建筑節能設計標準變革和建筑物的節能設計

田斌守 賈雪霞（甘肅省建材科研設計院，甘肅 蘭州730020）

1 前言

我國在 “十五”、“十一五”國民經濟發展時期，國家連續保持著8%左右的發展高速，我們的綜合國力有了很大的提高。但是，人們也意識到了能源緊缺對可持續發展的威脅。同時這一階段又是我國住宅產業高速發展的時期。脫貧并逐步富裕的國人首先要解決住房問題，幾十年來積聚的住房需求很快爆發出來，加之近幾年城市化進程的加快，使得這一勢頭更猛烈。一方面人們要增加住房面積，另一方面要提高居住質量，這兩個因素使得建筑能耗快速增長至一個高位，并且當今仍在以高速增長。據統計，我國僅用于維持居住熱舒適質量的采暖空調能耗就達到全社會終端能耗的27.5%，這還不包括生產建筑材料的能耗和建造建筑物耗費的能耗。

但是社會要發展，不能讓老百姓停留在原有的生活水準，提高人民的生活質量和水平是我們國家的大政。那么我們就很容易理解：會有越來越多的人耗用更多的能源，所以能耗總量的增長是勿庸置疑的。目前，建筑能耗與工業能耗和交通能耗一起列為我國三大耗能行業。行業內外的有識之士疾呼建筑節能刻不容緩。建筑節能的目的是提高能源利用效率，降低維持正常使用狀況時單位建筑物的能源耗用量。為此，我國根據經濟技術的發展速度制定了相應的方針，實施分步進行的策略推進建筑節能。

我國首部嚴寒寒冷地區《居住建筑節能設計標準》JGJ26-86的頒布實施，標志著我國的建筑節能工作正式由研究階段進入實際應用階段。此后根據發展需要對建筑節能設計標準進行了變更，并發布了不同建筑氣候區的設計標準。就在全國推進建筑節能的過程中，又發生了“央視大樓、上海教師公寓、沈陽皇朝”等幾次特重大火災，給人民的生命財產造成重大損失，建筑節能與建筑安全成了當前十分急迫的課題。

2 建筑節能設計標準變革

現在建筑行業把我國的建筑節能分為3個階段：第一步、第二步、第三步乃至更高階段，專業人員習慣上說30、50、65標準，是根據我國居住建筑節能設計標準規定的節能率，把節能目標為30%的階段稱為第一步，把節能目標為50%的階段稱為第二步，把節能目標為65%的階段稱為第三步，有的地方在探討實施75%的節能目標。其實質意義是把1980年居住建筑的耗能量定為基準值，在此基礎上節約的能量稱為節能率，并規定了在此基礎上分步走的建筑節能計劃，首先發布行業標準的是建筑能耗最高的嚴寒和寒冷地區，以后陸續發布了我國其它氣候區的居住建筑節能設計標準和公共建筑節能設計標準。即第一步先達到節能率30%，標志性技術標準是JGJ26-86《民用建筑節能設計標準（采暖居住建筑部分）》；第二步是在第一步建筑節能標準上再節能30%，總的節能率達到50%，標志性技術標準是JGJ26-86《民用建筑節能設計標準（采暖居住建筑部分）》；第三步是在第二步的基礎上再降低30%，總的節能率達到65%，這時候國家標準還未發布，北京、天津、黑龍江、河南、甘肅等地率先發布了地方標準。建筑節能標準變革歷程如表1所示。

表1 我國建筑節能設計標準變革情況

3 建筑傳熱形式和墻體熱物性計算

3.1 墻體傳熱形式

傳熱的基本方式分為導熱、對流和輻射3種，建筑傳熱過程也是以這3種方式進行熱量傳遞的，在不同部位、不同時段傳熱方式的重要程度不同。以冬季采暖的建筑物為例，熱量傳遞路徑如下：在建筑物內部首先是輻射和對流，散熱器與室內空氣換熱，室內冷熱空氣對流換熱，墻體內表面與室內空氣換熱，然后以傳導方式從墻體內表面傳遞到外表面，墻體外表面與室外空氣再通過對流和輻射傳遞到大氣中。

3.2 熱物性計算

建筑物節能設計時計算的主要熱工指標是熱阻、傳熱系數、熱惰性指標。

墻體設計對于整個建筑物而言主要考慮的是傳導形式傳遞的熱量，并且熱量傳遞符合傅里葉定律，其值由下列公式計算[1]。

式中：R—墻體的熱阻（m2·K/W）;

d—墻體的厚度（m）；

λ—組成墻體材料的導熱系數（W/m·K）。

注：（1）空氣層可視為特殊的絕熱材料，因為對流傳熱等原因，空氣層的熱阻不能簡單地由公式（1）計算得出，而采用經驗值，從GB50176-93附表2.4中選取；（2）不同的墻體結構具體的計算步驟和公式不同，但是總的結果符合這個公式的要求。

表2 主要建筑材料熱工性能

對于材料和建筑構件而言主要的熱工指標是導熱系數和熱阻，對于建筑物而言是傳熱系數。在建筑節能設計標準中給出的是建筑物圍護結構（墻體）傳熱系數K的限值，傳熱系數K由公式(2)計算得出：

式中：K—墻體傳熱系數(W/m2·K)；

R—墻體熱阻(m2·K/W)；

Ri—內表面換熱阻，取0.11m2·K/W；

Re—外表面換熱阻，取0.04 m2·K/W。

此外為了建筑物居住的熱舒適性，還要考慮建筑物墻體的熱惰性指標D。

式中：D—墻體熱惰性指標；

R—墻體熱阻(m2·K/W)；

S—墻體蓄熱系數（W/(m2·K)）。

蓄熱系數S按下式（4）計算

式中：λ—-墻體導熱系數（若是復合結構按平均導熱系數）（W/(m·K)）；

C—墻體比熱容（KJ/kg·K）；

Z—溫度波動周期（h）；

ρ0—墻體密度（kg/m3）。

若以溫度波動周期24小時計。公式（4）變成

4 建筑材料主要熱工性能

建筑物圍護結構主要組成材料有以下三大類：主體材料、保溫隔熱材料、飾面材料。進行節能建筑設計時主要考慮結構的安全性、傳熱性能、熱惰性及經濟性，即根據建筑結構形式、當地建筑材料的供應狀況、當地建筑節能標準設計要求等因素選擇適宜的建筑材料和構造作法。其中傳熱系數和熱惰性指標是與建筑節能直接相關的兩個關鍵技術指標，設計完成后必須對結構的傳熱系數和熱惰性指標進行驗算，判斷是否滿足建筑節能設計標準的要求。因此，要做好建筑節能設計必須熟悉掌握建筑材料的熱物理性能。隨著社會的發展、科技的進步，建筑材料的發展進程不同，這里的建筑材料與日常所指的水泥、鋼材、木材、陶瓷、化學建材內涵不同，這里的建筑材料嚴格意義上講是墻體材料，下面說的建筑材料也是這個意思。在上述的3種材料中主體材料的變化不大，種類也少；飾面材料是建筑材料中發展最快的，更新換代頻繁，但是對建筑節能的影響不大，因此一般不考慮它們的節能性能（這里的建筑節能性能主要考慮防輻射涂料是隔太陽輻射熱的，另外考慮）；保溫隔熱材料是建筑節能設計中考慮的重點內容，也是近幾年國家重點倡導發展的材料，品種也較多。特別是“央視新址附屬文化中心、上海膠州路教師公寓、沈陽皇朝萬鑫大廈等大火后，公安部出臺了嚴厲的確保建筑保溫安全的文件公消[2011]65號文《關于進一步明確民用建筑外保溫材料消防監督管理有關要求的通知》，將原來的《民用建筑外保溫系統及外墻裝飾防火暫行規定》（公通字[2009]46號文）的要求進行了更進一步的提高，明確了建筑保溫隔熱用建筑材料必須達到防火性能A級要求。這個文件的出臺使得我國整個保溫材料產業和建筑節能設計發生了巨大的變化。表2是一些常見的建筑墻體砌筑材料和保溫材料的熱物理性能[2][3]。

5 節能設計要點

在建筑節能設計過程中有許多環節，包括建筑物自身的節能設計和供熱供冷系統的設計，其中圍護結構節能設計是建筑物自身節能設計的重點。圍護結構中窗戶是個定型產品，其質量在工廠可控制，并且安裝前后性能不會發生變化（窗戶的質量除強度等機械性能外，與節能有關的主要是氣密性、水密性、保溫性能和抗風壓性能，這里不贅述）。墻體是在建造過程中形成的，除了一些主觀因素影響以外，還受到當地材料的生產供應情況、經濟發展水平、當地建筑氣候條件等諸多因素影響，這里主要討論墻體的節能設計。屋頂的情況與墻體類似。

目前外墻的做法有4種：外墻外保溫、外墻內保溫、夾芯墻、自保溫墻體。前3種都是復合保溫墻體，用保溫材料和主體材料共同承擔的保溫，達到設計標準要求的傳熱系數，區別在于保溫材料層在墻體的位置；自保溫墻體是用工廠預制好的復合結構砌體材料，直接砌筑墻體達到建筑節能標準要求的傳熱系數。前3種保溫結構墻體的設計思路和傳熱系數計算方法基本相同，都是依據公式（1）和公式（2）進行計算的。所謂復合結構保溫方式就是在主墻體上再復合1層或幾層保溫材料，那么首先要計算出主體墻的熱阻和傳熱系數，然后根據節能標準計算出尚需保溫材料提供的熱阻，再利用已知的保溫材料的導熱系數計算出所需保溫材料層的厚度。常見主體墻的構造及熱阻計算如表3所示。

表3 常見主體墻構造及熱阻

不同的建筑節能目標階段墻體的熱工性能要求不同，以表4為例來說明。表4是蘭州地區不同節能設計階段外圍護結構傳熱系數限值。從節能30%到節能65%，外墻傳熱系數降低了約50%，也就是說外墻的熱工性能提高了約1倍。

表4 蘭州地區各節能設計階段圍護結構傳熱系數限值

對照表3和表4可以發現，在節能30%目標的第一階段，300mm厚加氣混凝土墻體直接可以達到要求，除此之外，所有的結構都要進行復合保溫；在節能50%和65%的節能目標時，所有的墻體都要做復合保溫。以蘭州地區居住建筑節能65%的目標來說，各種墻體材料的復合保溫結構計算如表5所示[2]。

表5中所列保溫材料EPS、XPS、聚氨酯、酚醛板、巖棉板、玻化微珠砂漿、泡沫水泥等是目前主流的保溫材料，主要分兩類：有機類和無機類。有機類材料的突出特點是容重小、導熱系數小，但是易燃燒，用在建筑物上的消防安全性較差。無機類材料的突出特點是長壽命，不燃燒，缺點是容重較大，導熱系數較大，達到同樣的保溫性能需要的材料厚度較大。表中計算的保溫層厚度是按表中的導熱系數計算的總厚度，在使用時要結合墻體材料應用技術規范進行內外復合保溫構造措施，材料的導熱系數變化時保溫層的厚度也會變化。

對于高層建筑來說剪力墻是其主要的外墻，其余少量部位為砌塊填充墻。混凝土剪力墻的保溫是難點，既要考慮燃燒性能，還要考慮與主體同壽命的結構安全性，從表中可以看出如果都用無機類材料，外墻需要附著厚度很大的保溫層，以250mm厚的鋼筋混凝土剪力墻為例，達到傳熱系數要求時外墻保溫層約80～90mm，靠粘接和錨栓能不能安全使用，要高度重視是否存在潛在的隱患。

我國嚴寒和寒冷地區占國土面積的2/3以上，新的建筑節能設計標準對墻體傳熱性能提出了更高的要求。嚴寒和寒冷地區新的建筑節能設計標準JGJ26-2010規定的墻體傳熱系數限值如表6所示[4]。建筑節能和安全不可偏廢任何一方，否則我們會為此付出沉重的代價。

表6 嚴寒寒冷地區節能65%標準圍護結構傳熱系數限值

6 結語

1）建筑節能設計要遵循因地制宜、因時制宜的原則，不同的地方甚至同一個地方不同的建筑節能時期采取的措施不同。

2）保溫材料各有突出的優缺點，設計時根據實際情況，本著安全、節能、經濟的原則選用適用的材料和結構。

3）建筑節能設計標準提高后，墻體傳熱系數的限值進一步降低，如果禁用有機類保溫材料，全部用無機類保溫材料達到設計要求是很困難的，同時也使得實施進一步提高能效的設計標準缺乏物質支撐條件。

4）復合結構的保溫是發展趨勢，探討有機和無機類保溫材料復合使用的方案。

[1]中華人民共和國建設部主編.民用建筑熱工設計規范[S].北京：中國計劃出版社，1993.

[2]田斌守,章巖,楊樹新,李玉璽.節能65%目標與自保溫混凝土砌塊[J].混凝土與水泥制品,2008(1):49-52.

[3]王花枝,田斌守.在建筑圍護結構上用新材設計空氣層應注意的問題[J].墻材革新與建筑節能,2000(2):26-27.

[4]嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準JGJ26-2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2010