對我們開展建筑節能和節能投入的經濟型分析更具有實際意義。

節能率的正確理解：

設計中通常說設計與未采取節能措施前相比，全年采暖、空調總能耗應降低50%以上，即節能率50%，這里說的未采取節能措施前，在2005版的《公共建節能設計規范》（GB50189）中是上個世紀80年度初的建筑，基準建筑維護結構按當時的傳統做法，例如夏熱冬冷地區的上海維護結構的K值（w/m2·k）外墻為 2.35，外窗 6.4，屋面 1.55。[8]，并據此在保持與現有標準下室內環境參數的條件下，計算基準建筑的全年（7650h）的暖通空調和照明的能耗，將它作為100%。

2015版規范在2005版規范本的的基礎上，建筑的總體（供暖、通風、空氣調節和照明）節能率又有了20～23%的提高。其中從北方到南方維護結構分擔的節能率為6%～4%[9]，這里比較的基準是滿足2005年規定性指標的建筑，可從這里以看出節能率是理論上宏觀上的執行規范后前后建筑能耗比較，是各個專業綜合提高節能效率的綜合結果,不存在單個建筑的前后節能率，而且是保持假定的室內環境下按全年每天24h模擬計算出的能耗對比。在夏熱冬冷地區，即使是大型的全空調系統的建筑也很難符合符合規范中假定，通過權衡計算得出全年能耗并不是建筑實際的運行能耗，這在本氣候區的上述中小型公共建筑中體現的更為明顯，對著一類建筑簡單的提高節能率，并不能達到實際意義上在節能，而應該參考《民用建筑能耗標準》中夏熱冬冷地區A類建筑的能耗指標。

3 結論

符合夏熱冬冷地區氣候的節能設計應該注意建筑的自然通風、隔熱、和遮陽設計，節能設計應貫穿到建筑設計的全過程,從方案就開始考慮朝向、立面窗墻面積比、窗自然通風的開啟形式、遮陽形式等設計策略，握節能設計的主動權。對于農貿市場,中小學校等類型中小型公共建筑應該更注重建筑實際能耗的控制，加強基礎數據的收集分析。分析實際運行中節能的的投入和圍護成本和節約電費直接的關系。宏觀上節能設計管理不單單要看節能率，更應該關心使用中的的實際能耗，建筑節能材料的綠色環保、維護、更新成本。