寒冷地区建筑节能设计.docx
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寒冷地区建筑节能设计
--以西安外国语大学长安校区南区6#教师公寓为例
学院：
长安大学建筑学院
专业：
建筑学
姓名：
王洋
学号：
2012141014
课程：
生态建筑理论
二〇一三年七月
寒冷地区建筑节能设计
--以西安外国语大学长安校区南区6#教师公寓为例
姓名：
王洋指导教师：
张阳
【摘要】：
随着世界不可再生能源的日益匮乏，节能建筑设计已得到了越来越多人的关注与认可。
节能建筑设计作为一种技术性的建筑设计，其形制受气候因素影响颇大，而本文仅以寒冷地区西安外国语大学长安校区南区6#教师公寓为例，通过图表分析模式，得出在寒冷地区的建筑节能设计中应当注意的原则与方法。
【关键词】寒冷地区建筑节能设计图表分析模式原则与方法
引言：
近年来，随着不可再生能源在工业化生产中的大量应用，人们的生存环境日益遭到严重的污染与破坏，如何营造一个良好的生存环境已成为一个亟待解决的问题。
而在建筑设计领域，节能建筑的出现无疑就是解决好这一问题的关键所在。
节能建筑作为近几年来才兴起的建筑设计模式，已得到了诸多设计师的应用与推广，而如何检验一栋建筑是否符合节能建筑设计，则要分三步走：
第一步，计算建筑物各项基本参数，使其符合规范要求；第二步，根据围护结构的构造层次，计算室内设计温度，使其符合规范要求；第三步，计算各围护结构面积，并满足节能规范标准。
下面仅以寒冷地区西安外国语大学长安校区南区6#教师公寓为例，逐步分析每一步的计算方法与规范要求，进而总结出在节能建筑设计中应当注意的设计思路与方法，为今后的节能建筑设计提供有力的依据。
项目概况：
西安外国语大学6#教师公寓楼位于西安市长安区，为十二层高层住宅，建筑结构类型为剪力墙结构，共有公寓96套，总建筑面积为15995.22平方米，建筑高度39.55米。
一、建筑物各项基本参数
1、各项基本参数
（1）标准层建筑面积AF
标准层建筑面积的确定直接影响建筑物基底面积的确定以及建筑物总面积的确定。
其计算方法为：
标准层建筑外墙的围合面积（阳台面积算一半建筑面积，露台不计入建筑面积）。
（2）总建筑面积A0
总建筑面积是计算高层建筑各项技术经济指标的重要参数。
其计算方法为：
各层建筑面积之和（若为上人屋面，则要外加楼顶楼梯间的建筑面积）。
（3）建筑体积V0和换气体积V
建筑体积是计算建筑体形系数的重要指标，而换气体积是建筑体积的0.6倍。
计算方法：
V0=A1*H1+A2*H2+-------+An-1*Hn-1+An*Hn（其中A代表各平面层面积，H代表各平面层层高）
（4）建筑表体积FV
按建筑的外墙外围长度*建筑高度+屋面表面积，建筑高度为设计室外地面自檐口滴水线高度，斜屋面按实际斜面积计算；底层无围护结构的架空层按柱外围或二层板外围长度计算表面积，无围护结构的悬挑构建不计算表面积。
（5）建筑体形系数S
建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的体积的比值。
外表面积中，不包括地面和不采暖楼梯间隔墙和户门的面积。
规范规定，在住宅建筑设计中，体形系数应控制在0.26以内。
（6）窗墙比
单一朝向外窗（门）面积和墙面积（含窗面积）的比值一般称窗墙面积比。
在居住建筑设计中，各朝向的窗墙面积比，北向不大于0.2；东西向不大于0.25，南
向不大0.35.
2、实例论证（以寒冷地区西安外国语大学长安校区南区6#教师公寓为例）
建
筑
物
基
本
参
数
序号
名称
单位
数量
算式子
1
标准层建筑面积AF
㎡
1306.38
1306.38
2
总建筑面积Ao
㎡
15995.22
1370.06+1322.37+1321.59+1306.38*8+1229.76+76.96
+74.48*3=15995.22
3
建筑体积Vo
㎡
47423.23
1370.06*3.35+1322.37*2.9+1321.59*2.9+1306.38*8*2.9
+1229.76*2.9+76.96*4.3+74.48*3*4.3=47423.23
4
换气体积V
㎡
28453.94
47423.23*0.6=28453.94
5
建筑表面积Fv
㎡
12401.22
333.4*3.35+876.4*2.9+284.8*2.9*8+45.6*4.3+44.19*4.3*3+1306.38+47.69+15.21=12401.22
6
建筑体型系数S
%
0.262
12401.22/47423.23=0.262
7
窗墙比
南向
%
32.2%
1169.64/3631.18=0.322
北向
%
29.2%
1061.82/3631.18=0.292
西向
%
2.6%
42.94/1656.46=0.026
东向
%
2.6%
42.94/1656.46=0.026
表1建筑物基本参数
通过参数定义与实例分析，我们可以发现，一个好的节能建筑设计，应注意以下两点：
（1）体形系数的确定；
（2）各方向窗墙比的确定；
（1）体形系数的确定；
规范中规定，民用建筑的体形系数不应大于0.26。
顾名思义就是要求建筑与大气接触的外表面积尽量小一些，而体积要大一些。
而在建筑设计中，空间一般都是根据功能要求进行布局的，甚至有好多甲方已经规定了建筑面积。
因此，其每层建筑面积变化一般都不会太大，也就是说体积不会有太大变化。
而建筑的外表面积一般是由建筑的周长决定的。
因此，减少建筑表面的凹凸变化，采用规整的建筑布局是解决这一问题的关键。
（2）各方向窗墙比的确定；
窗户作为立面设计的一个重要元素，往往是立面设计好坏的关键，由此往往造成建筑各个方向窗户面积过大，热量散失严重；而若一味的把窗户面积做小，则有不利于建筑通风，因此应做到权衡利弊，优化设计。
a、在建筑南向，由于白天日照充足，因此窗户面积可适当加大。
在立面设计中，可多做阳台，因为在热工计算中，阳台窗户的面积算的是阳台内部门的面积。
b、在建筑北向，由于是间接采光，因此散失的热量远大于得到的热量，所以窗户面积小。
c、在建筑东西向，由于受到的都是太阳高度角比较低的光线，因此射入室内光线很长，再加上东西向太阳照射时间长，很容易晒透墙体，因此窗户面积也不应太大。
二、建筑外围护结构构造
1、围护结构构造
（1）屋顶
屋顶的构造层次从里到外一般依次为钢筋混凝土屋面板、找坡层、找平层、隔汽层、保温层、找平层、防水层、面层，如图（a）所示，但也有采用倒置无屋面的，如图（b）所示。
（2）外墙和外窗
外墙的构造层次从里到外一般依次为水泥砂浆、钢筋混凝土墙、聚合物砂浆、保温板、聚合物砂浆、玻纤网格布、锚固件、聚合物抗裂砂浆、外饰面。
外窗多采用中空玻璃。
（3）楼梯间隔墙与和其它采暖房间与不采暖房间的交接处
应采用保温板把采暖房间和非采暖房间隔开，防止形成冷桥，造成大量的热量损失。
2、实例论证（以寒冷地区西安外国语大学长安校区南区6#教师公寓为例）
围护结构构造表
序号
名称
Ki（Km）
构造（可引用标准图集号）
1
屋顶
0.41
引用《西安市居住建筑节能设计标准》DBJ61-44-2007做法
1.面层2.4厚SBS改性沥青防水卷材1.5聚氨脂防水涂膜
3．25厚1：
3水泥沙浆找平层4.轻骨料混凝土找坡层，最薄30厚
5．105厚EPS板保温
6．钢筋混凝土屋面板
2
外墙
0.67
引用《陕2005J12》第67页做法
1．外墙饰面2.聚合物砂浆3.55厚EPS板
4．聚合物砂浆5．钢筋混凝土墙
6．水泥砂浆
3
外窗
2.7
塑钢窗中空玻璃，空气层厚度9厚
4
楼梯间隔墙
1.45
在不采暖房间一侧粉刷25厚EPS保温浆料
5
楼梯间户门
1.76
三防门
6
凸窗非透明部分
0.6
同外墙面做法，采用60厚EPS板
表2围护结构构造表（建筑专业完成）注：
Km:
平均传热系数，Ki:
传热系数
围护结构作为室内空间与室外空间的分界线，其主要包括屋顶和外墙两方面。
（1）在屋顶设计方面；
为了取得舒适的热环境，在节能建筑的设计中，屋顶的做法一般有以下几种方式：
A、倒置屋面设计；其优点主要有：
a、防水层受到保护，避免热应力、紫外线等其他因素对防水层的破坏；
b、出色的抗湿性能使其具有长期稳定的保温隔热性能与抗压强度；
c、憎水性保温材料可以用电热丝等工具切割加工，施工快捷简便；
d、日后屋面检修不损材料，方便简单；
B、种植屋面的设计；
在建筑屋面和地下工程顶板的防水层上铺以种植土，并种植植物，使其起到防水、保温、隔热和生态环保作用的屋面称为种植屋面。
种植屋面的功能：
a、改善城市环境面貌，提高市民生活和工作环境质量；
b、改善城市热岛效应并减低城市排水负荷；
d、保护建筑物顶部，延长屋顶建材使用寿命；
e、提高建筑保温效果，降低能耗；
C、蓄水屋面的设计
其原理为：
在太阳辐射和室外气温的综合作用下，水吸收大量的热而由液体蒸发为气体，从而将热量散发到空气中，减少了屋盖吸收的热能，起到隔热的作用。
此外，水面还能够反射阳光，减少阳光辐射对屋面的热作用。
蓄水屋面即可隔热又可保温，还能保护防水层，延长防水材料的寿命。
蓄水屋面的水深一般50mm即可满足理论要求，但实际使用中150～200mm为适宜深度。
为了保证屋面蓄水深度均匀，蓄水屋面的坡度不可以大于0.5%。
（2）在外墙设计方面；
外墙作为室内外的竖向分隔构件，其保温层的位置有如下三种模式：
建筑外墙内保温、建筑外墙夹心保温、建筑外墙内保温。
A、建筑外墙内保温
墙体内保温是将保温材料置于外墙体的内侧。
其有如下优缺点：
优点：
a、对饰面和保温材料的防水、耐候性等技术指标的要求不甚高，取材方便；
b、内保温材料被楼板所分隔，仅在一个层高范围内施工，不需搭设脚手架；
c、对于既有建筑的节能改造，整栋楼或整个小区统一改造有困难时，只有采用内保温的可能性大一些。
缺点：
a、由于圈梁、楼板、构造柱等会引起热桥，热损失较大；
b、占用室内使用空间且不便于用户二次装修和吊挂饰物；
c、墙体受室外气候影响大，昼夜温差和冬夏温差大，容易造成墙体开裂。
B、建筑外墙夹心保温
外墙夹心保温是将保温材料置于外墙的内、外侧墙片之间，内、外侧墙片可采用混凝土空心砌块。
其有如下优缺点：
优点：
a、对内侧墙片和保温材料形成有效的保护，对保温材料的选材要求不高，聚苯乙烯、玻璃棉以及脲醛现场浇注材料等均可使用；
b、对施工季节和施工条件的要求不十分高，不影响冬期施工。
缺点：
a、在非严寒地区，此类墙体与传统墙体相比尚偏厚；
b、外围护结构的“热桥”较多。
在地震区，建筑中圈梁和构造柱的设置，“热桥”更多，保温材料的效率仍然得不到充分的发挥。
c、外侧墙片受室外气候影响大，昼夜温差和冬夏温差大，容易造成墙体开裂和雨水渗漏。
C、建筑外墙外保温
外墙外是一种把保温层放置在主体墙材外面的保温做法，因其可以减轻冷桥的影响，同时保护主体墙材不受多大的温度变形应力，是目前应用最广泛的保温做法。
优点：
a、效果好；因为保温材料置于建筑物外墙的外侧，基本上可以消除建筑物各个部位的冷、热桥影响，达到较高的节能效果。
b、保护好；置于建筑物外侧的保温层，大大减少了自然界温度、湿度、紫外线等对主体结构的影响。
c、范围广；建筑外墙外保温不仅适用于北方需冬季采暖的建筑，也适用于南方需夏季隔热的空调建筑。
即适用于砖混结构建筑砌体外墙的保温，也适用于剪力墙结构砼外墙的保温。
既适用于新建建筑，也适用于既有建筑的节能改造。
缺点：
成本高、施工难度大、施工工艺要求高、对外墙装饰有影响。
综上所述，屋面保温构造设计的选择一般根据地域性与气候因素的不同，进行合理的布置与选择；而建筑外墙的保温构造设计一般多采用外墙外保温的构造做法，达到较高的节能效果。
三、建筑外围护结构面积计算
1、围护结构面积计算
（1）屋顶的面积计算
屋顶的建筑面积师顶层平面的建筑面积+其它层平面露台或挑台的面积.
（2）外墙的面积计算
A、有封闭阳台的外墙；
若为南向凸阳台，则外墙面积为室内与阳台交接的墙的面积；若为南向凹阳台，则外墙面积分为南向、东向和西向三面，分别按室内与阳台交接的墙的面积计算。
其它向的凹凸阳台同理。
B、无封闭阳台的外墙；
单一方向总建筑外墙总外墙面积减去这一方向有封闭阳台的外墙面积即为无封闭阳台的外墙面积。
（3）外窗的面积计算
A、有封闭阳台的外窗；
若为南向凸阳台，则外窗面积为室内与阳台交接的窗的面积；若为南向凹阳台，则外窗面积分为南向、东向和西向三面，分别按室内与阳台交接的窗的面积计算。
其它向的凹凸阳台同理。
B、无封闭阳台的外窗；
单一方向总建筑外窗总外墙面积减去这一方向有封闭阳台的外窗面积即为无封闭阳台的外窗面积。
（4）飘窗板的面积计算
飘窗上下板的面积之和就是该飘窗板的的面积。
2、实例论证（以寒冷地区西安外国语大学长安校区南区6#教师公寓为例）
表3围护结构面积计算表（建筑专业完成）
序号
围护结构名称
朝向
算式
面积Fi（㎡）
1
屋顶
1306.38
1306.38
外墙
（无封闭阳台）
南向
3631.18-13.6*35.25+4.9*32.35*6=2200.69
2200.69
北向
3631.18-2.8*2*35.25+3*6*35.25=2799.28
2799.28
西向
1656.46-433.85=1222.61
1222.61
东向
1656.46-433.85=1222.61
1222.61
3
外墙
（有封闭阳台）
南向
13.6*35.25+4.9*32.35*6=1430.49
1430.49
北向
2.8*2*35.25+3*6*35.25=831.9
831.9
西向
1.2*35.25+1.5*35.25*3+1.2*32.35*6=433.85
433.85
东向
1.2*35.25+1.5*35.25*3+1.2*32.35*6=433.85
433.85
4
外窗
（无阳台）
南向
1169.64-3.3*2.3*12*2+2.4*2.3*6*12=590.04
590.04
北向
1061.82-1.5*2.3*12*8=730.62
730.62
西向
1.4*1.2*12+1.5*0.98*4+16.9=42.94
42.94
东向
1.4*1.2*12+1.5*0.98*4+16.9=42.94
42.94
5
外窗
（有阳台）
南向
3.3*2.3*12*2+2.4*2.3*6*12=579.6
579.6
北向
1.5*2.3*12*8=331.2
331.2
西向
0
0
东向
0
0
6
飘窗板
1.224*8*24+1.404*6*24=437.18
437.18
四、小结
综上所述，我们可以发现，一个好的节能建筑设计者，不但要有很好的感性的设计方案的能力，也应当具备理性的分析问题的能力。
而在中国，建筑学通常对理性思维的学科不加重视，造成部分建筑师对建筑设计缺乏理性的认识；再看国外，随着优化设计、参数化设计的大量普及，使越来越多的建筑更加适宜人类的居住。
而生态建筑和绿色建筑作为这一理论的产物，也一定会越发的蓬勃发展。
【参考文献】
【1】蔡君馥等.住宅节能设计【M】.北京：
中国建筑工业出版社，1991
【2】许雨保主编.建筑环保概论【M】.武汉：
武汉工业出版社，1992
【3】刘先觉等.生态建筑学【M】.北京：
中国建筑工业出版社，2008
【4】顾国维编.绿色技术及其应用【M】.上海：
同济大学出版社，2000
【5】清华大学建筑学院等编著.建筑设计的生态策略【M】.北京：
中国计划出版社，2001
【6】马世骏.现代生态学透视【M】.北京：
科学出版社，1990
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