论文部分内容阅读
摘要：随着全球可持续发展以及我国经济体制的改革，建筑和环境以及经济之间都具有深层次的联系。如何把控制学的相关理论引入建筑节能中，并提出相应的建筑节能控制方法是各个专家学者都在考虑的问题。本文以某个较有代表性的高层住宅项目为例，从沿海城市夏热冬暖地区的特点出发，对夏热冬暖地区沿海城市高层建筑在节能设计过程中进行了技术和经济比较，并对应该关注的重点以及思路进行了较为全面的剖析，并提供一种借鉴给同类型的建筑节能设计。
关键词：高层住宅建筑 节能设计 经济分析
目前我国自然环境呈现出多变和复杂的特点，因此如何如何根据各地所在自然环境，竞逐适宜的节能建筑成为学者专家研究的出发点。从学者们的研究可以看出，住宅建筑和环境之间存在着复杂的关系，环境、建筑和人之间存在着紧密的联系，纵横交错构成了一个复杂的系统。目前国家也提出了一系列“以人为本”和“以环境为根”的出发点，要求高层建筑要充分结合控制学、系统学和建筑学的理论，提出一套系统的节能控制方法。也就是说要借用控制学的基本理论和概念全面协调建筑过程中人、建筑与环境的关系。例如可以把控制学中的建筑节能控制原理（包括有序性原理、层次等级性原理、动态相关性原理和整体性原理）应用于节能设计中；还可以把控制学中优化筛选的数学方法进行衍伸，投入到建筑设计中的定量研究。这些对提高节能设计都有很重要的作用。
夏热冬暖地区沿海城市夏季时间长，台风多，雨水多，太阳辐射强烈；冬季室内温差较小，寒冷时间很短。还有该地区经济非常发达，高层建筑比较多，在高层住宅建筑节能设计上大大不同于我国寒冷地区的建筑，解决的重点应该放在夏季隔热、外维护构造的抗风压、窗外采光和遮阳的平衡、通风以及防雨水上面。因此，如何根据这类地区的气候特点、经济状况以及项目的地位做好该地区沿海城市高层住宅建筑的节能设计工作就显得异常的紧迫。作者以福州某高层建筑节能设计为例对这种类型节能设计进行了一些探讨。
1.工程概括
该工程位于福州市中心，四周环海，属于夏热冬暖地区的南区，高层住宅一共有五栋，建筑面积近20万平方米，楼高近100米。外墙大部分为剪力墙。
2.设计思路
适应夏热冬暖地区沿海城市的周边环境特点和气候是本工程围护构造节能设计中心所在，其中外墙构造要以适当的防雨水渗透性能、热工性能以及安全性为重点；外窗应注重隔声性能、遮阳和通风；屋面构造应注重防雨水渗透性能和热工性能。下面以讲述围护构造方面的设计思路为重点。
2.1外墙
该工程以剪力墙为主要构成部分，基本风压大，约为0.8帕斯卡，基本为200mm厚，热工性能极差，而且建筑单位要求外贴面砖。为提高房间的舒适度以及外墙的热工性能，需要对外墙构造进行改善，目前改善剪力墙热工性能的方法主要有两种：外保温和内保温方式。外保温的优点：不存在热桥，保护主体构造，隔热性能好，不占用使用面积，不影响内部装修。缺点：造价高，施工复杂，构造复杂，夏季不利于蓄热的释放。内保温的优点：施工简单，施工面积减少，造价相对低，相对安全，夏季夜间墙体蓄热的释放有很大优势。缺点：占用使用面积，存在热桥，二次装修不便，如挂件、电器开关设置问题，施工表面要求质量更高，燃烧释放有毒气体。
在初步设计设想方面，应建设方要求，外墙提供四种设计方案，两种为外保温系统，两种为内保温系统，详情如下：
方案 主要保温构造 优 点 缺 点
一 保温砂浆内保温 安全性高，施工方便简单，不受外贴面砖影响价格较为便宜 热工性能相对较差，存在热桥，占用室内使用面积，现场配比管理难度大
二 水泥聚苯复合板外墙内保温 安全性高，不受外贴面砖影响，价格较便宜 复合板接缝不易处理，存在热桥，占用室内使用空间
三 钢丝网架聚苯乙烯板现浇混凝土外墙保温系统 安全性较高 对平面的平整度要求高，施工难度大，捣底部测压大，容易使保温构造变形，斜插钢丝引起冷热桥
四 干挂复合铝单板 安全性高，热工性能好，外观美观，档次高 价格贵
根据考察，目前国内外虽然有众多外保温产品可以提供选用，但是该地区还没有相关类似工程的外保温施工经验，厂家基本不能提供高于本工程难度的实例，而内保温在解决该类工程时也有很大优势。综合考虑现有的保温构造特点以及工程实际，较适合的选择方案为内保温和干挂外保温措施（方案一、二、四）。
2.2外窗
建筑围护构造的重要组成部分就是外窗，它也是一个相当薄弱的环节。外窗的热工性能主要受以下四个方面的影响：遮阳系数（包括建筑外遮阳）、传热系数、可开启面积和气密性。由于本工程位于海滨城市气候下，通过节能软件计算可以了解，主要应控制气密性和外窗系统遮阳系数，因为外窗的传热系数对建筑节能效果影响不大。
由于断热铝材主要是降低窗户传热系数，改善铝合金型材的热桥效应，所以原建筑设计采用断热铝合金型材。因为是在夏热冬暖地区的南区，传热系数的大小对本工程的节能效果影响不是很大，而且断热铝材的价位高，每平米窗增加大概100元，所以没有太大的必要性把资金投入这方面。粉末喷涂铝材同样断面抗风压强度比PVC塑料型材高，价位较合适，而且可根据建筑外观设计要求对不同的表面颜色进行订货，所以能满足节能设计需要。
在节能设计中遮阳系数由两部分组成：建筑外遮阳系数SD和窗本身遮阳系数SC。因此建筑设计师应结合建筑立面特点尽最大努力设计活动外遮阳或固定外遮阳，而主要通过选择合适的玻璃来实现窗本身的遮阳系数需求，考虑到南方家居的心理和住宅建筑的特点，玻璃的选择应兼顾可见光反射率（小于0.2）和可见光透过率（大于0.5），目前较好的选择就是专门针对南方地区开发的遮阳性的低辐射玻璃。LOW-E玻璃就是其中一种，根据生产工艺该玻璃分为在线和离线两种。离线玻璃产品应组合成中空玻璃使用，因为其长期暴露于空气中会氧化，这样会增加成本；在线玻璃产品虽然可单片使用，但是同样的可见光透过率遮阳系数大。本工程四周都有公路，应加强处理隔声方面。由于平开窗、中空玻璃隔声较好，铝合金单玻璃推拉窗要比其差10分贝，综合以上，加之经济考虑，较合理的选择是采用LOW-E中空玻璃。
对节能效果影响极大的是外窗气密性能。影响室内热环境的是室外空气的渗透作用。外窗的氣密性能与开启型式、密封材料性能、型材断面和组装厂的加工工艺有关。因此，具体施工时，组装企业资质和材料质量应加以考核。
2.3屋面
屋面构造的热工性能对于顶层建筑室内的热环境影响巨大，但是对于整栋建筑的节能率影响不大。夏热冬暖地区屋面构造现阶段主要通过降低外表面温度和提高热阻这两种方式来改善顶层室内环境热工性能。
降低外表面温度主要是通过反射、外遮阳或水分蒸发方式来实现。比如屋顶表面增加一层遮阳设施、蓄水屋面、隔热涂料、种植屋面等等。这种屋面构造很具有南方地区特色，非常值得我们倡导和探索。
提高热阻——就是在构造提高热阻，增加保温材料的基础上，实现降低传热系数的目的。挤塑板（即XPS）是现阶段最常用保温材料，它吸水率低，导热系数较低，抗压强度高，而且目前挤塑板市场竞争激烈，价位很低，很适合用于屋面保温隔热，但是产品差别很大，质量也参差不齐，价位区间较大（400-900多元/立方米）。建议应选用品牌厂家，并应抽样检测的方法来保证质量。
3.设计结果
为了迎合目前该地区用户的消费心理，本工程建筑设计时，大部分外墙为剪力墙构造，而且各朝向开大面积外窗，致使外墙热工指标和窗墙面积比均超过规定性指标要求，对它进行节能综合评价可采用对比评定法。
外墙、外窗、屋顶要达到相同节能效果，投资比例较大的是外墙。但考虑屋顶住户、东西住户的室内热环境，从用户舒适性和节能角度，应优先改善东西外墙和外窗、屋顶的热工性能，这样可在相当大的程度上提高性价比。首先按上述设计思路对东西外墙、屋面、外窗进行节能设计，用对比评定法初步核算，调整围护构造各热工性能，直到设计建筑能耗小于参照建筑能耗，也就是一次节能构造调整的完成。結果如下：
使用部位 参数要求 选用构造
结果一 东西外墙 K<0.71
D>2.5 水泥聚苯复合板外墙
内保温（30mm厚EPS）
南北外墙 K<3.1
D>3.0 剪力墙（无保温处理）
外窗 SC<0.24
Se<0.32 （6+9a+6）
Low-e中空玻璃
结果二 外墙 K<1.0
D>2.5 水泥聚苯复合板外墙
内保温（30mm厚EPS）
外窗 SC<0.37
Se<0.50 （6+9a+6）
Low-e中空玻璃
根据上表的结果一可以得出结论，在屋面、东西外墙参数设置相对比较合理的基础上，玻璃的遮蔽系数Se需要被降低至0.32，但是在该参数条件下，Low-e中空玻璃可见光透过率小于0.4，无法满足用户和建设方最大限度的通、亮、透的要求。因此，南北外墙也必须受到相应的保温处理，经对比评定法再次核算，得出了结果二的选用构造及热工参数。其中玻璃的遮蔽系数增加至0.5.这样可见光透过率达到了满足建设方和用户的需求0.6左右。
本工程节能设计最后以结果二作为围护构造的标准：屋顶、外窗和各朝向外墙都选用较好的节能材料，该结果不一定是最好的，但是在综合考虑到现有的技术条件、资金的投入、建设方的定位、管理部门的政策等多方面的影响得出的较为稳妥、均衡的方案。经过全方位的对该方案进行经济分析，较好的节能措施投入项目各方面的使用，基本可以把每平方米建筑面积成本控制在100元左右，就算把该成本分摊到用户头上，也不过增加了几千元的费用，并给项目增加不少的卖点，消费者应该是非常乐于接受的。
4.总结
我们在节能设计时，应充分考虑建筑的结构形式、建筑的用途、建筑所处气候区的特点、用户对象的定位以及当地的材料特点，在施工单位和建设方的共同努力下，扬长避短，必能设计出性价比高、符合地方特色、安全适用的节能建筑。
参考文献：
[1] 赵士怀、黄夏冬、王云新等，{福建省住宅建筑节能成套技术的研究和开发}，项目编号：2000z010
[2] 福建省居住建筑节能设计标准实施细则，DBJ13-62-2004
[3] 建筑结构荷载规范，GB50009-2001
[4] 夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准，JGJ75-2003
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：高层住宅建筑 节能设计 经济分析
目前我国自然环境呈现出多变和复杂的特点，因此如何如何根据各地所在自然环境，竞逐适宜的节能建筑成为学者专家研究的出发点。从学者们的研究可以看出，住宅建筑和环境之间存在着复杂的关系，环境、建筑和人之间存在着紧密的联系，纵横交错构成了一个复杂的系统。目前国家也提出了一系列“以人为本”和“以环境为根”的出发点，要求高层建筑要充分结合控制学、系统学和建筑学的理论，提出一套系统的节能控制方法。也就是说要借用控制学的基本理论和概念全面协调建筑过程中人、建筑与环境的关系。例如可以把控制学中的建筑节能控制原理（包括有序性原理、层次等级性原理、动态相关性原理和整体性原理）应用于节能设计中；还可以把控制学中优化筛选的数学方法进行衍伸，投入到建筑设计中的定量研究。这些对提高节能设计都有很重要的作用。
夏热冬暖地区沿海城市夏季时间长，台风多，雨水多，太阳辐射强烈；冬季室内温差较小，寒冷时间很短。还有该地区经济非常发达，高层建筑比较多，在高层住宅建筑节能设计上大大不同于我国寒冷地区的建筑，解决的重点应该放在夏季隔热、外维护构造的抗风压、窗外采光和遮阳的平衡、通风以及防雨水上面。因此，如何根据这类地区的气候特点、经济状况以及项目的地位做好该地区沿海城市高层住宅建筑的节能设计工作就显得异常的紧迫。作者以福州某高层建筑节能设计为例对这种类型节能设计进行了一些探讨。
1.工程概括
该工程位于福州市中心，四周环海，属于夏热冬暖地区的南区，高层住宅一共有五栋，建筑面积近20万平方米，楼高近100米。外墙大部分为剪力墙。
2.设计思路
适应夏热冬暖地区沿海城市的周边环境特点和气候是本工程围护构造节能设计中心所在，其中外墙构造要以适当的防雨水渗透性能、热工性能以及安全性为重点；外窗应注重隔声性能、遮阳和通风；屋面构造应注重防雨水渗透性能和热工性能。下面以讲述围护构造方面的设计思路为重点。
2.1外墙
该工程以剪力墙为主要构成部分，基本风压大，约为0.8帕斯卡，基本为200mm厚，热工性能极差，而且建筑单位要求外贴面砖。为提高房间的舒适度以及外墙的热工性能，需要对外墙构造进行改善，目前改善剪力墙热工性能的方法主要有两种：外保温和内保温方式。外保温的优点：不存在热桥，保护主体构造，隔热性能好，不占用使用面积，不影响内部装修。缺点：造价高，施工复杂，构造复杂，夏季不利于蓄热的释放。内保温的优点：施工简单，施工面积减少，造价相对低，相对安全，夏季夜间墙体蓄热的释放有很大优势。缺点：占用使用面积，存在热桥，二次装修不便，如挂件、电器开关设置问题，施工表面要求质量更高，燃烧释放有毒气体。
在初步设计设想方面，应建设方要求，外墙提供四种设计方案，两种为外保温系统，两种为内保温系统，详情如下：
方案 主要保温构造 优 点 缺 点
一 保温砂浆内保温 安全性高，施工方便简单，不受外贴面砖影响价格较为便宜 热工性能相对较差，存在热桥，占用室内使用面积，现场配比管理难度大
二 水泥聚苯复合板外墙内保温 安全性高，不受外贴面砖影响，价格较便宜 复合板接缝不易处理，存在热桥，占用室内使用空间
三 钢丝网架聚苯乙烯板现浇混凝土外墙保温系统 安全性较高 对平面的平整度要求高，施工难度大，捣底部测压大，容易使保温构造变形，斜插钢丝引起冷热桥
四 干挂复合铝单板 安全性高，热工性能好，外观美观，档次高 价格贵
根据考察，目前国内外虽然有众多外保温产品可以提供选用，但是该地区还没有相关类似工程的外保温施工经验，厂家基本不能提供高于本工程难度的实例，而内保温在解决该类工程时也有很大优势。综合考虑现有的保温构造特点以及工程实际，较适合的选择方案为内保温和干挂外保温措施（方案一、二、四）。
2.2外窗
建筑围护构造的重要组成部分就是外窗，它也是一个相当薄弱的环节。外窗的热工性能主要受以下四个方面的影响：遮阳系数（包括建筑外遮阳）、传热系数、可开启面积和气密性。由于本工程位于海滨城市气候下，通过节能软件计算可以了解，主要应控制气密性和外窗系统遮阳系数，因为外窗的传热系数对建筑节能效果影响不大。
由于断热铝材主要是降低窗户传热系数，改善铝合金型材的热桥效应，所以原建筑设计采用断热铝合金型材。因为是在夏热冬暖地区的南区，传热系数的大小对本工程的节能效果影响不是很大，而且断热铝材的价位高，每平米窗增加大概100元，所以没有太大的必要性把资金投入这方面。粉末喷涂铝材同样断面抗风压强度比PVC塑料型材高，价位较合适，而且可根据建筑外观设计要求对不同的表面颜色进行订货，所以能满足节能设计需要。
在节能设计中遮阳系数由两部分组成：建筑外遮阳系数SD和窗本身遮阳系数SC。因此建筑设计师应结合建筑立面特点尽最大努力设计活动外遮阳或固定外遮阳，而主要通过选择合适的玻璃来实现窗本身的遮阳系数需求，考虑到南方家居的心理和住宅建筑的特点，玻璃的选择应兼顾可见光反射率（小于0.2）和可见光透过率（大于0.5），目前较好的选择就是专门针对南方地区开发的遮阳性的低辐射玻璃。LOW-E玻璃就是其中一种，根据生产工艺该玻璃分为在线和离线两种。离线玻璃产品应组合成中空玻璃使用，因为其长期暴露于空气中会氧化，这样会增加成本；在线玻璃产品虽然可单片使用，但是同样的可见光透过率遮阳系数大。本工程四周都有公路，应加强处理隔声方面。由于平开窗、中空玻璃隔声较好，铝合金单玻璃推拉窗要比其差10分贝，综合以上，加之经济考虑，较合理的选择是采用LOW-E中空玻璃。
对节能效果影响极大的是外窗气密性能。影响室内热环境的是室外空气的渗透作用。外窗的氣密性能与开启型式、密封材料性能、型材断面和组装厂的加工工艺有关。因此，具体施工时，组装企业资质和材料质量应加以考核。
2.3屋面
屋面构造的热工性能对于顶层建筑室内的热环境影响巨大，但是对于整栋建筑的节能率影响不大。夏热冬暖地区屋面构造现阶段主要通过降低外表面温度和提高热阻这两种方式来改善顶层室内环境热工性能。
降低外表面温度主要是通过反射、外遮阳或水分蒸发方式来实现。比如屋顶表面增加一层遮阳设施、蓄水屋面、隔热涂料、种植屋面等等。这种屋面构造很具有南方地区特色，非常值得我们倡导和探索。
提高热阻——就是在构造提高热阻，增加保温材料的基础上，实现降低传热系数的目的。挤塑板（即XPS）是现阶段最常用保温材料，它吸水率低，导热系数较低，抗压强度高，而且目前挤塑板市场竞争激烈，价位很低，很适合用于屋面保温隔热，但是产品差别很大，质量也参差不齐，价位区间较大（400-900多元/立方米）。建议应选用品牌厂家，并应抽样检测的方法来保证质量。
3.设计结果
为了迎合目前该地区用户的消费心理，本工程建筑设计时，大部分外墙为剪力墙构造，而且各朝向开大面积外窗，致使外墙热工指标和窗墙面积比均超过规定性指标要求，对它进行节能综合评价可采用对比评定法。
外墙、外窗、屋顶要达到相同节能效果，投资比例较大的是外墙。但考虑屋顶住户、东西住户的室内热环境，从用户舒适性和节能角度，应优先改善东西外墙和外窗、屋顶的热工性能，这样可在相当大的程度上提高性价比。首先按上述设计思路对东西外墙、屋面、外窗进行节能设计，用对比评定法初步核算，调整围护构造各热工性能，直到设计建筑能耗小于参照建筑能耗，也就是一次节能构造调整的完成。結果如下：
使用部位 参数要求 选用构造
结果一 东西外墙 K<0.71
D>2.5 水泥聚苯复合板外墙
内保温（30mm厚EPS）
南北外墙 K<3.1
D>3.0 剪力墙（无保温处理）
外窗 SC<0.24
Se<0.32 （6+9a+6）
Low-e中空玻璃
结果二 外墙 K<1.0
D>2.5 水泥聚苯复合板外墙
内保温（30mm厚EPS）
外窗 SC<0.37
Se<0.50 （6+9a+6）
Low-e中空玻璃
根据上表的结果一可以得出结论，在屋面、东西外墙参数设置相对比较合理的基础上，玻璃的遮蔽系数Se需要被降低至0.32，但是在该参数条件下，Low-e中空玻璃可见光透过率小于0.4，无法满足用户和建设方最大限度的通、亮、透的要求。因此，南北外墙也必须受到相应的保温处理，经对比评定法再次核算，得出了结果二的选用构造及热工参数。其中玻璃的遮蔽系数增加至0.5.这样可见光透过率达到了满足建设方和用户的需求0.6左右。
本工程节能设计最后以结果二作为围护构造的标准：屋顶、外窗和各朝向外墙都选用较好的节能材料，该结果不一定是最好的，但是在综合考虑到现有的技术条件、资金的投入、建设方的定位、管理部门的政策等多方面的影响得出的较为稳妥、均衡的方案。经过全方位的对该方案进行经济分析，较好的节能措施投入项目各方面的使用，基本可以把每平方米建筑面积成本控制在100元左右，就算把该成本分摊到用户头上，也不过增加了几千元的费用，并给项目增加不少的卖点，消费者应该是非常乐于接受的。
4.总结
我们在节能设计时，应充分考虑建筑的结构形式、建筑的用途、建筑所处气候区的特点、用户对象的定位以及当地的材料特点，在施工单位和建设方的共同努力下，扬长避短，必能设计出性价比高、符合地方特色、安全适用的节能建筑。
参考文献：
[1] 赵士怀、黄夏冬、王云新等，{福建省住宅建筑节能成套技术的研究和开发}，项目编号：2000z010
[2] 福建省居住建筑节能设计标准实施细则，DBJ13-62-2004
[3] 建筑结构荷载规范，GB50009-2001
[4] 夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准，JGJ75-2003
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。