關于超低能耗建筑的適用性分析

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　　摘要：我國是多氣候區域，地區之間差異明顯，分嚴寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖地區，因此不能生搬硬套德國的指標，但他們提出建筑能耗應保證室內熱舒適度的兩條準則原理是應當借鑒的，并根據這兩條準則原理，結合我國的區域特點，提出建筑設計的依據。

　　關鍵詞：環境溫度熱舒適度相對濕度（詞條“相對濕度”由行業大百科提供）結露點傳熱系數適合國情的標準

　　前言

　　節能減排是國家經濟發展必由之路，建筑的節能是全社會節能減排的重要組成部分，不僅在我國，就是西方發達國家也是積極推進建筑的節能工作。今年國家提出2030、2060年實現碳達峰和碳中和目標，建筑節能要實現80～95%的目標，其中建筑節能是重點，并已提出強制推廣使用超低能耗建筑。

　　早在上世紀八十年代由瑞典隆德大學教授波.阿德姆森等人就提出被動房理念，即在不設傳統采暖設施條件下，僅靠太陽能幅射、室內燈光、電器散熱、人體散熱等自然得熱方式條件下，建造冬季室內溫度能達到20度以上，具備良好的舒適度的房屋。根據以上理念，提出超低能耗建筑，既節能又能滿足舒適環境的需求，主要通過三個方面來實現。

　　1、建筑圍護結構做到高性能。良好的保溫、隔熱的外圍護結構，包括薄弱環節的高性能門窗配套。

　　2、有效的大幅提升所有建筑節能系統的效率。

　　3、利用再生能源，如太陽能、水資源合理利用及回收，有效減少化石能源的消耗。

　　具體來說，就是釆用各種節能技術，采用最佳的建筑圍護結構和室內舒適環境，最大限度地提高建筑保溫（詞條“建筑保溫”由行業大百科提供）、隔熱性能，使建筑物對采暖和制冷需求降到最低，并通過各種技術手段如：新風系統的應用、采光太陽能利用、水循環系統的利用及回收等，實現室內舒適環境要求，最大限度的降低傳統式的采暖和制冷系統的依賴，或是完全取消這類設施的解決方案。

　　由于我國的氣候條件地理環境與德國不一樣，不能完全照搬德國的相關技術指標，要根據我國的氣侯狀況來建造超低能耗建筑，并制訂適合我國國情的相關標準，滿足不同區域超低能耗建筑節能要求。

　　一、超低能耗建筑性能確定的依據

　　1、人體對環境溫度的反應

　　研發超低能耗建筑的設計，首先要討論室內居住環境滿足人們工作、生活所需求的舒適度為重點，其影響因素主要是空氣溫度、相對濕度、氣流速度及平均輻射溫度。其核心點是室內環境，使人在休息時能保持體溫在37℃左右，超過或低于2℃時，在短期內還可忍受，若持續時間太長或體溫升降偏差太大時，就會損害健康，甚至危及生命，因此，在人類賴以生存的條件范圍內，有一個較小的區間定為“舒適區”，在此條件下，人體熱調節機能的應變最小。因此對建筑設計中的墻體厚度及保溫、屋面保溫和排水、門窗保溫及安裝方式、遮陽、水電氣的節能要求來實現。

　　早在40多年前，美國耶魯大學蓋奇等人就提出了人體熱感覺與環境、健康狀態的關系。

　　2、2009年德國提出的建筑釆暖能秏限額小于等于45Kwh/㎡a(即每平方米年能耗量)，關于超低能耗建筑釆暖限額小于等于15Kwh/㎡a，制冷能耗小于等于15Kwh/㎡a，這是建筑能耗最高標準，基本可以實現零能耗的建筑指標，這些標準可以參考，并針對嚴寒地區。

　　3、室內環境熱舒適度準則

　　由于門窗是外圍護結構的薄弱環節，其傳熱系數難以達到外墻等外圍護結構水平，而且外窗是直接影響室內環境的主要因素，故提出室內環境熱舒適度準則，使外門窗能夠達到這些要求。因此德國在建造超低能耗建筑時，提出對建筑總能耗保證熱舒適度的兩條準則，應是我國建造超低能耗建筑設計的基本依據，具體如下：

　　第一、不論室外空氣溫度是多少，在控制能耗的情況下，應保持室內溫度為20℃，室內表面平均溫度在設計條件下，高于17℃，否則在地面可能形成冷氣層，在窗邊會感覺不舒適。

　　第二，為了防止細菌生長，室內空氣相對濕度，人體感到舒適范圍內，即30%～65%之間，即要求室內溫度為20度時，室內表面在相對濕度為65%時不產生結露，這時露點溫度為13.2℃，因此，內表面溫度最低點位置應保持在13℃以上。

　　二、超低能耗建筑外圍護結構性能分析

　　我國是多氣候區域，各地區氣候差異很大，并分為嚴寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖地區，德國的氣侯比較單一，因此不能生搬硬套德國的指標，對建筑節能提出能耗應保證室內熱舒適度的兩條準則原理是應當借鑒學習的，根據這兩條準則原理，結合我國的實際情況，以作為建筑設計的依據，從建造室內舒適小環境中。簡單地講，可分為兩種作用的性能。一種是根據外界環境制定的性能指標，如傳熱系數K值及抗風壓性能，它控制室內小環境的熱舒適度和安全。另一類是對室內小環境舒適度的保證，如抗風壓、氣密、水密、隔聲、防火（詞條“防火”由行業大百科提供）、抗沖擊、抗震（詞條“抗震”由行業大百科提供）、太陽能熱量獲得率及使用壽命等可作為定值的擇優確定，因此除抗風壓性能和傳熱系數K值要根據我國的氣候異常條件確定外，其余可基本采用德國的性能數據，包括窗的加工和安裝上墻要求。

　　針對抗風壓性能按常規計算取值即可，而保溫性能則按熱傳導的基本原理，即可推導出我國各地區的傳熱系數指標，其中針對寒冷和嚴寒地區主要是防寒，夏熱冬暖地區是防熱輻射和防潮濕和結露，而夏熱冬冷地區則二者兼顧。

　　以嚴寒地區為例，大家都會有共同感覺是氣候干燥，而南方冬天因潮濕，其溫度雖然在零上10℃以內，還是覺得很冷，但北方同樣溫度下，就不像南方那樣感覺很冷。因此在吸取德國兩條舒適度，準則中，我們認為采用溫度為20℃，由于室內空氣干燥，窗內表面溫度可低一些取16℃也不會有冷輻射感覺，其相對濕度取30%-55%以滿足舒適度為準，減少了過度的要求。

　　按以上意見，準則確定后，按穩定傳熱條件來計算，即可推導出建筑外窗傳熱系數K值。即外窗的傳熱系數和防止結露的最低溫度表面的傳熱系數，按此兩個指標和與其配套的性能的保證指標，即可設計出超低能耗建筑用外窗的依據。

　　現舉嚴寒地區為例：

　　設室外溫度為t0，室內溫度ti為20℃，窗內壁平均溫度tib為16℃，相對濕度為55%計算，則室內結露點溫度為10.7℃，這樣窗內壁最低點溫度取≥11℃，則可求出K值，以滿足外界溫度的要求。

　　kw≤[(ti- tib).hi]/ (ti- t0)

　　上式中：

　　kw—窗的傳熱系數w/㎡.k

　　ti —室內溫度K取20℃

　　t0 —室外溫度K

　　hi—窗內表面換熱系數，取8 w/㎡.k

　　tib—窗內壁平均溫度取16℃

　　若嚴寒地區某城市，冬季室外最低溫度為t0=-35 ℃，即可求出整窗的傳熱系數Kw值。

　　kw≤[(20- 16).8]/ [20-(-35)] ≤0.58 w/㎡.k

　　窗的薄弱環節部位的傳熱系數KL，應保證內壁薄弱點的溫度>11℃。

　　則KL<[(20- 11).8]/ [20-(-35)]<1.3 w/㎡.k

　　其他地區，均可按照以上原則，采用本地區熱舒適度取值，以確定窗的性能指標。

超低能耗節能外窗

　　三、墻體和屋面保溫

　　關于墻體和屋面的保溫是很重要的，它做好了，實現模塊化設計和安裝，并且能夠保證屋面和墻體厚度，實現保溫厚度應大于300mm，對降低冬季采暖和夏季空調用電會有很大幫助，門窗作為外墻圍護中的重要組成部分，外門窗性能要求將更好的保證，根據目前國情，建議高層住宅建筑外窗安裝在洞口邊部，不建議采用外掛式的安裝，低層建筑高度不超過20m的可以采用外掛式安裝，通過節能附框與窗框連接，施工人員可以在室內施工，降低施工的安全風險。

　　四、門窗的要求

　　超低能耗節能外門窗不同于常規門窗產品，外門窗的結構設計和選材很重要，干法施工需要室內外的防水透氣膜、EPDM板和室外窗臺板、窗套必不可少，防水和防結露各個區域都需要，由于我國地域遼闊，由不同的地域差異，門窗要求也有差異，針對極端氣候變化的適應性更要考慮，保證建筑外門窗、幕墻要與建筑同壽命，從而減少建筑垃圾，對減少碳排放有幫助，所以要因地制宜結合不同區域氣侯來滿足超低能耗建筑外窗節能，對于門窗節能指標，應當看型材斷橋的寬度和高度和隔熱材料的導熱系數，并要求型材的傳熱系數，與建筑外門窗配置的玻璃、膠條的導熱系數和傳熱系數，只有這樣才能更好的解決門窗的傳熱系數，測試數據更真實。

　　1、我國區域遼闊，氣候區域分布廣泛，要針對嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖不同地區建議提高整窗的傳熱系數要求：

　　夏熱冬冷地區建議為1.00~1.30 w/㎡.k，考慮遮陽

　　嚴寒地區和寒冷地區建議為0.80~1.00 w/㎡.k

　　夏熱冬暖地區建議1.30~1.50 w/㎡.k，考慮遮陽

　　四季溫暖地區為1.50~1.80 w/㎡.k

　　2.氣密性能建議小于或等于0.3~0.15m3/m.h，氣密性能直接影響保溫性能和安全性及舒適度。

　　3.在防水性能中，建筑外窗戶建議增加節能附框，實現干法安裝施工，增加室外側窗套和窗臺板，提高窗體保溫及防水、防滲漏、防腐（詞條“防腐”由行業大百科提供）等功能，與節能窗成為完整體系，材料選用3.0mm鋁合金型材或鋁板成型，并在規范中強制執行，并處理好沿海地區抗臺風、針對極端天氣對門窗的要求;

　　4.對窗戶的防盜和抗沖擊性能要求應加強，型材、玻璃、五金件與窗，成品窗與洞口的連接配合中的使用，提高型材壁厚，建議塑窗型材壁厚大于3.0mm，同時腔體（詞條“腔體”由行業大百科提供）填充硬質發泡，復合型材的拉伸和剪切應力應大于等于50N/mm，鋁型材節能窗壁厚提高2.0mm~2.2mm，材料質量保證50年以上或與建筑同步;

　　5.防火窗是要考慮，有逃生通道或房間的獨立設計;

　　6.門窗檢測不應只對送樣負責，要對項目及產品負責，檢測方法要與實際相結合，對產品負責就是對用戶負責;

　　五、太陽能和雨水的利用

　　太陽能光伏（詞條“太陽能光伏”由行業大百科提供）板在建筑上已有應用，主要解決住宅用電問題，降低煤炭(石化)發電用量，對節能降耗作用貢獻很大，須大力推廣。

　　雨水處理和再利用，廢水這種技術目前國內環保要求，國內工廠已在廣泛應用，雨水和廢水的處理和利用在建筑住宅方面推廣不夠，需加強技術創新和廣泛推廣應用。

　　六、新風的應用

　　由于超低能耗建筑的保溫性能和氣密性能特別好，需要通過新風系統解決室內舒適度，通過新風過濾、滅毒、殺菌、增氧、預熱（詞條“預熱”由行業大百科提供）(冬季)來保證室內的空氣清新，同時保證

　　減少熱量損失，實現室內的溫度、濕度、空氣質量的適宜。

新風系統的配置

　　七、結束語

　　超低能耗建筑，已成為我國建筑節能發展方向，而其建筑綠色節能設計制造也是其關健，我國超低能耗建筑已建成許多項目，如秦皇島的在水一方，哈爾濱的“辰能.溪樹庭院”，以及節能改造項目和特色鄉村新民居超低能耗建筑的應用，積累了些經驗，為更廣泛推動超低能耗建筑的發展，實現碳達峰和碳中和的目標，需要更多方面努力并做出適合我國國情的超低能耗建筑及產品。

作者單位：上海茵捷建筑科技有限公司李江巖 李冠男