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4.2 围护结构热工设计

4.2.1 采用采暖度日数(HDD18)作为我国严寒和寒冷地区气候分区指标的理由已经在第3.0.1条的条文说明中陈述,空调度日数(CDD26)只是作为寒冷地区细分子区的辅助指标。附录A中一共列出了211个城市,尚不够全,各地在编制地方标准中,可以依据当地的气象数据,用本标准规定的方法计算统计出当地一些城市的采暖度日数和空调度日数,并根据这些度日数确定这些城市的气候分区区属。

4.2.2 本条文是强制性条文。
    建筑围护结构热工性能直接影响居住建筑采暖和空调的负荷与能耗,必须予以严格控制。由于我国幅员辽阔,各地气候差异很大。为了使建筑物适应各地不同的气候条件,满足节能要求,应根据建筑物所处的建筑气候分区,确定建筑围护结构合理的热工性能参数。本标准按照5个子气候区,分别提出了建筑围护结构的传热系数限值以及外窗玻璃遮阳系数的限值。
    确定建筑围护结构传热系数的限值时不仅应考虑节能率,而且也从工程实际的角度考虑了可行性、合理性。
    严寒地区和寒冷地区的围护结构传热系数限值,是通过对气候子区的能耗分析和考虑现阶段技术成熟程度而确定的。根据各个气候区节能的难易程度,确定了不同的传热系数限值。我国严寒地区,在第二步节能时围护结构保温层厚度已经达到(6~10)cm厚,再单纯靠通过加厚保温层厚度,获得的节能收益已经很小。因此需通过提高采暖管网输送热效率和提高锅炉运行效率来减轻对围护结构的压力。理论分析表明,达到同样的节能效果,锅炉效率每增加1%,则建筑物的耗热量指标可降低要求1.5%左右,室外管网输送热效率每增加1%,则建筑物的耗热量指标可降低要求1.0%左右,并且当锅炉效率和室外管网输送热效率都提高时,总能耗的降低和锅炉效率、室外管网输送热效率的提高呈线性关系。考虑到各地节能建筑的节能潜力和我国的围护结构保温技术的成熟程度,为避免各地采用统一的节能比例的做法,而采取同一气候子区,采用相同的围护结构限值的做法。对处于严寒和寒冷气候区的50个城市的多层建筑的建筑物耗热量指标的分析结果表明,采用的管网输送热效率为92%,锅炉平均运行效率为70%时,平均节能率约为65%左右。此时,最冷的海拉尔的节能率为58%,伊春的节能率为61%。这对于经济不发达且到目前建筑节能刚刚起步的这些地区来讲,该指标是合适的。
    为解决以往节能标准中高层和中高层居住建筑容易达到节能标准要求,而低层居住建筑难于达到节能标准要求的状况,分析中将建筑物分别按照≤3层建筑、(4~8)层的建筑、(9~13)层的建筑和≥14层建筑进行建筑物耗热量指标计算,分析中所采用的典型建筑条件见表1及表2。由于本标准室内计算温度与原标准JGJ 26-95有所不同,在本标准分析中,已经将原标准规定的1980~1981年通用建筑的耗热量指标按照下式进行了折算。


    严寒和寒冷地区冬季室内外温差大,采暖期长,提高围护结构的保温性能对降低采暖能耗作用明显。
    各个朝向窗墙面积比是指不同朝向外墙面上的窗、阳台门的透明部分的总面积与所在朝向外墙面的总面积(包括该朝向上的窗、阳台门的透明部分的总面积)之比。
    窗墙面积比的确定要综合考虑多方面的因素,其中最主要的是不同地区冬、夏季日照情况(日照时间长短、太阳总辐射强度、阳光入射角大小),季风影响、室外空气温度、室内采光设计标准以及外窗开窗面积与建筑能耗等因素。一般普通窗户(包括阳台门的透明部分)的保温隔热性能比外墙差很多,而且窗和墙连接的周边又是保温的薄弱环节,窗墙面积比越大,采暖和空调能耗也越大。因此,从降低建筑能耗的角度出发,必须限制窗墙面积比。本条文规定的围护结构传热系数和遮阳系数限值表中,窗墙面积比越大,对窗的热工性能要求越高。
    窗(包括阳台门的透明部分)对建筑能耗高低的影响主要有两个方面:一是窗的传热系数影响冬季采暖、夏季空调时的室内外温差传热;另外就是窗受太阳辐射影响而造成室内得热。冬季,通过窗户进入室内的太阳辐射有利于建筑节能,因此,减小窗的传热系数抑制温差传热是降低窗热损失的主要途径之一;而夏季,通过窗口进入室内的太阳辐射热成为空调降温的负荷,因此,减少进入室内的太阳辐射热以及减少窗或透明幕墙的温差传热都是降低空调能耗的途径。
    在严寒和寒冷地区,采暖期室内外温差传热的热量损失占主要地位。因此,对窗的传热系数的要求较高。
    本标准对窗的传热系数要求与窗墙面积比的大小联系在一起,由于窗墙面积比是按开间计算的,一栋建筑肯定会出现若干个窗墙面积比,因此就会出现一栋建筑要求使用多种不同传热系数窗的情况。这种情况的出现在实际工程中处理起来并没有大的困难。为简单起见可以按最严的要求选用窗户产品,当然也可以按不同要求选用不同的窗产品。事实上,同样的玻璃,同样的框型材,由于窗框比的不同,整窗的传热系数本身就是不同的。另外,现在的玻璃选择也非常多,外观完全相同的窗,由于玻璃的不同,传热系数差别也可以很大。
    与土壤接触的地面的内表面,由于受二维、三维传热的影响,冬季时比较容易出现温度较低的情况,一方面造成大量的热量损失,另一方面也不利于底层居民的健康,甚至发生地面结露现象,尤其是靠近外墙的周边地面更是如此。因此要特别注意这一部分围护结构的保温、防潮。
    在严寒地区周边地面一定要增设保温材料层,在寒冷地区周边地面也应该增设保温材料层。
    地下室虽然不作为正常的居住空间,但也常会有人的活动,也需要维持一定的温度。另外增强地下室的墙体保温,也有利于减小地面房间和地下室之间的传热,特别是提高一层地面与墙角交接部位的表面温度,避免墙角结露。因此本条文也规定了地下室与土壤接触的墙体要设置保温层。
    本标准中表4.2.2-1~表4.2.2-5中周边地面和地下室墙面的保温层热阻要求,大致相当于(2~6)cm厚的挤压聚苯板的热阻。挤压聚苯板不吸水,抗压强度高,用在地下比较适宜。

4.2.4 居住建筑的南向房间大都是起居室、主卧室,常常开设比较大的窗户,夏季通过窗户进入室内的太阳辐射热构成了空调负荷的主要部分。在南窗的上部设置水平外遮阳,夏季可减少太阳辐射热进入室内,冬季由于太阳高度角比较小,对进入室内的太阳辐射影响不大。有条件最好在南窗设置卷帘式或百叶窗式的外遮阳。
    东西窗也需要遮阳,但由于当太阳东升西落时其高度角比较低,设置在窗口上沿的水平遮阳几乎不起遮挡作用,宜设置展开或关闭后可以全部遮蔽窗户的活动式外遮阳。
    冬夏两季透过窗户进入室内的太阳辐射对降低建筑能耗和保证室内环境的舒适性所起的作用是截然相反的。活动式外遮阳容易兼顾建筑冬夏两季对阳光的不同需求,所以设置活动式的外遮阳更加合理。窗外侧的卷帘、百叶窗等就属于“展开或关闭后可以全部遮蔽窗户的活动式外遮阳”,虽然造价比一般固定外遮阳(如窗口上部的外挑板等)高,但遮阳效果好,且能兼顾冬夏,应当鼓励使用。

4.2.5 从节能的角度出发,居住建筑不应设置凸窗,但节能并不是居住建筑设计所要考虑的唯一因素,因此本条文提“不宜设置凸窗”。设置凸窗时,凸窗的保温性能必须予以保证,否则不仅造成能源浪费,而且容易出现结露、淌水、长霉等问题,影响房间的正常使用。
    严寒地区冬季室内外温差大,凸窗更加容易发生结露现象,寒冷地区北向的房间冬季凸窗也容易发生结露现象,因此本条文提“不应设置凸窗”。

4.2.6 本条文是强制性条文。
    为了保证建筑节能,要求外窗具有良好的气密性能,以避免冬季室外空气过多地向室内渗漏。《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中规定在10Pa压差下,每小时每米缝隙的空气渗透量q1和每小时每平方米面积的空气渗透量q2作为外门窗的气密性分级指标。6级对应的性能指标是:0.5m3/(m·h)<q1≤1.5m3/(m·h),1.5m3/(m2·h)<q2≤4.5m3/(m2·h)。4级对应的性能指标是:2.0m3/(m2·h)<q1≤2.5m3/(m2·h),6.0m3/(m2·h)<q2≤7.5m3/(m2·h)。

4.2.7 由于气候寒冷的原因,在北方地区大部分阳台都是封闭式的。封闭式阳台和直接联通的房间之间理应有隔墙和门、窗。有些开发商为了增大房间的面积吸引购买者,常常省去了阳台和房间之间的隔断,这种做法不可取。一方面容易造成过大的采暖能耗,另一方面如若处理不当,房间可能达不到设计温度,阳台的顶板、窗台下部的栏板还可能结露。因此,本条文第1款规定,阳台和房间之间的隔墙不应省去。本条文第2款则规定,如果省去了阳台和房间之间的隔墙,则阳台的外表面就必须当作房间的外围护结构来对待。
    北方地区,也常常有些封闭式阳台作为冬天的储物空间,本条文的第3款就是针对这种情况提出的要求。
    朝南的封闭式阳台,冬季常常像一个阳光间,本条文的第4款就是针对这种情况提出的要求。在阳台的外表面保温,白天有阳光时,即使打开隔墙上的门窗,房间也不会多散失热量。晚间关上隔墙上的门窗,阳台上也不会发生结露。阳台外表面的窗墙面积比放宽到0.60,相当于考虑3m层高、1.8m窗高的情况。

4.2.8 随着外窗(门)本身保温性能的不断提高,窗(门)框与墙体之间的缝隙成了保温的一个薄弱环节,如果为图省事,在安装过程中就采用水泥砂浆填缝,这道缝隙很容易形成热桥,不仅大大抵消了窗(门)的良好保温性能,而且容易引起室内侧窗(门)周边结露,在严寒地区尤其要注意。

4.2.9 通常窗、门都安装在墙上洞口的中间位置,这样墙上洞口的侧面就被分成了室内和室外两部分,室外部分的侧墙面应进行保温处理,否则洞口侧面很容易形成热桥,不仅大大抵消门窗和外墙的良好保温性能,而且容易引起周边结露,在严寒地区尤其要注意。

4.2.10 居住建筑室内表面发生结露会给室内环境带来负面影响,给居住者的生活带来不便。如果长时间的结露则还会滋生霉菌,对居住者的健康造成有害的影响,是不允许的。
    室内表面出现结露最直接的原因是表面温度低于室内空气的露点温度。
    一般说来,居住建筑外围护结构的内表面大面积结露的可能性不大,结露大都出现在金属窗框、窗玻璃表面、墙角、墙面、屋面上可能出现热桥的位置附近。本条文规定在居住建筑节能设计过程中,应注意外墙与屋面可能出现热桥的部位的特殊保温措施,核算在设计条件下可能结露部位的内表面温度是否高于露点温度,防止在室内温、湿度设计条件下产生结露现象。
    外墙的热桥主要出现在梁、柱、窗口周边、楼板和外墙的连接等处,屋顶的热桥主要出现在檐口、女儿墙和屋顶的连接等处,设计时要注意这些细节。
    另一方面,热桥是出现高密度热流的部位,加强热桥部位的保温,可以减小采暖负荷。
    值得指出的是,要彻底杜绝内表面的结露现象有时也是非常困难的。例如由于某种特殊的原因,房间内的相对湿度非常高,在这种情况下就很容易结露。本条文规定的是在“室内空气设计温、湿度条件下”不应出现结露。“室内空气温、湿度设计条件下”就是一般的正常情况,不包括室内特别潮湿的情况。

4.2.11 变形缝是保温的薄弱环节,加强对变形缝部位的保温处理,避免变形缝两侧墙出现结露问题,也减少通过变形缝的热损失。
    变形缝的保温处理方式多种多样。例如在寒冷地区的某些城市,采取沿着变形缝填充一定深度的保温材料的措施,使变形缝形成一个与外部空气隔绝的密闭空腔。在严寒地区的某些城市,除了沿着变形缝填充一定深度的保温材料外,还采取将缝两侧的墙做内保温的措施。显然,后一种做法保温性能更好。

4.2.12 地下室或半地下室的外墙,虽然外侧有土壤的保护,不直接接触室外空气,但土壤不能完全代替保温层的作用,即使地下室或半地下室少有人活动,墙体也应采取良好的保温措施,使冬季地下室的温度不至于过低,同时也减少通过地下室顶板的传热。
    在严寒和寒冷地区,即使没有地下室,如果能将外墙外侧的保温延伸到地坪以下,也会有利于减少周边地面以及地面以上几十厘米高的周边外墙(特别是墙角)热损失,提高内表面温度,避免结露。