建筑节能设计第八章

L/O/G/O建筑节能设计第八章建筑节能设计实例节能建筑设计阶段划分及内容公共建筑节能设计实例“节能建筑不节能”案例分析1238.1节能建筑设计阶段划分及内容8.1.1节能建筑各设计阶段划分根据我国现行的有关规定，一般建筑工程的设计阶段可分为方案设计、初步设计（或扩大初步设计）和施工图设计三个阶段；对于某些小型工程或技术简单的工程，也可以在方案设计审批后直接转入施工图设计，即按两阶段进行。节能建筑的设计一般都是伴随着建筑工程相应的设计阶段进行的。因此，节能建筑的设计也可根据工程规模的大小和技术的复杂程度等方面，按三阶段或两阶段进行设计。8.1.2节能建筑各设计阶段的内容节能建筑的建筑设计主要是根据建筑物的使用性质、规模大小和质量要求，结合基地条件、环境特点等，确定合理位置、整体布局和最佳朝向，正确选择体形系数，并对规划范围内或周围的绿化和水景进行布置。在确定以上因素的同时，还应综合考虑设计中围护结构节能的构造方案，初步拟定合理的窗墙面积比、节能外门窗的设置、公共建筑屋顶透明部分的合适比例，以及外门窗、天窗的合理构造方案和遮阳形式。当公共建筑设计有玻璃幕墙时，还应依据地区气候特点选择合理的节能幕墙方案。在进行工程招标时，应对节能设计提出明确要求，并做出预算。在投标方案中，应有节能措施的专项说明，在工程概算明细表中也应列出所采取建筑节能措施所带来的工程费用的子项。1．方案设计阶段的内容（1）编制依据。阐明建筑节能设计的依据，并说明采用的有关标准与规定。（2）工程概况。对建筑物所处位置、地形地貌、建筑类型、气候特征、质量要求、节能标准等方面作简要描述。（3）建筑节能设计指标。依据建筑类型及其所处地区当前所执行的节能设计标准的不同，提出相应建筑节能设计指标。（4）建筑体形系数的计算结果。建筑体形系数的控制是建筑节能设计中一个非常重要的环节。阐明建筑体形系数的计算方法和计算结果，与国家现行规定相比的差距。（5）建筑物围护结构节能设计。对建筑物各朝向的窗墙面积比、屋顶透明部分的比例、所采取的遮阳形式、外门窗（含天窗、透明幕墙）采用节能型门窗的技术措施，以及要达到的综合遮阳系数等方面作详细说明。2．初步设计阶段的内容（6）热工性能计算。按照不同地区及依据的相关节能标准不同，列出所采用的经计算的围护结构（如外墙、非透明幕墙、屋顶和分户墙）的传热系数K值（或热惰性指标D值）及相应的构造措施说明。（7）地面传热系数及相应的构造措施说明。对居住建筑或公共建筑底部接触室外空气的架空板或外挑楼板、非采暖空调房间与采暖空调房间的隔墙或楼板，以及居住建筑或公共建筑层间楼板所达到的传热系数K值及相应的构造措施进行说明。（8）地面和地下室外墙的热阻及相应的构造措施说明。对于居住建筑或公共建筑的地面和地下室外墙所应达到的热阻值及相应的构造措施，应依据该建筑所在地区的相关节能标准中的要求进行说明。（9）经济性评价。应对所设计的节能建筑进行节能设计经济性比较，以便提出科学、合理、经济的最佳方案。对于有幕墙的建筑，设计人员应会同建设单位认真选定有资质的幕墙专业公司，并对节能幕墙的设计提出以下要求：①节能幕墙的结构形式应当达到的热工性能参数；②幕墙的立面划分、开启扇的面积、开启方式、进风口及排风口的位置是否合理；③对幕墙的空气渗透性能、风压变形及防雨水渗透性能提出具体要求；④对幕墙安全性、色形、采光等其他方面提出具体要求。3．施工图设计阶段内容此外，在施工图设计阶段，还应给出建筑节能计算书。计算书的建筑部分应包括以下内容。①除我国夏热冬暖地区的南区外，其余地区的建筑均需有建筑体形系数的计算过程。②墙、窗、屋顶等应按照朝向和围护结构的类型，列出面积和性能指标清单。③针对建筑节能设计的分区不同，有的分区需要有外墙的平均传热系数Km和屋顶的平均传热系数Km，或外墙的平均传热系数Km和平均热惰性指标Dm，或屋顶的平均传热系数Km及平均热惰性指标Dm。④不同朝向的窗墙面积比（对我国夏热冬暖地区还应外加平均窗墙面积比）的计算。⑥对有隔热要求的东、西向外墙和屋顶内表面最高温度的计算。⑦严寒地区和寒冷地区居住建筑，当采用性能化指标进行设计时，应计算所设计建筑的采暖耗热量指标。其他节能设计分区的居住建筑，当采用性能化指标进行设计时，应计算空调采暖年耗电量（或年耗电指数），夏热冬暖地区的南区仅计算空调年耗电量（或年耗电指数）。公共建筑当采用性能化指标进行设计时，应计算空调采暖年耗电量。8.2公共建筑节能设计实例公共建筑是指办公建筑、商业建筑、旅游建筑、科教文卫建筑、通讯建筑及交通用房等。本节以上海市生态节能办公示范楼（参见图8-1）的节能设计为例，来讲解公共建筑节能设计技术。图8-1上海市生态节能办公示范楼8.2.1建筑平面和体形节能设计8.2.2超低能耗围护结构设计8.2.4高效节能空气调节技术本节内容8.2.3充分利用自然通风节能8.2.5可再生能源利用技术8.2.1建筑平面和体形节能设计上海市生态办公生态楼坐落在上海市建筑科学研究院莘庄科技园区内，占地面积为904m2，总建筑面积近2000m2，为钢筋混凝土主体结构，南面共两层，北面共三层。按使用功能划分，西侧为建筑环境实验室，东侧为生态建筑技术产品展示区和员工办公区，中部为采光中庭与天窗，以保证白天建筑内部的照明。该生态楼的基地平面呈东西方向的狭长矩形，这样可以使大部分房间获得正南向的良好朝向，非常有利于建筑采光和节能设计。根据建筑功能和节能要求，经过综合比较和反复计算，该建筑物的体形系数为0.28，综合窗墙面积比为0.30。其中，南向窗墙面积比为0.59，北向窗墙面积比为0.23，东向和西向的窗墙面积比均为0.14。8.2.2超低能耗围护结构设计1．外墙节能设计该生态楼在东、西、南、北方向上的外墙分别采用了四种外墙外保温体系，其热工性能如表8-1所示。应用部位保温隔热体系的构成及厚度（由内至外）传热系数K2[]W/mK·（）热惰性指标D内表面最高温度（℃）东向外墙混合砂浆20mm加气混凝土砌块240mm尿素泡沫体65mm单排孔混凝土砌块90mm水泥砂浆20mm聚合物抹面砂浆3mm0.324.334.4南向外墙混合砂浆20mm双排孔混凝土砌块190mm水泥砂浆20mmEPS外保温140mm0.273.234.5西向外墙混合砂浆20mm单排孔混凝土砌块240mm尿素泡沫体85mm单排孔混凝土砌块90mm水泥砂浆20mm聚合物抹面砂浆3mm0.294.334.2北向外墙混合砂浆20mm双排孔混凝土砌块190mm水泥砂浆20mmXPS外保温75mm0.333.234.4表8-1外墙外保温隔热体系1）南、北向外墙外保温体系从表8-1中可以看出，该生态楼的南向外墙采用聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）外保温体系，北向外墙采用挤塑料（XPS）外保温体系，其构造层次分别如图8-2和图8-3所示。图8-2EPS外墙外保温构造层次图8-3XPS外墙外保温构造层次2）东、西向外墙外保温体系该生态楼东、西向外墙采用夹心保温复合外墙体系，其主体构造如图8-4所示。图8-4砌块复合墙中间保温体系的构造层次经测量计算，该生态楼东、西向外墙的内表面最高温度设计值分别为34.4℃和34.2℃，远小于上海地区夏季外围护结构内表面最高温度不大于36.1℃的隔热要求，这说明采用这两种砌块复合墙体均具有很好的隔热性能。2．屋面节能设计该生态楼的屋面结构包括平屋面和坡屋面，屋面的节能措施则分为平屋面保温体系和坡屋面保温体系，如表8-2所示。屋面类型保温隔热体系的主要构造层次传热系数K2[]W/mK·（）热惰性指标D内表面最高温度（℃）不上人平屋面混合砂浆20mm钢筋混凝土结构层120mm陶粒混凝土找平层（平均厚度100mm）水泥砂浆找平层20mm防水层3mm泡沫玻璃150mm抗渗砂浆30mm（内设钢丝网片）防水层3mm疏水板20mm轻质种植土600mm0.3013.233.9上人平屋面混合砂浆20mm钢筋混凝土结构层120mm陶粒混凝土找平层（平均厚度100mm）水泥砂浆找平层20mm防水层3mmXPS外保温95mm抗渗细石混凝土40mm（内设4@200mm双向钢筋网片）防水层3mm疏水板20mm轻质种植土600mm0.2412.433.8坡屋面混合砂浆20mm钢筋混凝土结构层120mm水泥砂浆找平层20mm防水层3mm硬质聚氨酯泡沫塑料180mm防水稀浆抗渗细石混凝土40mm（内设4@200mm双向钢筋网片）浅色外饰面涂层5mm0.165.233.8表8-2屋面体温隔热体系3．外窗节能设计根据外窗对建筑能耗的影响分析及节能目标要求，该生态楼采用的天窗采用双中空透明PETLow-E中空玻璃，其余外墙面外窗均采用普通Low-E中空玻璃，其热工性能指标如表8-3所示。应用部位窗户类型玻璃传热系数2[]W/mK·（）玻璃遮阳系数可见光透过率（%）坡屋面天窗双中空透明PETLowE中空玻璃1.82（考虑窗框）0.6268各朝向外窗LowE中空玻璃1.650.5865表8-3节能外窗热工性能指标8.2.3充分利用自然通风节能（1）门窗位置和室内自然通风路径的设计。通过优化门窗位置和建筑物内部自然通风路径的设计，积极利用好热压和风压的综合作用。尽量使建筑物沿夏季的主导风向进行设计，并在建筑外立面正压区和负压区的适当部位开窗，以增强室内自然通风效果。据统计，该生态楼在夏季主导风速的作用下，室内的自然通风换气次数可达每小时15次以上，据此可利用室外某些时段的低温低湿气流带走室内产生的余热余湿，以降低过渡季节和夏季极端气温条件下的空调能耗，并争取在春秋季节各减少利用空调时间一个月。（2）考虑外界气流流动对自然通风的影响。在该生态楼建筑设计中，考虑到4，5，6月份上海地区的主导风向为东南风，9，10月份的主导风向为东北风，于是设计时运用CFD模拟分析技术对该建筑的外界风环境进行模拟分析，计算了在东南风和东北风的主导风向及主导风速作用下该建筑外表面的风压系统，改进和优化了建筑的外形及房间功能。同时，还提出在北部中庭上部，结合建筑特点设计了通风面积达18m2的屋顶排风道，如图8-1所示。（3）考虑室内热压作用下的自然通风。为了强化室内热压作用下的自然通风效果，该生态楼顶部的排风道内还安装了七组散热器。它与生态楼坡屋面上的太阳能集热板相连接，过渡季节便可充分利用太阳能热水加热通风风道内的空气，产生强烈的热压作用，以强化风道的排风效应，从而有效地增强了室内的自然通风效果。8.2.4高效节能空气调节技术上海地区冬夏两个季节的室外相对湿度较大，空调系统就必须对室外新风进行除湿处理，正如该生态楼的处理方式，新风经过具有全热回收功能的新型液体除湿机组的除湿降温处理，有效地改善了室内空气品质，如图8-5所示。图8-5温湿度独立控制的新型空调系统8.2.5可再生能源利用技术1．太阳能热利用与建筑一体化①东侧坡屋面上共布置了27组热管式太阳能集热器，每组集热器包括20根热管，分为相等的三排，并联布置，热管式太阳能集热器内部结构如图8-6所示。②西侧坡屋面上共布置了30组U形管式太阳能集热器，每组集热器的集热面积为3m2，分为相等的5个支路，并联布置，U形管式太阳能集热器内部结构如图8-7所示。图8-6热管式太阳能集热器图8-7U形管式太阳能集热器2．太阳能光伏发电与建筑一体化该生态楼顶上设计和建造了一套太阳能发电系统，主要由太阳能电池方阵、逆变控制柜和测试设备等组成。其装机总容量为5kW，分成5个子方阵，每个子方阵容量均为1kW。上海地区5kW太阳能电池方阵各月的发电量如表8-4所示。月份水平屋面上太阳辐射量2][kWhmd··（）／倾斜屋面上太阳辐射量2][kWhmd··（）／当月发电量kWh·（）12.0792.481287.322.5982.926307.232.9743.138364.844.0364.050455.654.6524.485521.464.1643.963445.874.8644.635537.8