谈北方地区居住建筑节能设计

刘红霞

(山西凯的建筑设计规划有限公司晋城分公司，山西晋城 048000)

1 概述

据统计，目前发达国家建筑用能已达社会终端能耗40%以上，而我国建筑能耗约占全国能源消费总量25%。由于我国城镇化率的飞速增长，到2020年建筑用能占社会总能耗的比例将近10%～20%，趋同发达国家。节能减排早已是我国一项基本国策，降低建筑用能对能源安全有重要作用。对严寒和寒冷地区的新建、改建建筑进行节能设计，既可以改善建筑室内热环境，提高采暖系统的能源利用效率，还有利于节约能源和保护环境、抑制全球气候变暖，真正实现资源和经济社会的可持续发展。

2 居住建筑节能设计概述

我国现行规范将采暖能耗降低65%作为节能目标，要求将建筑物耗热量指标小于等于规定值，再按此目标对建筑节能设计提出措施要求。笔者所处北方城市采暖能源以煤为主，冬季采暖方式以集中供热为主。根据严寒和寒冷地区气候条件，当地居住建筑冬季采暖能耗是全年建筑能耗的主体，最普遍有效的节能方法就是根据建筑围护结构的热工性能参数要求，在建筑外围护结构做一定厚度的保温，降低传热损失;同时提高采暖、通风和照明系统的能源利用效率，满足对建筑物总能耗指标的要求。

考虑到北方不同地区的经济、技术情况与居住建筑结构、构造的实际情况，节能措施及节能材料可做选择和调整，但保温材料必须具有相关部分节能技术产品认定证书、质量监督检验单位出具的防火、材料性能检验报告。

3 居住建筑节能设计方法及措施

判定居住建筑是节能建筑的一般方法是模拟计算。通过专业的节能软件将拟建建筑建成三维模型，根据建筑围护结构的各个部位的物理性能，做相应建筑材料及厚度的保温措施，最后在保证室内热环境的前提下以计算出的建筑物建筑的耗热量、采暖耗煤量指标而判定。

北方地区(严寒和寒冷地区)居住建筑节能建筑部分设计及措施主要包括以下几点。

3.1 建筑物布局、朝向、日照间距

居住建筑布局大多是组团、区等形式进行群体组合，我国现行GB 50096—2011住宅设计规范中规定“每套住宅至少应有一个居住空间能获得日照”，北方居住建筑设计首先要考虑充分利用自然能源，冬季太阳高度角和方位角的变化规律使建筑最大限度增加太阳辐射得热，南北朝向的建筑冬季可以获得多的日照得热，这是最直接有效的节能措施。根据北方地区夏季最多频率风向，南北向建筑在炎热夏季对流通风效果更佳;北方地区冬季主导风向为西北风，南北朝向建筑也可以减少冷风直灌。总体布局中建筑物南北间距也需通过模拟计算确定，因为在采暖季建筑的南墙太阳辐射面积因其南侧建筑的遮挡而缩小，室内有效日照时间就会减少。

3.2 建筑体形

北方居住建筑设计平面、立面尽量简化规整，减小凹凸，标准层面积小的住宅建筑适当增加层数，多单元组合的住宅一字并列，减少和避免建造单元少的点式低层建筑等。原因是首先当代建筑设计注重与城市设计共生满足，建筑形态设计摒弃复杂凸凹主张简单，其次建筑体形对建筑物的节能效果有很大影响，相同条件下，外表面积越大，体型系数越大，单位面积散热量也越大。衡量建筑体形的合理性，一般用建筑体形系数来表达。北方的严寒地区外墙的传热耗热量占围护结构耗热量的28%以上，外墙过多容易产生结露长毛现象。一个建筑体形系数在0.3的基础上每增加0.01，其建筑能耗增加2.4% ～2.8%。

3.3 屋面、外墙、地下室顶板等围护结构保温措施

住宅围护结构的热耗量占整个建筑采暖热耗量的1/3以上，能耗是由围护结构的热传导和冷风渗透两个方面造成的。提高住宅外围护结构的保温隔热性能，可以减少冬季室内传出的热量和夏季室外传入的热量，有利于节能。

屋面保温层应优先选用轻质、导热系数低、吸水率低、性能稳定的高效保温材料。目前住宅墙体多为加气混凝土砌块，这种材料本身具有低的导热系数，但由于墙体中的梁、柱等容易形成冷桥的钢筋混凝土构造，不能满足保温隔热的设计，因此一般采用外墙外保温。高效保温材料的使用可以保护主体结构、延长建筑物寿命、消除“冷热桥”影响;避免内墙潮湿结露。

另外地下室顶板、楼梯间、外走廊、户门、与土壤接触的地面等部位虽然未与室外空气直接接触，但由于受二维、三维传热的影响，造成大量热损失，一定要增设保温材料层或采取措施。变形缝接触室外空气处用保温材料满填。

3.4 外窗节能措施

外窗是影响建筑能耗的重要因素，作为能耗散失的最薄弱部位，其能耗占建筑总能耗的比例较大，其中传热损失为1/3，冷风渗透为1/3。提高外窗的保温性能，减少热传递量可采取如下措施:

控制窗墙比——居住建筑窗墙比计算只考虑最可能超标的开间，这样建筑节能施工图审查也比较方便。由于住宅窗面积的大小受日照、采光、通风、视线间距等满足室内环境要求制约，东西南北朝向窗大小满足室内采光设计标准后，根据限值不同可适当调整。

提高外窗的气密性——规范明确严寒地区及寒冷地区规定外窗的气密性等级不应低于GB/T 710—2008建筑外门窗气密性、水密、抗风压性能及检测方法中规定的等级。节能设计中选用新型的、密封性能良好的门窗材料，窗玻璃选用空气层夹层或惰性气体夹层的中空玻璃，避免冬季室外空气渗漏。窗四周与墙相交之处容易出现热桥，窗框与墙间的缝隙用密闭型材料密封，例如聚氨酯填堵，门窗洞口室外部位抹30厚玻化微珠保温砂浆，5厚聚合物抗裂砂浆面层，压入耐碱玻纤网格布。外窗的开启方式在满足自然通风条件下多选用固定扇。

无热桥设计——外墙热桥主要出现在梁、柱、窗口周边、楼板和外墙的连接处，凸窗上下板和外墙连接处、空调搁板、雨篷、屋顶檐口、女人墙和屋顶连接、混凝土装饰构件等处。热桥是出现高密度热流的部位，加强热桥部位的保温，可以减小采暖负荷。另阳台和房间之间隔墙不可省去。阳台和直接连通的房间之间隔墙视作外墙，住宅外门设防风门斗，对穿墙管线、屋顶上入孔进行封闭处理。

4 新技术、新材料

北方居住建筑节能设计近年来也随着时代变迁与时俱进，建筑节能方面出现了很多新兴节能材料和技术措施。

4.1 围护结构保温系统

近年来我国推行的建筑高效保温与结构一体化技术。集保温隔热功能与围护结构功能于一体，具有与建筑同寿命、安全可靠、施工方便等优点，是对传统建筑保温材料粘贴技术和施工方法的重大变革。可有效解决传统节能保温工程空鼓、开裂、脱落等质量通病，提升建筑保温耐火性，符合国家节能减排的要求。当前，重点推广难燃级聚氨酯等高效保温材料、CL结构体系、保温型复合免拆模板保温系统、非承重砌块自保温结构体系、装配式墙板自保温体系、居住建筑夹芯保温复合砖砌体结构体系等一体化技术。

4.2 外窗

高效保温性能的外窗目前有德国120系列塑钢节能型材玻璃:构造形式为三玻一中空一真空。节能窗的传热系数 K≤0.8 W/(m·K)～1.0 W/(m·K)的外窗，其性能远高于现在普遍使用的空气层夹层或惰性气体夹层的中空玻璃节能型材窗。

4.3 高效热回收装置

高效热回收系统目前是被动式房屋必备的设备，它是实现室内新风能够满足室内二氧化碳含量不大于1 000 ppm和将换气热损失降到最低的关键设备，其热回收效率在80%以上。期待着某一天它能用于我国北方地区的住宅建筑。

4.4 其他

居住建筑节能设计除了以上建筑部分新技术外，其他专业还包括了太阳能发电、采暖系统;地下水源、地表水源、污水源、土壤源、空气源等热泵采暖技术应用;被动式太阳能、通风设计及自然采光、遮阳、太阳光导采光系统设计;中水回收、雨水回收、工业余热利用设计;节水洁具、节电电器等。

5 面临的挑战和困难

居住建筑节能设计尽量降低了建筑能耗，但它仍面临的挑战和困难。一是无法保证建筑物舒适度要求，人感觉最舒服的室内相对湿度是在40% ～60%，温度在18℃ ～26℃，并且新风量满足人体需要。目前尚无住宅建筑能单靠节能设计达到这个目标。二是施工质量难以保证房屋，由于建筑本身的气密性不好、或外墙外保温系统有质量问题，即使按图纸做了保温，仍有部分能耗损失导致室内温度不能达标。三是建筑设计、运行、管理水平有待提高，加强对应用节能技术的设计、审图、施工安装、监理、监督等人员的专项培训，提高设计和施工水平。

6 结语

居住建筑节能是建筑节能的重点。节能理念贯穿建筑设计始终，从初期总体规划到单体设计，由整体到构件，要最大限度利用自然资源，高效利用本土产品;大胆采用新技术、新材料，在保证建筑物内的环境满足舒适度的同时，实现最大幅度的节能，建筑节能性能的提高可以大大缓解我国城市化进程中的能源压力，有利于建设节约型社会。