建筑圍護結構熱工性能的節能性分析

摘要：分析目前現行建筑圍護結構熱工性能指標和節能措施，并對熱工指標不滿足標準的建筑進行權衡判斷，以此判定建筑的節能效果，并結合工程實例進行說明。

關鍵詞：建筑圍護結構、熱工性能、建筑節能、權衡判斷、PKPM軟件

一、前言

上海屬夏熱冬冷地區，以公共建筑為例，空調是最主要的能耗分項，一般其空調能耗占建筑總能耗的50%～60%，在空調能耗中20%～50%是為滿足圍護結構傳熱所帶來的能耗，相當于圍護結構傳熱所帶來的能耗占建筑總能耗的10%～30%，因此改善圍護結構熱工性能，對建筑節能至關重要。

二、圍護結構熱工性能的標準

目前，上海地區的圍護結構熱工性能的設計標準，在國家及行業標準層面，除了執行《民用建筑熱工設計規范》GB 50176-93外，針對公共建筑、居住建筑，還分別執行《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》JGJ 134-2010、《公共建筑節能設計標準》GB 50189-2005，在上海地方標準層面，制訂了《上海市居住建筑節能設計標準》DG/TJ 08-205-2008、《上海市公共建筑節能設計標準》DGJ 08-107-2012。

上海市地方標準比國家及行業標準更嚴格，新建高標準節能示范項目、綠色建筑示范項目、既有建筑節能改造項目強制要求采用上海市地方標準，以更好的實行建筑節能；對于一般的民用建筑，執行國家及行業標準即可，推薦采用上海市地方標準。

三、圍護結構的節能要求

以上不同的標準中，均對建筑圍護結構的體型系數、各部分的傳熱系數及熱阻限值、不同朝向的窗墻比、外窗遮陽系數及氣密性等級等熱工性能參數作出了明確的要求。

按照《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》JGJ 134-2010、《公共建筑節能設計標準》GB 50189-2005的要求設計的建筑，由于采用的節能設計減少了圍護結構的傳熱損失，使建筑整體能達到50%節能率的目標；按照《上海市公共建筑節能設計標準》DGJ 08-107-2012的要求設計的建筑，能使公共建筑整體達到65%節能率的目標；按照《上海市居住建筑節能設計標準》DG/TJ 08-205-2008的要求設計的建筑，能使居住建筑整體達到65%節能率的目標。從節能率的數值也能看出，上海市地方標準比國家及行業標準更嚴格，在滿足標準的情況下能達到更高的節能率。

需要指明的一點是，以上的節能率均只是單純通過改進建筑圍護結構的熱工性能就能達到，不包含建筑內使用性能更好、效率更高的用能設備所帶來的建筑節能效果，也不包含使用可再生能源所帶來的建筑節能效果。目前上海設計機構、測評機構主流使用的節能率計算及能耗分析軟件為中國建筑科學研究院開發的PKPM系列PBECA軟件，該軟件的“居住建筑”和“公共建筑”兩個模塊中雖然都有用能設備的輸入選項，但設備的性能在其軟件內核中并不參與建筑節能率的計算，影響建筑節能率的只與建筑本體位置和圍護結構的熱工性能有關。

四、圍護結構的節能措施

上海屬夏熱冬冷地區，其圍護結構的節能措施主要集中在外窗和透明幕墻保溫節能及外遮陽、外墻保溫節能、屋面保溫節能等方面。

外窗和透明幕墻保溫節能一般采用傳熱系數更小的窗體結構，玻璃一般采用中空玻璃、Low-E玻璃，并增加中間層厚度或在中間層注入惰性氣體等。以6+6A+6的普通中空玻璃為例，其傳熱系數為3.3W/㎡·K，若中間層增加到12mm，其傳熱系數降低為2.9W/㎡·K；若中間層注入氬氣，其傳熱系數為3.0W/㎡·K；若一面涂低輻射膜、中間層增加到12mm且注入氬氣，其傳熱系數為2.1W/㎡·K。外窗的傳熱系數除與玻璃有關外，還與窗框的傳熱系數以及窗框比有關，普通鋁合金窗框的傳熱系數約為5.9W/㎡·K，斷熱鋁合金窗框的傳熱系數受斷熱橋高度影響約為1.9～4.0W/㎡·K，多腔PVC塑料窗框的傳熱系數為2.0～2.2W/㎡·K。而增加外遮陽系統，能大大減少夏季進入室內的熱輻射，降低空調冷負荷，起到明顯的節能效果。

外墻保溫節能一般采用在外墻上增加保溫層，保溫層材料可以使用EPS板、XPS板、PU板、膠粉聚苯顆粒砂漿、泡沫玻璃板、巖棉板、酚醛泡沫板等，并可在非承重外墻上使用蒸汽加壓混凝土砌塊。以普通200mm厚鋼筋混凝土墻面為例，其傳熱系數約3.59W/㎡·K，若增加30mm厚XPS板保溫層，其傳熱系數降低為0.9W/㎡·K；若增加60mm厚XPS板保溫層，其傳熱系數降低為0.51W/㎡·K；若在非承重外墻上直接將鋼筋混凝土更換為蒸汽加壓混凝土砌塊，其傳熱系數約為0.72W/㎡·K。可以看出，增加保溫層能夠大大降低外墻的傳熱系數，起到明顯的節能效果。

屋面保溫節能與外墻保溫節能類似，也是采用在屋面上增加保溫層的做法，但受屋面防水要求、上人屋面的承載力要求的限制，一般采用硬質、抗水性和抗水蒸氣滲透性良好的保溫材料，如XPS板、PU板、泡沫玻璃板、酚醛泡沫板等，較少采用EPS板、巖棉板，增加保溫層同樣能夠大大降低屋面的傳熱系數，起到明顯的節能效果。

另外，提高建筑外窗和透明幕墻的氣密性，做好外墻與屋面熱橋部位的保溫措施，這些措施都能夠改善圍護結構的保溫性能，改善建筑的節能效果。

五、圍護結構熱工性能的權衡判斷

雖然按照標準規定的體型系數、傳熱系數、窗墻比、遮陽系數、氣密性等指標進行設計，建筑圍護結構就能達到相應的節能效果。但是由于建筑設計的多樣性和設計師的個人創造性，強調了建筑外形的藝術美感，尤其是玻璃幕墻的大量使用，使得建筑在某些參數上不能完全滿足標準的要求。為了判斷所設計建筑的節能效果，引入了權衡判斷的概念，權衡判斷不拘泥于圍護結構某個局部的熱工性能，而是著眼于建筑總體熱工性能是否滿足節能率的要求。

通過軟件構建一個虛擬的參照建筑，該參照建筑在外形上與實際建筑完全一樣，且參照建筑在圍護結構的各方面均完全符合標準的要求，然后在標準工況下對參照建筑、實際建筑進行全年8760小時的逐時能耗分析，計算出每平方米建筑面積的全年采暖和空調能耗，如果實際建筑計算得出的能耗值低于參照建筑的能耗值，可判斷實際建筑能達到標準要求的節能率。下面以實例來說明權衡判斷的過程。

使用中國建筑科學研究院開發的PKPM系列PBECA軟件，對上海市某公共建筑進行數學建模，以《公共建筑節能設計標準》GB50189-2005為設計依據，其圍護結構熱工指標校核結果如下：

校核結果中共有6項指標不滿足《公共建筑節能設計標準》GB50189-2005的要求，因此須進行節能綜合指標權衡判斷。權衡判斷時，參照建筑、實際建筑選用的圍護結構熱工性能參數如下表：

使用PKPM系列PBECA軟件，采用典型氣象年數據對參照建筑、實際建筑進行全年8760小時的逐時能耗分析，計算出每平方米建筑面積的全年采暖和空調能耗，計算結果如下：

計算結果設計建筑參照建筑

全年采暖和空調能耗kWh/㎡54.7959.75

該設計建筑的全年能耗小于參照建筑的全年能耗，節能率為54.15%，因此該公共建筑已經達到了《公共建筑節能設計標準》GB50189-2005的節能要求。

通過以上的實例可以看出，權衡判斷能比較公平的判斷建筑總體熱工性能，能保證建筑在設計多樣化的情況下滿足節能率的要求。今后隨著計算軟件的改進，將設備的節能效果納入計算，將使建筑的節能效果更加明顯。

作者簡介：陳勇，男，注冊咨詢工程師、注冊一級建造師。