浅议建筑节能设计和计算

浅议建筑节能设计和计算摘要本文主要论述了建筑节能设计中几个关键指标的设计和计算方式，并通过不同方案的对比分析了建筑节能设计和计算的综合评估和考量。关键词建筑节能；设计；计算我国从上世纪80年代开始进行居住建筑节能设计。夏热冬冷地区从2001年10月1日起执行夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准，建筑节能设计涉及面很广，主要的有两个方面，一是建筑物在发挥其正常功能过程中的能耗问题【1】。也就是在满足人们对舒适热环境的前提下合理、有效地使用能源。即采暖通风系统节能。二是建筑外围护结构保温、隔热问题。也就是高效保温隔热材料的合理使用和正确布置，以减少外界环境对室内热环境的影响。即围护结构系统节能，建筑外围护结构的保温隔热措施主要包括屋顶、外墙、架空或外挑楼板以及室内地面的保温隔热构造的确定、材料的选用以及采用保温门窗等措施。这是一个问题的两个方面。两个方面结合得好，就能达到既节能，又节省一次性投资的最佳目的。本文将重点分析建筑节能设计各设计要素的计算。一、建筑节能涉及的热工参数及计算内容我们可以通过规范中对建筑设计在节能方面所需控制并达到的各项规定性指标及要求来归纳出节能设计应熟悉并掌握的有关热工参数及计算内容，总体而言，建筑节能设计主要要考虑和计算建筑物的体形系数对节能的影响，以及外门窗（包括透明幕墙）气密性要求及K值、遮阳系数的规定（限值）和计算、墙体（包括居住建筑的分户墙和公共建筑中必要的分隔墙）K值的规定（限值）和计算，外墙平均K值的计算、屋面（包括屋顶透明部分）K值的规定（限值）和计算、楼地面（包括与室外空气接触的挑空楼板）K值的规定（限值）和计算以及地面及地下室外墙的热阻及限值，实际计算和设计中要充分了解本地区居住建筑节能综合指标的限值。二、建筑体形系数的计算建筑体形系数是指建筑物与室外大气接触的外表面积和外表面所包围的体积之比值。计算公式SF0/V0，F0是建筑物与室外大气接触的外表面积（M2）,V0是外表面所包围的建筑体积（M3）。从规定性指标来看，建筑物的体形宜避免过多的凹凸与错落，体形系数不宜大于040。建筑外墙面面积应按各层外墙外包线围成的面积总和计算。建筑物外表面积应按墙面面积、屋顶面积和下表面直接接触室外空气的楼板（外挑楼板、架空层顶板）面积的总面积计算。不包括地面面积，不扣除外门窗面积。建筑体积应按建筑物外表面和底层地面围成的体积计算。以设计一栋十层30M高，每层建筑面积为600M2的建筑，不同平面形状建筑的体形系数为例。下图1是三种不同的设计方案。三种不同方案的体形系数计算结果见下表1设计方案架空层外围护面积F0（M2）体积V0（M3）体形系数SF0/V0无3540180000197A有414018000023无3900180000217B有450018000025无4800180000267C有540018000030从上述设计和计算可知，平面外形越紧凑，体形系数越小；层数越少，体形系数越大；增设架空层，体形系数随之扩大。体形系数的大小对建筑能耗的影响非常显著。体形系数越小，单位建筑面积对应的外表面积越小，外围护结构的传热损失就越小。因此，从降低建筑能耗的角度出发，应该将体形系数控制在一个较低的水平【2】。但体形系数的大小与建筑造型、平面布局、采光通风等条件紧密相关。控制体形系数大小的方法包括，减少建筑的面宽，加大建筑的进深。面宽与进深之比不宜过大，长宽比应适宜。增加建筑的层数，多分摊屋面或架空楼板面积。建筑体型不宜变化过多，立面不宜太复杂，造型宜简练。但同时要清楚过度强调体形系数限值，也会制约建筑师们的创造性，造成建筑造型呆板，平面布局困难，甚至损害建筑功能。因此应权衡利弊，兼顾不同类型的建筑造型，尽可能地减少房间的外围护面积，避免因体形复杂和凹凸过多造成外墙面积太大而提高体形系数。甚至超过规定性指标，得重新调整建筑平面布局。3、窗墙比与遮阳系数计算在建筑的外窗（含透明幕墙下同）、墙体、屋面三大围护部件中，外窗的热工性能最差，是影响室内热环境质量和建筑能耗的最主要因素之一。它的能耗约为墙体的3倍，屋面的4倍，约占建筑围护结构总能耗的4050。因此，加强外窗的保温隔热性能，减少窗的热量损失，是改善室内热环境质量和提高建筑节能水平的非常重要环节。普通窗户的保温隔热性能差，夏季白天通过窗户进入室内的太阳幅射热也多。窗墙面积比越大，采暖、空调的能耗也越大。因此从节能角度出发，必须限制窗墙面积比。一般情况，应以满足室内采光要求作为窗墙面积比的确定原则。1、窗墙面积比计算公式XAC/AWAC为同一朝向的外窗（含透明幕墙）及阳台门透明部分洞口总面积（M2）。AW为同一朝向外墙总面积（含该外墙上的外门窗的总面积）（M2）。平均窗墙面积比是整栋建筑某一相同朝向的外墙面上的窗及阳台门的透明部分的总面积与该朝向的外墙面的总面积（包括外墙中窗和门的面积）之比。例某办公建筑按节能分类为乙类建筑，建筑南面为（4米，8开间）32M，层高3米，四层，每层设窗（3米宽15米高）各8个，求此建筑南面的平均窗墙比。按给出的条件此建筑南面的平均窗墙比应为0375。2外窗遮阳系数计算夏热冬冷地区，建筑外窗对室内热环境和空调负荷影响很大，通过外窗进入室内的太阳辐射热几乎不经过时间延迟就会对房间产生热效应。特别是在夏季，太阳辐射如果未受任何控制地射入房间，将导致室内环境过热和空调能耗的增加。因此，采取有效的遮阳措施，降低外窗太阳辐射形成的空调负荷，是实现居住建筑节能的有效方法。由于一般公共建筑的窗墙面积比较大，因而太阳辐射对建筑能耗的影响很大。为了节约能源，应对窗口和透明幕墙采取外遮阳措施。按规定性指标详GB501892005标准表4224。有外遮阳设施时，遮阳系数玻璃的遮阳系数外遮阳的遮阳系数。无外遮阳设施时，遮阳系数玻璃的遮阳系数。外遮阳系数的计算方法，详GB501892005标准25页附录A。玻璃的遮阳系数可参照公共建筑节能设计标准DB33/10362007P88表E06。上题中，每扇窗顶均设06M水平遮阳，求其水平外遮阳系数。下图是三种遮阳设计方案。具体的计算公式可参照相关标准。对上述三种方案进行计算可得出结论，固定水平外遮阳所达到的遮阳效果远不如室外卷帘百叶的遮阳效果。设计时应综合考虑造型、经济、美观、实用要求。为满足节能要求应优先采用活动式外遮阳。4、维护结构的节能设计与计算该部分内容的设计与计算要充分掌握几个重要的概念及相应的计算公式，热阻（R）、传热阻（R0）、导热系数（）、传热系数（K）、外墙平均传热系数（KM）、热桥、热惰性指标（D）、保温材料等【3】。此处不做详述，读者可查阅相关资料了解。通过对维护结构的节能设计和计算我们可以知道，通常情况下，维护结构主体与热桥部位用相同厚度保温材料，即可满足规定性指标的要求。不同结构体系的建筑，可通过简化的手法估算出主体结构与热桥部分的面积比例，按照各构造材料的热工值，计算出其平均传热系数。5、屋面的保温隔热屋面在整个建筑围护结构面积中所占的比例虽远低于外墙，但对顶层房间而言，却是比例最大的外围护结构，相当于五个面被室外气候所包围。屋面保温隔热性能太差，对顶层房间的室内热环境和建筑采暖空调能耗的影响是比较严重的。因此各节能规范对屋面的热工性能均做了严格的规定。为了提高屋面的保温隔热性能，设计应遵循以下原则1、应选用导热系数（）小，蓄热系数（S）大的保温隔热材料。不宜选用密度（P0）过大的材料，防止屋面荷载过大。2、根据建筑物的使用要求，屋面结构形式，环境气候条件，防水处理方法和施工条件等因素，屋面保温措施应经技术经济比较后确定。3、宜采用倒置式屋面保温隔热系统防水层设置在结构层以上、绝热材料之下，兼作隔气层。由于绝热材料的保护作用，使防水材料避免受到室外空气温度的剧烈波动变化和紫外线辐射影响及施工原因，造成防水层的损坏。4、保温隔热材料不宜选用吸水率较高的绝热材料，以防屋面湿作业时，保温隔热层大量吸水，降低热工性能。否则应设排水孔。一般采用聚苯乙烯泡沫塑料板（EPS板）、挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板（XPS板）、聚氨酯泡沫塑料等。5、公共建筑屋顶透明部分（玻璃顶）的面积不应大于屋顶总面积的20。不同性质的建筑由于规范对其节能的规定性指标要求不一样，即使采用相同的屋面构造做法，其保温层厚度可有所不同。不需采用一刀切的手法。由于大部分屋面其构造做法相对统一，因