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严寒及寒冷地区居住与公共建筑的建筑与建筑热工节能设计一、建筑热工设计分区二、建筑节能途径及建筑节能50%的内涵三、建筑与建筑热工节能设计方法四、建筑与建筑热工节能设计中几个主要指标的概念五、性能性指标设计方法简述六、建筑与建筑热工设计相关规定说明七、外墙与屋面的保温隔热措施八、建筑热工设计计算实例结语1严寒及寒冷地区居住与公共建筑的建筑与建筑热工节能设计一、建筑热工设计分区《建筑气候区划标准》GB50178-93将我国分为五个建筑气候区，《民用建筑热工设计规范》GB50176-93根据编制时的社会经济与建筑物采暖、空调的实际情况，提出了不同建筑气候区的建筑热工设计要求，如表1.1所列。表1.1建筑热工设计分区及设计要求分区名称分区指标设计要求主要指标辅助指标严寒地区最冷月平均温度≤–10℃日平均温度≤5℃的天数≥145天必须充分满足冬季保暖要求，一般可不考虑防热。寒冷地区最冷月平均温度0~–10℃日平均温度≤5℃的天数90～145天应满足冬季保温要求，部分地区兼顾夏季防热。夏热冬冷地区最冷月平均温度0~–10℃，最热月平均温度25~30℃日平均温度≤5℃的天数0~9天，日平均温度≥25℃的天数40~110天必须充分满足夏季防热要求，适当兼顾冬季保温。夏热冬暖地区最冷月平均温度10℃，最热月平均温度25~29℃日平均温度≥25℃的天数100~200天必须充分满足夏季防热要求，一般可不考虑冬季保温。温和地区最冷月平均温度0~13℃，最热月平均温度18~25℃日平均温度≤5℃的天数0~90天部分地区应考虑冬季保温，一般可不考虑夏季防热。如图1.1所示，山西的大部分地区属寒冷地区，仅北部小部分地区属严寒地区。在《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005表4.2.1中，山西北部的小部分地区属严寒地区B区，如该《标准》表4.2.1所列大同等城市。2图1.1全国建筑热工设计分区图3二、建筑节能途径及建筑节能50%的内涵（一）建筑节能基本原理和节能途径1、采暖居住建筑的基本特点居住建筑主要为住宅建筑（约占92%），其次为集体宿舍、招待所、托幼建筑等（约占8%）。它们的共同特点是供人们居住使用，而且一般都是昼夜连续使用。因此，在这类建筑中对室温和空气质量有较高的要求，在采暖地区需设置采暖设备，室内需有适当的通风换气。冬季室内温度一般要求达到16～18℃，较高要求达到20℃。居住建筑的层高一般为2.7～3.0m，开间一般为3.3～3.9m。目前，住宅建筑中人均占有居住面积约为7～8m2、占有居住容积18.2～20.8m3；集体宿舍中人均占有居住面积约为3～4m2、占有居住容积8.1～10.8m3。城镇居住建筑以多层建筑为主，大城市有部分中高层和高层住宅。近年来，城镇新建居住建筑出现形式多样化，建筑物体形系数有变大的趋势。例如，在寒冷地区的北京市和天津市等，多层住宅的体形系数，已从原来的0.30左右变为0.35左右。但在严寒地区，这种变化较小，如沈阳、长春、哈尔滨等地，多层住宅的平面和立面仍比较规整，体形系数仍保持0.30左右。2、采暖居住建筑的耗热量构成及节能的重点部位采暖居住建筑的耗热量由通过建筑物围护结构的传热耗热量和通过门窗缝隙的空气渗透耗热量两部分构成。以北京地区80住2－4、8MD1、81试塔1等三种多层住宅为例，建筑物耗热量主要由通过围护结构的传热耗热量构成，约占73%～77%；其次为通过门窗缝隙的4空气渗透耗热量，约占23%～27%。在传热耗热量所占的份额中，外墙约占23%～34%；窗户约占23%～25%；楼梯间隔墙约占6%～11%；屋顶约占7%～8%；阳台门下部约占2%～3%；户门约占2%～3%；地面约占2%。窗户的传热耗热量与空气渗透耗热量相加，约占全部耗热量的50%。哈尔滨地区80龙住1，4个单元6层楼，砖混结构住宅，在建筑物耗热量中，传热耗热量约占71%，空气渗透耗热量约占29%。在传热耗热量所占份额中，窗户约占28.7%；外墙约占27.9%；屋顶约占8.6%；地面约占3.6%；阳台门下部约占1.4%；外门约占1%。窗户的传热耗热量与空气渗透耗热量相加，约占全部耗热量的57.7%。由上可见，窗户是耗热的薄弱环节，是节能的重点部位，改善建筑物窗户（包括阳台门）的保温性能和加强窗户的气密性是节能的关键措施。但是，加强窗户的气密性以减少空气渗透耗热量是以保证室内最低限度的换气次数（或空气质量）为限度的。窗户过于密闭，一则室内空气质量达不到基本的卫生要求，二则会使窗户造价提高。因此，窗户的气密性达到3级和4级即可。从传热耗热量的构成来看，外墙所占比例最大，其次是窗户，以下是楼梯间隔墙（在有不采暖楼梯间情况下）和屋顶，阳台门下部、户门和地面所占比例较小，但这些部位的保温也是不可忽视的。3、影响建筑物耗热量指标的几个主要因素（1）体形系数。在建筑物各部分围护结构传热系数和窗墙面积比不变条件下，耗热量指标随体形系数成直线上升（见图2.1）。低层5和少单元住宅对节能不利。图2.1多层和高层住宅建筑耗热量指标随体形系数的变化（北京地区）（2）围护结构的传热系数。在建筑物轮廓尺寸和窗墙面积比不变条件下，耗热量指标随围护结构的传热系数的降低而降低。采用高效保温墙体、屋顶和门窗等，节能效果显著。（3）窗墙面积比。在寒冷地区采用单层窗、严寒地区采用双层窗或双玻窗条件下，加大窗墙面积比，对节能不利。（4）楼梯间开敞与否。多层住宅采用开敞式楼梯间比有门窗的楼梯间，其耗热量指标约上升10%～20%。（5）换气次数。提高门窗的气密性，换气次数由0.8次/h降至0.5次/h，耗热量指标降低10%左右。6（6）朝向。多层住宅东西向比南北向耗热量指标约增加5.5%。（7）高层住宅，层数在10层以上时，耗热量指标趋于稳定。高层住宅中，带北向封闭式交通廊的板式住宅，其耗热量指标比多层板式住宅约低6%。在建筑面积相近条件下，高层塔式住宅的耗热量指标比高层板式住宅约高10%～14%。体形复杂、凹凸面过多的塔式住宅，对节能不利。（8）建筑物入口处设置门斗或采取其他避风措施，有利于节能。综上所述，为了有利于节能和改善热环境，以及降低造价，在采暖住宅建设中，应尽量避免建造单元少，特别是点式平面的低层住宅；朝向宜采用南向和接近南向，尽量避免东、西向；寒冷地区多层住宅不应采用开敞式楼梯间，不采暖楼梯间与住户之间的隔墙应加强保温；严寒地区的采暖楼梯间应设置避风门斗；门窗应有较好的密闭性；窗墙面积比应予以控制；高层住宅宜建带封闭式交通廊的板式住宅，不宜建凹凸面过多，体形复杂的塔式住宅。4、采暖建筑节能基本途径在冬季，为了保持室内温度，建筑物必须获得热量，建筑物的总得热包括采暖设备的供热（约占70%～75%），太阳辐射得热（通过窗户和其他围护结构进入室内，约占15%～20%）和建筑物内部得热（包括炊事、照明、家电和人体散热，约占8%～12%）。这些热量再通过围护结构（包括外墙、屋顶和门窗等）传热和空气渗透向外散失。建筑物的总失热包括围护结构的传热耗热（约占70%～80%）和通过门窗缝隙的空气渗透耗热（约占20%～35%）。当建筑的总得热和总7失热达到平衡时，室温得以保持。因此，对于建筑物来说，节能的主要途径是：减小建筑物外表面积和加强围护结构保温，以减少传热耗热量；提高门窗的气密性，以减少空气渗透耗热量。在减少建筑物总失热量的前提下，尽量利用太阳辐射得热和建筑内部得热，最终达到节约采暖设备供热量（即节能）的目的。锅炉在运行过程中，一般只能将燃料所含热量的55%～70%转化为有效热能（亦即锅炉的运行效率为0.55～0.70）。这些热量通过室外管网输送，沿途又将损失10%～15%（亦即室外管网的输送效率为0.85～0.90）。剩余的热量供给建筑物，成为采暖供热量。因此，对于采暖供热系统来说，节能的主要途径是：改善采暖供热系统的设计和运行管理，以提高锅炉的运行效率；加强管道的保温，以提高室外管道的输送效率。5、房屋外围护结构需要的保温隔热性能要求房屋外围护结构（主要是指外墙和屋面）需要的保温隔热性能，一般是根据表2.1中三方面的要求计算确定：表2.1确定外墙与屋面保温隔热性能的要求要求冬季夏季低限要求在冬季采暖条件下，内表面温度不低于室内空气露点温度，即θi≥ti.d，应计算低热传热阻Ro.min房间在自然通风良好条件下，内表面最高温度不超过室外最高气温，即θi.max≥te.max热舒适在冬季采暖条件下，内表面在夏季空调制冷条件下，内8环境要求温度与室内空气温度之差不低于3℃（舒适温差），即当采暖温度为18℃，内表面温度不低于15℃表面温度与室内空气温度之差应不超过3℃（舒适温差），当空调温度为28℃时，内表面最高温度不超过31℃，即θi.max≥te+3℃建筑节能标准要求节能30%、50%要求的传热系数K（外墙为Km）节能50%要求的传热系数K和热惰性指标D（二）建筑节能的两条基本途径1、《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》JGJ26-95规定，为了节能50%的目标，提高围护结构的热工性能——即建筑物的节能率应达到35%（或建筑物耗热量指标应降低35%）；供热系统——即采暖设备的节能率应达到23.6%（或采暖设备的耗热量指标应降低23.%）。若在总节能50%中按比例分配，建筑物约承担30%，供热系统约承担20%。2、《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005规定，按本标准进行的建筑节能设计，在保证相同的室内环境参数条件下，与未采取节能措施前相比，全年采暖、通风、空气调节和照明的总能耗应减少50%。公共建筑的照明节能设计应符合国家标准《建筑照明设计标准》GB50034-2004的有关规定。在总节能50%的目标中，建筑围护结构分担的节能率约为25%～13%；空调采暖系统分担的节能率约为20%～16%；照明设备分担的节能率约为7%～18%。若将空调、采暖与照明设备系统归为一类，相当于建筑围护结构与空调、采暖、照明9设备系统的节能率各占约25%。3、由以上二个《标准》的规定可以看出：目前建筑节能的范围，主要是在确保室内热环境舒适的前提下，通过增加围护结构的保温隔热性能（即建筑途径），和提高采暖、通风、空气调节及照明设备与系统的能效比（设备途径）两条基本途径，使建筑在使用过程中的能耗，与未采取这两条节能途径前相比，至少要减少50%，并与保护生态环境和改善建筑的环境热舒适度紧密结合。尽可能利用本地区地理气候条件、自然资源情况，采用可再生能源作为采暖、空调的基础能源，不仅是建筑节能的有效措施，也是可持续发展的需要。（三）建筑节能50%的内涵提出建筑节能50%的目标，是有其比较基准的。它是以一个时期的“基准建筑”围护结构和采暖、通风空调、照明设备及系统的参数，都按当时的设计使用情况选取。在保持与目前标准中约定的室内热环境参数条件下，计算“基准建筑”全年的采暖、空调及照明能耗，并将它定为100%。然后再将该“基准建筑”按所要求的建筑节能50%标准进行节能设计，对其围护结构的热工性能和采暖、空调及照明设备与系统的参数进行调整，并计算其全年采暖、空调与照明的能耗，此能耗应不超过原“基准建筑”能耗的50%，这就是建筑节能50%的内涵。“基准建筑”的选取对象和条件是：1、居住建筑是以20世纪80年代的通用住宅设计作为比较能耗的基准，在其能耗水平上节能50%，节能投资不超过土建工程造价的1010%，节能投资回收期不超过10年，节约吨标准煤的投资不超过开发吨标准煤的投资。2、公共建筑是以20世纪80年代改革开放初期设计建造的公共建筑作为比较能耗的基准，也是在其能耗水平上节能50%。以上规定的比较能耗的基准建筑称为“基准建筑”（Baseline）。“基准建筑”围护结构的构成，传热系数、遮阳系数，均按照20世纪80年代初期做法。严寒与寒冷地区的居住建筑是以《民用建筑热工设计规范》GB50178规定的各地区的低限保温隔热性能为基准。公共建筑则是以哈尔宾和北京地区的低限保温性能为基准，即外墙K值取1.28W/(m2.K)（严寒地区）、1.70W/(m2.k)（寒冷地区）；屋顶K值取0.7