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上海市超低能耗住宅项目围护结构设计策略探讨

2023-07-03丁纯

建筑与装饰 2023年12期
关键词:外窗低能耗传热系数

丁纯

上海天华建筑设计有限公司 上海 200235

引言

上海作为一座超大城市,能源和环境矛盾日益突出,建筑能耗总量和能耗强度上行压力不断加大。推进建筑能效水平不断提升,是上海实施绿色发展的必然选择,也是建设生态之城的必由之路。为进一步推进本市超低能耗建筑的发展,提高建筑健康舒适水平和能源资源利用效率,近年来上海市住房城乡建设管理委、市规划资源局等部门接连发布了一系列的政策、指导文件等,在激励政策的驱动下,上海市超低能耗建筑工程项目也呈现快速发展的势头。

本文以超低能耗住宅项目为例,分析围护结构保温性能(屋面保温层厚度、外墙传热系数及外窗传热系数)对于建筑能耗的影响程度及典型冷热桥部位达标的临界条件,以期为后续超低能耗住宅项目的推广提供一定的设计参考。

1 围护结构保温性能对于建筑能耗的影响

2019年3月,《上海市超低能耗建筑技术导则(试行)》(以下简称《导则》)提出,我市超低能耗项目屋面、外墙及外窗(透光幕墙)的传热系数等指标应根据性能化设计原则,通过建筑能耗计算确定,并应满足其约束值要求。

围护结构的保温性能的增加,能使冬季供暖的负荷需求和能耗下降,但是夏季的供冷的节能效果也会带来反向的负担,加之经济性或安全性的考虑等,其成本的投入和获得的节能收益是否匹配也是需要关心的问题。本文基于被动式低能耗建筑模拟分析软件PKPM-PHEnergy,对典型住宅模型进行实际测算,分析屋面、外墙及外窗保温性能对能耗的影响程度,并给出实际项目指导性的结论或建议。

1.1 屋面保温层厚度对于能耗的影响

1.1.1 测算原理及基本信息。不同住宅建筑产品,假定外墙及外窗传热系数相同的前提下,调整屋面保温层(以XPS为例)的厚度,分析围护结构能耗的减少值的变化,建筑产品基本信息见表1。

表1 建筑产品基本信息表(屋面保温层厚度对于能耗的影响)

1.1.2 数据分析。

1.1.2.1 屋面传热系数在约束值及参考值间变化时,能耗的变化程度由高到低分别为:低层建筑>多层建筑>高层建筑[1]。

1.1.2.2 保温厚度50~150mm时,能耗减少显著;保温厚度150~200mm时,高层建筑,能耗减少趋于平缓;低多层建筑能耗减少值亦有所减缓。

1.1.3 结论及建议。考虑能耗的变化规律、结构荷载及成本角度等因素,上海地区的高层住宅项目建议屋面保温层的厚度控制在100~150mm之间,即屋顶传热系数控制在0.20~0.30W/(m2·K)之间,多低层建筑屋面保温厚度可适当增加,但不建议超过200mm。

1.2 外墙传热系数对于能耗的影响

1.2.1 测算原理及基本信息。不同住宅建筑产品,假定屋面及外窗传热系数相同的前提下,调整外墙结构保温一体化板中保温层(以硅墨烯为例)的厚度,即实现外墙传热系数的变化,以分析围护结构能耗减少值的变化,建筑产品基本信息见表2。

表2 建筑产品基本信息表(外墙传热系数对于能耗的影响)

1.2.2 数据分析。外墙保温层厚度在130mm、135mm、150mm变化的过程中,能耗减少逐渐变缓,变化曲线见图3。硅墨烯厚度130mm、135mm及150mm时,对应的外墙传热系数分别为0.40W/(m2·K)、0.38W/(m2·K)及0.35W/(m2·K)。

1.2.3 结论及建议。外墙传热系数的降低可一定程度的降低能耗值,但保温厚度的增加,会带来单位面积建造成本的增加(相比较常规项目,超低能耗建筑外窗及外墙的单位面积成本增量最大),外墙的安全性风险(反打、免拆模体系配套依据不健全)及得房率降低等问题。即外墙的传热系数设计在0.35~0.40 W/(m2·K)之间更加合适,若此范围内仍不能满足建筑节能保温要求,则应该寻求更高效的保温材料,而不是一味增加保温层厚度。

1.3 外窗传热系数对于能耗的影响

1.3.1 测算原理及基本信息。

1.3.1.1 不同住宅建筑产品,假定屋面及外墙传热系数相同的前提下,调整外窗的传热系数,以分析围护结构能耗的减少值变化。建筑产品基本信息见表3。

表3 建筑产品基本信息表(外窗传热系数对于能耗的影响)

1.3.1.2 不同住宅建筑产品,保证节能计算通过的前提下,外窗传热系数分别为1.4(W/m2·k)及1.8(W/m2·k)时,分析对应的外墙及屋面保温厚度的变化。建筑产品基本信息为:高层(18F、体型系数0.36);洋房(8F、体型系数0.38);联排(3F、体型系数0.57);

1.3.2 数据分析。

1.3.2.1 外窗传热系数对屋面、外墙保温厚度的影响程度:高层>洋房>联排;外窗传热系数从1.8(W/m2·k)降至1.4(W/m2·k)时,能耗基本呈线性减少[2]。

1.3.2.2 外窗传热系数为1.4(W/m2·k)及1.8(W/m2·k)时,对应的外墙及屋面保温厚度的变化见表4。

表4 外窗传热系数对屋面、外墙保温厚度的影响程度

1.3.3 结论及建议。外窗传热系数的提高对于能耗的降低效果显著,而且外窗传热系数按照1.8(W/m2·k)设计,用屋面及外墙的保温去弥补是很难做到的。综合考虑外窗传热系数对于能耗的影响及外窗的增量成本,常规项目建议外窗传热系数按照约束值1.4(W/m2·k)设计。

2 典型冷热桥部位分析

女儿墙、阳台板及空调板等热桥部位进行保温处理,是上海市超低能耗建筑区别于常规建筑的特点之一。但这些热桥部位的保温应处理到什么程度,并没有量化的指标要求,设计及审查层面均有较大的困惑。

《民用建筑热工设计规范》GB 50176-2016将围护结构的节能设计目标分为不结露和基本热舒适两档要求。其中围护结构内表面不结露标准偏低,上海地区外墙按节能标准设置内、外主体保温后,混凝土冷热桥部位一般不会产生结露。本文将围护结构基本舒适度作为冷热桥处理量化分析的判定标准,保温材料以XPS为例,分析了女儿墙、阳台板及空调板处达标的临界条件[3]。

2.1 女儿墙

经计算保温高度应≥500mm,保温厚度应≥10mm。实际项目建议女儿墙保温高度应≥500mm,保温厚度应≥20mm(考虑XPS等板材的最小应用厚度)。

2.2 外挑阳台板、空调板

阳台板上下均做保温时,经计算保温长度自主体外墙向外延伸长度应≥900mm,保温厚度应≥10mm 。实际项目阳台板上下板面均应考虑保温,保温厚度应≥20mm(考虑XPS等板材的最小应用厚度),若板下保温采用反打或免拆模构造,保温厚度一般为30mm~40mm。

3 结束语

上海地区提升屋面、外墙及外窗的保温性能,使得冬季供暖的负荷需求和能耗下降,但是对于夏季供冷的节能效果不明显,综合考虑经济性或安全性等因素,建议设计遵循《导则》中提出的“要保温,但要适度”的指导原则,围绕参考值展开设计。

冷热桥部位的处理措施不宜低于《民用建筑热工设计规范》GB 50176-2016基本热舒适的要求,实际项目应结合项目自身特点、保温材料参数性能及应用厚度等选择合理、安全的冷热桥处理措施。

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