建筑节能设计标准变革和建筑物的节能设计

田斌守 贾雪霞（甘肃省建材科研设计院，甘肃 兰州730020）

1 前言

我国在 “十五”、“十一五”国民经济发展时期，国家连续保持着8%左右的发展高速，我们的综合国力有了很大的提高。但是，人们也意识到了能源紧缺对可持续发展的威胁。同时这一阶段又是我国住宅产业高速发展的时期。脱贫并逐步富裕的国人首先要解决住房问题，几十年来积聚的住房需求很快爆发出来，加之近几年城市化进程的加快，使得这一势头更猛烈。一方面人们要增加住房面积，另一方面要提高居住质量，这两个因素使得建筑能耗快速增长至一个高位，并且当今仍在以高速增长。据统计，我国仅用于维持居住热舒适质量的采暖空调能耗就达到全社会终端能耗的27.5%，这还不包括生产建筑材料的能耗和建造建筑物耗费的能耗。

但是社会要发展，不能让老百姓停留在原有的生活水准，提高人民的生活质量和水平是我们国家的大政。那么我们就很容易理解：会有越来越多的人耗用更多的能源，所以能耗总量的增长是勿庸置疑的。目前，建筑能耗与工业能耗和交通能耗一起列为我国三大耗能行业。行业内外的有识之士疾呼建筑节能刻不容缓。建筑节能的目的是提高能源利用效率，降低维持正常使用状况时单位建筑物的能源耗用量。为此，我国根据经济技术的发展速度制定了相应的方针，实施分步进行的策略推进建筑节能。

我国首部严寒寒冷地区《居住建筑节能设计标准》JGJ26-86的颁布实施，标志着我国的建筑节能工作正式由研究阶段进入实际应用阶段。此后根据发展需要对建筑节能设计标准进行了变更，并发布了不同建筑气候区的设计标准。就在全国推进建筑节能的过程中，又发生了“央视大楼、上海教师公寓、沈阳皇朝”等几次特重大火灾，给人民的生命财产造成重大损失，建筑节能与建筑安全成了当前十分急迫的课题。

2 建筑节能设计标准变革

现在建筑行业把我国的建筑节能分为3个阶段：第一步、第二步、第三步乃至更高阶段，专业人员习惯上说30、50、65标准，是根据我国居住建筑节能设计标准规定的节能率，把节能目标为30%的阶段称为第一步，把节能目标为50%的阶段称为第二步，把节能目标为65%的阶段称为第三步，有的地方在探讨实施75%的节能目标。其实质意义是把1980年居住建筑的耗能量定为基准值，在此基础上节约的能量称为节能率，并规定了在此基础上分步走的建筑节能计划，首先发布行业标准的是建筑能耗最高的严寒和寒冷地区，以后陆续发布了我国其它气候区的居住建筑节能设计标准和公共建筑节能设计标准。即第一步先达到节能率30%，标志性技术标准是JGJ26-86《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》；第二步是在第一步建筑节能标准上再节能30%，总的节能率达到50%，标志性技术标准是JGJ26-86《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》；第三步是在第二步的基础上再降低30%，总的节能率达到65%，这时候国家标准还未发布，北京、天津、黑龙江、河南、甘肃等地率先发布了地方标准。建筑节能标准变革历程如表1所示。

表1 我国建筑节能设计标准变革情况

3 建筑传热形式和墙体热物性计算

3.1 墙体传热形式

传热的基本方式分为导热、对流和辐射3种，建筑传热过程也是以这3种方式进行热量传递的，在不同部位、不同时段传热方式的重要程度不同。以冬季采暖的建筑物为例，热量传递路径如下：在建筑物内部首先是辐射和对流，散热器与室内空气换热，室内冷热空气对流换热，墙体内表面与室内空气换热，然后以传导方式从墙体内表面传递到外表面，墙体外表面与室外空气再通过对流和辐射传递到大气中。

3.2 热物性计算

建筑物节能设计时计算的主要热工指标是热阻、传热系数、热惰性指标。

墙体设计对于整个建筑物而言主要考虑的是传导形式传递的热量，并且热量传递符合傅里叶定律，其值由下列公式计算[1]。

式中：R—墙体的热阻（m2·K/W）;

d—墙体的厚度（m）；

λ—组成墙体材料的导热系数（W/m·K）。

注：（1）空气层可视为特殊的绝热材料，因为对流传热等原因，空气层的热阻不能简单地由公式（1）计算得出，而采用经验值，从GB50176-93附表2.4中选取；（2）不同的墙体结构具体的计算步骤和公式不同，但是总的结果符合这个公式的要求。

表2 主要建筑材料热工性能

对于材料和建筑构件而言主要的热工指标是导热系数和热阻，对于建筑物而言是传热系数。在建筑节能设计标准中给出的是建筑物围护结构（墙体）传热系数K的限值，传热系数K由公式(2)计算得出：

式中：K—墙体传热系数(W/m2·K)；

R—墙体热阻(m2·K/W)；

Ri—内表面换热阻，取0.11m2·K/W；

Re—外表面换热阻，取0.04 m2·K/W。

此外为了建筑物居住的热舒适性，还要考虑建筑物墙体的热惰性指标D。

式中：D—墙体热惰性指标；

R—墙体热阻(m2·K/W)；

S—墙体蓄热系数（W/(m2·K)）。

蓄热系数S按下式（4）计算

式中：λ—-墙体导热系数（若是复合结构按平均导热系数）（W/(m·K)）；

C—墙体比热容（KJ/kg·K）；

Z—温度波动周期（h）；

ρ0—墙体密度（kg/m3）。

若以温度波动周期24小时计。公式（4）变成

4 建筑材料主要热工性能

建筑物围护结构主要组成材料有以下三大类：主体材料、保温隔热材料、饰面材料。进行节能建筑设计时主要考虑结构的安全性、传热性能、热惰性及经济性，即根据建筑结构形式、当地建筑材料的供应状况、当地建筑节能标准设计要求等因素选择适宜的建筑材料和构造作法。其中传热系数和热惰性指标是与建筑节能直接相关的两个关键技术指标，设计完成后必须对结构的传热系数和热惰性指标进行验算，判断是否满足建筑节能设计标准的要求。因此，要做好建筑节能设计必须熟悉掌握建筑材料的热物理性能。随着社会的发展、科技的进步，建筑材料的发展进程不同，这里的建筑材料与日常所指的水泥、钢材、木材、陶瓷、化学建材内涵不同，这里的建筑材料严格意义上讲是墙体材料，下面说的建筑材料也是这个意思。在上述的3种材料中主体材料的变化不大，种类也少；饰面材料是建筑材料中发展最快的，更新换代频繁，但是对建筑节能的影响不大，因此一般不考虑它们的节能性能（这里的建筑节能性能主要考虑防辐射涂料是隔太阳辐射热的，另外考虑）；保温隔热材料是建筑节能设计中考虑的重点内容，也是近几年国家重点倡导发展的材料，品种也较多。特别是“央视新址附属文化中心、上海胶州路教师公寓、沈阳皇朝万鑫大厦等大火后，公安部出台了严厉的确保建筑保温安全的文件公消[2011]65号文《关于进一步明确民用建筑外保温材料消防监督管理有关要求的通知》，将原来的《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定》（公通字[2009]46号文）的要求进行了更进一步的提高，明确了建筑保温隔热用建筑材料必须达到防火性能A级要求。这个文件的出台使得我国整个保温材料产业和建筑节能设计发生了巨大的变化。表2是一些常见的建筑墙体砌筑材料和保温材料的热物理性能[2][3]。

5 节能设计要点

在建筑节能设计过程中有许多环节，包括建筑物自身的节能设计和供热供冷系统的设计，其中围护结构节能设计是建筑物自身节能设计的重点。围护结构中窗户是个定型产品，其质量在工厂可控制，并且安装前后性能不会发生变化（窗户的质量除强度等机械性能外，与节能有关的主要是气密性、水密性、保温性能和抗风压性能，这里不赘述）。墙体是在建造过程中形成的，除了一些主观因素影响以外，还受到当地材料的生产供应情况、经济发展水平、当地建筑气候条件等诸多因素影响，这里主要讨论墙体的节能设计。屋顶的情况与墙体类似。

目前外墙的做法有4种：外墙外保温、外墙内保温、夹芯墙、自保温墙体。前3种都是复合保温墙体，用保温材料和主体材料共同承担的保温，达到设计标准要求的传热系数，区别在于保温材料层在墙体的位置；自保温墙体是用工厂预制好的复合结构砌体材料，直接砌筑墙体达到建筑节能标准要求的传热系数。前3种保温结构墙体的设计思路和传热系数计算方法基本相同，都是依据公式（1）和公式（2）进行计算的。所谓复合结构保温方式就是在主墙体上再复合1层或几层保温材料，那么首先要计算出主体墙的热阻和传热系数，然后根据节能标准计算出尚需保温材料提供的热阻，再利用已知的保温材料的导热系数计算出所需保温材料层的厚度。常见主体墙的构造及热阻计算如表3所示。

表3 常见主体墙构造及热阻

不同的建筑节能目标阶段墙体的热工性能要求不同，以表4为例来说明。表4是兰州地区不同节能设计阶段外围护结构传热系数限值。从节能30%到节能65%，外墙传热系数降低了约50%，也就是说外墙的热工性能提高了约1倍。

表4 兰州地区各节能设计阶段围护结构传热系数限值

对照表3和表4可以发现，在节能30%目标的第一阶段，300mm厚加气混凝土墙体直接可以达到要求，除此之外，所有的结构都要进行复合保温；在节能50%和65%的节能目标时，所有的墙体都要做复合保温。以兰州地区居住建筑节能65%的目标来说，各种墙体材料的复合保温结构计算如表5所示[2]。

表5中所列保温材料EPS、XPS、聚氨酯、酚醛板、岩棉板、玻化微珠砂浆、泡沫水泥等是目前主流的保温材料，主要分两类：有机类和无机类。有机类材料的突出特点是容重小、导热系数小，但是易燃烧，用在建筑物上的消防安全性较差。无机类材料的突出特点是长寿命，不燃烧，缺点是容重较大，导热系数较大，达到同样的保温性能需要的材料厚度较大。表中计算的保温层厚度是按表中的导热系数计算的总厚度，在使用时要结合墙体材料应用技术规范进行内外复合保温构造措施，材料的导热系数变化时保温层的厚度也会变化。

对于高层建筑来说剪力墙是其主要的外墙，其余少量部位为砌块填充墙。混凝土剪力墙的保温是难点，既要考虑燃烧性能，还要考虑与主体同寿命的结构安全性，从表中可以看出如果都用无机类材料，外墙需要附着厚度很大的保温层，以250mm厚的钢筋混凝土剪力墙为例，达到传热系数要求时外墙保温层约80～90mm，靠粘接和锚栓能不能安全使用，要高度重视是否存在潜在的隐患。

我国严寒和寒冷地区占国土面积的2/3以上，新的建筑节能设计标准对墙体传热性能提出了更高的要求。严寒和寒冷地区新的建筑节能设计标准JGJ26-2010规定的墙体传热系数限值如表6所示[4]。建筑节能和安全不可偏废任何一方，否则我们会为此付出沉重的代价。

表6 严寒寒冷地区节能65%标准围护结构传热系数限值

6 结语

1）建筑节能设计要遵循因地制宜、因时制宜的原则，不同的地方甚至同一个地方不同的建筑节能时期采取的措施不同。

2）保温材料各有突出的优缺点，设计时根据实际情况，本着安全、节能、经济的原则选用适用的材料和结构。

3）建筑节能设计标准提高后，墙体传热系数的限值进一步降低，如果禁用有机类保温材料，全部用无机类保温材料达到设计要求是很困难的，同时也使得实施进一步提高能效的设计标准缺乏物质支撑条件。

4）复合结构的保温是发展趋势，探讨有机和无机类保温材料复合使用的方案。

[1]中华人民共和国建设部主编.民用建筑热工设计规范[S].北京：中国计划出版社，1993.

[2]田斌守,章岩,杨树新,李玉玺.节能65%目标与自保温混凝土砌块[J].混凝土与水泥制品,2008(1):49-52.

[3]王花枝,田斌守.在建筑围护结构上用新材设计空气层应注意的问题[J].墙材革新与建筑节能,2000(2):26-27.

[4]严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准JGJ26-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010