居住建筑与公共建筑的节能设计.doc

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居住建筑与公共建筑的

建筑与建筑热工节能设计

一、建筑节能的途径和建筑节能50%的内涵

二、建筑与建筑热工节能设计方法

三、建筑与建筑热工节能设计中的几个主要指标的概念和标准

四、建筑热工节能设计中被忽视的几项围护结构热工节能设计

五、外墙与屋面的保温隔热措施及热工节能设计计算实例

六、居住建筑提高围护结构保温隔热性能增加的成本分析

七、结语

居住建筑与公共建筑的建筑与建筑热工节能设计

一建筑节能的途径及建筑节能50%的内涵

（一）建筑节能的二条途径

1、《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》规定：

居住建筑通过采用增强建筑围护结构保温隔热性能和提高采暖、空调设备能效比两项节能措施，在保证相同的室内热环境（《标准》中的第3章）条件下，与未采取节能措施前相比，采暖、空调能耗应节约50%。

其中，围护结构分担的节能率约为30%，设备分担的节能率约为20%。

2、《公共建筑节能设计标准》规定：

按本标准规定的建筑节能设计，在保证相同的室内热环境（《标准》中的第3章）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现行国标《建筑照明设计标准》GB50034的有关规定。

其中，围护结构分担的节能率约为13%~25%，空调采暖系统分担的节能率约为16%~20%，照明设备分担的节能率约为7%~18%。

总体节能率应达50%。

《标准》规定表明：

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和提高采暖、通风、空气调节及照明设备与系统的能效比两条途径，使建筑在使用过程中的能耗节省50%以上，并与保护生态环境和改善建筑的环境热舒适度紧密结合。

（二）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。

即以一个时期的“基准建筑”的围护结构和采暖、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（《标准》中第3章）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年代的住宅设计通用图作为比较能耗的基准；

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。

以上规定的比较能耗的基准建筑称为“基准建筑”（Baseline）。

3、夏热冬冷地区“基准建筑”的围护结构热工性能（即80年居住建筑围护结构的传统作法）为：

外墙：

K＝2.30w/（m2.k）（相当于240厚粘土砖墙）；

屋面：

K＝2.0w/（m2.k）（相当于水泥炉渣找坡的架空通风屋面）；

外窗：

K＝6.3w/（m2.k）（相当于钢框单玻窗）；

遮阳系数：

Sc＝0.80；

窗墙面积比≤0.30；

体形系数≤0.35；

4、设备方面也是以20世纪80年代初期通常采用的采暖、通风、空气调节与照明设备及系统为基准选择计算参数。

（三）建筑与建筑热工节能设计是建筑节能设计中的重要组成部分，因为它是：

1、建筑节能途径中的一个主要的、首要的途径。

2、《标准》中的一个重要章节（即第4章）。

二建筑与建筑热工节能设计方法

（一）规定性指标设计方法（即《标准》中的第四章）

——亦称单项指标控制法

1、建筑方面的控制指标

（1）建筑的体形系数；

（2）建筑各向的窗墙面积比及遮阳系数。

2、建筑围护结构方面

（1）外墙的平均传热系数Km；

（2）屋面的传热系数K；

（3）外窗（含外门透明部分）及透明幕墙的传热系数K；

（4）分户墙及隔墙的传热系数K；

（5）楼地板及地下室外墙的传热系数K；

（6）户门（含阳台门下芯板及其他外门）的传热系数K。

（二）性能性指标设计方法（即《居住建筑节能设计标准》中的第5章和《公共建筑节能设计标准》中的第4.3节）

——亦称综合指标控制法或性能化的设计方法，是在规定性指标中某一项指标不符合规定时，需通过全年的能耗计算进行判断。

以上二种设计方法比较：

1、规定性指标设计方法直观、简明、可操作性强，易于被建筑师所掌握；

2、性能性指标设计方法是在规定性指标设计中某一项指标不能满足要求，而需要通过软件计算能耗予以控制，专业性强，计算较复杂，不易被建筑师所掌握。

计算方法也尚未定型，还在进一步完善之中。

所以，在建筑与建筑热工节能设计中，最好是优先采用规定性指标设计方法。

四川省建筑科学研究院已研发出规定性指标的计算软件——建筑节能便捷计算器，能快速方便的进行建筑节能规定性指标的计算及验算，并自动形成计算书；还可形成设计说明文档。

此外，当设计的规定性指标无法满足《标准》的要求时，还可委托四川省建筑科学研究院进行能耗验算。

TEL：

8347802883373582

也可查询建筑节能技术网，网址：

Http:

//；Http:

//./energy

目前，已有单位正在以建筑师的施工图设计软件为基础开发相应的建筑节能计算软件，为建筑师和暖通工程师提供简捷而操作方便的建筑节能设计计算工具。

三建筑与建筑热工节能设计中的几个主要指标的概念及标准

（一）建筑的体形系数Cf

Cf＝

1、规定建筑体形系数Cf不超过某一限值的目的在于减少通过建筑外围护结构的热、冷耗。

为此，要求建筑的形体设计应尽可能少凹凸。

2、居住建筑规定：

（1）条式建筑的Cf≤0.35；

（2）点式建筑的Cf≤0.40。

当Cf超过规定的0.01，需相应提高外墙与屋面的热工性能来补偿，即应将外墙要求的平均传热系数Km与屋面要求的传热系数K相应减少0.02w/（m2.k）。

3、对夏热冬冷地区，《公共建筑节能设计标准》未对建筑的体形系数作规定，其原因在条文中未予说明。

（二）建筑各向立面上的窗墙面积比及窗的遮阳系数

1、窗墙面积比＝

2、遮阳系数Sc＝

窗的遮阳系数Sc是窗本身（含窗框及窗玻璃）的遮阳系数与内、外遮阳的遮阳系数的乘积，亦称窗的综合遮阳系数（即Sc）。

3、居住建筑中规定，东西向窗的遮阳系数Cs≤0.30。

Cs≤0.30是以外窗的传热系数K≤3.2w/（m2.k）和采取有效的内外遮阳措施后，其综合的隔热性能指标相当于外墙的隔热指标计算确定的，即有遮阳措施的外窗的隔热性能应相当于外墙。

只要采取适宜的内、外遮阳措施，外窗的综合遮阳系数Cs≤0.30很容易达到。

4、公共建筑中的Sc规定与各朝向的窗墙面积比有关，如《标准》中的表4.2.2-4所列，具体计算方法如附录A（另讲）。

5、各向窗墙面积比与窗的传热系数限值

不论是居住建筑还是公共建筑，建筑节能设计中应首先严格控制窗墙面积比，否则将会以提高窗的保温隔热性能来补偿。

窗墙面积比过大会带来噪声干挠、眩光、热（冷）能耗大、私密性差、安全性弱及造价增加等弊病。

目前，建筑中的窗是越开越大，而可开启部分则是越来越小，这是一个不好的设计倾向。

所以，在《公共建筑节能设计标准》中规定：

外窗的可开启面积不应小于窗面积的30%；透明幕墙应具有可开启部分或设有通风换气装置。

窗（含阳台门的透明部分）及玻璃幕墙的保温隔热性能在《标准》中是同时对应考虑窗墙（或幕墙）面积比及窗（或幕墙）的传热系数。

（1）居住建筑，为便于应用，根据《标准》的规定作了如下调整，如表1：

表1居住建筑的窗墙面积比及窗的传热系数限值

各向窗墙面积比

窗的传热系数限值,w/（m2.k）

可选择的窗型

≤0.30

居室外窗

K≤4.7

塑钢单玻窗，铝合金断桥单玻窗

辅助房间外窗

K≤4.7

塑钢单玻窗

>0.30且≤0.45

居室外窗

K≤3.2

塑钢中空玻窗，铝合金断桥中空玻窗

辅助房间外窗

K≤4.7

塑钢单玻窗

>0.45

居室外窗

K≤2.5

气密性高的塑钢中空玻窗，带Low-E玻璃的塑钢中空玻窗或断桥中空玻窗

辅助房间外窗

K≤4.7

塑钢单玻窗

（2）公共建筑的规定，如表2：

表2公共建筑的窗墙面积比及窗的传热系数限值

各向窗墙面积比（含透明幕墙）

窗（含透明幕墙）的传热系数限值

w/（m2.k）

≤0.20

≤4.7

>0.20且≤0.30

≤3.5

>0.30且≤0.40

≤3.0

>0.40且≤0.50

≤2.8

>0.50且≤0.70

≤2.5

屋顶透明部分

≤3.0

6、常用玻璃与建筑窗的热工性能如表3、表4所列。

表3常用玻璃的热工性能参数

玻璃类型

普通单层

玻璃

9mm厚空气层的

普通中空玻璃

12mm厚空气层的

普通中空玻璃

12mm厚空气层的

中空低辐射玻璃

传热系数

w/（m2.k）

5.8~6.4

3.2~3.5

2.8~3.2

1.6~1.8

遮阳系数

0.9

0.8

0.8

0.6

表4常用建筑窗的保温性能

窗类型

传热系数w/（m2.k）

备注

铝合金窗

6.0~6.7

单层玻璃

塑料窗

4.3~5.7

单层玻璃

铝合金窗

3.8~4.5

普通中空玻璃

塑料窗

2.5~3.2

普通中空玻璃

铝合金隔热窗

3.0~3.4

普通中空玻璃；隔热型材

塑料窗

1.7~2.0

中空低辐射玻璃

铝合金隔热窗

2.1~2.6

中空低辐射玻璃；隔热型材

7、关于建筑窗与玻璃幕墙的热工性能，在建筑节能设计时需注意：

（1）同种玻璃配置的塑钢窗的保温性能优于断热桥铝合金窗，但是，断热桥铝合金窗经优化设计后，保温性能有较大的提高。

（2）由于玻璃配置、空气间层厚度、结构工艺、生产厂商等的不同，同种类型窗的传热系数会有较大差异。

（3）玻璃的传热系数不能作为玻璃幕墙的传热系数，玻璃幕墙的传热系数应综合考虑玻璃幕墙类型（如明框、隐框）以及明框的连接方式等等。

如为明框玻璃幕墙，明框的连接方式对玻璃幕墙整体的传热系数会有较大的影响。

（4）当采用隐框玻璃幕墙时，可近似参照玻璃的传热系数来确定玻璃幕墙的热工性能。

如采用12mm厚空气层的中空低辐射玻璃的隐框幕墙，其传热系数一般在2.0w/（m2.k）。

（5）当采用中空低辐射玻璃还不能满足标准要求时，可采用在中空低辐射玻璃的空气层中充惰性气体。

充惰性气体的中空低辐射玻璃的传热系数可降低0.2w/（m2.k）左右。

（6）对热工性能要求较高的玻璃幕墙，可采用通风式双层低辐射玻璃幕墙。

如北京某工程，经国家建筑工程质量监督检验中心检测，该类玻璃幕墙的传热系数达到1.0w/（m2.k）。

（7）寒冷地区的建筑玻璃幕墙应采用隐框幕墙，明框幕墙应采用断热桥铝合金型材或采取其他有效的断热措施；其他地区的建筑玻璃幕墙宜采用隐框幕墙，明框幕墙宜采用断热桥铝合金型材或采取其他有效的断热措施。

（8）寒冷地区、夏热冬冷地区的透明幕墙应采用空气层厚度不小于9mm的中空玻璃或其他类型的相同保温性能的节能玻璃。

（三）传热系数K

1、传热系数K的概念

传热系数K是评价围护结构保温性能的一个指标，它是表明在冬季稳定传热条件下，围护结构两侧的空气温度相差为1K（或1℃）时，单位时间内通过单位平方米面积传递的热量。

K值小说明围护结构的保温性能好。

单位是w/（m2.k）。

2、传热系数K的计算

K＝1/Ro，Ro——传热阻，单位为（m2.k）/w

Ro＝Ri+R+Re

Ri——结构内表面换热阻，（m2.k）/w，取Ri＝1/8.7＝0.11（m2.k）/w；

Re——结构外表面换热阻，（m2.k）/w，取Re＝1/23＝0.04（m2.k）/w；

R——结构本身的热阻，（m2.k）/w，

R＝ΣRj（即各层材料热阻之和）

Rj＝

（实例：

计算240厚砖墙的Ro与K）

3、热阻的计算关键

各层材料的热阻计算关键是导热系数的取值，应取考虑使用位置及湿度影响修正后的计算导热系数λc，即：

λc＝kλ

λ为实验室干燥状态下的测定值，k为大于1的修正系数。

（四）平均传热系数Km

1、平均传热系数Km的概念

由于外墙上的钢筋混凝土结构性冷（热）桥较多，钢筋混凝土的导热系数大（λ＝1.74w/m.k），是粘土砖砌体导热系数的2倍以上。

为此，《标准》规定：

应考虑冷（热）桥部位对外墙热工性能的影响，取平均传热系数Km。

2、平均传热系数Km的计算

平均传热系数Km由外墙上主体部位的传热系数Kp与面积Fp和结构性冷（热）桥部位的传热系数Kb与面积Fb用加权平均方法计算求得，即

Km＝

Km的计算也可根据Fp和Fb在外墙中所占的比例进行计算；在结构性冷（热）桥部位的低限热阻Ro.min大于或等于保证外围护结构内表面不结露的条件下，可用Kp乘以大于1的修正系数计算，如省标《夏热冬冷地区节能建筑墙体、楼地面构造图》“说明”中的第7.1.1条所述。

3、不应以Kp代替Km

目前的大多数建筑节能设计文件中，都是以Kp代替Km，这是不符合《标准》要求的。

不论是居住建筑或是公共建筑，外墙规定的传热系数都是考虑了结构性冷（热）桥部位影响的平均传热系数Km。

（五）热惰性指标D

在居住建筑节能设计标准中，外围护结构的隔热性能是以热惰性指标D来评价。

其实，这是不完全的，它没有从外围护结构的隔热机理来定位，所有的外隔热措施（外反射、外遮阳、外通风、外蒸发、外阻热）都不可能在D值中得到反映。

1、热惰性指标D的概念

热惰性指标D的概念是，在不稳定传热条件下（即夏天有日辐射和气温的波动），D值表征外围护结构抵抗温度波和热流波动的能力，单位为无量纲，即D值大，温度波和热流波动的衰减也就越大。

从隔热考虑，D值越大越好，所以在《居住建筑节能设计标准》中都规定外墙与屋顶的D值应大于或等于3.0。

2、热惰性指标D的计算

D＝ΣDj＝RjScj

Dj——材料层的热惰性指标；

Rj——材料层的热阻，（m2.k）/w；

Scj——材料层的计算蓄热系数，w/（m2.k）。

Scj＝kSj，k是考虑材料使用位置和湿度影响的大于1的修正系数，Sj是在实验室干燥状态下的蓄热系数测定值，

Sj＝0.51

可见，材料密度r越大，导热系数λ越大，S就越大。

3、《标准》中的规定

（1）居住建筑的外墙与屋面的热惰性指标D限值，是与其传热系数同时对应规定：

当外墙的平均传热系数Km≤1.50w/（m2.k）时，D≥3.0，

Km≤1.00w/（m2.k）时，D≥2.5；

当屋面的传热系数K≤1.00w/（m2.k）时，D≥3.0，

K≤0.80w/（m2.k）时，D≥2.5。

轻质材料的导热系数小，蓄热系数也小，所以往往是轻质外围护结构（或使用轻质材料作保温隔热层）的热阻大，K值容易满足规范要求，而D值却不能满足要求。

所以，在《四川省夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中规定：

当计算的D值小于要求的0.01时，应使K值相应减少0.02w/（m2.k）。

但当计算的D值过于小时，应用中会出现调整减少后的K值很小，还可能会出现负值，不切实际。

（2）《公共建筑节能设计标准》对外墙与屋面的D值未作规定。

为什么？

条文说明中未予说明。

严格讲，对于夏热冬冷地区，应有公共建筑外墙及屋面的隔热节能设计指标。

4、关于外墙与屋面的隔热性能评估指标

在《成都地区住宅建筑节能暂行规定》中提出用二个公式来评价外墙与屋面的隔热性能，即热阻抗隔热指标G1和热稳定性隔热指标G2两个量，计算式为：

热阻抗隔热指标G1＝；

热稳定性隔热指标G2＝；

式中，s——外表面材料对太阳辐射的吸收系数；

Ro——外墙与屋面的传热阻，（m2.k）/w；

e、i——分别为外表面和内表面的热交换系数，w/（m2.k）；

m——综合热稳定系数，是热惰性指标D的指数函数。

对于外墙，综合热稳定系数m＝2.62e0.46D；

对于屋面，综合热稳定系数m＝2.52e0.44D；

对于架空通风良好，综合传热系数m＝2.52e0.44D+1。

G1和G2包含了影响外围护结构隔热性能的诸因素，是一个综合地将外墙与屋面的隔热性能参数予以全面、直观、简明地反映在一个公式中的指标，可操作性强，在省标《夏热冬冷地区节能建筑墙体、楼地面构造图》中有计算实例，并已应用在《混凝土小型空心砌块建筑技术规程》JGJ/T14-2004的“建筑设计与建筑节能”一章中。

当外墙的隔热指标G1≤0.60×10–2（m2.k）/w和G2≤0.35×10–2（m2.k）/w时，外墙的内表面最高温度θi.max≤ti+3℃，符合环境热舒适度与节能标准的要求。

当屋面的隔热指标G1≤0.40×10–2（m2.k）/w和G2≤0.35×10–2（m2.k）/w时，屋面的内表面最高温度θi.max≤ti+3.5℃，符合环境热舒适度与节能标准的要求。

为简捷地验算外墙与屋面的隔热性能是否符合《标准》的要求，在省标《夏热冬冷地区节能建筑墙体、楼地面构造图》的说明7.1.2条中，列出了三个建筑热工计算参数的对应关系表，只要外墙的平均传热系数Km、平均热惰性指标Dm和外饰面材料的太阳辐射吸收系数s满足表5中的对应关系，即可不用进行内表面温度验算或调整热惰性指标D值。

表5符合隔热指标要求的Km、Dm与s对应关系

序号

Km，w/（m2.k）

Dm

s

1

≤1.50

≥3.0

≤0.65

2

≤1.50

3.0

≤0.50

3

≤1.50

2.5

≤0.45

4

≤1.50

2.0

≤0.35

四建筑节能设计中被忽视的几项围护结构热工节能设计

（一）外墙与屋面的结构性冷（热）桥部位的建筑热工节能设计

1、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6中三方面的要求计算确定：

表6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

环境要求

在冬季采暖条件下，内表面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℃。

在夏季空调制冷条件下，内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50%要求的传热系数K（外墙为Km），如《标准》所列

节能50%要求的传热系数K和热惰性指标D，如《标准》所列

验算表明，成都等夏热冬冷地区居住建筑环境热舒适要求的外墙与屋面的热工性能，基本上与建筑节能50%标准要求的热工性能一致。

2、《标准》中的规定

（1）在《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中，只规定了外墙的传热系数应考虑结构性冷（热）桥部位的影响取平均传热系数，而没有对屋面提出要求，也没有对结构性冷（热）桥部位的热工性能低限指标提出规定。

严格讲，为保证结构性冷（热）桥部位的安全、卫生和减少传热损失，应对其低限热阻Ro.min提出要求。

（2）《公共建筑节能设计标准》的4.2.3条规定：

外墙与屋面的热桥部位的内表面温度不应低于室内空气露点温度。

这与《民用建筑热工设计规范》中外围护结构的保温设计要求一致。

3、建筑热工节能设计中应计算结构性冷（热）桥部位的低限传热阻Ro.min

目前，在居住建筑的建筑热工节能设计中，大多没有考虑结构性冷（热）桥部位的低限热工性能要求，特别是采用外墙内保温技术的设计、施工都没有重视这个问题。

已有工程实践表明，在冬季正常采暖条件下，这些部位会出现冷凝。

《四川省夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中，外墙取平均传热系数Km≤1.50w/（m.2k），《公共建筑节能设计标准》中外墙取平均传热系数Km≤1.0w/（m.2k），其首要条件是结构性冷（热）桥部位的低限传热阻Ro.min应不小于0.40（m2.k）/w，即相当于双面抹灰180厚实心粘土砖墙的保温性能。

寒冷地区应结合地区气候条件验算要求的低限传热阻Ro.min。

（二）楼地面的建筑热工节能设计

1、《标准》中的规定

（1）《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》的表4.0.8规定：

分户楼板（即层间分户楼板）的传热系数K≤2.0w/（m2.k），底部自然通风架空楼板的传热系数K≤1.50w/（m2.k）。

规定层间分户楼板及房屋底部架空通风楼板具有一定热工性能限值的原因，主要是每户的电耗都是分户计表，保证每户居室在采暖空调时通过楼板传递的热（冷）耗不超过以上规定的限值，以达到环境热舒适和节能50%的要求。

（2）《公共建筑节能设计标准》的表4.2.2-3及表4.2.2-4规定：

寒冷地区的底面接触室外空气的架空或外挑楼板的传热系数K≤0.60（体形系数≤0.3）和K≤0.50（体形系数≤0.4），非采暖空调房间与采暖空调房间的隔墙或楼板的传热系数K≤1.5w/（m2.k）。

夏热冬冷地区只规定了底面接触室外空气的架空或外挑楼板的传热系数K≤1.0w/（m2.k）。

除此之外，还在表4.2.2-6中规定了不同气候区的地面和地下室外墙的热阻限值：

寒冷地区：

周边与非周边地面，R≥1.5（m2.k）/w；采暖空调地下室外墙（与土壤接触的墙），R≥1.5（m2.k）/w。

夏热冬冷地区：

地面，R≥1.2（m2.k）/w；地下室外墙（与土壤接触的墙），R≥1.2（m2.k）/w。

规定以上指标，对寒冷地区而言，是从节能和卫生角度考虑，使这些部位不会结露或者冻脚。

对地面的热阻而言，容易达到。

因为基础的持力