夏熱冬冷地區居住建筑被動式節能優化策略分析

衛 勇 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

1 背景

隨著我國提出“碳達峰、碳中和”的發展目標，各行各業開始對碳排放進行全面的控制，而建筑行業占全國能源碳排放的占比較大。我國作為建筑大國，能源需求量逐年增加。我國夏熱冬冷地區建筑密集高、能源消耗量大，同時該地區獨特的氣候條件，導致該地區空調使用周期遠高于其他地區[1]。基于此背景，如何在這一地區實現建筑產業綠色發展、降低建筑能耗具有重要意義。本文以某一夏熱冬冷地區的居住建筑為研究對象，從建筑朝向、體形系數、窗墻比、圍護結構的熱工性能和可再生能源的利用幾個方面探討了其對建筑能耗的影響，提出夏熱冬冷地區居住建筑被動式節能設計策略。

2 夏熱冬冷地區氣候特點

夏熱冬冷地區是指包括16 個省、直轄市、自治區在內的長江中下游及其周邊地區。夏季氣候濕熱，太陽輻射強度較大，平均溫度在25～30℃，高溫日多，平均相對濕度80%左右；冬季氣候陰冷潮濕，日照率較低，平均溫度在0～10℃，平均相對濕度80%左右[2]。與北方集中供暖不同，夏熱冬冷地區冬季空調制熱情況較為普遍，同時夏季炎熱、冬季寒冷的氣候特點導致該地區空調全年使用時間相比其他地區較長、空調能耗也較高。

3 項目概況

本文選取夏熱冬冷地區具有代表性的合肥市新西站片區安置點項目的住宅建筑作為研究對象進行節能優化策略分析。該項目位于合肥市蜀山區北部，其中地塊位于懷寧路以東，樊洼路以北，十里廟路以西。地塊現狀基地周邊環境多住宅小區，周邊配套較完善，交通便利，地理位置優越（圖1）。總用地面積134249．97m2，總建筑面積499413．46m2，其中住宅面積323406．47m2，公共服務設施建筑面積30290．71m2，小區門衛管理50．00m2，地下總建筑面積134676．58m2，機動車停車位共3622 輛，非機動車停車位4150 輛，總設計戶數3316 戶，總人數10612 人。整個地塊被規劃支路分為五個地塊，包括1個學校地塊和4個居住區組團，小學和幼兒園合理的布置在地塊之中，商業街和睦鄰中心靠整個地塊的中心偏北位置，位于規劃支路二上，方便整個居住區的居民。住宅共設計戶型6種，分別為47m2、63m2、94m2、78m2、110m2、126m2。本項目住宅建筑節能設計按照《建筑節能與可再生能源利用通用規范》（GB 55015-2021）和《安徽省居住建筑節能設計標準》（DB 34/1466-2019）的規范執行。

圖1 項目總平面圖

4 被動式居住建筑節能優化策略

被動式居住建筑達到節能的目標主要是通過以下幾個方面，一是采用合理的建筑形體和朝向，二是進一步提高圍護結構的熱工性能，三是適宜的窗墻比，四是充分利用可再生能源。以01 地塊住宅為研究對象進行節能技術要點的探討如下。

4.1 適宜的建筑形體和朝向

建筑體型系數和建筑的節能效果之間存在較為明顯的關系，平面設計時，太多的凹凸變化會影響建筑的空調負荷，建筑的平立面越規整，能耗也就越低[3]。建筑高度、建筑的面寬、進深、空間布局、立面構件等要素都會對建筑的體型系數產生影響。本項目的住宅為高層住宅，相對較高的建筑高度導致室內在冬季時溫度較低，增加冬季采光能耗，同時也對外圍護的保溫材料造成較大的浪費。因此在對01 地塊的住宅進行設計時，樓層數為21～27層，以點式住宅為主，控制體型系數在0．36～0．38，體系系數較小，利于節能（圖2）。

圖2 項目鳥瞰圖

在夏熱冬冷地區，南北朝向的建筑相比東西朝向的建筑而言房間更多、面積更大，能爭取到更多的日照，在冬季可充分利用太陽熱能。本工程對居住建筑進行設計時，首先要參考建筑所處的地域，將太陽輻射的因素考慮在內，進行建筑朝向的選擇；其次，在冬季要使建筑獲得充足的日照，向陽布置；第三，結合地區的主導風向的相關影響因素，將建筑整體南向布置，住宅建筑的平面長軸設計在東西向。合理選擇建筑的朝向，充分利用太陽能，實現節約資源的目標。

4.2 建筑圍護結構熱工性能

在住宅建筑中，圍護結構的熱工性能是影響建筑能耗最重要的因素，決定了建筑內熱環境狀況，而節能設計中最有效的措施之一就是提高圍護結構的熱工性能。建筑主要通過外墻、屋頂、門窗這些圍護結構部位進行室內外熱量的交換。

4．2．1 外墻保溫隔熱設計

在建筑的圍護結構中，外墻是對建筑采暖能耗影響最大的，其散熱量占圍護結構總散熱量的25%～30%。因此外墻作為建筑構造的重要部分，其構造形式和保溫隔熱材料的選取對整個建筑能耗有重要影響。

本項目住宅外墻的墻體材料為煤矸石空心磚，采用保溫板外墻外保溫系統。外墻外保溫構造相比其他保溫技術，能避免熱橋的產生，具有更好的熱工性能及節能效果、更高的保溫效果、更高的綜合經濟效益，并且施工相對方便，同時也可以保護建筑主體結構、延長建筑使用壽命。選擇復合輕集料勻質保溫板作為外墻外保溫材料（表1），用于外墻及架空樓板處，使外墻綜合平均傳熱系數控制在1．0K[W/(m2·K)]以下。

表1 復合輕集料勻質保溫板熱工參數

4．2．2 屋面保溫隔熱設計

居住建筑的屋面主要由結構層、保溫層、防水層組成。屋面作為建筑圍護結構的重要組成部分之一，其散熱量占整個圍護結構總散熱量的10%以上[4]。因此提高屋面保溫隔熱性能是節能設計環節里的一個關鍵。降低屋面能耗的主要途徑是選擇合適的屋面保溫形式，以提高屋面的熱工性能，夏熱冬冷地區被動式屋面的傳熱系數控制在0．40W/（m2·K）以下。

本設計屋面采取保溫隔熱處理，在結構層上先鋪設保溫隔熱材料，再鋪設防水層和保護層，屋面的保溫隔熱材料選取容重適宜、導熱系數較高和吸水性較小的硬泡聚氨酯板（B1 級），以免屋面荷載過大。并且采用輕集料混凝土作為找坡層的材料，既用于結構層又可起到保溫的效果，保證屋面的傳熱系數小于等于0．40[W/(m·K)]（表2）。

表2 屋面圍護結構組成及傳熱系數

4．2．3 門窗節能設計

在居住建筑中，外窗的設計對居住環境的舒適性和圍護結構整體的保溫隔熱的性能起著重要作用。提高建筑門窗節能性能的主要措施一般是改變熱量的滲透、熱量的傳遞和太陽輻射。門窗的密閉性程度直接影響室內外熱量的滲透量，使用較好的密封材料可減少室內外空氣滲透、降低空調負荷。減少熱量的傳遞主要是通過降低外窗整體的導熱系數，比如應用節能隔熱型的玻璃、斷熱鋁合金的窗框。玻璃窗主要分為單層玻璃、雙層中空玻璃，玻璃主要分為普通玻璃、熱反射玻璃和Low-E玻璃。

本建筑北向外窗采用斷熱鋁合金中空玻璃窗6 中透光Low-E+12 空氣+6厚，而東、南、西向外窗則采用斷熱鋁合金中置百葉玻璃窗5 中透光Low-E+20空氣+5厚，外窗熱工參數見表3，在滿足傳熱系數的同時，也兼顧了遮陽的要求。

表3 外窗熱工參數

4.3 建筑窗墻比設計

窗墻比是指窗戶洞口面積與房間單元面積的比值，窗墻比越大，房間采光通風性能越好，可以降低人工照明的能耗，但建筑整體圍護結構中保溫環節中就越薄弱，節能效果也就越差。合理控制窗墻比是建筑節能設計中的一個關鍵環節，下文以3#樓例進行分析（圖3）。

圖3 3#標準層平面圖（圖片來源：作者自繪）

當南向窗墻比增加時，進入室內的太陽輻射量變大，室內溫度升高，因而建筑空調能耗增加，采暖能耗下降。增加3#南向窗墻比，降低采暖能耗，同時為南向臥室和起居室提供了充足的光照（表4），滿足采光系數要求，減少室內照明燈的使用時間，使總能耗處于較低的值。

表4 主要房間采光系數計算

由于夏熱冬冷區域北向的太陽輻射量較小，北向窗墻比增加，會導致室內散熱量增大，建筑采暖能耗隨之增大，空調能耗變化不大。減少北向外窗的窗墻比可以有效降低建筑能耗（表5）。

表5 各朝向窗墻面積比信息表

4.4 可再生能源利用

可再生能源主要包括太陽能、地源熱和空氣源熱等，其中太陽能具有清潔、高效、安全的特點，已成為一種廣泛應用的可再生能源。項目位于合肥市，地處北緯31°52′，位于江淮之間，屬于Ⅲ類太陽能資源豐富地區，年平均日照時數為2100h 左右，年日照百分率為48%。日照時數較低的月集中在春季和冬季，夏季和秋季日照指數較高，因此該區域以太陽能作為可再生能源。本項目利用太陽能熱水系統，采用分戶集熱-分戶儲熱的形式，集熱器總面積為2m2、水箱容積為100L。集熱器放置在陽臺窗下挑板上，儲熱水箱置于陽臺內，避免了長路徑熱量損耗，提高集熱效率（圖4）。

圖4 3#標準層平面圖（圖片來源：作者自繪）

5 結語

綜上所述，建筑節能設計需要一系列綜合性的措施，不同的建筑節能設計需根據建筑本身的功能需求使用特點，結合當地的氣候條件特征，合理的采用相應的節能措施，達到節能減排的目的，為人們提高舒適節能的生活環境。本文針對夏熱冬冷地區的居住建筑，從建筑形體朝向、外墻保溫隔熱設計、屋面保溫設計、門窗設計和可再生能源利用方面提出建筑被動式節能的優化策略。