夏热冬冷地区高层住宅建筑节能设计方案探讨

王慧丽（上海市建筑科学研究院有限公司， 上海 201108）

我国正处于城市化快速发展时期，每年新增建筑面积约20 亿 m2，2020 年我国建筑面积预计将达到约 700 亿 m2，逐步形成世界上最大的建筑市场[1]。基于此背景，普及建筑节能设计无疑将会为我国的节能减排工作做出重要贡献。夏热冬冷地区地域广袤，具有独特的热工性能，因此在进行建筑围护结构保温设计时不仅要注重保温性能，还需注重隔热性能[2]。本文以夏热冬冷气候区中的典型地区—上海为例，基于斯维尔节能设计软件，以典型某高层住宅建筑的围护结构为案例，从外墙、屋面、外窗等方面分析围护结构不同热工参数对高层居住建筑能耗的影响，确定合理的围护结构节能设计组合方案。以期在满足室内人员舒适性前提下，降低建筑实际能耗。

1 斯维尔软件

斯维尔节能设计软件 BECS 2016 是一套为建筑节能提供分析计算功能的软件系统，构建于 AutoCAD 平台之上，适于全国各地的居住建筑和公共建筑节能审查和能耗评估。软件采用三维建模，并可以直接利用主流建筑设计软件的图形文件，避免重复录入，因此能够大大提高设计图纸节能审查的效率。

建模过程如下所示：① 空间划分；② 建楼层框；③每标准层分别创建墙、窗、柱等围护结构；④ 进行重叠检查、柱墙检查、模型检查、墙基检查；⑤ 搜索房间；⑥ 模型观察，检查楼层是否闭合；⑦ 设置项目基本信息，选择计算标准，建筑朝向；⑧ 设置各房间类型；⑨ 设置工程材料；⑩ 计算建筑负荷。

2 建筑建模

2.1 基准建筑

选取基准建筑为上海市某高层住宅楼，总建筑面积 7 696.70 m2，建筑高度 60.6 m。其中：建筑地上19 层，建筑面积 7 255.22 m2；地下 2 层，建筑面积441.48 m2。

2.2 设置参数

基于斯维尔节能设计软件，建立典型高层居住建筑模型，依据 JGJ 134—2010 《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》，设置基准建筑相关信息及参数。

设置围护结构的主要参数见表 1，其中主要设置参数包括屋面、外墙、分户墙、楼板、隔墙等传热系数，以及外窗综合传热系数、综合遮阳系数等。

表 1 围护结构主要参数表

3 结果分析

设置参数完毕，则可运行软件。对该建筑模型进行计算，得出了设置不同围护结构参数后对应的建筑能耗。下文分析了该高层居住建筑外墙、屋面、外窗在选取不同的关键参数值时，建筑能耗的相应变化情况，以期获得围护结构最佳的组合设计方案。

3.1 外墙传热系数影响

设置基准建筑模型，保持屋面传热系数为 1.0 W/(m2·K)、外窗综合传热系数 3.2 W/(m2·K)、外窗综合遮阳系数Sw为 0.87。在其他围护结构参数不变的前提下，通过改变外墙保温材料的厚度，来研究外墙热工性能敏感性。建筑能耗与外墙综合传热系数间的关系如表 2 及图 1 所示。

表 2 外墙传热系数取值

图 1 外墙热工性能敏感性

通过分析可知，保持屋面、外窗等基础性能参数不变时，随着保温材料厚度增大，外墙传热系数呈减小趋势，且供冷、供热能耗均呈减少趋势。单位面积空调采暖年耗电量减小幅度依次为 1.60 kWh/m2、1.09 kWh/m2、1.21 kWh/m2、1.48 kWh/m2、1.64 kWh/m2。减小幅度基本保持稳定，说明外墙保温材料厚度增加，传热系数减小时，对于高层住宅的整体节能效果相对明显。

3.2 屋面传热系数影响

设置基准建筑模型，保持外墙传热系数为 1.5 W/(m2·K)、外窗综合传热系数 3.2 W/(m2·K)、外窗综合遮阳系数Sw为 0.87。在其他围护结构参数不变的前提下，通过改变屋面保温材料的厚度，来研究屋面热工性能敏感性。建筑能耗与屋面综合传热系数间的关系如表 3 及图 2 所示。

表 3 屋面传热系数取值

图 2 屋面热工性能敏感性

通过分析可知，保持外墙、外窗等基础性能参数不变时，随着保温材料厚度增大，屋面传热系数呈减小趋势，且供冷、供热能耗均呈减少趋势。单位面积空调采暖年耗电量减小幅度依次为 0.14 kWh/m2、0.16 kWh/m2、0.14 kWh/m2、0.16 kWh/m2。减小幅度基本保持稳定，但相对于外墙，对建筑能耗的影响较小，说明屋面保温材料厚度增加，传热系数减小时，对于高层住宅的整体能耗有影响，但影响较不明显。

3.3 外窗传热系数、综合遮阳系数影响

设置基准建筑模型，保持外墙传热系数为 1.5 W/(m2·K)、屋面传热系数为 1.0 W/(m2·K)。在其他围护结构参数不变的前提下，选取不同传热系数、综合遮阳系数的 8组外窗，研究外窗保温性能敏感性。

建筑能耗与外窗性能参数间的关系如表 4 及图 3 所示。

表 4 外窗传热系数、综合遮阳系数取值

图 3 外窗保温性能敏感性

经分析可知，不同于上述外墙、屋面的建筑能耗呈现直线下降趋势，外窗性能参数与建筑空调采暖能耗间呈现波动关系。当外窗传热系数及综合遮阳系数从组合 1“3.3+0.9”变化至组合 5“3.0+0.7”时，空调供暖能耗随着外窗传热系数及综合遮阳系数的减小而波动。这主要是由于当综合遮阳系数降低时，遮阳性能显著，影响冬季室内采光，空调耗电量虽略有下降，但采暖耗电量上升，波动幅度依次为 0.05 kWh/m2、-0.23 kWh/m2、0.22 kWh/m2、0.12 kWh/m2。从组合 5“3.0+0.7”变化至组合 8“2.2+0.4”时，建筑能耗呈现下降趋势。这主要是由于外窗传热系数及综合遮阳系数减小，导致空调耗电量降低，其降低幅度超过采暖耗电量上升幅度，单位面积空调采暖年耗电量减小幅度依次为 0.07 kWh/m2、0.35 kWh/m2。

3.4 外墙、屋面、外窗综合影响

在实际建筑设计过程中，不会出现单独设计或分开设计外墙、屋面及外窗的热工性能的情况，必然是同时设计三者。因此本文选取三种组合，观察哪一组为最佳组合。组合1 为屋面采用最优性能，外墙与外窗采用普通性能；组合 2为外墙采用最优性能，屋面与外窗采用普通性能；组合 3 为外窗采用最优性能，外墙与屋面采用普通性能。具体参数取值见表 5。

表 5 不同组合下的单位空调供暖能耗

通过斯维尔节能设计软件的模拟结果可以看出，组合 2单位面积空调采暖年耗电量最少，仅为 40.41 kWh/m2，相比组合 1 和组合 3 的能耗分别减少了 4.7% 和 9.6%，因此可确定组合 2 为最佳方案。

4 结 语

本文通过探讨典型夏热冬冷地区—上海某高层居住建筑的围护结构的外墙、屋面及外窗的参数变化对建筑能耗的影响，得出如下结论。

（1）夏热冬冷地区高层住宅建筑能耗的影响因素探讨分析可知，各因素对建筑能耗的影响程度依次为：外墙＞屋面＞外窗。

（2）通过利用斯维尔节能设计软件进行模拟，提出一套适合于夏热冬冷地区高层住宅建筑围护结构节能技术的设计方案：即外墙传热系数 0.6 W/m2·K、屋面传热系数0.6 W/m2·K、外窗综合传热系数 2.7 W/m2·K、综合遮阳系数 0.6。