西藏建筑節能設計分析

李仁春+王若瑾希

摘要：指出了西藏由于地理位置、氣候特征等具體情況，建筑節能也已經成為設計中的必要因素。以“拉薩市曲水縣工業園區小型企業孵化基地”項目為例，結合建筑所在地的氣候特征，對影響建筑的物理環境和能耗等指標進行了計算，結果表明：節能建筑設計中常用的理論完全符合曲水縣節能要求。

關鍵詞：建筑節能；圍護結構；熱阻；傳熱系數；熱惰性指標；窗墻比

中圖分類號：TU243 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）2-0111-04

1 西藏建筑節能概況

根據相關資料顯示，我國現有的近400億m2建筑，僅有1%為節能建筑，單位面積采暖所耗能源相當于氣候條件相近的發達國家的2～3倍[1]。西藏地處我國西南邊陲，擁有豐富的太陽能、風能和地熱能等可再生能源。西藏2004年才被規劃為采暖區，2007年以前，西藏的建筑設計都是以西南地區的建筑設計標準為參照依據，沒有根據本地區環境等條件而制定建筑設計標準體系，沒有考慮冬季采暖，墻體基本不做保溫。在整個冬季期間，多數建筑沒有設置常規的采暖系統，在太陽輻射直接采暖的情況下，南向房間日溫度波動幅度過大，在溫度適中的時間段內人體還可以接受此環境，但北向的房間普遍寒冷，基本上無法使用。

隨著西藏經濟的快速發展，一些國內外先進的建筑節能理念與技術已傳入西藏，但在節能建筑的推廣過程中步伐緩慢、觀念滯后，對節能建筑的認識還不到位，沒有針對適應西藏氣候特點的節能技術研究中心和相關配套開發產品。西藏自治區根據存在的實際問題，結合所在區位和氣候因素等實際條件，在建筑節能方面出臺了《居住建筑節能設計標準》[2]及《民用建筑采暖設計標準》[3]等相關規范與技術措施，促進了節能建筑在西藏的發展。

2 案例分析

拉薩市曲水縣位于西藏腹地、拉薩河下游、雅魯藏布江中游北岸，屬于氣候分區中的寒冷地區，地理坐標為東經90°73′，北緯29°37′，平均海拔3600 m。該地區日溫差較大，日照時間長，輻射強，年日照時數近3000 h，無霜期短，年無霜期150 d，年降水量441.9 mm，歷來是拉薩市的經濟區和交通樞紐。

2.1 建筑總體布局節能

本項目在總體建筑節能上綜合考慮當地太陽輻射與冬季西南偏西的主導風向等氣候因素，避開冬季主導風向，充分利用日照條件，主要功能房間布置在南向，按1.34的日照間距系數等進行節能設計。

2.2 建筑單體的節能

2.2.1 建筑外圍護結構節能設計

結合西藏地區特殊的氣候條件，為了提高室內微氣候的保溫性能，防止冬季室內熱流量流失，減少其采暖能耗，達到節能的目的。在方案設計過程中，根據二類辦公建筑標準，按照區域保溫設計的規范要求進行構造設計，外墻采用加氣混凝土砌塊與保溫層結合的方式進行節能設計。屋頂利用保溫層組合構造進行保溫隔熱設計，并對各節點構造的合理性進行驗算。按照設計構造，計算步驟如下。

2.2.1.1 相關計算公式

（1）熱阻值R的計算。

a.多層圍護結構導熱熱阻計算公式為：

R=R1+R2+……+Rn

式（1）中 R為材料層導熱熱阻（m2·K/W）；R1、R2……Rn為各層材料熱阻（m2·K/W）。

b.圍護結構的傳熱阻計算公式：

R0=Ri+R+Re

式（2）中 R0為圍護結構傳熱阻（m2·K/W）；Ri為內表面換熱阻（m2·K/W）；Re為外表面換熱阻（m2·K/W）；R為圍護結構熱阻（m2·K/W）。

（2）傳熱系數K的計算。其公式為：

K=1/R0

式（3）中 K為圍護結構傳熱系數（m2·K/W）；R0為圍護結構傳熱阻（m2·K/W）。

當外墻受周邊熱橋影響條件下，其平均傳熱系數計算公式為：

Km=（KPFP+Kb1Fb1+Kb2Fb2+Kb3Fb3）/（FP+Fb1+Fb2+Fb3）

式（4）中 Km為外墻平均傳熱系數[W/（m2·K）]；KP為外墻主體部位的傳熱系數[W/（m2·K）]；Kb1、Kb2、Kb3為外墻周邊熱橋部位的傳熱系數[W/（m2·K）]；FP為外墻主體部位的面積（m2）；Fb1、Fb2、Fb3為外墻周邊熱橋部位的面積（m2）。

（3）熱惰性指標D的計算。

多層圍護結構的D值計算公式為：

D=D1+D2+……+Dn=R1S1+R2S2+……+RnSn

式（5）中 D為圍護結構熱惰性指標；D1+D2+……+Dn為各材料層熱惰性指標；R1、R2……Rn為各層材料熱阻（m2·K/W）；S1、S2……Sn為各層材料蓄熱系數[W/（m2·K）]。

2.2.1.2 計算步驟

項目中圍護結構的外墻和屋頂均按照《民用建筑熱工設計規范》（以下簡稱《規范》）[4]附表2.2和附表2.3取Ri=0.115，Re=0.043。根據構造及材料參數，利用公式（1）～（3）計算各構造熱阻值、熱惰性指標和傳熱系數。

（1）外墻主體。

根據表1的參數，運用式（2）和（3）得外墻主體傳熱阻R0=Ri+R+Re=2.182（m2·K/W）；外墻主體傳熱系數K=1/R0 =0.458W/（m2·K）。

（2）熱橋柱。根據表2的參數，運用式（2）和（3）得熱橋柱的傳熱阻R0=Ri+R+Re=1.436（m2·K/W）熱橋柱的傳熱系數K=1/R0=0.696[W/（m2·K）]。

3）熱橋梁、熱橋過梁。在熱橋梁的計算過程中，除熱橋梁厚度為300 mm鋼筋混凝土外，其余構造同熱橋柱，熱橋過梁構造參數同熱橋梁。由式（1）、（2）和（3）可得：

熱橋梁導熱熱阻RL=1.105（m2·K/W）；

熱橋梁總傳熱阻R0L=1.263（m2·K/W）；

熱橋梁傳熱系數K=1/R0 =0.792[W/（ m2·K）]；

熱橋過梁導熱熱阻RG=RL=1.105（m2·K/W）；

熱橋過梁總傳熱阻R0G=R0L=1.263（m2·K/W）；

熱橋過梁傳熱系數K=1/R0 =0.792[W/（m2·K）]。

（4）熱橋樓板。

根據表3的參數，運用式（2）和（3）得熱橋樓板傳熱阻R0=Ri+R+Re=1.128（m2·K/W）；

傳熱系數K=1/R0 =0.888[W/（m2·K）]。

（5）屋頂。根據表4的參數，運用式（2）和（3）得：屋頂的傳熱阻R0=Ri+R+Re=1.128（m2·K/W）；

屋頂的傳熱系數K=1/R0 =0.888W/（m2·K）。通過對比計算結果，其結論符合《公共建筑節能設計標準》 [5]表4.2.2-3中屋頂傳熱系數K≤0.45 [W/（m2·K）]的要求。

同理可得：采暖與非采暖房間的分隔墻傳熱系數K=1.45W/（m2·K），采暖與非采暖房間之間的樓板傳熱系數K=1.07[W/（m2·K）]，滿足規范K≤1.5 W/（m2·K）的要求；地面熱阻R0=1.64（m2·K/W），周邊地面熱阻R0=3.35（m2·K/W）滿足規范R0≥1.5 [W/（m2·K）]的要求。

（6）外圍護墻體加權平均傳熱系數和平均熱惰性指標計算。 根據表5的參數，運用式（4）得，外墻全樓加權平均傳熱系數為：

Km=（KPFP+Kb1Fb1+Kb2Fb2+Kb3Fb3+Kb4Fb4）/（ FP+Fb1+Fb2+Fb3+Fb4）=0.499[W/（m2·K）]，其結論符合《標準》表4.2.2-3中外墻傳熱系數K≤0.50 W/（m2·K）的要求。

外墻受周邊熱橋影響條件下，其平均熱惰性指標計算公式同理傳熱系數由公式

Dm=（DPFP+Db1Fb1+Db2Fb2+Db3Fb3+Db4Fb4）/（ FP+Fb1+Fb2+Fb3+Fb4）得平均熱惰性指標為5.954[W/（m2·K）]。

（7）最小傳熱阻R0，min的計算。

對于設計完成的圍護結構，除應驗算它的傳熱系數是否符合熱工設計規范和節能設計標準的要求之外，還應驗算其傳熱阻是否符合同一要求，以防止特殊構造或房間出現不滿足的情況。

根據《規范》，最小傳熱阻R0，min計算公式為：

R0，min=（ti-te）[Δt]Ri

式（6）中ti為冬季室內計算溫度（℃）；te為圍護結構冬季室外計算溫度（℃）；n為溫差修正系數；Ri為圍護結構內表面換熱阻（m2·K/W）；Δt為室內空氣與圍護結構內表面之間的允許溫差（℃）。

根據《規范》 得：ti取20℃，D=5.522， Dm=5.954，均屬于類型Ⅱ。按照《規范》附表3.1，te取-8℃， n取1.00，外墻Δt取6.0，屋頂Δt取4.5。

運用式（6）計算得出：

外墻最小傳熱阻R0，min= 0.477（m2·K/W）；屋頂最小傳熱阻R0，min= 0.636（m2·K/W）。由以上計算結果得外墻各個不利點傳熱阻符合《規范》R0>R0，min的要求。

2.2.2 門窗的節能設計

門窗是建筑阻熱薄弱的位置，據統計，建筑的總能耗有40%熱量是通過門窗流失的。在西藏傳統建筑中的門窗均為木結構，且采用單層玻璃。本項目在設計過程中，窗戶采用傳熱系數為2.0 W/（m2·K）、氣密性等參數滿足設計要求的雙層中空玻璃節能窗，在滿足采光要求的同時，合理地控制窗墻比減少室內熱量流失，達到節能的效果。

根據表6中的參數，結合拉薩民用建筑窗墻比北向≤0.20、東向和西向≤0.25、南向≥0.50[6]的設計要求，本建筑窗墻比滿足規范要求。

2.2.3 體形系數

項目在建筑體型設計中，充分考慮建筑體型節能的要求，平面采用簡單的東西軸長、南北軸短的長條形式，根據體形系數計算公式：

S=S0/V0

式中 S為建筑體形系數；F0為建筑物接觸室外大氣得外表面積（m2）；V0為建筑物接觸室外大氣部位包圍的體積（m3）。

根據F0=F南+F北+F東+F西+F屋頂=2274.5 m2，VO=6895.81m3，計算得出S=F0/V0=2274.5/6895.81=0.33。符合寒冷地區體形系數應小于等于0.40的規定，滿足設計要求。

3 結語

由該項目相關構造節能設計的計算可知，西藏地區建筑在節能設計過程中各種建筑材料在滿足設計要求的同時，采用加強熱橋保溫設計；適當增加南向開窗面積，同時減小北向開窗面積以減少熱量流失，充分利用太陽能輻射采暖；盡量使用規整的形體縮小體形系數；以上方法在節能設計中可增強節能效果。

參考文獻：

[1]盧明安，莊肅茂.鑄成科技，浪尖上的舞者[J].中州建設，2010（20）：58～61.

[2]西藏自治區建設勘察設計院.西藏自治區居住建筑節能設計標準：DB 54/0016-2007[S].西安：西安科技大學，2007.

[3]西藏自治區建設勘察設計院.西藏自治區民用建筑采暖設計標準：DB 54/0015-2007[S].西安：西安科技大學，2007.

[4]中國建設部.民用建筑熱工設計規范：GB 50176-93[S].北京：中國計算出版社，1993.

[5]中華人民共和國建設部.公共建筑節能設計標準：GB 50189-2005[S].北京：中國建筑工業出版社，2005.

[6]劉建平.西藏建筑節能設計標準的探討[J].中國勘察設計，2009（11）：46～48.

[7]柳孝圖.建筑物理[M].3版.北京：中國建筑工業出版社，2010.

[8]牛 帥. 影響居住建筑節能設計因素的分析與研究[D].青島：青島理工大學，2013.

[9]呂賽男. 基于全生命周期成本的綠色建筑節能設計優化研究[D].南京：南京林業大學，2012.

[10]張海濱. 寒冷地區居住建筑體型設計參數與建筑節能的定量關系研究[D].天津：天津大學，2012.

[11]楊 秀，張聲遠，齊 曄，. 建筑節能設計標準與節能量估算[J]. 城市發展研究，2011（10）：7～13.

[12]魯慧敏. 寒冷地區居住建筑節能設計研究[D].上海：同濟大學，2007.

[13]曾旭東，趙 昂. 基于BIM技術的建筑節能設計應用研究[J]. 重慶建筑大學學報，2006（2）：33～35.

[14]任 俊. 居住建筑節能設計計算與評價方法研究[D].西安：西安建筑科技大學，2004.

[15]鄭文暉. 建筑節能氣候設計方法研究[D].杭州：浙江大學，2003.

ibet Building Energy Efficiency Design is Analysed

— to Qushui County Industrial Park of Small Business Incubators as an Example

Li Renchun ，Wang Ruojinxi

（Institute of technology ，Tibet university ，Tibet， Lhasa， 850000，China）

Abstract： With the concept of building a conservation-oriented society in China continue to develop in-depth， building energy efficiency is one of the factors that the current level of construction technology must consider. In Tibet， due to geographical location， climate characteristics and other specific circumstances， building energy efficiency has also become a necessary factor in the design. In this paper， taking“the small business incubator base of Industrial Park in Qushui County” project as an example， combined with the location of the buildings climate characteristics， the physical environment， energy consumption and other indicators which affect the building were calculated. Finally we achieved the result that the frequently used theories in energy-efficient building design were completely in line with the energy efficiency requirements of Qushui County.

Key words： building energy efficiency； envelope structure；thermal resistance；heat transfer coefficient；thermal inertia index；window and wall ratio