不同建筑热工设计分区节能设计原理探讨

不同建筑热工设计分区节能设计原理探讨

王子涵

我国地域辽阔，各地区气候差别很大，太阳辐射量也不同，所以在建筑节能设计时，就必须根据各气候区域的特点进行有针对性的设计。《民用建筑热工设计规范》ＧＢ５０１７６—９３把我国划分为５个气候分区：严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区。《公共建筑节能设计标准》ＧＢ５０１８９—２００５第４．２．１在这五个分区的基础上，根据公共建筑节能的设计特点作了适当的调整：把严寒地区细分为严寒Ａ区与严寒Ｂ区，而温和地区不强制执行节能设计标准。以下着重研究前四个热工分区的节能设计。

１．严寒与寒冷地区节能设计

严寒地区和寒冷地区基本是我国的三北地区：东北，华北，西北。这些地区一年近一半时间处于低温状态，建筑采暖消耗大量能量，设计时必须对建筑物的耗热量指标进行控制。可以通过以下几种技术途径来达到建筑节能的目的：（１）平面布置。建筑群的总体布置，单体建筑的平面、立面设计和门窗的设置，应考虑冬季利用日照并避开主导风向。建筑物的朝向宜朝向南北或接近朝向南北。建筑物不宜设有三面外墙的房间。

（２）外门窗。寒冷（Ｂ）区建筑的南向外窗（包括阳台的透明部分）宜设置水平遮阳或活动遮阳，东、西向的外窗宜设置活动遮阳。居住建筑不宜设置凸窗，严寒地区除南向外不应设置凸窗，寒冷区北向的卧室、起居室不应设置凸窗。

（３）采暖供热。集中采暖和集中空气调节系统的施工图设计，必须对每一个房间进行热负荷和逐项逐时的冷负荷计算。位于严寒和寒冷地区的居住建筑，应设置采暖设施；位于寒冷（Ｂ）区的居住建筑，还宜设置或预留设置空调设施的位置和条件。除当地电力充足和供电政策支持、或者建筑所在地无法利用其他形式的能源外，严寒和寒冷地区的居住建筑内，不应设计采用直接电热采暖。

２．夏热冬冷地区节能设计

夏热冬冷地区大体上是长江中下游地区，如：成都、武汉、南京、上海等。夏热冬冷地区气候的显著特点是夏季炎热、冬季寒冷。根据该地区的气候特征，建筑物的围护结构

热工性能首先要保证夏季隔热、冬季保温的要求。在进行建筑节能设计时须满足以下条件：

（１）平面布置。建筑群的规划布置、建筑物的平面布置应有利于自然通风。组织好建筑物室内外春秋季和夏季凉爽时间的自然通风，不仅有利于改善室内的热舒适程度，而且可减少开空调的时间有利于降低建筑物的实际使用能耗，因此在建筑单体设计和群体总平面布置时，考虑自然通风是十分必要的。建筑物的朝向宜采用南北向或接近南北向。太阳辐射的热对建筑能耗的影响很大，夏季太阳辐射的热增加制冷负荷，冬季太阳辐射的热降低采暖负荷。

（２）体形系数。３层以下（含３层）建筑物的体形系数不应超过０．５５，４～１１层建筑物的体形系数不应超过０．４０，１２层及以上建筑物的体形系数不应超过０．３５。建筑物体形系数是指建筑物的外表面积和外表面积所包的体积之比。

（３）外门窗。外窗（包括阳台门的透明部分）的面积不应过大。不同朝向、不同窗墙面积比的外窗，其传热系数应符合规定。普通窗户（包括阳台门的透明部分）的保温隔热性能比外墙差很多，夏季白天通过窗户进入室内的太阳辐射热也比外墙多得多，窗墙面积比越大，则采暖和空调的能耗也越大。因此，从节能的角度出发，必须限制窗墙面积比。多层住宅外窗宜采用平开窗。外窗宜设置活动外遮阳。平开窗的开启面积大，有利于自然通风。同时为了保证采暖、空调时住宅的换气次数得以控制，要求窗户及阳台门具有良好的气密性，一般而言平开窗的气密性比推拉窗好。

（４）相关指数。建筑物１～６层的外窗及敞开式阳台门的气密性等级，不应低于现行国家标准《建筑外窗空气渗透性能分级及其检测方法》ＧＢ７１０７—２００８规定的４级；７层及７层以上的外窗及阳台门的气密性等级，不应低于该标准规定的６级。围护结构各部分的传热系数和热惰性指标应符合规定。其中外墙的传热系数应考虑结构性冷桥的影响。３．夏热冬暖地区节能设计

夏热冬暖地区大体上是华南地区：福州、广州、南宁、台北等。这些地区的建筑设计主要考虑的是夏季防热。温和地区，冬暖夏凉，四季如春，如：昆明、西昌、元江等。一般可不考虑夏季防热，部分地区注意冬季保温。在夏热冬暖

地区，由于冬季暖和，而夏季太阳辐射强烈，平均气温偏高，在当地建筑物设计中，屋顶，外墙的隔热和外窗的遮阳主要用于防止大量的太阳辐射的热量进入室内，而房间的自然通风则可有效地带走室内热量，并对人体舒适感起到调节作用。因此，隔热、遮阳和通风设计在该地区的建筑节能中非常重要。

为了达到这些目的，可以从总体的防热和围护结构隔热入手。在进行建筑节能设计时须满足以下条件：

（１）体形系数。北区内，单元式、通廊式住宅的体形系数不宜超过０．３５，塔式住宅的体形系数不宜超过０．４０。在夏热冬暖地区，北区和南区气候仍有所差异，南区纬度比北区低，冬季南区建筑室内外温差比北区小，而夏季南区和北区建筑室内外温差相差不大，因此，南区体形系数大小引起的外围护结构传热损失影响小于北区。

（２）窗墙比。居住建筑的外窗面积不应过大，背朝向的窗墙面积比，北向不应大于０．４５；东、西向不应大于０．３０；南向不应大于０．５０。居住建筑的天窗面积不应大于屋顶总面积的４％，传热系数不应大于４．０Ｗ／（ｍ・Ｋ），本身的遮阳系数不应大于０．５。普通窗户的保温隔热性能比外墙差很多，而且夏季白天太阳辐射还可以通过窗户直接进入室内。试验表明：当天窗面积占整个屋顶面积４％，天窗传热系数＝４．０Ｗ／（ｍ・Ｋ），遮阳系数＝０．５时，其能耗只比不开天窗建筑物能耗多１．６％左右，对节能总体效果影响不大。但对开天窗的房间热环境影响较大，因此对天窗的面积和热工性能要予以控制。

（３）Ｋ、Ｄ值：居住建筑屋顶和外墙的传热系数和热情性指标应符合规定。外窗的传热系数和综合遮阳系数符合规定。围护结构Ｋ、Ｄ值直接影响建筑采暖空调房间冷热负荷的大小，也直接影响到建筑能耗。围护结构采用重质材料，Ｋ、Ｄ值比较容易达到要求。采用轻质材料，对达到所需Ｋ值比较容易，要达到较大的Ｄ值就很困难。如果围护结构要达到较大的Ｄ值，只有采用自重较大的材料，因此完全以Ｄ值和相关热容量的大小，来评定围护结构的热稳定性是不全面的，会阻碍轻质保温材料的使用，不利于围护结构的政策。

（４）遮阳系数。居住建筑的外窗，尤其是东、西朝向的外窗宜采用活动或固定的建筑外遮阳设施。居住建筑外窗

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（包括阳台门）的可开后面积不应小于外窗所在房间地面面积的８％或外窗面积的４５％。外窗的可开启面积过小会严重影响房间的自然通风效果。近年来，为了片面追求外窗的视觉效果和建筑立面的简约设计风格，外窗的可开启率有逐渐下降的趋势，有的甚至于不足外窗面积的２５％，导致房间自然通风量不足，不利于室内空气流通和散热，也不利于保持室内良好的卫生条件。居住者只有被迫选择开启空调器降温，以达到室内的热舒适性水平。作好自然通风气流组织设计，保证一定的外窗可开启面积，可以减少房间空调设备的运行时间，节约能源。在保证安全的前提下，采用平开窗。因为推拉窗的最大可开启面积接近５０％，平开窗接近１００％。（５）通风系统。对于夏热冬暖地区中的湿热地区，由于昼夜温差小，相对湿度较高，因此可以设计连续通风来改善室内环境。而对于干热地区，则考虑用白天关窗，夜间通风的方法来降温。另外，我们南方亚热带地区有季节风，因此在建筑物设计中要充分考虑利用海风、江风的自然通风优越性，并按自然风为主、空调为辅的原则来考虑建筑朝向和布局。利用自然通风是能够适应气候的一种适宜性技术措施，可以在降低能源消耗的同时为室内引入新风，在现代技术的发展过程中，自然通风可与太阳能技术、地下蓄冷蓄热、自动控制等技术结合，复合成一个有组织的自然通风系统。

４．小结

随着城市化建设的高速发展，我国的建筑能耗逐年大幅度上升，庞大的建筑能耗，已经成为国民经济的巨大负担，建筑节能工作必须强而有力地推进，其中建筑节能设计是保证节能效果的首要环节。在进行建筑节能设计时，应充分、合理、有效地利用当地气候资源，运用系统论的观念，将规划、设计、构造、园林绿化等专业有效结合，采用高效、经济的节能型建材和先进的构造技术，在保证和提高建筑舒适性的前提下，尽量降低建筑物使用过程中的能耗，创作既符合建筑学原理，又符合节能原则的优秀建筑。

（作者单位：华中科技大学土木工程与力学学院）