夏熱冬冷地區高層住宅建筑節能設計方案探討

王慧麗（上海市建筑科學研究院有限公司， 上海 201108）

我國正處于城市化快速發展時期，每年新增建筑面積約20 億 m2，2020 年我國建筑面積預計將達到約 700 億 m2，逐步形成世界上最大的建筑市場[1]。基于此背景，普及建筑節能設計無疑將會為我國的節能減排工作做出重要貢獻。夏熱冬冷地區地域廣袤，具有獨特的熱工性能，因此在進行建筑圍護結構保溫設計時不僅要注重保溫性能，還需注重隔熱性能[2]。本文以夏熱冬冷氣候區中的典型地區—上海為例，基于斯維爾節能設計軟件，以典型某高層住宅建筑的圍護結構為案例，從外墻、屋面、外窗等方面分析圍護結構不同熱工參數對高層居住建筑能耗的影響，確定合理的圍護結構節能設計組合方案。以期在滿足室內人員舒適性前提下，降低建筑實際能耗。

1 斯維爾軟件

斯維爾節能設計軟件 BECS 2016 是一套為建筑節能提供分析計算功能的軟件系統，構建于 AutoCAD 平臺之上，適于全國各地的居住建筑和公共建筑節能審查和能耗評估。軟件采用三維建模，并可以直接利用主流建筑設計軟件的圖形文件，避免重復錄入，因此能夠大大提高設計圖紙節能審查的效率。

建模過程如下所示：① 空間劃分；② 建樓層框；③每標準層分別創建墻、窗、柱等圍護結構；④ 進行重疊檢查、柱墻檢查、模型檢查、墻基檢查；⑤ 搜索房間；⑥ 模型觀察，檢查樓層是否閉合；⑦ 設置項目基本信息，選擇計算標準，建筑朝向；⑧ 設置各房間類型；⑨ 設置工程材料；⑩ 計算建筑負荷。

2 建筑建模

2.1 基準建筑

選取基準建筑為上海市某高層住宅樓，總建筑面積 7 696.70 m2，建筑高度 60.6 m。其中：建筑地上19 層，建筑面積 7 255.22 m2；地下 2 層，建筑面積441.48 m2。

2.2 設置參數

基于斯維爾節能設計軟件，建立典型高層居住建筑模型，依據 JGJ 134—2010 《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》，設置基準建筑相關信息及參數。

設置圍護結構的主要參數見表 1，其中主要設置參數包括屋面、外墻、分戶墻、樓板、隔墻等傳熱系數，以及外窗綜合傳熱系數、綜合遮陽系數等。

表 1 圍護結構主要參數表

3 結果分析

設置參數完畢，則可運行軟件。對該建筑模型進行計算，得出了設置不同圍護結構參數后對應的建筑能耗。下文分析了該高層居住建筑外墻、屋面、外窗在選取不同的關鍵參數值時，建筑能耗的相應變化情況，以期獲得圍護結構最佳的組合設計方案。

3.1 外墻傳熱系數影響

設置基準建筑模型，保持屋面傳熱系數為 1.0 W/(m2·K)、外窗綜合傳熱系數 3.2 W/(m2·K)、外窗綜合遮陽系數Sw為 0.87。在其他圍護結構參數不變的前提下，通過改變外墻保溫材料的厚度，來研究外墻熱工性能敏感性。建筑能耗與外墻綜合傳熱系數間的關系如表 2 及圖 1 所示。

表 2 外墻傳熱系數取值

圖 1 外墻熱工性能敏感性

通過分析可知，保持屋面、外窗等基礎性能參數不變時，隨著保溫材料厚度增大，外墻傳熱系數呈減小趨勢，且供冷、供熱能耗均呈減少趨勢。單位面積空調采暖年耗電量減小幅度依次為 1.60 kWh/m2、1.09 kWh/m2、1.21 kWh/m2、1.48 kWh/m2、1.64 kWh/m2。減小幅度基本保持穩定，說明外墻保溫材料厚度增加，傳熱系數減小時，對于高層住宅的整體節能效果相對明顯。

3.2 屋面傳熱系數影響

設置基準建筑模型，保持外墻傳熱系數為 1.5 W/(m2·K)、外窗綜合傳熱系數 3.2 W/(m2·K)、外窗綜合遮陽系數Sw為 0.87。在其他圍護結構參數不變的前提下，通過改變屋面保溫材料的厚度，來研究屋面熱工性能敏感性。建筑能耗與屋面綜合傳熱系數間的關系如表 3 及圖 2 所示。

表 3 屋面傳熱系數取值

圖 2 屋面熱工性能敏感性

通過分析可知，保持外墻、外窗等基礎性能參數不變時，隨著保溫材料厚度增大，屋面傳熱系數呈減小趨勢，且供冷、供熱能耗均呈減少趨勢。單位面積空調采暖年耗電量減小幅度依次為 0.14 kWh/m2、0.16 kWh/m2、0.14 kWh/m2、0.16 kWh/m2。減小幅度基本保持穩定，但相對于外墻，對建筑能耗的影響較小，說明屋面保溫材料厚度增加，傳熱系數減小時，對于高層住宅的整體能耗有影響，但影響較不明顯。

3.3 外窗傳熱系數、綜合遮陽系數影響

設置基準建筑模型，保持外墻傳熱系數為 1.5 W/(m2·K)、屋面傳熱系數為 1.0 W/(m2·K)。在其他圍護結構參數不變的前提下，選取不同傳熱系數、綜合遮陽系數的 8組外窗，研究外窗保溫性能敏感性。

建筑能耗與外窗性能參數間的關系如表 4 及圖 3 所示。

表 4 外窗傳熱系數、綜合遮陽系數取值

圖 3 外窗保溫性能敏感性

經分析可知，不同于上述外墻、屋面的建筑能耗呈現直線下降趨勢，外窗性能參數與建筑空調采暖能耗間呈現波動關系。當外窗傳熱系數及綜合遮陽系數從組合 1“3.3+0.9”變化至組合 5“3.0+0.7”時，空調供暖能耗隨著外窗傳熱系數及綜合遮陽系數的減小而波動。這主要是由于當綜合遮陽系數降低時，遮陽性能顯著，影響冬季室內采光，空調耗電量雖略有下降，但采暖耗電量上升，波動幅度依次為 0.05 kWh/m2、-0.23 kWh/m2、0.22 kWh/m2、0.12 kWh/m2。從組合 5“3.0+0.7”變化至組合 8“2.2+0.4”時，建筑能耗呈現下降趨勢。這主要是由于外窗傳熱系數及綜合遮陽系數減小，導致空調耗電量降低，其降低幅度超過采暖耗電量上升幅度，單位面積空調采暖年耗電量減小幅度依次為 0.07 kWh/m2、0.35 kWh/m2。

3.4 外墻、屋面、外窗綜合影響

在實際建筑設計過程中，不會出現單獨設計或分開設計外墻、屋面及外窗的熱工性能的情況，必然是同時設計三者。因此本文選取三種組合，觀察哪一組為最佳組合。組合1 為屋面采用最優性能，外墻與外窗采用普通性能；組合 2為外墻采用最優性能，屋面與外窗采用普通性能；組合 3 為外窗采用最優性能，外墻與屋面采用普通性能。具體參數取值見表 5。

表 5 不同組合下的單位空調供暖能耗

通過斯維爾節能設計軟件的模擬結果可以看出，組合 2單位面積空調采暖年耗電量最少，僅為 40.41 kWh/m2，相比組合 1 和組合 3 的能耗分別減少了 4.7% 和 9.6%，因此可確定組合 2 為最佳方案。

4 結 語

本文通過探討典型夏熱冬冷地區—上海某高層居住建筑的圍護結構的外墻、屋面及外窗的參數變化對建筑能耗的影響，得出如下結論。

（1）夏熱冬冷地區高層住宅建筑能耗的影響因素探討分析可知，各因素對建筑能耗的影響程度依次為：外墻＞屋面＞外窗。

（2）通過利用斯維爾節能設計軟件進行模擬，提出一套適合于夏熱冬冷地區高層住宅建筑圍護結構節能技術的設計方案：即外墻傳熱系數 0.6 W/m2·K、屋面傳熱系數0.6 W/m2·K、外窗綜合傳熱系數 2.7 W/m2·K、綜合遮陽系數 0.6。