寒冷地区超低能耗住宅建筑节能设计研究_谭锐雄.pdf

2022 12与其他地区相比，寒冷地区冬季在采暖方面需要消耗大量能源。中国建筑能耗研究报告(2021)显示，2019 年，全国建筑全过程碳排放总量为 49.97 亿吨CO2，北方采暖地区碳排放总量达到 12.34 亿吨 CO2，为非采暖地区碳排放总量的 1.4 倍。在此形势下，超低能耗建筑因其本身高保温和高气密性特征，在降低热负荷方面具有显著效果，得到广泛关注。相较于常规建筑，它的节能性、舒适性等优势十分明显，能在满足大众需求的前提下，有效缓解过度消耗能源的问题。结合超低能耗建筑性能要求，探讨寒冷地区超低能耗住宅建筑围护结构设计、暖通空调设计，并提出总体布局方案，具有重要的现实意义。一、超低能耗建筑性能要求超低能耗建筑是集生态学原理、绿色发展理念、低碳化、可持续发展理念于一体的新型建筑形式，能在满足人类日常居住需求的基础上，减轻给环境带来的负担和压力，有效调节人和建筑、环境之间的基本关系。其性能要求主要体现在三点。第一，能耗要求高。国际上要求超低能耗建筑采暖能耗小于等于 15 kW h/(m2a)，每年总能耗不超过 120kW h/(m2a)。我国根据自身的实际情况，要求寒冷地区采暖能耗不能高于 10 kW h/(m2a)，整体要求更高。第二，围护结构要求高。建筑围护结构一般分为透明和非透明两种，对围护结构传热性有一定要求。通常要求透明类围护结构传热系数不能超过 1.1 W/(m2 K)，非透明类围护结构传热系数不能超过 0.15 W/(m2 K)。第三，气密性要求高。在冬季，寒冷地区建筑的一部分能耗是空气渗透造成的，所以超低能耗建筑对于气密性的要求往往更高，要求门窗气密性应该达到 8 级，即在 10 Pa 的气压差下，每米门窗缝隙每小时的空气渗透量不能超过 0.5 m3。二、寒冷地区超低能耗住宅建筑围护结构设计在寒冷地区，建筑结构的绝热性十分关键。在进行建筑设计时，应保证外墙、屋顶、地面、门窗等易散失热量的结构部位的隔热保温性能良好。在对这些结构部位进行绝热性控制时，要注重隔热层的完整性和持久性建设，实现无热桥设计。(一)非透明围护结构设计1.保温对于保温材料，寒冷地区常用的岩棉板、EPS 板等要想达到超低能耗标准，需要使用多层，不仅会占用室内面积，还会给材料稳固性带来影响，从而限制外立面设计。在遵守相关防火规范的基础上，必须将热惰性较大、导热系数较小的材料作为优先选择，如真空绝热板，不仅质量小，防水性能佳，还能防止空气对流传热，一般只需要使用大约 20 mm 就能够达到超低能耗标准，并且还能和其他保温材料组合使用，建立复合型保温系统。对于保温方式，寒冷地区常见的有外保温、外墙夹心保温以及内保温三种。具体施工中，不同气候区的外窗传热系数(K)与太阳能得热系数(SHGC)可参考表 1 选取，并根据外窗传热系数与太阳能得热系数灵活选择保温方式。对于外保温，可以基于保温材料进行能耗模拟计算，然后进行设计。寒冷地区超低能耗住宅建筑节能设计研究谭锐雄摘要：寒冷地区冬季漫长，住宅建筑对采暖保温要求较高，导致整体能源消耗较多。作为当前寒冷地区住宅建筑的主要发展方向之一，超低能耗建筑不仅能降低能源消耗，还能提供更为舒适的居住环境，同时能延长建筑使用年限。因此，围绕这一新型建筑形式，从节能设计角度着手，重点对围护结构和暖通空调两方面进行设计分析，并提出寒冷地区超低能耗住宅建筑的总体布局方案。关键词：寒冷地区；超低能耗住宅建筑；总体布局表 1 外窗传热系数（K）与太阳能得热系数（SHGC）参考值外窗K/W/（m2K）SHGC（%）严寒地区0.701.20冬季0.50夏季0.30寒冷地区0.801.50冬季0.45夏季0.30夏热冬冷地区12冬季0.40夏季0.15温和地区2冬季0.40夏季0.3023ENVIRONMENTECOLOGYENVIRONMENT&ECOLOGY【城市建筑研究】2.外墙和屋面在寒冷地区，建筑屋面传热系数参考值为 0.100.20W/(m2 K)，外墙传热系数参考值为0.150.20W/(m2 K)，对保温性能要求较高，但常规的保温层厚度无法达到既定要求，所以在设计时还需实施错缝搭接，形成双层保温，并通过热断桥锚栓进行固定。同时，还可以应用反射涂料，以降低建筑表面温度，达到隔热保温的效果。在女儿墙实际设计中，需确保保温层的连续性，并给顶部设计金属盖板，注重防水设计。在设计屋顶时，应确保其和墙体保温层的连续性，并包裹住女儿墙，避免产生结构性热桥，影响热工性能。因为寒冷地区冬季室内、室外温差较大，所以在屋顶保温层和结构层之间还需设计一道隔气层，避免水蒸气进入而破坏保温层。3.地下室和地面在地下室施工过程中，施工人员通常将基层墙体保温层上部和外墙保温层相互连接，并设置密封层。隔汽层可以设置在砂浆地面以上，尽可能避免潮气影响结构层。非采暖类的地下室保温层需设计在地下室楼板顶部，和外墙保温层相互连接并适当下延。对于不建设地下室的超低能耗建筑，需直接在地面设计保温层，并在和外墙相互交接的位置适当下延，以使保温层断开位置的能耗可以降到最低。4.阳台对于封闭式阳台的保温设计，一方面可以直接使保温层包裹住阳台主体结构，与外墙保温层设计大致相同；另一方面，可以直接把阳台和房间之间的墙视为外墙，再用保温层将其包裹起来，建筑主体和阳台之间应用预埋件相连，并填充大约 20 mm 的隔热垫层。对于敞开式阳台的保温设计，可以采取局部断开的方式，即将阳台承重结构和建筑主体局部断开，通过预埋断热桥支撑块，促使其独立，减少对建筑主体保温的影响。此外，还可以采用非断开的方式，在设计过程中用保温材料将整个阳台包裹起来。(二)外部门窗设计影响外部门窗热工性能的因素主要有传热系数、气密性等，所以材料选用以及开窗方式十分重要。太阳能得热系数影响窗户能耗，寒冷地区南向窗户的太阳辐射热相当可观，选择窗户时，应综合考虑窗户的传热系数和太阳能得热系数，以节约采暖能耗。对于玻璃的选用，超低能耗建筑主要选用真空复合玻璃，如果条件允许，还可以采用更为先进的材料，比如智能调节透反射率节能玻璃膜等。在寒冷地区，可以选用 PVC 塑料材质的门窗、木门窗和复合型门窗等，以降低建筑能耗。由于寒冷地区冬季主导风向为北向，所以只要门朝北就要设计双层外门或者门斗，并保证其保温性和气密性。(三)断热桥处理在超低能耗建筑外围护结构中，梁柱、墙体边角、预留洞口等位置容易出现热桥，影响保温效果，造成能源浪费。因此，在实际设计过程中应尽可能保持围护结构的完整性，减少外部构件应用，如果要穿透保温结构，必须提前使用高热阻值的构件，并进行断热桥处理。此外，在实际设计过程中，需始终保持保温层的完整性，尽可能避免高导热材料穿透。(四)气密性设计在进行气密性设计时，门窗洞、管线贯穿位置等，使用硬质材料板(三合板、密度板)、气密性薄膜、油毛毡、混凝土等进行处理。对于节点位置，可使用专用涂料、膨胀密封条、混凝土以及薄膜等进行处理。三、寒冷地区超低能耗住宅建筑暖通空调设计(一)冷热源设计给超低能耗建筑使用传统集中式能源系统必定无法满足单户负荷需求，所以寒冷地区超低能耗建筑通常采用户式冷热源系统。为了保证综合设备系统运行效率和满足用户个性化使用需求，可以使用空气源热泵和新风热回收一体机。但因为寒冷地区空气源热泵运行效率会降低，容易出现故障，所以可以直接应用超低温空气源热泵，使其在-2530 也可以正常制热。此外，还可以直接通过市政供暖和户式燃气壁挂炉进行制热。(二)新风系统设计对于超低能耗建筑，空调系统的最小新风量为人均30 m3/h，和排风量之间保持彼此均衡，并满足相关暖通设计规范中的最小换气次数要求。为尽可能实现能耗控制，超低能耗居住建筑宜分户独立设置新风系统，以减少住户间风量不匀、收费不公、维修影响范围大等问题，并且滤网更换也可以由用户自主决定，从而达到最佳的净化效果。倘若该类建筑采用了冷热源热泵，则可以将新风系统与其连接起来，尽可能减少设备占用面积。在设计时，还需对室内机防冻水和室外机化霜水排放进行合理安排。一般化霜水可以直接在室外进行排放或者引入室内，排水管需要实现有效保温与伴热，避免结冰导致管道堵塞，从而引起安全问题。在室内防冻方面，可以安装防冻预热装置，一旦温度达到-10，则启动防冻预热装置。242022 12(三)厨卫通风设计超低能耗居住建筑作为高气密性、高效节能、健康舒适的住宅，厨房需设置独立的排油烟自然补风系统，实际补风量以抽油烟机的排风量为准。如果条件允许，还可以直接设计出风井进行补风。为了有效利用室内污浊空气中的余热(冷)量，降低建筑能耗，卫生间排风由能源一体机统一集中控制。四、总体布局方案寒冷地区建筑能耗从整体上要大于全国水平，在实际设计过程中必须进行科学选址，合理规划朝向及开窗等，并满足获取太阳辐射热的相关要求。在实际布局时，一般以日照分析为基本依据之一，明确区域内建筑间的基本遮挡关系，了解建筑间的影响因素，进而在总体规划时能够更好地进行建筑组合方式设计，以及建筑朝向和位置设计。按照国家标准，住宅的日照时间需要分节气来区别，如果是大寒天，每天的日照时间不能少于 2 小时。(一)层数方面对于超低能耗建筑，其外围护结构厚度较大，整体区域内建筑间的日照间距就会缩小。因为日照间距系数基于太阳高度角计算，所以同一地区影响建筑间距的重要因素便是南侧住宅建筑的实际高度，通过适当降低建筑层高能有效减少日照遮挡，保证所有建筑对于太阳辐射热的获取，提高日照利用率。(二)布局形式在常规住宅建设群中，其布局形式倾向于整齐划一，虽然比较规整，但极易在总体布局中产生多排建筑叠加遮挡效应，难以通过建筑方位获取最佳日照。因此，在实际布局优化时，应以日照角度为依据，适当增加被遮挡建筑的侧边间距，以调整方位角，获取更多采光面。如果南侧建筑面宽整体过大，还需与靠北侧的建筑进行位置调整。对于区域中被完全遮挡的建筑，倘若其对整体规划容积率影响最小，则可以考虑将其完全减除，增加北侧建筑层数，从而在保证容积率的前提下使区域内建筑侧向间距得到有效增大，降低建筑密度。对于日照获取最难的中间区域，可以通过建筑位置调整形成错位，减少遮挡，扩大受光面。(三)道路规划在道路规划中，为方便居民出行，道路以车行道和人行道两大类为主，整体上采用环形主干道和枝状辅助道路相结合的形式，即将车行道设计在区域外侧，内部则根据建筑位置利用枝状道路将区域入口和建筑入口连接起来，从整体上形成完整且通畅的道路系统。其中，外围道路分散车流，内部道路分散居民，形成人车分流的效果，在保证基本安全性和便利性的同时，满足人们生活需求。(四)绿地规划作为提高超低能耗建筑群区域内生态效益的重要手段，绿地规划设计十分关键，应该在保证私密性的同时提升居住舒适度。常规绿地以草坪为主，虽然具有一定的观赏价值，但绿化效果较弱，因此在设计时还应基于寒冷地区的气候状况进行合理的植物搭配，将乔木、灌木和草坪相结合，形成具有层次性的复合式种植模式，尽可能优化区域内的生态环境。五、结语在现代建筑设计过程中，降低能源消耗是一项重要目标和任务，特别是寒冷地区，冬季采暖能耗控制十分关键。影响建筑能耗的因素较多，在设计超低能耗建筑时，要合理选用保温隔热材料，还要注重建筑本身的节能设计，如外墙、朝向、外门窗、新风系统等的设计。具体应该从围护结构着手，通过非透明外围护结构和外门窗的合理设计，促进室内保温隔热。同时，围绕冷热源、新风系统、厨卫通风实现暖通空调低能耗设计。为进一步满足寒冷地区建筑对太阳辐射热的获取要求，在区域内建筑群的布局规划中，还要以日照为依据，进行层高、位置、绿地等方面的合理设计。参考文献：1吴迪,张新炜,付孟泽.寒冷地区被动式超低能耗建筑设计辅助能耗目标值研究J.工业建筑,2021(10):81-86.2高彩凤,曲斌,陈梦源,等.严寒地区超低能耗居住建筑设计要点及运行效果分析:以中海河山大观项目为例J.暖通空调,2021(6):63-70.3滕佳颖,李明月,王婉,等.严寒地区住宅建筑通风及遮阳技术方案的节能率研究J.工程管理学报,2020(4):69-73.4周琮,仝晖,高雪莹.被动