严寒和寒冷地区居住建筑节能设计计算探讨

王鸿宇

(山西省建筑设计研究院，山西太原 030013)

0 引言

建筑节能技术是针对建筑使用过程中一系列能耗所采取的综合技术。总的来说，建筑节能主要从节约传统能源和开发利用新能源两个方面来着手。严寒和寒冷地区居住建筑节能首先要降低建筑围护结构的传热损失。2010年3月住建部发布的JGJ 26-2010严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准对此地区居住建筑节能设计与计算有诸多细化和改进之处。

1 住区规划和方案设计阶段

在住区规划和方案设计时应注意与节能设计相衔接。在住区规划时，建筑宜设在避风向阳的地段，同时选择好的建筑朝向，以利于利用冬季日照并避开冬季主导风向(标准4.1.1条)，以有利于避开夏季有害日照方向。规划应该注意形成夏季住区通风的条件，尽量避免将后排建筑落在前排建筑的风影区内，这样对改善夏季住宅室内热环境和减少空调使用都是有利的。

户型尽量不设计三面外墙房间和多向墙开窗的房间(标准4.1.2条)。标准4.2.5条确定可开设凸窗的方向，应该注意北向是不允许开凸窗的，南向及寒冷地区东西向可以开设。标准4.1.4条注释2规定了各方向夹角范围，用以确定建筑的朝向归属，应该注意建筑有可能出现没有南向的情况，这条规定应该在设计凸窗时遵守。

2 节能计算方法的确定

在确定居住建筑的节能计算方法时，主要核算体形系数和各开间窗墙面积比这两个数据。

体形系数是建筑与室外大气接触的外表面积与其所包围的体积Vo的比值。方案设计时应注意控制体形系数，尽量减少建筑的凸凹和体形变化。建筑面积Ao及与之相对应的Vo的计算应按照标准附录F前两款规定计算，外表面积也应与Vo相对应。此外还需注意以下几点:

1)外表面积不计算地面面积。

2)凸窗凸出部分不计算。

3)坡屋顶面积为其周边外墙所围合屋顶的展开面积。

4)有底商时，底商按照公建节能标准计算，住宅部分外表面积算至分界部位楼面标高处。

各开间窗墙面积比是外窗洞口面积和外窗所在墙面(含洞口面积)面积的比值。窗墙面积比的计算应该注意以下几点:1)执行标准4.1.4条时首先应该按照标准4.1.4条注释2确定门窗所在墙面的方向归属。凸出和凹槽部分墙面的朝向归属还应该按照标准F.0.11条的规定来确定。内天井部分墙面的朝向归属应该按照标准F.0.12条的规定来确定。2)标准规定窗墙面积比应该分开间计算(标准4.2.3条2)，应包括楼梯间。3)各开间墙面积高度计算层高，中间房间计算轴线间宽度，边缘房间计算轴线到外墙边缘的宽度。4)对于阳台，当属于标准4.2.7第2，4款情况时，应计算阳台的窗墙面积比;当属于标准4.2.7第3款情况时，应计算与阳台分隔墙面的窗墙面积比，注意阳台门应该全部计入窗户面积。5)凸窗的窗面积按照窗洞口面积计算，同时应该注意选择更好的窗户并加强凸窗上下板面的保温(标准4.2.5条)。6)寒冷B区注意东西向窗户的综合遮阳系数小于标准表4.2.2.6的限值。7)外窗应该满足标准4.2.6条气密性的要求。

当体形系数和各开间的窗墙比均小于标准表4.1.3和表4.1.4限值时，就可以按照表 4.2.2-1～ 表 4.2.2-5规定的各围护结构传热系数限值设计相应的保温构造做法，注意围护结构的平均传热系数Km应该按照标准附录B和附录C的方法取值或计算。

3 围护结构热工性能的权衡判断计算

当体形系数或各开间的窗墙面积比有超过标准表4.1.3，表4.1.4限值时，则应该进行围护结构热工性能的权衡判断。如果窗墙面积比超过表4.1.4限值加0.1时，则应该适度调整方窗户大小。

进行围护结构热工性能的权衡判断计算时，采暖空间室内计算温度tn取18℃;不采暖楼梯间、封闭外廊等室内计算温度取12℃。采暖期室外平均温度te(查标准附录A.0.1-1或当地设计资料)。单位建筑面积建筑物内部得热qIH取3.8 W/m2。

3.1 计算墙面、屋面的传热量qHq，qHw

需要查取太阳辐射对外墙、屋面传热系数影响的修正系数ε(标准附录E.0.2或当地设计资料)，注意核实墙面的方向。

需要量取计算的数据有:

1)分别计算采暖房间、不采暖楼梯间和封闭外廊等屋顶面积Fwi。

2)分别计算采暖房间、不采暖楼梯间和封闭外廊等各个方向的外墙面积Fqi。注意外墙面积不包括非采暖封闭阳台部分的墙体，封闭阳台的传热量另行计算。

需要设计计算的数据有:

1)外墙的平均传热系数Km应该按照标准附录B的方法计算。

2)屋面传热系数K可取主断面传热系数，如果屋顶有明显热桥可按照标准附录B的方法计算。

3.2 计算地面、与室外接触楼板的传热量qHy

计算地面传热量需要量取地面面积Fdi，分为周边地面和非周边地面两组。需要设计计算地面的传热系数Kdi，应用二维非稳态传热计算程序计算，也可以从典型地面传热系数表中对应查找。计算与室外接触楼板的传热量需要量取楼板面积Fdi。需要设计楼板的传热系数Kdi，可以直接取楼板主断面的传热系数。

3.3 计算外窗(门)传热量qHmc

需要查得窗(门)外表面采暖期平均太阳辐射热Ityi(查标准附录E.0.4)。需要量取计算的数据有:1)外窗(门)洞口面积Fmci。2)外门透明部分洞口面积。注意计算太阳辐射影响时只计算门的透明部分面积，而计算门的传热量时，传热系数为门的平均传热系数。需要设计计算的数据有:1)窗(门)的传热系数。2)外遮阳遮阳系数SD，应按照标准附录D的方法计算。计算外遮阳系数时应该注意一些不以遮阳形式出现的建筑出挑与凸凹。3)查得选取玻璃的遮阳系数SCB和窗框面积比，结合外遮阳遮阳系数SD，来计算门窗的综合遮阳系数SC。

3.4 计算非采暖封闭阳台传热量qHy

需要查得的数据有:1)不采暖封闭阳台对内部墙体、窗、门起保温作用的温差修正系数ζ(查标准附录E.0.4)。2)封闭阳台外表面采暖期平均太阳辐射热Ityi(查标准附录E.0.4)。需要量取计算的数据有:1)分隔封闭阳台和室内的墙、门、窗总面积Fqmc。2)分隔封闭阳台和室内的门、窗洞口面积及透明部分面积。需要设计计算的数据有:1)分隔封闭阳台和室内墙、门、窗的平均传热系数Kqmc(加权平均计算)。2)分隔封闭阳台和室内门、窗的太阳辐射修正系数C'mc。确定这个数字要先计算SCW和SCN两个数字。SCW的计算方法和外窗SC的计算方法相同，不再赘述。SCN的计算应该注意阳台外窗以及内构件对它形成的遮阳，如上层阳台的底板、阳台的两个侧墙等都对阳台内门窗形成了遮阳，这些情况应该考虑在计算SCN的过程中，否则会算得太阳辐射得热大于实际情况。

3.5 计算空气换热耗热量qINF

需要查得的数据有:1)空气的比热Cp，取0.28 W/(kg·K)。2)换气次数N，取0.5/h。3)空气密度取te时的值，可根据标准132页提供的公式求得。换气体积V应根据标准附录规定V在两种条件下与建筑体积Vo的关系计算。

4 节能设计计算一些细节的探讨

对于凹槽内的窗户，当窗户内为厨房或居室时，窗户在小于窗墙面积比加0.1的限值要求的同时还需要满足窗地比要求，这样会使开窗问题陷入两难。无可否认凹槽对于建筑体形系数的控制是有害的。个人认为对于凹槽内房间来说，它大多被采暖房间包围，只有很少的围护结构接触室外，房间的热负荷是比较小的，对于节能有有利的一面。所以可以就单间房间的最顶层和最底层来核算其单位面积耗热量，使其小于附录A中的耗热量限值。我想这样对于保证建筑节能要求和提高居住建筑设计的自由度都是有利的。

在权衡判断计算时，最关键的数字是建筑面积Ao，它应该与Vo相对应。对于阳台，当属于标准4.2.7第2，4款情况时，阳台应该视为外墙内，计算其建筑面积和体积;当属于标准4.2.7第3款情况时，阳台可以视为外墙外不计算，也可以视为外墙内计算。

地下室、半地下室不论采暖与否都不会作为居住空间，且地下室、半地下室和土壤间的传热计算非常复杂，不利于工程设计计算实践。个人认为应该不论地下室、半地下室采暖与否都与地上各层分开对待。计算体形系数时不计算地下室、半地下室的外表面积和体积。但地下室、半地下室要满足标准中表4.2.2-1～表4.2.2-5规定的周边地面和地下室与土壤接触外墙的保温层最小热阻值。为了简化计算，个人认为对于屋顶上不采暖的水箱间、电梯间等附属用房，可不把它们的外表面积、体积、建筑面积计算入核算体形系数的数据建筑外表面积、Vo以及Ao中。但它们与采暖空间接触的楼面的传热系数应该小于标准中表4.2.2-1～表4.2.2-5规定屋面的传热系数限值。

在权衡判断计算非采暖地下室顶板的传热量时，由于地下室温度并不是te，所以需要对温差进行修正，地下室外墙上有窗修正系数取0.75，地下室外墙上无窗且顶板位于室外地坪上修正系数取0.60，地下室外墙上无窗且顶板位于室外地坪下修正系数取0.40。需要量取计算顶板面积Fdi。需要计算楼板的传热系数Kdi，可以直接取顶板主断面的传热系数。

封闭变形缝(两侧墙做内保温时)室内外温差修正系数取0.3，并量取变形缝两侧墙体面积。设计计算两侧墙的平均传热系数Km应该小于标准中表4.2.2-1～表4.2.2-5规定分隔采暖空间和非采暖空间隔墙的限值，注意传热的墙有两堵。如果当变形缝内填充保温材料时，可不计算变形缝的耗热量。

在权衡判断计算时，对于不采暖楼梯间向不采暖地下室的传热量不会很大，可以不计算。不采暖楼梯间热量来源于采暖空间，向地下室传热属于再次传热，这个传热量对于提高地下室的温度也是有益的。但是对于采暖的楼梯间则应该满足标准中分隔采暖与非采暖空间隔墙的传热系数限值，权衡判断计算也应该计算这部分的传热量。

通过数据梳理和分析，可以看出严寒和寒冷地区居住建筑节能设计计算需要处理的数据非常繁杂，尤其是采用权衡判断方法来计算时需要特别细心。文章第四部分提出的一些建议和处理办法，以期能对标准未详细叙述的问题做进一步探讨，以供参考。

[1]JGJ 26-2010，严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准[S].

[2]JGJ 26-95，民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)[S].

[3]DBJ04-216-2006，民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)[S].

[4]居住建筑节能设计标准.北京市地方标准征求意见稿[Z].2011.

[5]王立雄.建筑节能[M].北京:中国建筑工业出版社，2009.

[6]柳孝图.建筑物理[M].第2版.北京:中国建筑工业出版社，2010.

[7]GB50176-93，民用建筑热工设计规范[S].