夏熱冬冷地區超低能耗住宅建筑設計策略探析
——以長沙地區某小區住宅為例

文／向俊米 湖南大學建筑與規劃學院 博士研究生丘陵地區城鄉人居環境科學湖南省重點實驗室

劉宏成 湖南大學建筑與規劃學院丘陵地區城鄉人居環境科學湖南省重點實驗室

引言

我國1986年頒布《節約能源管理暫行條例》，標志著政府開始關注節能問題。建筑節能是最優潛力和最有效的節能途徑。超低能耗、零能耗建筑是降低建筑行業能耗的有效方案，只有超低能耗建筑、零能耗建筑的總比例大于50%，建筑能耗才開始下降[1]。我國的建筑節能在嚴寒、寒冷地區開展較早，目前政策標準基本配套，超低能耗住宅在河北、天津等地已取得較好效果。夏熱冬冷地區超低能耗住宅通常參考德國被動房的外圍護指標與結構體系，適用于該地區的超低能耗建筑標準、技術體系與產品還不成熟。

因此，有必要結合該地區氣候特征與居民用能方式，以長沙市某小區住宅為例，綜合考慮圍護結構熱工參數對住宅夏、冬季和總能耗的影響，探索適宜的圍護結構指標與構造做法，最大限度節約住宅能耗。

1 研究方法

現有超低能耗住宅計算方式以連續用能為主，不符合夏熱冬冷地區主要用能習慣。首先，通過文獻與問卷調研得出夏熱冬冷地區典型用能方式；然后，分析各圍護結構與住宅夏、冬季、總能耗的量化關系與圍護結構指標；最后，結合住宅實際情況篩選適宜的構造做法與可再生能源利用方式。

2 圍護結構與住宅能耗的量化關系

2.1 基準模型

2.1.1 物理模型

長沙市某小區住宅共11 層，每層兩梯四戶，總建筑面積4802.5m2，層高3.0m。選用Open Studio 軟件進行模擬（圖1）。現有住宅外墻、屋面基礎結構上增加保溫層厚度以變化圍護結構熱工參數；選用德國被動房[2]圍護結構熱工指標為標準建筑，參考《標準》[3]與研究[4]的圍護結構指標要求選取參數范圍進行單因素模擬（表1），以分析圍護結構參數與夏、冬季及總能耗之間的量化關系。

2.1.2 用能方式

問卷分為住戶基本情況與用能方式兩部分，通過網絡與入戶方式在湖南地區共發873 份。由問卷調研可知，夏熱冬冷地區居民主要用能方式為間歇用能[5]，周一至周五工作日以夜間臥室用能為主，周末主要使用起居室與臥室空調。即起居室、臥室分開設置用能時間，周一至周五分別為18 ∶00 ～22 ∶00、22 ∶00 ～7 ∶00；周末為7 ∶00 ～22 ∶00，22 ∶00 ～7 ∶00。分體空調占采暖、制冷設備總量的87%。因此區別于德國被動房，用能系統選用一級能效分體空調，空調設定溫度夏季26℃，冬季12℃。制冷期為6 月15 日至8 月31 日，采暖期12 月1 日至次年2 月28 日[6]。

2.2 圍護結構與能耗的量化關系

結合研究[1]，在標準建筑基礎上進行單因素變化模擬，通過多元線性回歸分析圍護結構參數對住宅夏、冬季與總能耗的影響，總結適宜該地區的零能耗住宅圍護結構熱工參數組合。

2.2.1 屋面與外墻

由圖2 可知，外墻傳熱系數減小總能耗下降明顯；外墻傳熱系數小于0.18W/m2·K 夏季能耗小幅增加，且住宅外墻主體為200mm 燒結多孔磚，保溫層過厚增加施工難度與脫落風險，因此外墻傳熱系數以0.18W/m2·K 為宜。屋面總能耗隨著傳熱系數減少下降緩慢；屋面k ≤0.20W/m2·K 時出現夏季反節能，保溫層過厚延遲效應增加易導致頂層住戶夜間夏季夜間過熱，屋面傳熱系數0.20W/m2·K 為最佳。

2.2.2 窗戶與遮陽

由圖3 可知，隨著外窗太陽得熱系數的減小，冬季能耗、總能耗逐步增加，分析原因為外窗太陽系數減小不利于冬季室內太陽得熱。當外窗SHGC 小于0.3 時，冬季能耗與總能耗增加幅度加大，外窗SHGC≥0.3。外遮陽SHGC小于0.3總能耗減小幅度增大，外遮陽SHGC ≤0.3。

由圖4 可知，外窗傳熱系數減小對冬季能耗的影響大于夏季，分析原因外窗傳熱系數減小有利于阻止夏季白天室外熱量傳入室內，但不利于夏季夜間散熱。當外窗k ≤0.8w/m2·K，夏季能耗稍有增加，因此外窗傳熱系數以0.8w/m2·K為宜。

圖1 住宅模型示意圖（圖片來源：作者自繪）

圖2 外墻、屋面傳熱系數對能耗影響圖（圖片來源：作者自繪）

圖3 外窗、外遮陽太陽得熱系數對能耗影響圖（圖片來源：作者自繪）

圖4 外窗傳熱系數對能耗影響圖（圖片來源：作者自繪）

表1 圍護結構做法與參數范圍（表格來源：作者自繪）

2.3 圍護結構熱工參數與住宅能耗的量化模型

通過SPSS 軟件分別對圍護結構熱工參數與夏、冬季及總能耗進行多元線性回歸，擬合優度均大于0.9。經計算，已設置外遮陽時，外窗太陽得熱系數對夏季、冬季能耗的影響均不顯著。圍護結構各熱工參數對總能耗的影響為外窗傳熱系數＞墻體傳熱系數＞外遮陽太陽得熱系數＞屋面傳熱系數＞外窗太陽得熱系數。因此窗戶選型以外窗傳熱系數為主要指標。屋面、墻體、外窗傳熱系數對夏季能耗影響不明顯，遮陽的太陽得熱系數對夏季能耗影響最大。外窗傳熱系數、墻體傳熱系數對冬季能耗影響最大。

綜上所述，住宅圍護結構熱工參數為外墻、屋面、外窗傳熱系數0.18 w/m2·K、2.0w/m2·K、0.8w/m2·K，外遮陽太陽得熱系數0.3。通過Open studio 模擬，較未采用節能措施的住宅節能80.04%。

3 超低能耗住宅設計策略篩選

3.1 圍護結構

經計算，外墻擠塑聚苯板厚度應不大于200mm，外墻內保溫占用室內過多空間，夾心保溫影響外墻承載力，應采用外墻外保溫。為方便施工，建議采用裝飾保溫一體化墻板。正置式保溫屋面常因蒸汽無法散出導致保溫層濕度增加，節能效果減小，因此選用倒置式保溫屋面，建議選用200mm 擠塑聚苯板屋面保溫復合板以便屋面保溫層更換與維修。三玻兩腔氬氣鋁塑木復合窗傳熱系數0.8w/m2·K，滿足外窗熱工參數要求。

3.2 可再生能源

受高層住宅用地限制，不適宜擺放光伏發電設備，選用太陽能熱水器作為可再生能源利用方式。住宅共12 層，太陽能集熱器置于屋面時中下層管線過長，能源利用效率降低；單個集熱板面積2.5m2，共44 個，集熱器鋪設間隔1.5m，為屋面總面積的30%，大量占用屋面晾曬衣物空間，與長沙地區定期晾曬棉被的生活習慣不符[5]。因此，選用陽臺壁掛式太陽能熱水器。

結語

以長沙市某小區住宅為例，對夏熱冬冷地區超低能耗住宅建筑實施路徑進行探索，得到結論如下：

（1）圍護結構熱工參數對總能耗的影響為外窗傳熱系數＞墻體傳熱系數＞遮陽太陽得熱系數＞屋面傳熱系數＞外窗太陽得熱系數，外窗太陽得熱系數對夏季、冬季、總能耗影響均不大。

（2）夏熱冬冷地區圍護結構傳熱系數對住宅冬季能耗的影響大于夏季；遮陽的太陽得熱系數對夏季能耗的影響最大，較嚴寒、寒冷地區，該地區住宅隔熱設計十分重要。

（3）建筑圍護結構設計、可再生能源利用應結合住宅建筑空間特點與居民用能方式。外墻、屋面宜選擇外墻外保溫與倒置式屋面，均采用保溫裝飾一體化板；陽臺壁掛式太陽能熱水器較屋面太陽能集熱器更適用于高層住宅。