圍合街區(qū)中東西向住宅低能耗設(shè)計(jì)思考與研究

文/中鐵房地產(chǎn)集團(tuán)北方有限公司 陳煥朵

中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 周瑞雪 潘 悅

0 引言

近年來，隨著我國提出“碳達(dá)峰”和“碳中和”的明確時(shí)間節(jié)點(diǎn)，建筑行業(yè)進(jìn)行節(jié)能減排、降低能源消耗與浪費(fèi)成為迫切任務(wù)。寒冷地區(qū)的居住建筑，坐北朝南一直是首選布局模式，由此住宅呈行列式排布成為住區(qū)的主要空間形態(tài)，鄰里空間格局單一，土地利用率難以保證。究其原因，地域氣候是其外因，而忽視東西向住宅空間設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)措施則是重要內(nèi)因[1]。隨著一些先進(jìn)規(guī)劃理念的引進(jìn)，“圍合街區(qū)”“小街區(qū)密路網(wǎng)”“超低能耗”“近零能耗”等新名詞逐漸進(jìn)入人們視野。東西向住宅結(jié)合低能耗技術(shù)，既可推動(dòng)土地集約化利用和住區(qū)空間形式的改良，又可平衡東西向住宅與南北向住宅的居住體驗(yàn)，是未來居住區(qū)規(guī)劃的探索方向。

低能耗技術(shù)是介于普通節(jié)能建筑和超低能耗建筑之間的技術(shù)，通過采用成熟、多樣化的技術(shù)手段，滿足特定情況下的降低能耗要求，成本增量較低，有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。本文以北京某圍合街區(qū)項(xiàng)目為研究對象，結(jié)合工程設(shè)計(jì)和理論研究對其低能耗技術(shù)進(jìn)行探討和分析。

1 圍合街區(qū)中東西向住宅規(guī)劃特點(diǎn)

圍合街區(qū)從城市規(guī)劃層面的控制尺度一般為南北寬75～90m、東西長120～140m的長方形用地，按照常規(guī)建筑南北向排布，最多2排4棟建筑，通過增加轉(zhuǎn)角單元和東西單元，可平均提升地塊容積率0.2～0.3，有效提高土地利用效率。但一般規(guī)劃用地均有一定的偏角，東西向住宅一般應(yīng)對角布置，如果用地為南偏西，則可將東西向單元布置于用地西南角及東北角，居室日照通過西向解決，反之亦然（見圖1）[2]。

圖1 圍合街區(qū)中東西向住宅規(guī)劃

2 東西向住宅單體設(shè)計(jì)特點(diǎn)

與南北向住宅相比，東西向住宅在日照、采光、隔熱、制冷、通風(fēng)、節(jié)地、空間形態(tài)等方面均有區(qū)別。寒冷地區(qū)東西向住宅的主要空間均可獲得短時(shí)日照和采光，可避免局部房間日照及采光差的問題。但西向空間需解決隔熱問題，西向廚房的制冷問題尤為突出。為兼顧規(guī)劃形態(tài)、室內(nèi)舒適度、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)性等因素，針對這一局部可采用一定措施重點(diǎn)解決。住宅的通風(fēng)效果主要取決于平面布局，而在圍合街區(qū)規(guī)劃形態(tài)下，東西向住宅一般高度較低，前后無遮擋，甚至?xí)@得比南北向住宅更好的通風(fēng)效果。同時(shí)東西向住宅可在節(jié)約用地和空間形態(tài)上發(fā)揮不可或缺的積極作用（見圖2）。

圖2 東西向住宅效果

3 東西向住宅設(shè)計(jì)策略

3.1 提高外圍護(hù)性能，制定低能耗指標(biāo)

參考《超低能耗居住建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]，兼顧室內(nèi)舒適性、技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性，對外圍護(hù)性能制定如下指標(biāo)：非透光位置平均傳熱系數(shù)K≤0.24W/（m2·K）；西向透光部分平均傳熱系數(shù)K≤1.10W/（m2·K），同時(shí)太陽得熱系數(shù)冬季≥0.45，夏季≤0.30。

以鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系為例，為實(shí)現(xiàn)立面多樣化，外墻可選擇不同的材料構(gòu)造。為達(dá)到較好的熱工性能，常規(guī)單一的外保溫材料往往較厚，會(huì)大量占用建筑的有效使用面積，保溫材料與外墻之間的節(jié)點(diǎn)處理也較為復(fù)雜。因此外保溫不僅要保證傳熱性能，而且應(yīng)考慮輕量化需求。在預(yù)制夾心保溫外墻應(yīng)用中，為保證保溫效果，技術(shù)上應(yīng)重點(diǎn)考慮VIP真空絕熱板的完整性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)全盤考慮材料尺寸及排板。案例項(xiàng)目同時(shí)還探索了新型材料復(fù)合的保溫構(gòu)造，中空玻璃微珠是水性納米系統(tǒng)材料，可達(dá)到A級不燃的防火性能，該材料涂覆在物體表面后形成致密的真空層，其真空結(jié)構(gòu)可達(dá)到或低于空氣導(dǎo)熱系數(shù)，很好地降低熱量損失，同時(shí)具有較低的熱輻射率，可減少熱輻射能損失。為達(dá)到低能耗要求，裝配式鋼筋混凝土外墻還應(yīng)考慮預(yù)制和現(xiàn)澆不同結(jié)構(gòu)間的銜接關(guān)系。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)踐，外墻外保溫可采用不同的組合方式：一種是預(yù)制段2mm厚中空玻璃微珠+76mm厚硬泡聚氨酯板（石墨擠塑聚苯板）+2mm厚中空玻璃微珠，現(xiàn)澆段2mm厚中空玻璃微珠+116mm厚巖棉+2mm厚中空玻璃微珠；另一種是預(yù)制段20mm厚VIP-I型真空板+60mm厚硬泡聚氨酯板，現(xiàn)澆段為20mm厚VIP-I型真空板+75mm厚巖棉板。

屋頂采用更高性能的材料構(gòu)造可整體平衡外圍護(hù)能耗損失，250mm厚石墨聚苯板+50mm厚復(fù)合輕骨料墊層或300mm厚模塑聚苯板+30mm厚細(xì)石混凝土墊層構(gòu)造使屋頂平均傳熱系數(shù)達(dá)到0.16W/（m2·K）。與此同時(shí)將西向外窗的傳熱系數(shù)由1.8W/（m2·K）降至1.1W/（m2·K），并且降低得熱系數(shù)。

3.2 完善氣密性構(gòu)造

當(dāng)南北向單元與東西向單元共處一棟建筑時(shí)，用變形縫將二者在地上分隔。性能化設(shè)計(jì)針對東西單元采取單獨(dú)措施，將東西向單元封閉成完整的氣密區(qū)，如圖3所示，氣密區(qū)由外門窗、鋼筋混凝土墻面相交形成。氣密性應(yīng)符合在室內(nèi)外壓差50Pa下，換氣次數(shù)不超過1.0次/h。

圖3 氣密區(qū)

3.3 西向主要空間增設(shè)簡易新風(fēng)系統(tǒng)作為隔熱輔助手段

考慮室內(nèi)凈高影響，住戶可在每個(gè)主要房間選配無管道新風(fēng)系統(tǒng)加速空氣循環(huán)。適用于50m2以內(nèi)小面積的新風(fēng)系統(tǒng)包括單向流和雙向流2種。新風(fēng)機(jī)可采用壁掛式，在外墻留洞；也可與窗戶組合，掛在窗上或考慮室內(nèi)效果與窗簾結(jié)合布置，如圖4所示。

圖4 小型新風(fēng)系統(tǒng)

3.4 功能布局優(yōu)化

首先應(yīng)盡量保證主要房間免受西曬，可將廚房、衛(wèi)生間等次要房間置于西面；其次在西向房間外設(shè)置陽臺、挑板等外遮陽措施可降低西曬影響。對案例項(xiàng)目的某套型進(jìn)行模擬試驗(yàn)，在6—8月，西側(cè)靠窗區(qū)域最多受到約480h/年的陽光直射（見圖5）。活動(dòng)外遮陽可有效降低陽光直射，在夏季平均可減少西側(cè)房間5.3h/d的西曬，外遮陽還可有效提高夏季室內(nèi)熱舒適性。對于案例項(xiàng)目所采用的高性能外窗，外遮陽可將西側(cè)受陽光直射區(qū)域的體感溫度從28.3℃降低至26.6℃；對于普通外窗，則從30.8℃降低至27.2℃（見圖6）。在無外遮陽情況下，相較普通外窗，高性能外窗本身可將體感溫度降低約2.5℃。

圖5 太陽直射時(shí)長分布

圖6 室內(nèi)體感溫度分布

3.5 廚房制冷

廚房熱量主要來源是太陽輻射及灶具產(chǎn)熱，較難通過普通隔熱措施解決，需增加制冷措施以保證室內(nèi)熱舒適度。可將冷霸（涼霸）集成在吊頂內(nèi)，整合換氣、吹風(fēng)、照明等功能，搭載大尺寸出風(fēng)口，在整個(gè)廚房大范圍擺風(fēng)，同時(shí)通過定向調(diào)節(jié)避免直吹灶火。這一措施可解決東西向住宅夏季過熱問題，在控制成本增量的情況下為整體熱舒適度的提升提供保障。

4 東西向住宅能耗指標(biāo)測算

案例項(xiàng)目結(jié)合《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》《超低能耗居住建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對80節(jié)能住宅、低能耗住宅、超低能耗住宅的不同部位的材料選用進(jìn)行計(jì)算，如表1所示。重點(diǎn)關(guān)注建筑能耗，在建筑的熱舒適度、技術(shù)可行性、實(shí)踐經(jīng)濟(jì)性中尋求平衡。案例項(xiàng)目住宅的外表系數(shù)均大于1.0，體形系數(shù)為0.3～0.4。選取典型樓進(jìn)行模擬，最終可看到，通過采用相關(guān)措施有效提高了建筑外圍護(hù)性能指標(biāo)：非透明部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)K=0.23W/（m2·K），外門窗傳熱系數(shù)K=1.10W/（m2·K），戶門、單元門傳熱系數(shù)K=2.00W/（m2·K），僅針對東西向住宅的隔熱、局部制冷問題采取主動(dòng)和被動(dòng)相結(jié)合的技術(shù)措施后，住宅的供暖和供冷能耗介于超低能耗指標(biāo)和80節(jié)能參照建筑能耗指標(biāo)之間，能耗大幅降低。在綜合成本可控的情況下，解決了東西向住宅的核心痛點(diǎn)。

表1 節(jié)能技術(shù)指標(biāo)對比

5 結(jié)語

在土地集約化與建筑高質(zhì)量發(fā)展的新時(shí)代，將會(huì)有越來越多的居住區(qū)采用“小街區(qū)密路網(wǎng)”規(guī)劃，東西向住宅作為南北向住宅的有益補(bǔ)充，對形成圍合街區(qū)、提升土地使用效率大有裨益。采用低能耗方法設(shè)計(jì)的東西向住宅，可在低成本增量的基礎(chǔ)上，提升居住品質(zhì)，是未來居住建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢。