公共建筑圍護結構的節能設計

張世林（大慶油田有限責任公司第二采油廠規劃設計研究所）

公共建筑圍護結構的節能設計

張世林（大慶油田有限責任公司第二采油廠規劃設計研究所）

建筑外圍護結構的傳熱損失是嚴寒和寒冷地區建筑能耗中的主要部分，因此，提高建筑圍護結構的保溫隔熱性能對于實現公共建筑50%的節能目標具有重大意義。結合《大慶油田采油二廠員工食堂及公寓樓改造工程》圍護結構節能設計方案，探討了公共建筑外墻、屋面、門窗三大構件的保溫隔熱設計原則，以及設計中應重點注意的問題，如外保溫與內保溫復合墻體的比較及選用、防止圍護結構表面結露以及提高窗的氣密性的具體措施等內容，對類似工程設計具有一定的借鑒意義。

公共建筑圍護結構保溫隔熱節能

我國建筑耗能占全國能源總消費的比例已經超過27.5%，目前僅有3.2×108m2的居住建筑可以算作節能建筑，而95%的新建建筑都屬于高耗能建筑。與氣候接近的發達國家相比，單位面積的采暖能耗為其3倍，而舒適度則遠遠不如發達國家。嚴寒和寒冷地區的建筑能耗主要是冬季采暖能耗，室內外溫差非常大，外圍護結構的傳熱損失是主要部分。因此，提高建筑圍護結構保溫性能對于實現公共建筑50%的節能目標意義重大。

1　建筑圍護結構節能設計實例

采油二廠員工食堂及公寓樓改造工程為大慶采油二廠2012年改造項目。公寓樓部分為原有建筑，建筑面積5990m2；食堂為新擴建部分，建筑面積2876m2。該建筑新舊部分均按節能要求進行設計。

該建筑圍護結構采用的節能設計方法：

1）該建筑所在區域為嚴寒A區，在總體布局上該建筑體型系數確定為0.25。

2）新建部分外墻為200mm厚陶粒混凝土砌塊+ 100mm厚巖棉板［導熱系數小于0.045W/（m2·K）］+ 100mm厚陶粒混凝土砌塊；舊建筑外墻為490mm厚紅磚（原有）+100mm厚巖棉板+外掛GRC成品構件；外墻傳熱系數均小于0.45W/（m2·K）。

3）新舊建筑屋面保溫層分別為130mm和150mm厚巖棉板；金屬屋面內部采用不燃燒體玻璃棉卷氈進行保溫［導熱系數小于0.058W/（m2·K）］；屋面傳熱系數均小于0.35W/（m2·K）。屋面透明部分的面積小于屋頂總面積的20%，傳熱系數小于2.5W/（m2·K）。

4）外窗采用塑鋼雙玻璃窗，抗風壓性能為4級，保溫性能為6級，氣密性能為6級，傳熱系數小于2.5W/（m2·K）。玻璃幕墻為隱框格構式幕墻，抗風壓性能為6級，氣密性能為3級，水密性能為5級，遮陽系數0.49，玻璃可見光透射比0.4。所有冷橋及門窗洞口均采用30mm厚巖棉進行保溫。

5）首層地面距外墻2m范圍內采用50mm厚擠塑苯板保溫。

以上建筑圍護結構熱工計算均能滿足公共建筑節能設計標準。

2　建筑圍護結構節能設計要點

2.1屋面的保溫隔熱

建筑圍護面積中屋面所占比例雖然遠低于外墻，但對于建筑物頂層卻是比例最大的外圍護結構。如果屋面保溫隔熱性太差，對頂層房間的室內熱環境和建筑采暖空調所需能耗的影響很大。

為了提高屋面的保溫隔熱性能，在設計中可參照以下原則：

◇保溫材料的選擇綜合考慮建筑物的使用要求、環境氣候條件、屋面的結構形式、防水處理方法、施工條件等各種因素，經過技術經濟比較后方可確定；

◇選用導熱系數小、蓄熱系數大的保溫隔熱材料，但不適合選用密度過大的材料；

◇根據節能建筑的熱工要求來確定建筑物保溫隔熱層的厚度，同時也要注意屋面材料層的排列順序，可考慮倒置式屋面；

◇不適合選用吸水率較高的材料，否則濕作業時隔熱層會大量吸水，從而降低屋面的熱工性能；屋面最好設置排氣孔，可以排除隔熱層內部不宜排出去的水分。

2.2外墻的保溫隔熱

外墻是建筑圍護結構中比例最大的部分，冬季在嚴寒地區建筑物的室內外溫差能達到30～60℃，墻體熱損失特別大，所以墻體的保溫隔熱是建筑節能的重要部分。

在確定外墻的傳熱系數時應采用平均傳熱系數，即按面積加權法求得的傳熱系數，主要是應考慮圍護結構周邊混凝土梁、柱等熱橋部位的影響，避免造成建筑物耗熱量或耗冷量的計算值偏小，從而達不到預期的保溫節能效果。

提高外墻的保溫隔熱性能，設計時必須考慮外墻保溫層應滿足水密性、抗風壓、溫濕度變化的耐候性要求，墻體不能產生裂縫；同時應能抵抗外界的碰撞，在邊角處、面層裝飾等方面，以及與門窗洞口、穿墻管等相鄰部位之間均應設計合理。

在嚴寒地區建筑的保溫性能主要取決于圍護結構本身材料的熱工特性，以及圍護結構內外表面與室外空氣的換熱狀況。如果圍護結構的熱阻值越大，則保溫性能就越好，向室外散熱量也就越小；減小圍護結構的傳熱系數是提高外墻保溫性能的最主要措施。減少傳熱系數的途徑主要是采用不同材料和做法的復合節能墻體。根據絕熱材料在墻體中的位置，分為內保溫、外保溫和中間保溫三種形式，綜合比較外墻外保溫技術更適合嚴寒地區建筑外墻，它與外墻內保溫優缺點的比較見表1。

在寒冷地區如果建筑物地下外墻的熱阻值過小，則建筑內表面尤其是墻角部位就容易結露。從節能和衛生角度要求出發，這些部位必須達到防止結露或產生凍腳的熱阻值。外墻熱橋部位的內表面溫度不應低于建筑室內空氣露點溫度。為防止圍護結構表面結露，設計應遵循以下原則：

◇對梁、柱等熱橋部位應采用外保溫措施，加強保溫層厚度、減少熱損失，能有效控制熱橋內表面溫度不低于室內空氣露點溫度；

◇防止室外冷風滲透進入室內，如門洞口、窗過梁等熱橋部位造成的表面溫度低而產生結露；

◇避免墻體和屋面及地面相接處陰角部位的結露，由于陰角部位易形成二維或三維熱流，熱量損失較大，應適當加強這些部位的保溫層厚度；

◇對冬季氣候陰冷潮濕地區，應控制室內相對濕度；

◇如果公共建筑采用間斷式采暖，應防止夜間溫度下降造成的結露［1］。

2.3門窗的保溫隔熱

在建筑墻體、屋面、外窗三大圍護構件中，窗的熱工性能最差，它是影響室內熱環境和建筑耗能最主要的因素之一。對于公共建筑，窗的耗能約為屋面的4倍、墻體的3倍，占建筑圍護結構總耗能的40%～50%，因此提高窗的保溫隔熱性能十分重要。公共建筑每個朝向的窗（包括透明幕墻）墻面積比均不應大于0.7。當窗墻面積比小于0.4時，玻璃的可見光透射比不應小于0.4。外窗的氣密性不應低于GB7107《建筑外窗氣密性能分級及其檢測方法》規定的4級［2］。在工程實踐中，常見外窗中塑料平開窗100%大于4級，而鋁合金推拉窗只有59%大于4級。提高窗的氣密性可采取以下措施：

◇通過提高窗用型材的規格尺寸、準確度、組裝的精準度、尺寸穩定性來增加開啟縫隙部位的搭接量和減少開啟縫隙的寬度，從而達到減少空氣滲透的目的；

表1　外保溫、內保溫復合墻體比較

◇改進窗戶的密封方法，宜逐步推廣采用三級密封方式；

◇注意各種密封材料和密封方法的互相配合，可在玻璃下安設密封的襯墊材料，在玻璃兩側用密封條來密封，在密封條上方再加注密封料。

不提倡建筑外立面采用大面積玻璃幕墻。當追求通透效果、大面積使用透明幕墻時，可采用中空玻璃、填充惰性氣體、暖邊間隔技術和“斷熱橋”型材龍骨或雙層皮通風式幕墻，把玻璃幕墻的傳熱系數由普通單層玻璃的6.0W/（m2·K）以上降到1.5W/（m2·K），在玻璃間層中設百葉或格柵，可以使玻璃幕墻具有良好的遮陽隔熱性能。

此外，屋面透明部分的面積不應大于屋頂總面積的20%。在嚴寒地區建筑的外門應設門斗，設置門斗可以避免冷風直接進入室內，在節能的同時，也提高了門廳的舒適性。

3　結束語

在公共建筑節能50%的目標中，北方地區圍護結構分擔節能率達到25%，所以建筑圍護結構在節能設計中占有十分重要位置。對公共建筑進行節能改造，總投資回收期可在5～7年左右，節能的經濟效益良好。

［1］郎四維.公共建筑節能設計標準宣貫輔導教材［M］.1版.北京：中國建筑工業出版社，2005：33-36.

［2］中國建筑科學研究院，中國建筑業協會建筑節能專業委員會.GB50189—2005公共建筑節能設計標準［S］.北京：中國建筑工業出版社，2005.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.002.015

2014-12-12）

張世林，高級工程師（國家一級注冊結構師、二級注冊建筑師），1996年畢業于哈爾濱工程大學（建筑工程專業），從事建筑工程設計，E-mail：zhangshilin@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市采油二廠規劃設計研究所，163414。