探究租賃公寓圍護結構熱工性能及未來政策建議

盛未力[英格卡購物中心(中國)管理有限公司， 上海 200235]

1 研究背景

租賃公寓，作為住宅建筑的一種，有著居住成本較低、空間私密性較高、配套管理集中等優勢。近幾年，在“房住不炒”政策下，租賃公寓模式更是成為很多開發商的重要選擇之一[1]。與此同時，建筑作為全國最大的能耗去向之一，其能耗水平將對我國“碳達峰”和“碳中和”的成果產生巨大影響[2]。因此，在預期市場增長下，租賃公寓也必將成為承擔起更加重要的節能減排責任。在眾多節能措施和策略中，提升圍護結構的熱工性能往往是減少室內空氣調節能耗的“第一道防線”。夏熱冬冷地區的研究文獻顯示，外墻、屋頂、外窗對總能耗的影響較大，最高可以分別達到 17%、20% 和 63%[3]。因此，對這三項主要結構的分析研究，將對提升建筑整體能效有著重要的價值。然而，在一些傳統的建筑能耗評估方法（如目視檢查、經驗假設、查表法、數值計算等）中，其結果與實際性能可能存在的差距已經得到文獻[4-5]的確認。本文將首先通過對租賃公寓圍護結構進行計算并試驗驗證，來判斷現有評估方法可能產生的性能差距。然后通過相關結論對上海地區的 2030 年和 2060年的性能變化進行預測，從而最終得出對未來圍護結構政策的建議。

2 研究對象

本文將針對位于上海市的某租賃公寓的圍護結構進行深入研究。上海市地處氣候溫暖潮濕的地帶，在全國氣候區域劃分中屬于夏熱冬冷地區。本次研究對象建筑于 2018 年開始運營，全部用于租賃，目標客群為市區白領，租賃類型包括單人公寓和家庭公寓，最短租期為 1 a。建筑圍護結構設計符合 DGJ 08-205-2015《上海市居住建筑節能設計標準》及 GB 50176-2016《民用建筑熱工設計規范》，并已獲得二星級綠色建筑設計標識證書。以其中一間頂樓家庭公寓為研究對象，其實際內部測量地板面積為 69.9 m2、外墻面積為 39.5 m2（不含窗）、外窗面積為 19.6 m2、分戶墻面積為 23.0 m2、屋頂面積 69.9 m2。本次研究對象的各結構的類型如表 1 所示。

表 1 研究對象的圍護結構材料類型

3 圍護結構熱工性能計算

在過往研究和文獻中，常見的表示圍護結構的綜合熱工性的指標包括熱損失系數(Heat Loss Coefficient，單位 W/K) 和總傳熱值（Overall Thermal Transfer Value,OTTV,單位 W/m2）。總傳熱值由于其公式中采用大量經驗值，且我國大陸地區暫無相關法規定義其適宜我國氣候的參考經驗值，因此在國內的使用比例較低[6]。為使計算結果更有代表性及可比性，本文使用國內更常見的熱損失系數(Heat Loss Coefficient)來表示整間公寓的綜合熱工性。根據定義，熱損失系數為結構傳熱系數[U-value或稱K值，單位 W/(m2·K）]與對應結構面積的乘積，各結構熱損失系數之和即為該房間的綜合熱損失系數。本文將采取兩種計算方法來估算圍護結構傳熱系數和綜合熱損失系數。

3.1 計算方法一：設計規范法

在建筑設計期，建設單位需參考 GB 50176-2016 及DGJ 08-205-2015 等標準中的材料導熱系數，估算各結構的傳熱系數。

單層材料熱阻R的計算公式如式（1）所示。

式中：D—材料厚度，m；

λ—參考標準的導熱系數，W/（m·K）。

結構材料總熱阻R計算如式（2）所示。

式中：Ri—室內表面參考熱阻，取 0.11 m2·K/W；

∑R—各層材料熱阻之和，m2·K/W ；

Re—室外表面參考熱阻，取 0.04 m2·K/W。

結構傳熱系數U計算公式如式（3）所示。

綜合熱損失系數計算如式（4）所示。

式中：A—各結構的表面積。

根據以上公式計算，可以得出各結構的傳熱系數如表 2所示。

表 2 研究對象建筑相關圍護結構熱工參數

根據以上數據可以得出，該建筑綜合熱損失系數C為103.80 W/K，各結構傳熱系數均符合相關設計規范，尤其在屋頂和外墻的表現上更加突出，建筑綜合熱損失系數C較低。戶門也低于規范要求，但由于面積較小，對綜合熱損失系數C貢獻有限。

3.2 計算方法二： 能耗模擬法

在社會各界鼓勵低能耗、超低能耗住宅的大環境下，通過軟件模擬來估算建筑能耗已經成為眾多項目輔助設計的重要步驟。對于建筑圍護結構的綜合熱損失系數，也可以通過能耗模擬來進行計算。本次模擬的假設條件如下。

（1）氣象參數：CHN_SH_Shanghai.583620_CSWD。

（2）公寓室內溫度：冬季（12 月、1 月、2 月）為18 ℃；夏季全天為 26 ℃；過渡季空調常關。

（3）換氣次數：1 次/h。

（4）冷熱橋系數：0.04 W/（m2·K）。

通過能耗模擬，可以得出研究對象的綜合熱損失系數C為 109.04 W/K。總體來說，兩種方法得出的結果相近。但對比方法一，方法二由能耗模擬得出的綜合熱損失系數C有 5.1% 的增加。主要原因可能來自能耗模擬在計算時考慮的因素更多，包含了冷熱橋和換氣時產生的熱損失。因此，在設計過程中，軟件模擬在估算能耗的輔助設計中具有一定的價值。

4 驗證性試驗

從過去的一些文獻中可以發現，建筑在實際運行中的圍護結構性能可能會與設計值有所偏離。這樣的結果可能是由建筑施工偏差（冷熱橋）或使用年限等原因造成的[4]。由于本研究對象已經投入運營，所以本次研究可通過現場測量的方式，對建筑圍護結構進行二次確認。

本次試驗參考 ISO 9869:2014《熱絕緣建筑構件熱阻和傳熱的現場測定》進行設計。試驗器材包括位于墻體內外表面的熱電偶，位于內表面的熱通量計，以及用于數據采集的數據收集器。測量參數包括結構內外表面溫度（Ti和To）及相同位置的熱通量（q），測量頻率為每 5 min 讀取一次。測量期間房間保持空置，除測量設備外，無其他電器開啟。

可用式（5）計算圍護結構傳熱系數U。

式中：q—由建筑內向外的熱通量，W/m2；

Ti—結構內表面溫度，℃；To—結構外表面溫度，℃。

由于太陽輻射會對測量傳感器造成較大誤差，因此其他圍護結構不在二次確認范圍內，即本次試驗對象為項目北側外墻。在經歷約 2 000 h 的持續測量后，測量結果如圖1 所示。

圖 1 現場測量結果

從圖 1 中可以看出，測量外墻的平均內表面溫度高于外表面溫度。這可能是由熱量增加引起的，例如太陽輻射和附近房間的人員活動。相比之下，外表面的溫度變化范圍也更大，其標準差（s.d.）為 8.32，而內表面溫度的標準差為 2.38。室內測量的溫度更穩定的現象可能是由建筑圍護結構的熱阻和熱儲存引起的，該效應緩和了室內與室外環境的熱交換。由測量參數可以計算出，該測量外墻結構的傳熱系數約為 0.55 W/(m2·K)，比計算方法一中的 0.51 W/（m2·K）約高出 7%。由于兩種方法（規范計算法和試驗測量法），本身均存在誤差，所以結果均值上的少量區別可歸因為允許誤差，無法得出該圍護結構設計與實際性能存在顯著差異的結論。綜上，可以證明，設計規范法的估算結果在本次研究對象中較為可靠。

5 “雙碳”背景下圍護結構性能的意義與思路

我國自 2020 年以來，“雙碳”愿景已在各行業進行鋪展，其中建筑作為用能比例最大的末端之一，有不可推卸的節能責任。與此同時，政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change）報告說，2017 年人類活動造成的全球氣候變暖比工業化前的水平高出約 1±0.2 K，每十年氣溫可能上升 0.2 K。未來持續的溫度升高可能會影響建筑對采暖制冷的能源需求。在全球氣候變暖的效應下，需對建筑圍護結構的應對能力進行探究，以得出相應的政策建議。

5.1 圍護結構熱損失負荷情景模擬

全球氣候模式模擬結果表明，在不同的溫室氣體濃度情景（RCP2.6/RCP8.5 情景）下，未來不同時期我國年平均氣溫將持續上升。根據《中華人民共和國氣候變化第三次國家信息通報》預測，在低濃度（RCP 2.6）的情景下，2030 年和 2060 年的年平均氣溫將分別上升 0.08 K 和0.32 K；在高濃度（RCP 8.5）的情景下，2030 年和 2060 年的年平均氣溫將分別上升 0.62 K 和 2.48 K。假設室內設定溫度不變，在不同未來室外空氣溫度情景下，可以通過所研究房間的綜合熱損失系數來計算其對熱損失負荷的影響。計算公式如式（6）所示。

根據上述計算方法，圖 2 列出了不同氣候情景下，熱損失負荷在室內溫度為 25～27°C 的變化。

由圖 2 可知，在夏季工況下，為了保持 26 ℃ 左右的內表面溫度，研究對象在不同的氣候變化情景中的傳熱表現也不同。在 RCP2.6 低濃度情景中，熱損失負荷很小，只有272～297 W；然而，RCP8.5 中對氣候顯著變暖的悲觀預測將導致 2060 年熱損失負荷高達 522 W，比 RCP2.6 高出75%。這意味著未來空調能耗將更多地取決于上海的實際溫度變化。可以預見，近 40 a 整個城市乃至全國的低碳排放工作的成效將變得至關重要。

圖 2 在不同氣候情景下 2030 年和 2060 年的熱損失負荷預測

5.2 政策建議

在上海市，國家標準對住宅建筑的節能性能進行了規定，其中包括圍護結構（U值和采光系數）、空調通風系統、管道系統、電氣系統和人工照明系統的最低節能要求。此外，上海市作為中國綠色建筑戰略的先行者，相關部門還額外要求上海市區住宅建筑至少達到《綠色建筑評估標準》中的一星級標準，這大大提高了上海市建筑設計的嚴格度。從本次研究的公寓項目中可以發現，對于嚴格按照現行節能標準進行設計與建設的公寓來說，其圍護結構可以確保其在當前環境下的空調能源需求保持在一個較低值。然而，隨著預期的全球溫室效應，可能導致 2060 年相同外殼結構的冷負荷大幅增加。這意味著決策者應該不斷更新建筑標準，并設定更嚴格的圍護結構限值。根據本文的情景模型，到 2030年和 2060 年，建議在未來的法規更新中，圍護結構傳熱系數的限值應分別至少比當前值降低 3.5% 和 11.4%，以抵消環境變化對建筑性能的影響。此外，對于按照先前較寬松的圍護結構法規建造的既有建筑，建議出臺計劃改造指南。這將填補上海市現有建筑法規對節能改造強制要求的空白。相關政策可借鑒國外較成熟的法規，如《英國建筑法規 2010》第 L1B 部分，為現有圍護各結構部分提出最大U值的限值，任何未滿足要求的建筑在改造期間需進行圍護結構升級。

6 結 語

對建筑節能的嚴格要求，是國家節能減排中工作中的重點之一，也體現出我國對全球氣候變化負責任的態度。本文通過數據計算和試驗分析證明了研究對象的圍護結構已落實了相關政策對其熱工性的要求，有較可靠的保溫性能。但隨著時間的推移，全球氣候變化可能導致同樣的圍護結構的空調負荷大幅增加，這迫使國家和地方的政策制定者不斷優化現有的建設和運營法規，以為國家實現碳中和目標作出貢獻。