上海高層住宅被動式超低能耗設計策略研究

■鄧 豐 Deng Feng 朱 凱 Zhu Kai

0 引言

建設資源節約型社會，實現節能減排是當前中國社會發展的戰略決策。建筑能耗在我國國家總能耗中占有很重的比例，住宅建筑又是其中建設量最大、與人類生活關系最為密切的建筑類型，對建筑節能擔負著不可推卸的責任。因此，在保障居住舒適度的同時，盡可能降低住宅對傳統能源的消耗，是我國當前建筑節能工作的重要內容之一。但由于人民生活水平的提高、居住家庭的年輕化和用能習慣的改變，對住宅室內熱環境舒適度的要求也日益提高，采暖和空調的使用越來越普遍，對于能源的消耗仍將持續增加。

另一方面，建筑能耗控制與其所處的地域氣候條件息息相關。對于住宅節能工作的開展，在不同地域氣候、經濟條件、居住習慣等共同影響下，應該有針對性地選用適合本地區的節能設計策略，這才是真正理性和高效的工作方法。

1 上海地區的地域氣候特點及被動設計策略

上海地處夏熱冬冷地區，年平均相對濕度較大，人口密度大，氣候條件和建筑用能情況更為復雜。該地區的經濟發展水平較高，每年新增建筑規模巨大，建筑節能效益大，節能技術的硬件基礎好、接受度高，地方財政對可再生能源利用的補貼力度大。因此，針對該地區住宅節能的研究和實踐可以充分發揮其地緣優勢，具有輻射和示范作用。根據圖1的上海地區氣候焓濕圖分析，可以得出該地區被動式超低能耗住宅設計策略（表1、圖 2）。

2 典型高層住宅能耗研究

據統計，上海當代新建住宅小區中，高度為18層的住宅占比最高，達28%[1]；一梯兩戶的單元類型出現頻率高達72%，一梯三戶的單元類型出現頻率也僅次于一梯兩戶，達到27%。因此，本文將選取某一梯三戶點式18層住宅作為研究對象（圖3），其節能建筑面積為4 501.09m2，屋頂有效面積為197.08m2，綜合窗墻比為0.17，采用家用空氣源熱泵空調器。利用PKPM建筑節能軟件，以現行的《上海市居住建筑節能設計標準》（DGJ 08—205—2015）為基準（以下簡稱《標準》），進行能耗模擬計算。

2.1 不同樓層的外圍護結構負荷分析

通過模擬可以發現，在上?，F行的《標準》下，該住宅的能源負荷主要來自外墻和外窗，其中，外墻占比53.45%，外窗占比28.94%。由此可見，外墻和外窗仍然是節能控制的重點。同時，由圖4可以看出，不同樓層的負荷并不相同，頂層與首層的負荷明顯大于標準層。這主要是來自屋頂與地面的負荷需求，甚至已經大于來自外窗的負荷需求。特別是頂層住戶，其能耗幾乎是標準層住戶能耗的1.6倍。因此，圍護結構的性能對于建筑能耗至關重要，而現行《標準》并未對地面和無采暖地下室頂板有相應的指標控制，導致首層住戶經由地面損失的熱量過大。

2.2 保溫層厚度與位置對建筑能耗的影響

建筑保溫層的厚度和位置不僅對建筑能耗的影響十分重要，還直接影響建筑總面積和容積率的計算，進而影響住宅的實際得房率。根據《建筑工程建筑面積計算規范》（GBT 50353—2013）（下稱《計算規范》）3.0.24中規定：建筑物的外墻外保溫層應按其保溫材料的水平截面積計算，并計入自然層建筑面積。

2.2.1 建筑物節能綜合指標的計算條件

建筑物的節能綜合指標采用動態方法計算,計算條件如下：

（1）居室室內計算溫度，冬季全天為18℃，夏季全天為26℃。

圖1 上海地區氣候焓濕圖

表1 上海地區被動式超低能耗住宅設計策略（按優先選用級別排序）

圖2 上海地區住宅設計策略圖示

圖3 一梯三戶高層住宅典型平面圖

圖4 不同樓層外圍護結構負荷分析

（2）室外氣象計算參數采用典型氣象年。采暖期為12月1日～次年2月28日，空調期為6月15日～8月31日。

（3）采暖和空調時，換氣次數為1.0次/h。采暖、空調設備為家用氣源熱泵空調器，空調額定能效比取3.1，采暖額定能效比取2.5。

（4）室內得熱平均強度為4.3W/m2。

（5）根據《被動式超低能耗綠色建筑技術導則（試行）》（以下簡稱《導則》），“夏熱冬冷地區年供冷需求≤3.5+2.0×WDH20+2.2×DDH28。其中，WDH20為一年中室外濕球溫度高于 20℃時刻的濕球溫度與20℃差值的累計值（單位：kKh）；DDH28為一年中室外干球溫度高于 28℃時刻的干球溫度與 28℃差值的累計值（單位：kKh）”。

（6）根據CSWD氣象數據進行測算。

2.2.2 保溫層厚度對建筑能耗的影響

由表2和圖5可以看出，節能計算參數設定的標準不同，會帶來保溫層厚度的不同。由于建筑保溫層計入容積率計算，這將直接影響建筑的體形系數、建筑面積和容積率等重要指標；在控制容積率不變的前提下，住宅的得房率也必將減少。同時，在上海地區，圍護結構傳熱系數的大幅度提升對最終能耗的減少影響有限。

2.2.3 保溫層的經濟厚度

在保溫材料確定的情況下，保溫層的厚度是決定建筑保溫水平的重要參數。一般隨著保溫層厚度的增加，圍護結構的絕熱性能提高，從而建筑負荷降低，采暖設備造價和采暖系統運行費用也相應降低；但同時，圍護結構的建造費用也相應增加。因此，存在某一特定的保溫層厚度，即經濟厚度δop，使建筑物總費用（建造費用和經營費用之和）最小[2]。

對于上海這樣的夏熱冬冷地區，計算保溫層厚度不能只是單純地考慮冬季采暖，還必須考慮夏季制冷對保溫層厚度計算的影響。因為單純增加保溫層厚度以提高圍護結構的保溫性能，在非最熱月或夜間氣溫降低時，不利于建筑散熱，反而有可能導致年空調冷負荷增大。另外，還要考慮其他一些影響保溫層經濟厚度的因素，如墻體基體材料、保溫材料性能及價格、空調能效、貼現系數PWF等。圖6是外墻保溫層分別設置為20mm、30mm、40mm、50mm、60mm 和 100mm時的建筑能耗差別和成本對比?？梢钥闯?，保溫層越厚，能耗越低，但同時建設成本也會越高。案例的保溫材料價格選擇為市場詢價，由目前材料的現狀情況可以看出，當前節能建筑設計標準下所選用的30mm厚度在能耗和成本控制上更為合理。

2.2.4 保溫層位置對建筑能耗的影響

有研究指出，針對夏熱冬冷地區的間歇式用能，采用內保溫空調的熱響應比外保溫要快得多（因為墻體的熱容比空氣大很多），因此，該地區內保溫的實際節能效果優于外保溫[3]。針對這一觀點，對30mm厚保溫層的不同設置位置分別進行模擬測算（表3），可以看出保溫層的位置對住宅及其能耗的影響。

在上海地區，單純的內保溫并沒有外保溫的節能效果好。結合外保溫設置部分內保溫，雖然可以適當提高節能率，減少建筑能耗，但由于內保溫占用室內空間，導致實際戶內使用面積減少。以本案中戶型C為例，設置10mm的內保溫，將使戶內實際使用面積減少0.31m2。據上海統計局發布的《2015年本市房地產市場綜述》，2015年本市內環線以內新建住宅平均銷售價格72 066元/m2。若是設置10mm厚內保溫，戶型C的業主將多花費2.2萬元用于購買室內保溫層所占用的空間，而由此每年僅能節約2kWh電。因此，與高房價相比，增加的能源費用完全可以忽略不計。由此可見，在目前的高房價前提下，從經濟、能源等綜合角度進行判斷，上海地區并不十分適合采用內保溫。

2.3 凸窗對建筑能耗的影響

住宅的窗墻比也與建筑能耗緊密相關。特別是在圍護結構熱工性能不理想的狀態下，大面積的開窗將導致空調采暖的高能耗；但開窗面積過小，又不能保證日照、采光及通風的要求。因此，窗墻比的確定要兼顧保溫和太陽得熱兩方面因素，在保證室內舒適通風和采光、空間視覺舒適及環境舒適的前提下，確定合適的開窗面積和位置。窗墻比并非越小越好，特別是在我國夏熱冬冷地區，不能以犧牲春秋兩季的舒適度來換取冬夏的窗墻要求，而應綜合考慮該地區的生活習慣和居住行為對窗墻比的需求。

近年來，凸窗因其立面效果好、增加室內有效使用空間又不算入建筑面積，成為我國大部分地區住宅建筑中受歡迎程度和運用比例較高的一種立面窗處理形式。但從節能的角度來看，凸窗的窗體面積遠大于洞口面積，大幅提高了窗墻比。根據《標準》規定，設置凸窗時，窗的傳熱系數限值應比選定的外窗限值低10%，其不透明部分（頂、底、側面）的傳熱系數不應大于2.0W/（m2K）；而當采用平窗時，外窗傳熱系數控制為2.2。模擬計算結果顯示，采用傳熱系數提高10%的凸窗與平窗能耗基本相同（圖7）。

表2 保溫層厚度對建筑能耗及相關指標的影響

由此可見，凸窗的存在和廣受住戶歡迎有其合理性。其優點顯而易見，一方面，拓寬了室內的有效使用面積且不計入面積計算，這對于高房價的現狀而言，具有相當的誘惑力；另一方面，能取得良好的空間感和景觀視野，有助于改善室內空間品質，并爭取到更多的陽光。但也由此形成了住宅表皮熱工性能上的薄弱點，在酷暑或嚴寒時期，它都是增加熱負荷和能耗的直接原因。權衡其所帶來的利弊，在嚴寒或寒冷地區，應該限制采用；但在上海地區，可允許南向窗在改善設計和材料的前提下適當采用。

2.4 外遮陽對建筑能耗的影響

外遮陽是降低日照輻射的最主要手段，也是一種經濟有效的節能方式，對于提高室內熱舒適，降低夏季制冷能耗的貢獻十分顯著。在國內，由于之前很長一段時間對建筑節能和遮陽考慮較少，住宅墻體和外門窗熱工性能差，外遮陽的生態和能效價值未獲重視，造成外遮陽在國內住宅建筑中的推廣運用嚴重滯后。

表3 保溫層位置對住宅能耗的影響

圖5 保溫層厚度對建筑能耗的影響

圖6 不同保溫層厚度建筑能耗與成本的比較

圖7 平窗與凸窗的能耗比較

本案例對有無外遮陽進行了模擬計算，外窗玻璃自身遮陽系數0.65，窗框系數0.75，可見光透射比0.60，增設卷簾活動外遮陽為鋁合金百葉板，材質透射比0.20，外窗綜合遮陽系數為0.38。可以看出，外遮陽對冬季采暖和夏季空調的能耗都有積極影響，但由于外窗玻璃為Low-e玻璃，自身遮陽系數就已經達到0.65，所以增設外遮陽以后的節能效果并不十分明顯（圖8）。若設有外遮陽，可以選用非Low-e的普通玻璃，這樣可以大大節約玻璃的投資成本。其積極作用毋庸置疑：與優質的外窗配合，能夠阻擋住絕大部分陽光的熱輻射，提高住宅表皮熱功性能，可以有效降低空調負荷，節約能源。因此，夏季通過外遮陽阻斷熱源可以作為住宅防熱的重點。結合建筑形式，在南向及西向安裝一定形式的可調外遮陽，隨使用情況進行調節，這樣既能滿足夏季遮陽的要求，又不影響采光及冬季日照要求，是比較合理、高效的遮陽方式。

2.5 體形系數對建筑能耗的影響

控制住宅的體形系數，減少建筑外表皮面積，對被動降低住宅能耗至關重要。根據《計算規范》3.0.21 中的規定，在主體結構內的陽臺，應按其結構外圍水平面積計算全面積；在主體結構外的陽臺，應按其結構底板水平投影面積計算1/2面積。如圖9所示，本案例住宅模型中的3個凹陽臺因在主體結構以內，按全面積計算；若將其封閉，陽臺外側做保溫，體形系數可以從0.41降至0.36（圖10）。在不改變圍護結構其他參數的前提下，可以有效提升建筑節能效果，這將大大節省保溫材料，減少建筑面積，提高住房得房率。

由圖11可以看出，當凹陽臺封閉，陽臺外側做外墻處理，可以減少外墻面積約469.8m2；陽臺窗按外窗處理，可以減少外窗面積85.32m2。按照30mm厚外墻EPS保溫板計算，單價約80元/m2，外墻保溫可節約3.76萬元人民幣；模擬外窗選用金屬隔熱型材，傳熱系數2.20W/（m2K），市場詢價按照單價500元/m2計算，外窗可節約4.27萬元；則單棟住宅建筑共可節約8.03萬元，單位面積可節約16.9元/m2。同時，凹陽臺封閉后的全年能耗模擬結果將從封閉前的24.28 kWh/m2降至封閉后的18.15kWh/m2，降低25.2%，極其接近《導則》指標要求設定的全年空調采暖能耗模擬結果18.08kWh/m2，這相當于將外墻EPS保溫層厚度增至100mm時的能耗水平。但在保溫層厚度增至100mm的情況下，外墻保溫材料和外窗的增量成本就將達到264.3萬元，將增加312.6%的投資成本（圖12）。由此可見，體形系數對能耗和成本的影響是巨大而有效的。通過封閉凹陽臺、減少凹槽等措施，可以適當減小體形系數，取得事半功倍的節能效果。

2.6 空調方式對建筑能耗的影響

根據《標準》本案例模型進行基礎工況分析，全年空調采暖模擬能耗為24.28kWh/m2。節能綜合指標的計算條件是：冬季全天為18℃，夏季全天為26℃。但這并不符合上海地區的住宅舒適度普遍使用習慣，因此，將實際控制溫度調整為：冬季15～18℃之間，夏季26～28℃之間；且空調的實際使用時間也并不是全時間全空間控制，大部分情況是房間有人開啟、房間無人關閉、睡前定時2h關閉。另外，對于室內的舒適度，《標準》并未考慮濕度要求，而上海地區的實際情況是，夏季住宅空調的使用過程中存在除濕運行，因此，其舒適度標準可以參考《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50736—2012）（下稱《設計規范》）規定的“室內溫度控制在26～28℃之間時，相對濕度不高于70%”。

圖8 外遮陽對建筑能耗的影響

圖9 凹陽臺封閉圖

圖10 凹陽臺封閉對體形系數和建筑能耗的影響

對當前上海住宅普遍采用的分體式空調和戶式中央空調兩種形式進行模擬，發現采用分體式空調可以使全年采暖空調能耗大幅度降低46%，約為13.23 kWh/m2；而采用戶式中央空調，則將使全年采暖空調能耗提升37.6%，約為33.68 kWh/m2，是采用分體式空調機能耗的2.55倍（圖13）。由此可見，僅從能耗控制的角度來看，分體式空調在上海更值得推廣。

圖11 凹陽臺封閉對外墻保溫和外窗造價的影響

圖12 凹陽臺封閉對能耗和增量成本的影響

圖13 不同空調形式對能耗的影響

圖14 模型案例被動節能率極限研究

3 能耗限值研究

為研究案例模型在上海地區的能耗限值，首先對模型采取如下措施：①將模型參數按照《導則》進行設置；②增設20mm厚膠粉聚苯顆粒厚保溫砂漿內保溫層；③凸窗改為平窗；④增設鋁合金百葉卷簾活動外遮陽；⑤封閉凹陽臺，陽臺板外側做外墻處理，封陽臺窗按外窗處理；⑥戶內采用分體式空調機。然后，進行能耗限值模擬計算，得出其年采暖空調能耗控制在12.88 kWh/m2，建筑節能率可達77.7%（圖14）。

4 結語

通過以上研究，可以得出上海地區高層住宅被動式超低能耗設計策略如下：

（1）增設地面傳熱系數控制指標，減少地面熱損失。

（2）保溫層厚度的增加對建筑面積、容積率和得房率的影響較大，但對建筑能耗的影響有限。因此，在該地區單純依靠增加保溫層厚度來實現建筑節能的手段并不十分有效。

（3）在該地區高房價現狀條件下，從經濟、能源等綜合角度進行判斷，上海地區并不十分適合采用內保溫。

（4）辯證理解窗墻比，上海地區應當允許南向窗在改善設計和材料的前提下，適當采用凸窗。

（5）增設外遮陽可以有效降低建筑能耗。

（6）體形系數對能耗的影響巨大。從本案例可以看出，封閉凹陽臺，并在陽臺外側做外墻處理，陽臺窗做外窗處理，可以大大降低建筑能耗，節約建造成本。

（7）僅從能耗控制的角度來看，分體式空調比戶式中央空調在上海地區更值得推廣。

參考文獻：

[1]董怡嘉.當代上海住宅小區的形態范式及成因探究[D].同濟大學博士論文,2016:49-50.

[2]鄧豐.形式追隨生態—當代生態住宅表皮設計研究[M].北京:中國建筑工業出版社,2015(11):247.

[3]金林輝,譚洪衛.上海地區“零能耗”住宅技術適應性研究[J].建筑熱能通風空調,2013(02):34-38.