建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)變革和建筑物的節(jié)能設(shè)計(jì)

田斌守 賈雪霞（甘肅省建材科研設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭州730020）

1 前言

我國(guó)在 “十五”、“十一五”國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展時(shí)期，國(guó)家連續(xù)保持著8%左右的發(fā)展高速，我們的綜合國(guó)力有了很大的提高。但是，人們也意識(shí)到了能源緊缺對(duì)可持續(xù)發(fā)展的威脅。同時(shí)這一階段又是我國(guó)住宅產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的時(shí)期。脫貧并逐步富裕的國(guó)人首先要解決住房問(wèn)題，幾十年來(lái)積聚的住房需求很快爆發(fā)出來(lái)，加之近幾年城市化進(jìn)程的加快，使得這一勢(shì)頭更猛烈。一方面人們要增加住房面積，另一方面要提高居住質(zhì)量，這兩個(gè)因素使得建筑能耗快速增長(zhǎng)至一個(gè)高位，并且當(dāng)今仍在以高速增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)僅用于維持居住熱舒適質(zhì)量的采暖空調(diào)能耗就達(dá)到全社會(huì)終端能耗的27.5%，這還不包括生產(chǎn)建筑材料的能耗和建造建筑物耗費(fèi)的能耗。

但是社會(huì)要發(fā)展，不能讓老百姓停留在原有的生活水準(zhǔn)，提高人民的生活質(zhì)量和水平是我們國(guó)家的大政。那么我們就很容易理解：會(huì)有越來(lái)越多的人耗用更多的能源，所以能耗總量的增長(zhǎng)是勿庸置疑的。目前，建筑能耗與工業(yè)能耗和交通能耗一起列為我國(guó)三大耗能行業(yè)。行業(yè)內(nèi)外的有識(shí)之士疾呼建筑節(jié)能刻不容緩。建筑節(jié)能的目的是提高能源利用效率，降低維持正常使用狀況時(shí)單位建筑物的能源耗用量。為此，我國(guó)根據(jù)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展速度制定了相應(yīng)的方針，實(shí)施分步進(jìn)行的策略推進(jìn)建筑節(jié)能。

我國(guó)首部嚴(yán)寒寒冷地區(qū)《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ26-86的頒布實(shí)施，標(biāo)志著我國(guó)的建筑節(jié)能工作正式由研究階段進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。此后根據(jù)發(fā)展需要對(duì)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了變更，并發(fā)布了不同建筑氣候區(qū)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。就在全國(guó)推進(jìn)建筑節(jié)能的過(guò)程中，又發(fā)生了“央視大樓、上海教師公寓、沈陽(yáng)皇朝”等幾次特重大火災(zāi)，給人民的生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失，建筑節(jié)能與建筑安全成了當(dāng)前十分急迫的課題。

2 建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)變革

現(xiàn)在建筑行業(yè)把我國(guó)的建筑節(jié)能分為3個(gè)階段：第一步、第二步、第三步乃至更高階段，專(zhuān)業(yè)人員習(xí)慣上說(shuō)30、50、65標(biāo)準(zhǔn)，是根據(jù)我國(guó)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的節(jié)能率，把節(jié)能目標(biāo)為30%的階段稱為第一步，把節(jié)能目標(biāo)為50%的階段稱為第二步，把節(jié)能目標(biāo)為65%的階段稱為第三步，有的地方在探討實(shí)施75%的節(jié)能目標(biāo)。其實(shí)質(zhì)意義是把1980年居住建筑的耗能量定為基準(zhǔn)值，在此基礎(chǔ)上節(jié)約的能量稱為節(jié)能率，并規(guī)定了在此基礎(chǔ)上分步走的建筑節(jié)能計(jì)劃，首先發(fā)布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的是建筑能耗最高的嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，以后陸續(xù)發(fā)布了我國(guó)其它氣候區(qū)的居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。即第一步先達(dá)到節(jié)能率30%，標(biāo)志性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是JGJ26-86《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（采暖居住建筑部分）》；第二步是在第一步建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)上再節(jié)能30%，總的節(jié)能率達(dá)到50%，標(biāo)志性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是JGJ26-86《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（采暖居住建筑部分）》；第三步是在第二步的基礎(chǔ)上再降低30%，總的節(jié)能率達(dá)到65%，這時(shí)候國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)還未發(fā)布，北京、天津、黑龍江、河南、甘肅等地率先發(fā)布了地方標(biāo)準(zhǔn)。建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)變革歷程如表1所示。

表1 我國(guó)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)變革情況

3 建筑傳熱形式和墻體熱物性計(jì)算

3.1 墻體傳熱形式

傳熱的基本方式分為導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射3種，建筑傳熱過(guò)程也是以這3種方式進(jìn)行熱量傳遞的，在不同部位、不同時(shí)段傳熱方式的重要程度不同。以冬季采暖的建筑物為例，熱量傳遞路徑如下：在建筑物內(nèi)部首先是輻射和對(duì)流，散熱器與室內(nèi)空氣換熱，室內(nèi)冷熱空氣對(duì)流換熱，墻體內(nèi)表面與室內(nèi)空氣換熱，然后以傳導(dǎo)方式從墻體內(nèi)表面?zhèn)鬟f到外表面，墻體外表面與室外空氣再通過(guò)對(duì)流和輻射傳遞到大氣中。

3.2 熱物性計(jì)算

建筑物節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算的主要熱工指標(biāo)是熱阻、傳熱系數(shù)、熱惰性指標(biāo)。

墻體設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)建筑物而言主要考慮的是傳導(dǎo)形式傳遞的熱量，并且熱量傳遞符合傅里葉定律，其值由下列公式計(jì)算[1]。

式中：R—墻體的熱阻（m2·K/W）;

d—墻體的厚度（m）；

λ—組成墻體材料的導(dǎo)熱系數(shù)（W/m·K）。

注：（1）空氣層可視為特殊的絕熱材料，因?yàn)閷?duì)流傳熱等原因，空氣層的熱阻不能簡(jiǎn)單地由公式（1）計(jì)算得出，而采用經(jīng)驗(yàn)值，從GB50176-93附表2.4中選取；（2）不同的墻體結(jié)構(gòu)具體的計(jì)算步驟和公式不同，但是總的結(jié)果符合這個(gè)公式的要求。

表2 主要建筑材料熱工性能

對(duì)于材料和建筑構(gòu)件而言主要的熱工指標(biāo)是導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻，對(duì)于建筑物而言是傳熱系數(shù)。在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中給出的是建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)（墻體）傳熱系數(shù)K的限值，傳熱系數(shù)K由公式(2)計(jì)算得出：

式中：K—墻體傳熱系數(shù)(W/m2·K)；

R—墻體熱阻(m2·K/W)；

Ri—內(nèi)表面換熱阻，取0.11m2·K/W；

Re—外表面換熱阻，取0.04 m2·K/W。

此外為了建筑物居住的熱舒適性，還要考慮建筑物墻體的熱惰性指標(biāo)D。

式中：D—墻體熱惰性指標(biāo)；

R—墻體熱阻(m2·K/W)；

S—墻體蓄熱系數(shù)（W/(m2·K)）。

蓄熱系數(shù)S按下式（4）計(jì)算

式中：λ—-墻體導(dǎo)熱系數(shù)（若是復(fù)合結(jié)構(gòu)按平均導(dǎo)熱系數(shù)）（W/(m·K)）；

C—墻體比熱容（KJ/kg·K）；

Z—溫度波動(dòng)周期（h）；

ρ0—墻體密度（kg/m3）。

若以溫度波動(dòng)周期24小時(shí)計(jì)。公式（4）變成

4 建筑材料主要熱工性能

建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要組成材料有以下三大類(lèi)：主體材料、保溫隔熱材料、飾面材料。進(jìn)行節(jié)能建筑設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮結(jié)構(gòu)的安全性、傳熱性能、熱惰性及經(jīng)濟(jì)性，即根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)形式、當(dāng)?shù)亟ㄖ牧系墓?yīng)狀況、當(dāng)?shù)亟ㄖ?jié)能標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求等因素選擇適宜的建筑材料和構(gòu)造作法。其中傳熱系數(shù)和熱惰性指標(biāo)是與建筑節(jié)能直接相關(guān)的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)完成后必須對(duì)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)和熱惰性指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)算，判斷是否滿足建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此，要做好建筑節(jié)能設(shè)計(jì)必須熟悉掌握建筑材料的熱物理性能。隨著社會(huì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步，建筑材料的發(fā)展進(jìn)程不同，這里的建筑材料與日常所指的水泥、鋼材、木材、陶瓷、化學(xué)建材內(nèi)涵不同，這里的建筑材料嚴(yán)格意義上講是墻體材料，下面說(shuō)的建筑材料也是這個(gè)意思。在上述的3種材料中主體材料的變化不大，種類(lèi)也少；飾面材料是建筑材料中發(fā)展最快的，更新?lián)Q代頻繁，但是對(duì)建筑節(jié)能的影響不大，因此一般不考慮它們的節(jié)能性能（這里的建筑節(jié)能性能主要考慮防輻射涂料是隔太陽(yáng)輻射熱的，另外考慮）；保溫隔熱材料是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中考慮的重點(diǎn)內(nèi)容，也是近幾年國(guó)家重點(diǎn)倡導(dǎo)發(fā)展的材料，品種也較多。特別是“央視新址附屬文化中心、上海膠州路教師公寓、沈陽(yáng)皇朝萬(wàn)鑫大廈等大火后，公安部出臺(tái)了嚴(yán)厲的確保建筑保溫安全的文件公消[2011]65號(hào)文《關(guān)于進(jìn)一步明確民用建筑外保溫材料消防監(jiān)督管理有關(guān)要求的通知》，將原來(lái)的《民用建筑外保溫系統(tǒng)及外墻裝飾防火暫行規(guī)定》（公通字[2009]46號(hào)文）的要求進(jìn)行了更進(jìn)一步的提高，明確了建筑保溫隔熱用建筑材料必須達(dá)到防火性能A級(jí)要求。這個(gè)文件的出臺(tái)使得我國(guó)整個(gè)保溫材料產(chǎn)業(yè)和建筑節(jié)能設(shè)計(jì)發(fā)生了巨大的變化。表2是一些常見(jiàn)的建筑墻體砌筑材料和保溫材料的熱物理性能[2][3]。

5 節(jié)能設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)過(guò)程中有許多環(huán)節(jié)，包括建筑物自身的節(jié)能設(shè)計(jì)和供熱供冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)是建筑物自身節(jié)能設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)中窗戶是個(gè)定型產(chǎn)品，其質(zhì)量在工廠可控制，并且安裝前后性能不會(huì)發(fā)生變化（窗戶的質(zhì)量除強(qiáng)度等機(jī)械性能外，與節(jié)能有關(guān)的主要是氣密性、水密性、保溫性能和抗風(fēng)壓性能，這里不贅述）。墻體是在建造過(guò)程中形成的，除了一些主觀因素影響以外，還受到當(dāng)?shù)夭牧系纳a(chǎn)供應(yīng)情況、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、當(dāng)?shù)亟ㄖ夂驐l件等諸多因素影響，這里主要討論墻體的節(jié)能設(shè)計(jì)。屋頂?shù)那闆r與墻體類(lèi)似。

目前外墻的做法有4種：外墻外保溫、外墻內(nèi)保溫、夾芯墻、自保溫墻體。前3種都是復(fù)合保溫墻體，用保溫材料和主體材料共同承擔(dān)的保溫，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的傳熱系數(shù)，區(qū)別在于保溫材料層在墻體的位置；自保溫墻體是用工廠預(yù)制好的復(fù)合結(jié)構(gòu)砌體材料，直接砌筑墻體達(dá)到建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求的傳熱系數(shù)。前3種保溫結(jié)構(gòu)墻體的設(shè)計(jì)思路和傳熱系數(shù)計(jì)算方法基本相同，都是依據(jù)公式（1）和公式（2）進(jìn)行計(jì)算的。所謂復(fù)合結(jié)構(gòu)保溫方式就是在主墻體上再?gòu)?fù)合1層或幾層保溫材料，那么首先要計(jì)算出主體墻的熱阻和傳熱系數(shù)，然后根據(jù)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出尚需保溫材料提供的熱阻，再利用已知的保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算出所需保溫材料層的厚度。常見(jiàn)主體墻的構(gòu)造及熱阻計(jì)算如表3所示。

表3 常見(jiàn)主體墻構(gòu)造及熱阻

不同的建筑節(jié)能目標(biāo)階段墻體的熱工性能要求不同，以表4為例來(lái)說(shuō)明。表4是蘭州地區(qū)不同節(jié)能設(shè)計(jì)階段外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值。從節(jié)能30%到節(jié)能65%，外墻傳熱系數(shù)降低了約50%，也就是說(shuō)外墻的熱工性能提高了約1倍。

表4 蘭州地區(qū)各節(jié)能設(shè)計(jì)階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值

對(duì)照表3和表4可以發(fā)現(xiàn)，在節(jié)能30%目標(biāo)的第一階段，300mm厚加氣混凝土墻體直接可以達(dá)到要求，除此之外，所有的結(jié)構(gòu)都要進(jìn)行復(fù)合保溫；在節(jié)能50%和65%的節(jié)能目標(biāo)時(shí)，所有的墻體都要做復(fù)合保溫。以蘭州地區(qū)居住建筑節(jié)能65%的目標(biāo)來(lái)說(shuō)，各種墻體材料的復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)計(jì)算如表5所示[2]。

表5中所列保溫材料EPS、XPS、聚氨酯、酚醛板、巖棉板、?；⒅樯皾{、泡沫水泥等是目前主流的保溫材料，主要分兩類(lèi)：有機(jī)類(lèi)和無(wú)機(jī)類(lèi)。有機(jī)類(lèi)材料的突出特點(diǎn)是容重小、導(dǎo)熱系數(shù)小，但是易燃燒，用在建筑物上的消防安全性較差。無(wú)機(jī)類(lèi)材料的突出特點(diǎn)是長(zhǎng)壽命，不燃燒，缺點(diǎn)是容重較大，導(dǎo)熱系數(shù)較大，達(dá)到同樣的保溫性能需要的材料厚度較大。表中計(jì)算的保溫層厚度是按表中的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算的總厚度，在使用時(shí)要結(jié)合墻體材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范進(jìn)行內(nèi)外復(fù)合保溫構(gòu)造措施，材料的導(dǎo)熱系數(shù)變化時(shí)保溫層的厚度也會(huì)變化。

對(duì)于高層建筑來(lái)說(shuō)剪力墻是其主要的外墻，其余少量部位為砌塊填充墻?；炷良袅Φ谋厥请y點(diǎn)，既要考慮燃燒性能，還要考慮與主體同壽命的結(jié)構(gòu)安全性，從表中可以看出如果都用無(wú)機(jī)類(lèi)材料，外墻需要附著厚度很大的保溫層，以250mm厚的鋼筋混凝土剪力墻為例，達(dá)到傳熱系數(shù)要求時(shí)外墻保溫層約80～90mm，靠粘接和錨栓能不能安全使用，要高度重視是否存在潛在的隱患。

我國(guó)嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)占國(guó)土面積的2/3以上，新的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)墻體傳熱性能提出了更高的要求。嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)新的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)JGJ26-2010規(guī)定的墻體傳熱系數(shù)限值如表6所示[4]。建筑節(jié)能和安全不可偏廢任何一方，否則我們會(huì)為此付出沉重的代價(jià)。

表6 嚴(yán)寒寒冷地區(qū)節(jié)能65%標(biāo)準(zhǔn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值

6 結(jié)語(yǔ)

1）建筑節(jié)能設(shè)計(jì)要遵循因地制宜、因時(shí)制宜的原則，不同的地方甚至同一個(gè)地方不同的建筑節(jié)能時(shí)期采取的措施不同。

2）保溫材料各有突出的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)實(shí)際情況，本著安全、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的原則選用適用的材料和結(jié)構(gòu)。

3）建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提高后，墻體傳熱系數(shù)的限值進(jìn)一步降低，如果禁用有機(jī)類(lèi)保溫材料，全部用無(wú)機(jī)類(lèi)保溫材料達(dá)到設(shè)計(jì)要求是很困難的，同時(shí)也使得實(shí)施進(jìn)一步提高能效的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)缺乏物質(zhì)支撐條件。

4）復(fù)合結(jié)構(gòu)的保溫是發(fā)展趨勢(shì)，探討有機(jī)和無(wú)機(jī)類(lèi)保溫材料復(fù)合使用的方案。

[1]中華人民共和國(guó)建設(shè)部主編.民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1993.

[2]田斌守,章巖,楊樹(shù)新,李玉璽.節(jié)能65%目標(biāo)與自保溫混凝土砌塊[J].混凝土與水泥制品,2008(1):49-52.

[3]王花枝,田斌守.在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上用新材設(shè)計(jì)空氣層應(yīng)注意的問(wèn)題[J].墻材革新與建筑節(jié)能,2000(2):26-27.

[4]嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)JGJ26-2010[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010