夏熱冬暖地區建筑節能構造設計探析

張嘉龍

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

中國建筑節能協會發布的《中國建筑能耗研究報告（2020）》顯示，2018年全國建筑全過程碳排放總量為49.3億t，占全國碳排放比重的51.3%。為進一步加強對民用建筑節能技術的研發和創新，促進城市的節能減排，住建部批準《建筑節能與可再生能源利用通用規范》（以下簡稱《通用規范》）為國家標準，自2022年4月1日起實施。該規范提出新建居住建筑和公共建筑平均設計能耗水平應在2016年執行的節能設計標準的基礎上分別降低30%和20%。發布新規旨在提高能源和資源的利用效率，推動可再生能源的利用，降低建筑碳排放，營造良好的建筑室內環境，這對建筑規劃設計上的立面色劑、圍護結構、建筑遮陽、再生能源等應用方面提出了新的要求。

1 《通用規范》對規劃設計的影響

《通用規范》對夏熱冬暖地區建筑朝向的定義有所改變，原定義為“東西向”范圍為從東或西偏北≤60°至偏南＜60°范圍，新規劃規定東西方向120°范圍內均屬于東西向，占比66%。由此可見，建筑師需要注意居住小區樓棟布局的朝向，盡量避免建筑物布置的法線角度大于30°，否則在節能方面，常規建筑南北向外墻外窗將比認定為東西朝向的外窗對遮陽系數和傳熱系數的限值更為嚴格。

2 《通用規范》對立面設計的影響

《通用規范》對各類型建筑窗墻面積比的計算做了統一規定：①居住建筑計算開間窗墻面積比。②公共建筑計算單一立面窗墻面積比。③工業建筑計算總窗墻面積比。其中居住建筑窗墻面積比以房間開間定位線與立面單元比值為判定依據，也就是說，設計時應注意全樓最不利單元房間（最大開間）的窗墻比，此比值會影響外窗的限值設計。同時《通用規范》要求樓梯間、電梯間外墻外窗均參與窗墻比計算，另外由于南方地區首層入戶大堂多結合架空層設計落地玻璃窗，設計時應避免大堂外窗過大。

夏熱冬暖地區由外窗透光部分進入室內的熱量是造成夏季室溫過熱及空調能耗上升的主要原因。為了節約能源，《通用規范》要求對甲類公共建筑東、南、西向外窗和透光幕墻采取遮陽措施，而居住建筑沿用夏熱冬暖地區居住建筑現行標準，其中東西向外窗的建筑遮陽系數應不大于0.8。因此在建筑設計中，建筑師應從方案階段開始，結合立面考慮遮陽措施的設計[1]。

《通用規范》要求新建建筑安裝太陽能系統，并對其參數檢測計量、集熱器設計使用壽命提出了要求。同時要求新建、擴建和改建建筑以及既有建筑節能改造工程的建筑節能與可再生能源應用系統的設計、施工、驗收及運行管理必須嚴格執行《通用規范》。因此，夏熱冬暖地區建筑如何結合太陽能系統進行外立面或屋面第五立面的設計，也是設計時需要提前考慮的地方。集熱器設計應布置在向陽面，可結合陽臺飄板安裝平板太陽能集熱器，直接接入陽臺水箱，如圖1所示。

圖1 太陽能裝置墻身大樣

太陽能系統與建筑一體化是根據節能、環保、安全、美觀和經濟實用的總體要求，使太陽能熱水系統作為建筑的標準體系進入建筑領域，使太陽能系統成為建筑的一個構件，同時實現太陽能系統的標準化、系列化、配套化，實現太陽能系統與建筑的同步設計、同步施工、同步驗收、同步后期管理，實現二者的完美結合，從而達到建筑節能和增強建筑美觀性的雙重效果。太陽能裝置實景如圖2所示。

圖2 太陽能裝置實景

3 提升節能水平對各類建筑構造的影響

3.1 對居住建筑節能構造的影響

以夏熱冬暖地區某居住建筑為例進行熱工計算，《通用規范》規定了屋面傳熱系數的限值K≤0.4，要求當外墻圍護結構熱惰性指標不大于2.5時，外墻傳熱系數K≤0.7；當熱惰性指標大于2.5時，外墻傳熱系數K≤1.5。可見，對比舊規的傳熱系數0.9和2.5，新規提升了屋面和外墻的傳熱系數。現行的夏熱冬暖地區居住建筑節能標準對外窗傳熱系數無要求，《通用規范》要求外窗傳熱系數小于3.5，其中，玻璃的太陽能得熱系數（solar heat gain coefficient,SHGC）小于0.35，這意味著以往外窗普通鋁合金窗加透明玻璃的構造已不符合要求[2]，需改用普通鋁合金加Low-E玻璃，或者采用斷熱鋁合金窗框加中空玻璃。原外墻構造為常規輕質圍護結構加氣混凝土結合砂漿找平層，傳熱系數可達到0.95。南方地區外圍護結構需考慮保溫的位置主要為1 m的剪力墻部分，常規做法為剪力墻抹30 mm玻化微珠保溫砂漿，此構造的傳熱系數僅能降低至1.75。要達到新規定要求的1.5，需改用保溫板材（巖棉板或改性聚苯板），且出于對計算準入條件的權衡，外墻、屋頂、外窗的傳熱系數不得降低。夏熱冬暖地區居住建筑主要維護結構性能構造提升參數如表1所示。

表1 夏熱冬暖地區居住建筑主要維護結構性能構造提升參數

3.2 對公共建筑節能構造的影響

以廣州某公共建筑為例，針對新規，主要維護結構熱工提升，主要提升在屋面和外窗，至少提升15%，同時東、西、南向外窗和幕墻需設置外遮陽措施。對于公共建筑，《通用規范》要求屋面傳熱系數不大于0.4，當外墻圍護結構熱惰性指標不大于2.5時，傳熱系數K≤0.7；當熱惰性指標大于2.5時，傳熱系數小于K≤1.5[3]。以屋面構造常用保溫材料擠塑聚苯板為例，節能模型計算厚度為80 mm才符合要求，而南方地區為延長防水層的使用壽命，多使用倒置式屋面，倒置式屋面保溫層的設計厚度應在計算厚度的基礎上增加25%[4]，即保溫層實際施工厚度應達到100 mm。外墻的傳熱系數設計值的提高不明顯，筆者以常見框剪結構的公共建筑為例，對于大于1 m的剪力墻保溫構造，采用原常見保溫砂漿的做法，即使用20 mm厚巖棉板仍符合新規的節能設計要求，性能指標如表2所示。

表2 夏熱冬暖地區公共建筑主要維護結構性能構造提升參數

如前文所述，由外窗透光部分進入室內的熱量是建筑能耗上升的主要原因，外窗作為建筑維護結構的主要組成，《通用規范》對其設計系數的要求也比較嚴格，以本項目窗墻比0.5為例，現行普遍設計使用的普通鋁合金框加Low-E中空玻璃已不能滿足新規的節能要求，需使用斷熱橋鋁窗框才能達到新規的設計標準。

除了圍護結構熱工性能限值要求外，設計亦可通過性能權衡和對比參照建筑通過節能計算。在這方面，《通用規范》提高了透光圍護結構權衡計算準入條件，準入條件為提升20%以上，如表3所示。對進行權衡判斷的建筑設置圍護結構的基本要求，目的是避免出現圍護結構熱工性能過差的情況，并控制窗墻比過大的項目，保證建筑能耗降低[5]。同時，公共建筑權衡計算準入條件全面提升，增加了窗墻面積比小于0.4的強制要求，并增加了周邊地面和地下室外墻熱阻的強制要求，同時要求屋面傳熱系數、周邊地面和地下室外墻熱阻不得降低。新標準對SHGC及外窗性能的要求提高，這雖然增加了建設單位的建設成本，但推動了生產廠家研發新產品。

表3 夏熱冬暖公共建筑透光維護結構權衡準入系數對比

3.3 對超高層建筑節能構造的影響

對于超高層建筑，廣東省住建部在“十四五”規劃的通知中明確要求所有新建超高層建筑需要滿足綠色建筑三星標準。南方地區新建超高層建筑多為框筒結構，并采用玻璃幕墻，一般窗墻比大于0.6。在此要求下，夏熱冬暖地區超高層建筑主要維護結構性能構造提升參數如表4所示。由于綠建三星規定性指標要求圍護結構熱工提升20%，由表中外窗SHGC≤0.2反推，玻璃的遮陽系數須小于0.28，現有市場產品使用三銀Low-E玻璃才能達到此標準。

表4 夏熱冬暖地區超高層建筑主要維護結構性能構造提升參數

4 結語

綜上所述，由于減碳目標在建筑設計中越來越重要，因此應在建筑規劃設計和建筑設計階段，控制朝向，結合立面控制各朝向窗墻比，充分挖掘建筑節能減碳的能力，而非在方案定型后或在施工圖階段再進行節能設計。未來的建筑趨勢將會是光伏發電與建筑結合，推動智慧建造與新型建筑工業化產品的協同發展。本文通過分析《通用規范》對夏熱冬暖地區建筑設計的影響，得出關鍵構造較為合理的節能設計方案，為節能優化設計提供了可行方法。