第四节　建筑和建筑热工节能设计

建筑工程节能实践证明，制定并实施建筑和建筑热工节能设计标准，有利于改善建筑的热环境，提高暖通空调系统的能源利用效率，从根本上扭转建筑用能严重浪费的状况，为实现国家节约能源和保护环境的战略，贯彻有关政策和法规作出贡献。

一、建筑热工设计分区及设计要求

建筑热工设计应与所在地区气候相适应。建筑热工设计分区及设计要求应符合表2-17中的规定。

二、建筑物热工设计要求

建筑物热工设计的具体要求，除了应符合现行国家或行业标准《严寒和寒冷地区民用建筑节能设计标准》（JGJ 26—2010）、《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 134—2010）、《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）和《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 26—2010）等外，分别还应符合下列具体的要求。

1.冬季保温设计要求

（1）由于冬季气候寒冷，建筑物宜设在避风和朝阳的地段。

（2）建筑物的体形设计宜减少外表面积，其平面和立面的凹凸面不宜过多。

（3）居住建筑，在严寒地区不应设开敞式楼梯间和开敞式外廊；在寒冷地区也不宜设开敞式楼梯间和开敞式外廊。公共建筑，在严寒地区和寒冷地区出入口处均应设门斗或热风幕等避风设施。

（4）建筑物外部窗户面积不宜过大，应减少窗户的缝隙长度，并采取密闭措施。

（5）外墙、屋顶、直接接触室外空气和不采暖楼梯间的隔墙等围护结构，应进行保温验算，其传热阻应大于或等于建筑物所在地区要求的最小传热阻。

（6）当有散热器、管道、壁龛等嵌入外墙时，该处外墙的传热阻应大于或等于建筑物所在地区要求的最小传热阻。

（7）围护结构中的热桥部位应当进行保温验算，并要采取必要的保温措施。

（8）严寒地区居住建筑的底层地面，在其周边一定范围内应采取保温措施。

（9）围护结构的构造设计应考虑防潮要求。

2.夏季防热设计要求

（1）建筑物的夏季防热应采取自然通风、窗户遮阳、围护结构隔热和环境绿化等综合性措施。

（2）建筑物的总体布置，单位的平面、剖面设计和门窗的设置，应有利于自然通风，并尽量避免主要房间受东、西向的日晒。

（3）建筑物的向阳面，特别是东、西向的窗户，应采取有效的遮阳措施。在建筑设计中，宜结合外廊、阳台、挑檐等处理方法达到遮阳的目的。

（4）屋顶和东、西向外墙的内表面温度，应满足隔热设计标准的要求。

（5）为防止潮霉季节湿空气在地面冷凝泛潮，居室、托幼园所等场所的地面下部宜采取保温措施或架空做法，地面面层宜采用微孔吸湿材料。

3.空调建筑热工设计要求

（1）空调建筑或空调房间应尽量避免东、西朝向和东、西向窗户。

（2）空调房间应集中布置、上下对齐。温度和湿度要求相近的空调房间宜相邻布置。

（3）空调房间应避免布置在两面相邻外墙的转角处和有伸缩缝处。

（4）空调房间应避免布置在顶层，当必须布置在顶层时，屋顶应有良好的隔热措施。

（5）在满足使用要求的前提下，空调房间的净高宜降低。

（6）空调建筑的外表面积宜减少，外表面宜采用浅色的饰面。

（7）建筑物外部窗户当采用单层窗时，窗墙面积比不宜超过0.30；当采用双层窗或单框双层玻璃窗时，窗墙面积比不宜超过0.40。

（8）向阳面，特别是东、西向窗户，应采取热反射玻璃、反射阳光涂膜、各种固定式和活动式遮阳等有效的遮阳措施。

（9）建筑物外部窗户的气密性等级不应低于现行国家标准《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》（GB/T 7106—2008）规定的Ⅲ级水平。

（10）建筑物外部窗户的部分窗扇应能开启。当有频繁开启的外门时，应设置门斗或空气幕等防渗透措施。

（11）围护结构的传热系数应符合现行国家标准《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736—2012）中规定的要求。

（12）间歇使用的空调建筑，其外围护结构内侧和内围护结构宜采用轻质材料。连续使用的空调建筑，其外围护结构内侧和内围护结构宜采用重质材料。围护结构的构造设计应考虑防潮要求。

三、不同热工分区建筑节能设计原理

我国房屋建筑按其用途不同主要划分为民用建筑和工业建筑。民用建筑又分为居住建筑和公共建筑。居住建筑主要是指供人们日常居住生活使用的建筑物，主要包括住宅、别墅、宿舍、公寓；公共建筑包含办公建筑、商业建筑、旅游建筑、科教文卫建筑、通信建筑以及交通运输类建筑等。公共建筑和居住建筑都属民用建筑。

在公共建筑中，尤其是办公建筑、大中型商场以及高档旅馆、饭店等建筑，不仅在建筑的标准、功能及设置全年空调采暖系统等方面有许多共性，而且其采暖空调的能耗特别高，采暖空调的节能潜力也最大。居住建筑的能耗消耗量，根据其所在地区的气候条件、围护结构及设备系统情况的不同，具有很大的差别，但绝大部分用于采暖空调的需要，小部分用于照明。

1.严寒与寒冷地区建筑节能设计原理

严寒与寒冷地区建筑的采暖能耗占全国建筑总能耗的比重很大，同样严寒与寒冷地区采暖节能潜力均为我国各类建筑能耗中最大的，是我国目前建筑节能设计中的重点。

在以上地区可以实现采暖节能的技术途径主要有以下五个方面。

（1）改进建筑物围护结构的保温性能，进一步降低采暖的需热量。工程实践证明，围护结构全面按国家标准改造后，可以使采暖需热量由目前的90kW·h/（m²·a）降低到60kW·h/（m²·a）。

（2）推广各类专门的通风换气窗和智能呼吸窗。通风换气窗是一种集现代声学、电子、通风科技、建筑美学与节能门窗完美结合的智能产品，可以实现可控自动通风换气，避免了开窗换气而造成过大的热损失；智能呼吸窗可对室内空气中的烟雾、酒味、二氧化碳、氢气、甲醛、臭氧等污浊空气超标自动识别、24h不开窗户智能通风换气，可保持室内新鲜空气，提高空气品质，是人们追求健康空间生活，绿色科技专利产品。

（3）改善采暖的末端调节性能，避免出现室温过热。有些集中供热系统由于末端没有有效的调节手段，加上某些原因造成室温偏热时，只能被动地听任室温升高或开窗降温；由于部分热源调节不良，不能根据外温变化而改变供热量，导致外温偏暖时过量供热。实行供热改革，通过热计量和改善末端调节性能来实现调节，就是为了使实际供热量接近采暖需热量，降低过量供热率，从而实现20%以上的节能效果。

（4）推行地板采暖等低温采暖方式，从而降低供热热源温度，提高热源的利用效率。低温采暖方式即低温热水地板（俗称地热地板）辐射采暖，是通过埋藏在地板下面的加热管道，以温度不高于60℃的热水为热媒，在加热管内循环流动加热地板，通过地面以辐射和对流的传热方式向室内供热的供暖方式。低温采暖方式具有舒适、节能、节省室内空间、使用寿命长等优点。

（5）积极挖掘利用目前的集中供热网，发展以热电联产为主的高效节能热源；大幅度提高热电联产热源在供热热源中的比例。据有关专家估算，如果把热电联产热源所占比例从目前的30%提高到50%以上，则可以使我国北方采暖能耗再下降7%。

2.夏热冬冷地区建筑节能设计原理

我国的夏热冬冷地区面积最大，主要包括长江流域的大部分地区，如重庆、上海等15个省市自治区，也是我国经济和生活水平高速发展的地区。在以前这些地区基本上都属于非采暖地区，建筑物设计不考虑采暖的要求，也很少考虑夏季空调降温。传统的建筑围护结构是采用240mm的普通黏土砖、简单架空屋面和单层玻璃的钢窗，围护结构的热工性能较差。

在这样的气候条件和建筑围护结构热工性能下，住宅室内的热环境自然相当恶劣，对人体的健康影响很大。随着经济的发展、生活水平的提高，采暖和空调以不可阻挡之势进入长江流域的寻常百姓家，迅速在中等收入以上家庭中普及。长江中下游城镇除用蜂窝煤炉取暖外，电暖器或煤气红外辐射炉的使用也越来越广泛，而在上海、南京、武汉、重庆等大城市，热泵型冷暖两用空调器正逐渐成为主要的家庭取暖设施。与此同时，住宅用于采暖空调能耗的比例不断上升。

根据我国夏热冬冷地区的气候特征，该地区住宅的围护结构热工性能，在首先保证夏季隔热的前提下，并要兼顾冬季防寒，这是与其他地区最大的区别。

夏热冬冷地区与严寒及寒冷地区相比，体形系数对夏热冬冷地区住宅建筑全年能耗的影响程度要小。另外，由于体形系数不仅是影响围护结构的传热损失，而且还与建筑造型、平面布局、功能划分、采光通风等多方面有关。因此，该地区建筑节能设计不要过于追求较小的体形系数，而是应当和住宅采光、日照等要求有机地结合起来。如夏热冬冷地区的西部全年阴天天数较多，建筑设计应充分考虑利用天然采光以降低人工照明的能耗，而不是简单地考虑降低采暖空调的能耗。

夏热冬冷的部分地区室外风小、阴天多，因此需要从提高住宅日照、促进自然通风的角度综合确定窗墙比。由于在夏热冬冷地区在任何季节人们都有开窗通风的习惯，目的是通过自然通风改善室内空气品质，同时当夏季在连续高温的阴雨降温过程，或降雨后连续晴天高温升温过程的夜间，室外气候比较凉爽，开窗加强房间通风能带走室内余热并积蓄冷量，可以减少空调运行时的能耗。

针对以上情况，在进行住宅设计时应有意识地考虑加强自然通风设计，即适当加大外墙上的开窗面积，同时注意组织室内的通风，否则南北窗面积相差太大，或缺少通畅的风道，使自然通风无法实现。此外，南窗面积大有利于冬季日照，可以通过窗口直接获得太阳辐射热。因此，在提高窗户热工性能的基础上应适当提高窗墙的面积比。

对于夏热冬冷气候条件下的不同地区，由于当地不同季节的室外平均风速不同，所以在进行窗墙比优化设计时要注意灵活调整。例如，对于长江流域的上海、南京、武汉等地，冬季室外平均风速一般都大于2.5m/s，因此这些地区北向的窗墙比一般不要超过0.25；而西部的重庆、成都等地区，冬夏两季室外平均风速一般都在1.5m/s左右，且冬季的气温比上海、南京、武汉等地偏高3～7℃，因此这些地区北向的窗墙比一般不要超过0.30，并注意与南向窗墙比匹配。

对于夏热冬冷地区，由于夏季太阳辐射比较强，持续时间比较长，因此要特别强调外窗遮阳、外墙和屋顶隔热的设计。在技术经济可能的条件下，可通过优化屋顶和东、西墙的保温隔热设计，尽可能降低这些部位的内表面温度。例如，采取技术措施使外墙的内表面最高温度控制在32℃以下，只要住宅能保持一定的自然通风，即可让人觉得比较舒适。此外，还要利用外遮阳等方式避免或减少主要功能房间的东晒或西晒情况。

3.夏热冬暖地区建筑节能设计原理

我国的夏热冬暖地区主要是指广东、广西、福建和海南省。在夏热冬暖地区，由于冬季气候温暖，夏季太阳辐射强烈，平均气温偏高，因此住宅设计应以改善夏季室内热环境、减少空调能耗为主。在进行夏热冬暖地区住宅设计中，屋顶、外墙的隔热和外窗的遮阳是重点，主要用于防止大量的太阳辐射得热进入室内，而房间的自然通风则可有效带走室内的热量，并对人体舒适感起到重要的调节作用。

从以上所述可知，夏热冬暖地区住宅的隔热、遮阳和通风设计是建筑节能成功的关键。例如我国广州地区的传统建筑一般没有采取机械降温手段，比较重视通风和遮阳，室内的层高比较高，外墙采用370mm厚的黏土砖墙，屋面采用一定形式的隔热，起到了较好的节能效果。

据有关统计结果表明，我国广州地区每百户居民中拥有空调数量为127.6台，每户拥有1台空调器的占37%，每户拥有2台占47%，每户拥有3台以上的占13%，空调器已成为居民住宅降温的主要手段，空调的使用已经由原来的每户一台向每室一台的方向转变。由此可见，夏热冬暖地区的空调能耗已经成为住宅能耗的大户。受电源紧张、网络受限、负荷剧增等因素影响，2016年广州电网电力供应形势非常紧张，最高负荷达到1515万千瓦，负荷缺口区151万千瓦，同比2015年同期最高负荷增长10.6%（净增145万千瓦）。此外，由于这些地区的经济水平相对比较发达，未来空调装机容量还会继续增加，可能会对国家电力供求及能源安全性带来威胁。针对以上严峻形势，必须依托集成化的技术体系，通过改善设计来实现住宅节能，改善室内热环境，并减少空调装机容量及运行能耗。

在进行住宅节能设计中，首先应考虑的因素是如何有效防止夏季的太阳辐射。外围护结构的隔热设计主要在于控制内表面温度，防止对人体和室内过量的辐射传热，因此要同时从降低传热系数、增大热惰性指标、保证热稳定性等方面出发，合理选择结构的材料和构造形式，达到设计要求的隔热保温标准。

目前，夏热冬暖地区居住建筑屋顶和外墙采用重质材料较多，如以钢筋混凝土板为主要结构层的架空通风屋面，在混凝土板上再铺设保温隔热板的屋面，黏土实心砖墙和黏土空心砖墙等。但是，随着新型建筑材料的发展，轻质高效保温隔热材料，也成为屋顶和墙体用的主体节能材料。

材料试验证明，传热系数为3.0W/（m²·K）的传统架空通风屋顶，在夏季炎热的气候条件下，屋顶内外表面最高温度差值一般仅为5℃左右，居住者有明显烘烤感和不舒适感。如果使用挤塑泡沫板铺设的重质屋顶，传热系数为1.13W/（m²·K），屋顶内外表面最高温度差值可达到15℃左右，居住者没有烘烤感，而感觉到居住环境比较舒适。

建筑节能试验还表明，在围护结构的外表面若采用浅色粉刷或光滑的饰面材料，可以减少外墙表面对太阳辐射热的吸收，也是建筑节能的一项有效技术措施。为了屋顶隔热和美化的双重目的，设计中应考虑通风屋顶、蓄水屋顶、植被屋顶、带阁楼层坡屋顶及遮阳屋顶等多种多样的结构形式。

窗口遮阳对于改善夏热冬暖地区住宅的热环境和建筑节能同样非常重要。窗口遮阳的主要作用在于阻挡直射阳光进入室内，防止室内产生局部过热。遮阳设施的形式和构造的选择，要充分考虑房屋不同朝向对遮挡阳光的实际需要和特点，综合平衡夏季遮阳和冬季争取阳光入内，确定设计有效的遮阳方式。例如，根据建筑所在经纬度的不同，南向可考虑采用水平固定外遮阳，东西朝向可考虑采用带一定倾角的垂直外遮阳。同时也考虑利用绿化和结合建筑构件的处理来解决，如利用阳台、挑檐、凹廊等。此外，建筑的总体布置还应避免主要的使用房间受东、西向日晒。

在夏热冬暖地区合理组织住宅的自然通风，对建筑节能和改善室内热环境同样很重要。对于夏热冬暖地区中的湿热地区，由于昼夜温差比较小，相对湿度比较高，因此可设计连续通风，以改善室内闷热的环境。而对于夏热冬暖地区中的干热地区，则考虑白天关闭门窗，夜间通风降温的方法。

另外，我国南方亚热带地区有季候风，因此在住宅设计中要充分考虑利用海风、江风的自然通风优越性，并以自然通风为主、空调为辅的原则来考虑建筑的朝向和布局。为此，要合理地选择建筑间距、朝向、房间开口的位置及其面积。此外，还应控制房间的进深以保证自然通风的有效性。同时，在设计中还要防止片面追求增加自然通风的效果，盲目开大窗而不注重遮阳设施的设计的做法，很容易把大量的太阳辐射得热带入室内，反而使室内温度过高。

夏热冬暖地区节能设计，在考虑以上各个影响因素的同时，不要忽视注意利用夜间长波辐射来进行冷却，这对于干热地区尤其有效。在相对湿度较低的地区，也可以利用蒸发冷却来提高室内热环境的舒适程度。

4.采暖居住建筑节能的基本原理

采暖居住建筑物在冬季为了获得适于居住生活的室内温度，必须具有持续稳定的得热途径。建筑物总的热量中采暖供热设备供热是主体，一般占到总热量的90%以上，其次为太阳辐射得热和建筑物内部得热（如照明、炊事、家电和人体散热等）。这些热量的一部分会通过围护结构的传热和门窗缝隙的空气对流向室外散失。当建筑物的总得热和总失热达到平衡时，室温便可得以稳定维持。所以，采暖居住建筑节能的基本原理是：最大限度地争取得热，最低限度地控制散热。

根据严寒地区和寒冷地区的气候特征，住宅建筑节能设计中首先要保证围护结构热工性能满足冬季保温要求，并要兼顾夏季隔热。通过降低建筑形体系数、采取合理的窗墙比、提高外墙及屋顶和外窗的保温性能，以及尽可能地利用太阳得热等，可以有效地降低建筑采暖的能耗。根据我国严寒地区和寒冷地区冬季保温的经验，具体的保温措施有如下几种。

（1）建筑群的规划设计，单体建筑的平面、立面设计和门窗的设置等，应保证在冬季有效地利用日照并避开主导风向。

（2）尽量减小建筑物的体形系数，建筑的平面和立面不宜出现过多的凹凸面。

（3）建筑的北侧宜布置次要房间，北向窗户的面积应尽量小，同时适当控制东、西朝向的窗墙比和单窗的尺寸。

（4）加强围护结构的保温隔热能力，以减少传热耗热量；提高门窗的气密性，以减少空气渗透的耗热量。

（5）改善采暖供热系统的设计和运行管理，提高锅炉的运行效率，加强供热管道的保温，加强热网供热的调控能力。

对于寒冷地区的住宅建筑，还应当注意通过优化设计来改善夏季室内的热环境，以减少空调的使用时间。而通过模拟计算和实际测试表明，对于严寒地区和寒冷地区气候下的多数地区，完全可以通过合理的建筑节能设计，实现夏季不用空调或很少用空调，以达到舒适的室内环境和节省电能的要求。