嚴寒及寒冷地區建筑用能強度指標及室內環境營造技術適用性研究

魏香玉，陳永良，陳宇紅，王 麗，衛 松

（河南省建筑科學研究院有限公司，河南 鄭州 450053）

中國北方地區每年存在數十天時間最高氣溫在-10℃以下，平均氣溫在-18℃以下，此時建筑物的保暖工作用能強度指標的實現技術直接關系到建筑物的宜居性。而室內環境營造技術是該用能強度指標的實現技術的核心實現路徑。

根據住建部及其他相關部門的具體要求，冬季居室供暖溫度需要保障室溫在18℃以上，即室內外溫差需要達到30℃。此時除布局集中供能水暖系統外，還應加強建筑物的隔熱保溫性能，此時增加墻體厚度、增加隔熱夾層、使用多層中空玻璃等室內環境營造技術，確保建筑物的供熱用能受到有效控制。

該研究對不同形式建筑隔熱技術條件下的建筑用能強度指標變化特征進行分析，尋找最大建筑物套內面積率的建筑物用能強度控制方案。

1 墻體結構與套內面積率

北方低溫地區的建筑物，外墻部分使用專門設計的隔熱墻體，而內墻的承重墻結構和非承重墻結構與南方非低溫地區的墻體結構基本一致。而建筑物的室內環境營造技術受到墻體厚度的影響，特別對其套內面積占比的控制目標是其重要技術目標。受到早期粘土治磚技術的影響，多參照標磚尺寸進行設計，標磚尺寸為240 mm×120 mm×60 mm，即單磚墻厚度120 mm，雙磚墻厚度240 mm，附屬保溫措施為聚苯烯板（標準厚度80 mm），發泡水泥涂層（標準厚度50 mm），普通砂漿涂層（標準厚度20 mm）。所以，該地區保溫墻體的常見構造如表1所示。

表1 保溫墻體的常見構造表Tab.1 Common structure of thermal insulation wall mm

由表1可知，發現建筑物保溫外墻的厚度在470~710 mm，考察4種常見建筑物平面，分別為雙通道一梯三戶結構下的12 m×55 m結構，建筑面積660 m，三通道一梯兩戶結構下的11 m×72 m結構，建筑面積792 m，商業房結構下的9 m×35 m結構，建筑面積315 m，商業主樓結構下的25 m×45 m結構，建筑面積1 125 m。所以，該地區常見建筑物平面條件下的建筑面積與套內面積的分布情況如表2所示。

表2 建筑物套內面積率試算表（墻體橫截面/套內面積率）Tab.2 Trial calculation table of building interior area ratio (wall cross section / interior area ratio)

表2中，相同墻體厚度條件下，單層建筑面積越大，套內面積率越高，當單層建筑面積達到1125 m時，建筑套內面積率達到91.2%~94.1%。但此套內面積并不包括建筑物內墻，內承重墻一般采用厚度240 mm的雙磚墻，非承重墻一般采用厚度120 mm的單磚墻。

2 不同溫差下墻體結構與保溫窗結構對用能強 度的影響

建筑物用能強度的工程學意義為每平方米建筑面積的供熱能耗，北方地區的冬季供熱一般采用蒸汽熱能，蒸汽熱能一般來自火電廠鍋爐余熱，可以折算為W/m的用能強度。所以后續研究在ANSYS仿真環境下對不同室內環境營造使用的隔熱結構對建筑物用能強度的影響。

2.1 墻體結構影響

研究前文表1及表2中的4種隔熱墻，分析不同溫差條件下的保溫墻結構在不同溫差條件下的用能強度特征曲線，如圖1所示。

圖1 建筑物墻體結構對用能強度的影響Fig.1 Influence of building wall structure on energy consumption intensity

圖1中，更厚的墻體結構對建筑物在不同室內外溫差條件下的用能強度指標特征曲線有直接影響，其中，室內外20℃溫差條件下，用能強度最大值和最小值為3.5 W/m和11.3 W/m，差值為7.8 W/m，墻體厚度最大的雙磚雙夾層墻用能強度為單磚雙夾層墻的31.0%，室內外35℃溫差條件下，用能強度最大值和最小值為9.8 W/m和25.1 W/m，差值為15.3 W/m，墻體厚度最大的雙磚雙夾層墻用能強度為單磚雙夾層墻的39.0%。

2.2 保溫窗結構

北方地區的常見保溫窗結構主要為2層夾膠鋼化玻璃中間構筑8~10 mm厚的真空隔熱層，該結構可以避免保溫窗內外的熱交換，但無法避免熱輻射過程。所以，該研究僅研究一種最常見保溫窗結構，即兩層夾膠鋼化玻璃層厚度均為12 mm，中間真空層厚度為10 mm。該保溫窗在不同室內外溫差條件下對用能強度的影響特征曲線如圖2所示。

圖2 建筑物墻體結構對用能強度的影響Fig.2 Influence of building wall structure on energy consumption intensity

圖2中，室內外溫差20℃條件下用能強度指標為4.9 W/m，室內外溫差35℃條件下用能強度指標約為12.4 W/m，將該圖數據與前文圖1數據進行對比，發現該保溫窗結構的保溫效果略低于厚度710 mm的雙磚雙夾層墻體，但較其他形式保溫墻體的保溫性能更強。所以，以往受制于建筑物保溫技術在北方地區通過增加外立面墻體結構面積占比且壓縮窗口面積占比的方式已經存在足夠的技術積累，使用保溫窗雙層夾膠鋼化玻璃作為玻璃幕墻的全幕墻結構建筑可以在北方地區實現大溫差條件下的建筑物用能強度控制。

3 低用能強度需求下的建筑物室內環境營造技 術策略

綜合上述分析，與南方地區常用的240 mm外墻和大規模使用的玻璃幕墻相比，北方建筑物保溫墻體厚度470~710 mm的技術條件，會嚴重影響建筑物套內面積率，影響建筑物室內環境，且影響建筑物的宜居性。而該研究發現基于雙層夾膠鋼化玻璃真空結構幕墻對用能強度的影響能力僅次于厚度710 mm的雙磚雙夾層結構墻體，但強于厚度630 mm的雙磚單夾層結構墻體。所以，該研究提供了兩個室內環境營造技術導向：

（1）北方低溫地區可以使用全玻璃幕墻結構。玻璃幕墻除使用厚度更大的夾膠鋼化玻璃，減少玻璃幕墻真空層的氣壓，使用鍍膜技術增加玻璃幕墻對室內來源的紅外線和遠紅外線的反射率，增加幕墻對室外來源的光線透過率。此時可以進一步增加全玻璃幕墻的保溫性能，有效控制建筑物的用能強度。

（2）增加單層建筑面積可以提升建筑物套內面積占比。如果建筑物墻體厚度不能被有效控制，那么，根據前文仿真分析，建筑物外墻占用面積呈線性關系增加，而建筑物建筑面積和套內面積呈二次方關系增加，此時增加建筑物單層面積，可以有效提升建筑物套內面積占比，建議建筑物單層面積超過1 000 m時，可以得到更高的經濟性。

4 總結

該技術體系對建筑物室內環境的營造路徑，包括對建筑物墻體壓占面積的控制技術和不同結構的建筑物外墻條件在不同室內外溫差條件下的保溫能力及其對建筑物用能強度的控制能力。增加建筑物單層面積可以有效提升該控制能力，且證實北方地區可以在同等建筑物用能強度控制需求下使用全玻璃幕墻結構，有效增加建筑物套內面積占比。