夏热冬暖地区住宅建筑节能设计的实践分析

夏热冬暖地区住宅建筑节能设计的实践分析

黄仁彬

中海发展（广州）有限公司 510050

摘要：

伴随经济发展与城市化的加速，建造技术日新月异，建筑行业更显著成为中国的能耗“大户”。基于科技的迅猛发展，越来越多节能设计手法和技术措施被运用到建筑设计中。采取可持续的节能措施，能阻止建筑能耗的快速增长，突破制约中国乃至世界能源经济发展的瓶颈。

关键词：夏热冬暖地区；观澜府；住宅建筑；节能设计

引言：

夏热冬暖地区（南区）地处我国IV类气候分区，其南部为南区。区内建筑主要考虑空调，可不考虑冬季采暖，决定了居住建筑中产生属地化的设计手法和技术措施。本文结合实际设计案例，剖析节能设计手法的对比及效用。

中海观澜府项目位于广州市海珠区海珠创新湾内，占地面积4.39万㎡，建筑面积22.9万㎡，其中计容面积14.72万㎡，容积率达到6.9，北区设计限高120m，属于超高层住宅建筑（详见图1）。经对比项目采用含六项涉及节能优化的主要手法和措施梳理如下。

图1 观澜府项目整体总平面图

1有利的建筑朝向

建筑朝向是影响风压通风效果的关键，在项目中需考虑夏季主导风向及建筑所处地域的地理条件。观澜府南面临珠江外航道，常年存在着江风形成的小气候环境。夏热冬暖地区气候潮湿炎热，如果建筑物布局朝向与夏季主导风向一致，且与风向投射角度保持0°，则前排建筑高度、平面布局及形状等会对后排建筑形成的涡旋区产生直接影响。建筑物正面存在风流使风影长度达到最大值，此时需通过增加建筑物间距来避免挡风问题，这是最不合理的建筑布局形式。为避免此种情况，项目布局阶段需对建筑物和风向之间的夹角进行适当调整，风向夹角宜控制在30°～60°，以减小风影长度。因此，在项目布局上，观澜府项目借用所处区域江景资源和主导风向，综合选择最佳建筑朝向，确保大部分住宅既有充分江景日照，又位于风影范围外，享有较好的自然通风效果。

2采用中空节能玻璃

建筑能耗会受到窗户玻璃材质的传热系数的影响，而玻璃作为窗户构件中最重要的组成，玻璃起到阻隔热传导及热辐射的作用。在夏热冬暖地区，窗的气密性还取决于玻璃与框架之间的粘合性，该性质对隔湿起着非常重要的作用。本项目主要客餐厅和主要居室等空间均采用低透光单银Low-e中空玻璃，有着优异的热工性能，整窗传热系数达到3.15（详表1）。新型Low-e中空节能玻璃，传热系数小，自遮阳系数高，隔声性能，抗腐蚀性能较强，有效节约夏季空调能耗损失。

表1 . 观澜府项目1#楼外窗热工参数

3外窗设计参数

由于夏热冬暖地区对自然通风要求较高，窗墙比不宜过低。观澜府项目在保证开窗面积满足自然通风要求的同时，采用窄窗框外窗形式，通过对典型户型不同外窗K值条件下和SHGC条件下建筑冷量需求进行模拟计算。住宅1#楼年度空调年耗电指标63。与外墙相似，当外窗的K值从3.5 W/(m 2·K)降低至0.80 W/(m 2·K)时，节能效果并不明显;而外窗的太阳得热系数SHGC对能耗影响较显著，当SHGC从0.45降低至0.15时，建筑冷负荷需求下降约40%，夏热冬暖地区应选用SHGC较低的外窗，可以适当降低对传热系数K值的要求。

4住宅体系系数

清华大学建筑节能研究中心2014年的研究数据表明，城镇住宅空调和采暖能耗（长江流域）高达1.85×10 7t标准煤，约占城镇住宅总能耗的12％，用能强度仅次于炊事用能和生活热水能耗，而这一数量和比例在未来将持续上升。因此结合冷墙技术的原理，选择夏热冬暖地区作为研究区域，利用Sketchup软件模拟观澜府住宅1#楼建筑模型，同时参考国内外相关研究，针对居住建筑中的塔式建筑，以模拟该技术对高层住宅小区建筑室内能耗的影响。为满足相关规范的相关要求，在严格按照实际建筑平面户型建模后，设置了建筑的内部布局并对其加以改造和简化，建筑内外均省略了门的结构设计，同时将建筑的整体结构去除了内外的突起和不平整装饰部分。按照建筑设计要求，塔式建筑模型共38层，层高定为3.0m，属于超高层建筑，总高度达120m。考虑到不同窗墙比对于实际建筑的能耗情况影响较大，因此在参照了不同年代及不同热工区划的标准后，将窗墙比确定为建筑南侧0.29、东侧0.29。还额外设有楼梯间与电梯间，这2个空间不做分层设计且按照实际情况不设置空调供暖能耗与其他热交换设备。最终所得塔式建筑模型，简化后的建筑平面户型图，计算可得该栋楼模型的体形系数为0.37，符合相关标准内建筑楼层数所对应的要求。

5室内自然通风

夏热冬暖地区夏季高温多雨，气候潮湿闷热，通风防潮是城市建筑自然通风设计的基本目标。风速和风量是衡量室内环境舒适度的重要指标，通过自然通风这种被动式节能设计能有效改善室内空气环境，使室内温度与湿度保持在人体舒适水平。室内较适宜的环境为：气温在15～20℃时，相对湿度为45%～55%；在气温25℃时，相对湿度为20%。根据人的体感舒适度，建筑室内风速保持在1.0～4.0m/s时，室内使用者感觉较舒适。为保证住宅建筑通风顺畅，户型设计应缩短气流流通距离。如使进风口和出风口对位，活动门应设置于卧室等，以确保具有通风道路。门窗设计时应考虑室内采光及进出风口位置，以实现空气对流及自然通风。岭南传统民居中的“冷巷”设计手法能实现被动式通风节能，参考传统的“冷巷”设计手法，以8#楼为例，在平面设计时功能房间背面设计通高敞开的狭长走廊。平面设计时，通过平面窗户凹口引入自然风，方案应采取合理的平面形式。再以观澜府100m²A户型为例进行通风情况模拟（图2、3）。如100m²户型的室内风环境模拟中通风良好，主要空间没有无风区，且不超过人体舒适的最大风速，室内无涡流区。因此应考虑将平面布局与夏季主导风向迎风面结合设计，门窗可相对错开布置以引导空气流通。如从A户型的室内风环境模拟分析中可看出，该户型平局风速有1.86~2.28m/s。主卫有小部分无风区，应增加建筑内部的开窗面积，便于引导自然通风。还应重视建筑物迎风口的结构对正压区气流的挤压作用，它能使房间内的气流路径偏移，使空气流向房内生活区及人体高度。室内设计需注意门窗，尤其是家具收纳等摆放位置。

图2 A户型室内空气龄分布图 图3 A户型室内风速分布图

6建筑外遮阳

建筑遮阳可以有效阻挡阳光直射室内，从而降低室内冷负荷，遮阳效果较好的形式主要有中置遮阳及外遮阳。中置遮阳窗户夹层电控百叶等机构维护复杂且百叶吸收热量后会向室内辐射热量，其遮阳效果不如外遮阳;外遮阳形式较多，可通过外挑阳台等建筑结构进行固定遮阳，但需结合建筑结构进行考虑，外置活动遮阳可通过手动或电动来控制，但易脏易损坏，且夏热冬暖沿海地区多发台风等极端天气易导致高层建筑采用外置活动遮阳有安全风险。本项目亦对采用不同遮阳技术的建筑冷需求进行模拟计算，对于夏热冬暖地区遮阳技术的节能效果显著。结论是外置活动遮阳节能效果最佳，后期项目中应综合建筑效果、安全性和成本等因素，因地制宜地选取遮阳形式。

结语

在夏热冬暖地区，通过建筑朝向研究和自然通风模拟，运用节能玻璃，采用高性能中空窗，控制窗户窗积比等措施可有效减少建筑物能源消耗，再通过优化体型系数，室内风模拟，外遮阳设置等针对性改良套内自然通风效果。

展望“十四五”，在创造人类命运共同体的呼唤下，设计行业选择合理设计手法和技术措施，致力研究更高效的建筑构造，减少住宅建筑外围护结构能源损耗，营造更加纯净的居住环境。

参考文献

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部．夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准，JGJ75-2012.

[2] 深圳国研建科.中海观澜府绿色建筑设计策略.2020

[3］程才实．河北省超低能耗建筑成就与经验［J］．建筑节能，2019，(21):30－32．