昆明地区居住建筑节能策略研究

宫婉婷

（云南大学）

1 引言

近年来，节能减排与生态建设成已成为国家发展的重点关注领域。据统计，与建筑相关的能耗约占全球全部能耗的一半[1]。因此，建筑节能是可持续发展进程中亟待解决的问题。本文以昆明地区情况作为主要研究对象，在结合JGJ475-2019《温和地区居住建筑节能设计标准》、DBJ53/T-39-2011《云南省民用建筑节能设计标准》、以及2020年《云南省民用建筑节能设计标准》（征求意见稿）等标准、政策的基础上从建筑与建筑热工设计、通风和空气调节节能设计、给排水节能设计、建筑电气节能设计、可再生资源应用等方面探究建筑能耗的减少途径，探究建筑节能设计的可行策略。

2 昆明地区气候特点

昆明属云南省会，根据《建筑气候区划标准》划分，属第Ⅴ建筑气候区，根据《温和地区居住建筑节能设计标准》划分昆明地区属于温和A区。总体而言，昆明地区气候冬温夏凉，干湿季分明；日照时间长，年度气温变化较为平均，单日温差较大；终年太阳投射角度大，年均总辐射量达 5424.5 MJ/㎡，以夏季尤为突出[2]。

与其他各类气候分区相比，昆明地区居住建筑对空调、风扇等能耗设备需求较小，居民习惯于生活在自然通风建筑环境中，夏季自然状况下开窗通风基本可满足热舒适性要求[2]，冬季取暖多以个人行为为主。

因此，温和A区的节能设计目标提倡通过改善建筑自身设计、围护结构性能，实现夏季降温、冬季保温，进而减少供暖能耗与空调能耗；电气照明、给排水节能方面可结合特有资源与适用于温和地区的新技术，实现建筑节能全生命周期应用。

3 昆明地区居住建筑节能设计策略

针对昆明地区的气候特点，结合当前建筑新技术的发展，对该地区居住建筑的建筑与建筑热工节能设计、通风与空调系统节能设计、给排水节能设计、建筑电气节能设计、可再生能源应用五个方面提出以下设计策略。

1）建筑与建筑热工节能设计策略

建筑的选址、结构与气候条件均会影响建筑的居住舒适度。从建筑整体设计的角度分析，居住建筑朝向宜采用南北朝向，可最大程度利用南向阳光改善冬季居住温度，同时避免夏季强烈西晒导致室内温度过高，影响室内热环境。

为减少建筑吸收的太阳辐射，对建筑外围护结构的选择上，可采用物理隔热或选用太阳辐射吸收系数ρ值较小的建筑材料。例如，在太阳辐射较为强烈的东、西外墙种植爬藤植物或安装遮阳构件，夏季可吸收太阳辐射，冬季亦可确保室内获得足够阳光。在热辐射量较大的顶层，天窗可安装高侧窗与活动式遮阳[3]，避免白天温度过高，同时减少夜晚因温差过大造成的传热损失。屋面设计可结合建筑风格与整体规划，选用种植屋面、蓄水屋面[3]，选用多孔含水材料，有效降低太阳辐射的热流传递，降低内表面温度；围护材料的选择应考虑热传导值较小的表面光滑、颜色较浅的材料，在同等条件下，较小的热传导值可降低建筑吸收的热量，保持室内外温度平衡。

从节能角度考虑，温和地区居住建筑的体形系数、外墙、屋面热工性能均需满足一定限值。

体形系数决定着建筑外表面积由整体体积分摊后的单位数值，可公式化为：

式中：Tx为体形系数；F为建筑整体外表面积；V为建筑整体体积

由式可知，当建筑整体外表面积越大时，Tx值越大，单位体积分摊的外表面积越大，则在使用过程中其传热损失越多[4]，不利于建筑整体的热量守恒，因此应尽量使形体系数维持在较小水平。

同样地，建筑热工性能指标如平均传热系数K[W/(㎡·K)]、材料种类、厚度 δ、 热 阻 R[(㎡ ·K)/W]、 蓄 热 系 数S[W/(㎡·K)]、热惰性指标D、窗墙比等均会影响建筑的节能性能。

平均传热系数K值可理解为各部分围护结构在单位时间内传递的热量，计算如下式：

式中：K为外墙平均传热系数，W/（㎡·K）；Km为外墙加权平均传热系数，W/（㎡·K）；ψ为外墙加权平均传热系数的修正系数，按外墙保温构造与K值综合考虑[5]，K值越小，则热量散失越慢。

加权平均传热系数即为考虑了围护结构周边混凝土梁、柱、剪力墙与围护结构使用不同传热系数材料时产生的“热桥”影响，为使建筑传热量控制在一定范围内，而计算出的平均数值，计算如下式：

式中：KP为外墙主体部位的传热系数，W/（㎡·K）；KB1，KB2，KB3为外墙周边热桥部位的传热系数，W/（㎡·K）；FP为外墙主体部位的面积，㎡；FB1，FB2，FB3为外墙周边热桥部位的面积，㎡[5]。

热惰性指标D值由D=R×S决定，可代表建筑受环境温度影响的程度，材料的热阻与蓄热系数越大，D值越大，则环境的周期性温度波衰减速度越快，说明建筑围护结构越稳定。

窗墙比即为围护结构上的外窗面积与围护结构总面积之比。考虑建筑不同朝向受太阳热辐射与流通气流的不同，不同朝向的窗墙比限值不同，为减少热量流失，同时对不同楼层高度的外窗气密性也有一定的要求。窗墙比过大时，室内通过外窗散失的热量增加，室内环境越不稳定，即会产生维持热环境平衡的额外能耗。因此，综合考虑太阳辐射与居民生活习惯，对东、西向窗墙比限值最为严格、北向次之、南向更次之，既可避免东、西向强烈日照，又可在冬季获得足够热量辐射。对窗墙比的限制，实际上以更高的效率提高了围护结构的热工性能，使K值无需严格限制，即可确保室内温度平衡。

从外窗的气密性角度考虑，目前温和地区由外窗热传播损失的能耗可达总能耗的半数以上。居住建筑高层的风速更快，需进行更高的气密性等级限值，同时，可结合实际情况选用气密性能良好的中空、双层外窗，避免夏季热空气、冬季冷空气的渗透。

综上所述，温和地区建筑热环境的稳定性主要以被动式建筑优先，强调建筑自身的平衡调节能力。因此，为确保当建筑材料、结构等发生变化时，建筑热环境在一定范围内仍保持稳定，对重要热工性能指标进行限制，选用传热较慢，蓄热稳定的材料，从围护结构的角度控制能耗是有必要的。

2）通风与空调系统节能设计策略

温和地区居住建筑改善居住热环境主要依赖于自然通风，其动力来源于风压与热压的共同推动作用[6]。风压受建筑朝向、外窗有效通风面积的影响，热压受室内外温差、通风口高差的影响。因此，建筑的总体规划与细部构造均会影响居住的舒适度。

从建筑整体布局的角度考虑，为获得足够的流通气流，同时避免冬季主要迎风面寒流过大，可根据不同建筑群整体规划，使建筑与主导风向间形成夹角[5]，阻挡快速流动的迎面气流，可在确保获得足够太阳辐射的前提下避免冬季开窗通风时损失较多热量。

从居住建筑的户型设计角度考虑，稳定的室内热环境需考虑合理的室内自然通风路径设计，确保室外新风可由可开启外窗进入，不留通风短路与通风死角，卧室、起居室等主要活动房间位于上风位置，避免污浊空气污染[5]。通风路径在设计时应确保凹凸变换，主要迎风面的外窗可适当增加开启高度；同时，考虑冷空气影响，在冬季主导风向可设置活动挡风装置。

对居住建筑中存在的通风死角，可通过辅助机械通风装置与可开启采光窗，满足空气流通。例如，在地下室、半地下室可安装通风采光高窗、竖井[5]，在无自然通风的厨房，卫生间可安装低噪音的吊顶通风装置，尽可能确保各处空气流通顺畅。

为控制建筑能耗，温和地区居住建筑不宜采用空调供冷或取暖，当有必要的使用需求时，应选用符合节能设计标准的设备，居住建筑集体安装户式集中空调时，应统一规划预留位置，避免影响建筑立面美观，使空调外机处于牢固稳定，便于检测的位置；冬季有采暖需求时，应结合用户承担能力与可利用资源，选择太阳能、地热能等可再生资源，结合昆明地区年日照辐射量大，日照时间长的特点，居住建筑应普遍安装太阳能热水系统，降低建筑使用能耗。

3）给排水节能设计策略

我国的水资源一直处于总量有限，人均占有量较少的状态，随着城市化进程的发展，居住建筑用水占总用水量的比例逐年上升。在考虑给排水节能设计时，应考虑选用合理适用的节能原则、流量智能化控制系统，选用较高用水效率等级的卫生器具，确保水资源可被高效、节约利用。

在居住建筑给水过程中，应尽量充分利用供水管网的水压进行直接供水，对于必须进行二次供水的高层建筑，应结合实际给水条件、住宅区规模、建筑高度、使用情况等参数综合确定二次加压泵站的位置、数量与供水水压标准，区域供水时以居中或靠近用水量较大位置为宜，在条件许可时可采用叠压供水系统或调频变速泵组[5]，以此充分利用动力能源。生活污水的收集以统一流径，便捷排放为原则，居住建筑的生活废水、污水排放与雨水收集可采取重力流系统直接排放至室外网管[5]。

当居住建筑有集中供应生活热水的需求时，应明确冷热水管道分区、平衡压力，选用确保循环管网顺利运作的有效措施，结合实际情况，可选择稳定、可靠的工业余热、废热、可再生能源等热源，如空调冷凝热、地热、空气热源等[5]；当采用电加热集中用水时，可在保证生活热水实时供应前提下在低谷时段用电。

对日常用水的实时监控可利用智能化监管设备，对住宅入户流量设置用水计量远程传输装置，分类分级记录各类用水情况，并监督管网的损漏、整改，对集中供应热水的水加热间、换热站室，可安装热水表或能源计量表[5]，同时对热水管道进行保温设计，减少热量散失。

4）建筑电气节能设计策略

居住建筑的电气照明节能设计应从前期设计阶段着手，结合建筑特点与实际情况，合理采用节能技术和节能设备，在技术措施允许的情况下宜优先考虑可再生能源供能，在居住建筑使用过程中辅以建筑设备监控系统对建筑设备进行自动监管、协调运行，从多角度、多方面进行能耗节约。

供电电气系统宜选用技术先进、成熟、可靠，损耗低、谐波发射量少、能效高、经济合理的节能产品[5]，各类室内外照明灯具优先选用性能安全、高效稳定、使用寿命长的LED光源，同时可利用各类导光、反光装置[5]等设施将天然光源引入室内，根据实际天气、自然光情况控制整体亮度稳定。

在居住建筑的公共活动区域，如走廊、门厅、电梯厅等区域可应用节能自熄开关控制、感应自熄开关控制，减少无人使用时灯光常亮造成的能源浪费。为高效监管、计量能耗，可根据建筑使用功能，运营管理等情况，通过安装符合标准的电能计量装置，对建筑用电能耗进行分项、分户管理，家庭用电可分为公共区域照明、电梯等，集中提供配套服务设施的电力设备，私人照明、空调用电等，以此进行分类电能管理。

5）可再生能源应用

建筑节能设计的基本原则可概括为“绿色环保，低碳减排”，在能源利用方面，因地制宜推广可再生能源的使用是很有必要的。昆明地区属低纬高原，太阳能资源、地热资源丰富，温和地区的气候特点也适于使用空气源热泵，结合实际情况也可逐步推广风能、核能等新能源综合利用。

目前，昆明地区太阳能资源应用主要以太阳能热水为主，对太阳能光伏发电应用较少。为进一步充分利用太阳能资源，宜采用使用效率较高的光热产热、光伏发电与建筑一体化系统[5]，使能源利用系统与建筑同步设计，充分利用可接受的光照面积，确保应用的实际利用能力。结合户型设计，可尝试应用被动式太阳房，以朝向良好的直接受益式太阳房为宜，围护结构选用蓄热性能良好的材料、传热系数较小的集热窗，可充分利用玻璃透过太阳辐射热而无法透过红外热的“温室效应”，选择增大透光性较好材料的透光面积，以获得更多热量储备，同时可辅以外窗内侧保温窗帘、镀铝聚酯薄膜、双扇木板等[3]，保证阳光房夜晚也可保持温度。

居住建筑设置集体空调时，可结合实际的地表水源、地下水源情况选择适宜的技术方案。在应用地热能源时，宜优先选用地表水热源热泵[5]，节约地下水资源，同时，可选用有热回收功能的水源热泵[5]，辅助加热生活热水，对加热系统采用变流量控制，通过监控负荷变化调节给水量。

昆明地区属温和地区，较为适用空气源热泵供热，因其最冷月平均温度约为8℃，在冬季可选用辅助热源供给生活热水与空调系统，应选用符合有关标准的节能设备，热源系统应根据实际需要与热泵机组的构成设计相关设施。

4 结语

综上所述，昆明地区有较大的建筑节能潜力。在未来发展中，可充分利用被动式建筑节能技术，通过对居住建筑的总体规划、户型设计、材料选择等方面进行合理规范，以及在建筑给排水、电气节能方面选择适宜的供应条件、监督手段，同时充分利用该地区丰富的太阳能、地热能等可再生资源，确保昆明地区居住建筑在确保宜居性的情况下尽量减少建筑能耗，实现建筑节能的总体目标。