公共建筑的节能设计标准与技巧.docx

公共建筑的节能设计
《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005自2005年7月1日起实施，这是我国批准发布的第一部公共建筑节能设计的综合性国家标准，认真执行《公共建筑节能设计标准》，并真正落到实处，是当前建筑设计的一项首要任务。
公共建筑的能耗包括建筑围护结构以及采暖、通风、空调和照明用能消耗，公共建筑节能50%的目标是由建筑专业、暖通专业、电气专业共同来承担。对于建筑专业来说，就是改善和提高围护结构的热工性能，也就是建筑热工设计。
《公共建筑节能设计标准》的第4章是建筑专业重点掌握和执行的标准。在这个章节中对建筑专业提出了热工性能规定性指标和权衡判断要求，如果规定性指标不能满足规定要求，就必须进行权衡判断。由于权衡判断整个过程比较复杂繁琐，必须采用专门的计算软件，而目前尚未推出正式的软件版本，《公共建筑节能设计标准》为了方便设计人员，避免复杂的计算，已经将规定的热工性能参数范围放得很宽，只要我们建筑专业在设计过程中重视围护结构材料的保温性能，绝大多数公建不需要经过权衡判断这一过程。
一、 公共建筑的节能设计标准
（一）规定性指标
上海为夏热冬冷地区，该地区的围护结构热工性能的强制性条款规定性指标共有如下几项：
1. 屋面的传热系数：K≤ 0.7 w/㎡·k
2. 外墙传热系数：Km≤ 1.0 w/㎡ ·k
3. 地面接触室外空气的架空或挑空楼板的传热系数：K≤ 1.0 w/㎡ ·k
4. 外窗（含透明幕墙）的传热系数K和遮阳系数SC：
Ø 窗墙面积比≤ 0.2，K ≤ 4.7 W/m2 ·k ，
Ø 0.2<窗墙面积比≤ 0.3，K ≤ 3.5 W/m2·k， SC ≤0.55
Ø 0.3<窗墙面积比≤0.4，K≤3.0 W/ m2·k， SC ≤0.50 /0.6(北向）
Ø 0.4<窗墙面积比≤ 0.5，K ≤ 2.8W/ m2·k， SC ≤0.45/0.55 (北向）
Ø 0.5<窗墙面积比≤ 0.7，K ≤ 2.5 W/ m2·k， SC ≤0.40/0.45 (北向）

5. 屋顶透明部分的传热系数和遮阳系数：K ≤ 3.0 w/m2 ·k， SC ≤0.30
6. 地面和地下室外墙热阻限值：R≥1.2(m2∙ K )/W
7. 单一朝向的窗（含透明幕墙）墙面积比：≤ 0.7
8. 窗墙面积小于0.4时，对玻璃的可见光透射比：≥ 0.4
9. 屋顶透明部分与屋顶面积比：≤ 20%
10. 上述任何一条不能满足，就必须进行权衡判断（性能化设计）
以上各项指标相对居住建筑的节能设计规定性指标而言，公共建筑对体形系数、对楼板的传热系数、对分隔墙的传热系数、对内门的传热系数等都没有强制要求。 如果公共建筑未设底层架空层，也没有透明屋顶，则围护结构传热系数的强制性规定指标就只有7项。可见，公共建筑的节能设计规定指标并不是很难掌握的。
（二）其他要求
1. 中庭应有通风措施
2. 外窗可开启面积应≥窗面积的30%，透明幕墙应有可开启扇或通风换气装置
3. 外门应有保温隔热措施
4. 外窗的气密性≥4级：1.5≥q1＞0.5（m3/m∙h）
玻璃幕墙的气密性≥3级：
a)可开启部分：2.5≥q1＞1.5（m3/m∙h）
b)固定部分：0.1≥q1＞0.05（m3/m∙h）
(三)权衡判断
1、参照建筑物
Ø 形状、大小、朝向、内部的空间划分和使用功能与所设计的建筑物完全一致
Ø 窗墙面积比按照规定设置
Ø 围护结构的热工性能符合规定指标的限值
Ø 全年采暖和空气调节
Ø 全年采暖和空气调节能耗的计算按照标准进行

2、设计建筑物
Ø 围护结构的热工性能按照设计的实际数值
Ø 窗墙面积比按照设计的实际数值
Ø 全年采暖和空调调节
Ø 全年采暖和空气调节能耗的计算按照标准进行
3、权衡判断要求
1) 设计建筑物的全年能耗应小于等于参照建筑物的全年能耗，设计建筑物符合节能要求，为节能建筑
2) 设计建筑物的全年能耗大于参照建筑物的全年能耗，不符合节能要求，应调整围护结构的热工性能设计参数重新计算，直至满足要求。

二、建筑热工设计
以下是满足围护结构热工性能规定性指标的参考做法
(一） 屋面传热系数K≤0.7W/（㎡K）
公共建筑采用平屋面的形式较多，平屋面保温一般有正置式保温和倒置式保温，正置式保温常用的保温材料：聚苯乙烯泡沫塑料板、挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板、聚氨酯泡沫塑料；倒置式保温屋面必须选择挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板。
一般情况下，如果屋面采用120厚钢筋混凝土屋面板，憎水珍珠岩找坡，按其找坡层平均厚度为80计，保温层选用不得低于25～30厚挤塑聚苯板（XPS）或45～50厚聚苯乙烯泡沫塑料板（EPS），可以达到K≤0.7W/（㎡K）的要求。若选用其他保温材料可参考国家标准图集99J201（一）《平屋面建筑构造（一）》第18页，或03J201-2《平屋面建筑构造（二）》G30页～G31页。
例：屋面构造为：40厚细石钢筋混凝土面层
干铺无纺聚酯纤维布一层
25厚挤塑保温板（XPS）
20厚1：3水泥砂浆
憎水珍珠岩找坡，最薄处30厚（平均厚度80）
120厚钢筋砼屋面板

屋顶的传热系数计算
1） 材料的物理性能
材料
层厚
（mm）
导热系数
W/（m·k）
蓄热系数
w/（㎡k）
热阻
（㎡·k）/w
热惰性D
钢筋混凝土
40
1.74
17.20
0.02
0.34
钢筋混凝土
120
1.74
17.20
0.07
1.19
水泥砂浆
20
0.93
11.37
0.02
0.23
挤塑板（XPS）
25
35
0.033
0.35
0.76
1.06
0.27
0.37
膨胀聚苯板（EPS）
35
55
0.055
0.47
0.64
1.00
0.30
0.47
憎水珍珠岩
80（平均厚度）
0.12
2.00
0.67
1.34
1：8水泥加气混凝土
80（平均厚度）
0.36
5.64
0.22
1.25
陶粒混凝土
80（平均厚度）
0.89
11.1O
0.09
1.00
2） 屋顶热阻R
∑R=Ri＋0.02+0.07+0.02+0.76+0.67+Re=0.11＋1.54＋0.05=1.69
3)屋顶传热系数K
K=1/∑R=1/1.69=0.59≤0.7W/（㎡K）
4) 屋面保温层的最小厚度选用
l 采用憎水珍珠岩找坡层，挤塑聚苯板（XPS)保温层不应小25厚，膨胀聚苯板(EPS)保温层不应小于35厚
l 采用1∶8水泥加气砼找坡层，挤塑聚苯板（XPS)保温层不应小35厚，膨胀聚苯板(EPS)保温层不应小于55厚
l 采用陶粒混凝土找坡层，挤塑聚苯板（XPS)保温层不应小40厚，膨胀聚苯板(EPS)保温层不应小于60厚

（二） 外墙传热系数K≤1.0W/（㎡K）
外墙包括实体外墙和非透明幕墙，所谓非透明幕墙是指石材幕墙和金属幕墙。满足外墙的热工性能要求可采用外墙外保温或外墙内保温的构造措施。
1、 实体外墙。
公共建筑通常为框架结构，外墙由填充墙和混凝土柱、梁、楼板组成，其中钢筋混凝土材料的热工性能最差。相同的保温材料由于墙体材料的热工性能不同，选用的厚度也不相同，若按照钢筋混凝土选择保温材料的厚度，则同时也能满足或超过其他墙体材料所需的保温厚度要求；如此做法可以简化外墙的平均传热系数计算。
1)外墙外保温
从实际工程外墙平均传热系数的计算结果表明，外墙外保温由于梁、柱和楼板等热桥部位均已保温，墙体的总体保温效果较好。
外墙常用的外保温材料有：聚苯乙烯泡沫塑料板、挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板、胶粉聚苯颗粒保温浆料等；若按200厚钢筋混凝土墙体考虑，保温层的最小厚度不应小于表中厚度
聚苯乙烯泡沫塑料板
挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板
胶粉聚苯颗粒保温浆料
50mm
30mm
50mm
外墙外保温也可选用其他材料，其厚度可参照国家标准设计图集02J121-1《外墙外保温建筑构造（一）》。
2)外墙内保温
由于外墙采用贴面砖等装饰材料，目前的外保温材料施工尚不能确保贴面材料的牢固，较多的工程会选择外墙内保温的做法。但是，由于热桥部位缺乏保温，这种墙体的总体保温效果较差。虽然可以采取措施，在热桥部位进行加强措施，但因会影响室内效果，业主往往不愿意采用；通常，内保温的材料厚度要高于外保温的材料厚度。
目前常用的外墙内保温做法为增强粉刷石膏聚苯板外墙内保温，200厚的钢筋混凝土墙选用聚苯板不应小于30厚，300厚的钢筋混凝土墙选用聚苯板不应小于25厚。
外墙内保温做法还有钢丝网架聚苯复合外墙内保温、增强水泥聚苯复合板外墙内保温、增强石膏聚苯复合板外墙内保温等，具体可参照国家标准设计图集03J122《外墙内保温建筑构造》。
例：外墙为混凝土墙体，采用外墙外保温；构造为（从外到内）：
Ø 20厚1：2水泥砂浆
Ø 30厚挤塑板（XPS）
Ø 200厚钢筋砼墙体
Ø 20厚1：1：4混合砂浆
外墙的传热系数计算
1） 材料的热工计算参数
材料
层厚
（mm）
导热系数
W/（m·k）
蓄热系数
w/（m2·k）
热阻
（m2·k）/w
热惰性
D
钢筋混凝土
200
1.74
17.20
0.11
1.80
水泥砂浆
20
0.93
11.37
0.02
0.23
挤塑板
30
0.033
0.35
0.91
0.32
混合砂浆
20
0.87
10.75
0.02
0.22
2） 外墙热阻R
∑R=Ri＋0.11＋0.02＋0.91＋0.02＋Re=0.11＋1.36＋0.05=1.22
3)外墙传热系数K
K=1/∑R=1/1.22=0.82≤1.0W/（㎡K）
2、非透明幕墙
非透明幕墙的面板材料一般为金属铝板或石材，最简单的做法是面板材料背后加设50厚玻璃棉（玻璃棉的密度一般不小于16㎏/m3），幕墙的传热系数即可达到0.7～0.9/（㎡K）的传热系数，满足规定的K≤1.0W/（㎡K）要求。
矿棉、岩棉玻璃棉板的计算值为：
导热系数：0.054～0.086 W/（m·k）
蓄热系数：0.9～1.43 W/（㎡k）
50厚的玻璃棉自身的传热系数就可达1.08 W/（㎡k），若算上铝板或石材的热阻后得出的传热系数基本能满足1.0 W/（㎡k）。

（三） 外窗
外窗的传热系数和遮阳系数根据单一朝向窗墙比的大小确定：
透明玻璃幕墙属于外窗的范畴，要求也与外窗一样。
1、外窗的传热系数
公共建筑的设计中，窗墙面积比一般都在0.3以上，南北外墙的窗墙面积比往往都在0.4以上，因此，也就决定了公共建筑的外窗传热系数必须控制在3.0W/(m2∙K)以下，遮阳系数在≤0.40-0.55左右。
通常，普通的铝合金型材加单层玻璃绝对无法满足节能要求，况且建设部的218号文也明确规定了节能建筑不得采用金属型材单层玻璃的外窗。以下的外窗热工参数提供参考：
常见外窗热工参数
玻璃
普通铝合金窗
断热铝合金窗
PVC塑料窗
K
W/(m2∙k)
SC
K
W/(m2∙k)
SC
K
W/(m2∙k)
SC
透明玻璃（5-6厚）
6.5-6.0
0.9-0.8
6.0-5.5
0.9-0.8
5.0-4.5
0.9-0.8
热反射镀膜玻璃
6.5-6.0
0.55-0.45
6.0-5.5
0.55-0.45
5.0-4.5
0.55-0.45
透明中空玻璃
4.0-3.5
0.85-0.75
3.5-3.0
0.85-0.75
3.0-2.5
0.85-0.75
LOW-E中空玻璃
3.5-3.0
0.55-0.40
3.0-2.5
0.55-0.40
2.5-2.0
0.55-0.40
窗的热工性能还取决于空气层的厚度，空气层厚度大，保温效果好，普通中空玻璃采用12mm厚时，其K值可达2.8 W/(m2∙K),但窗框材料影响了整窗的传热系数，公共建筑外窗的玻璃中空厚度一般不应小于9mm厚。
LOW-E玻璃称为低辐射镀膜玻璃，具有较好的保温隔热性能，5+12A+5的LOW-E中空玻璃使用断热铝型材，传热系数一般在2.5-3.0 W/(m2∙K)左右，采用PVC框材，传热系数可达到2.0 W/(m2∙K)。
国家建筑标准设计图集《节能铝合金门窗》提供了详细的数据，其中各型号的窗都进行过选样测试，其中窗的传热系数根据不同的玻璃材料及空气层组合不同而不同，可作为设计参考。
因此，窗墙面积比大于0.4,就必须选用断热铝合金型材或PVC型材，必要时还必须选用LOW-E玻璃。设计说明和门窗表中，应明确对外窗的传热系数要求，门窗厂家应按照设计要求生产，在门窗检测时应有对保温性能的检测内容，作为验收的依据。
2、外窗的遮阳
遮阳可以有2种方法，一是结合建筑立面设计，采用水平向或垂直向的构件，挡住阳光的照射，二是选用符合遮阳系数要求的外窗玻璃；二者可以各自单独满足，也可相互弥补，两者的乘积，就是外窗的遮阳系数，不做遮阳，玻璃的遮阳系数就是最终的遮阳系数。
建筑设计中已经设置遮阳设施，但根据公共建筑节能设计标准提供的公式计算，遮阳系数未能达标，可以将规定的遮阳系数除以遮阳设施的系数，得出的数据就是对玻璃遮阳系数的要求。
例：建筑设置的遮阳求出的遮阳系数SC=0.7,节能标准规定SC≤0.4,对玻璃的遮阳系数要求为：0.4/0.7=0.57
建筑施工图设计说明中就应在玻璃选用要求上明确必须选用遮阳系数不得大于0.57。
3、外窗的气密性不应低于《建筑外窗气密性性能分级及其检测方法》GB7107规定的4级。
外窗良好的气密性，可以抵御夏季和冬季的室外空气渗透到室内，从而降低能耗。窗的开启方式与气密性有直接的关系，从检测结果得知，平开窗大部分都能满足4级以上的要求，但推拉窗有一半以上达不到4级，所以节能建筑应优先考虑平开窗的形式，多层建筑采用外平开，高层建筑出于安全的考虑，可以选用内平开；选用推拉窗，要达到气密性4级，则应对其制作工艺和五金配件提出较高的要求，造价上可能会更高。
窗的材质同样与气密性有关，相对而言，PVC窗、彩钢板窗和WELUX木窗的热工性能和气密性比较容易满足规定性指标要求。
（四）透明玻璃幕墙
全玻璃幕墙的作为建筑外墙，其热工性能无论如何也难以达到1.0 W/(m2∙K)的传热系数要求，即便进行权衡判断，也很难达到要求。同一朝向不应是全透明玻璃幕墙，窗墙面积比应控制在0.7以内。
1、通过调整立面的虚实对比解决，如入口大厅的立面采用了全玻璃幕墙，则该朝向的实墙面积可以通过加权平均解决，即减少其它的外窗玻璃面积，至少留出30%的实墙面积，玻璃幕墙有实墙面的衬托，更加突出效果。
2、由于结构承重和消防的要求，梁和防火窗槛墙的800mm高度是必不可少的，全透明玻璃幕墙会清楚地反映出钢砼的立面，对立面效果并不有利，不妨将此部位处理成非透明玻璃幕墙，如选用彩釉玻璃，其背后衬托50厚的保温玻璃棉，可以按照实墙对待，热工性能完全满足K=1.0W/m2∙K的传热系数要求，也保证了窗墙面积比的要求。
3、玻璃幕墙的传热系数规定为K=2.5W/m2∙K，为了达到这一指标，宜采用隐框幕墙，玻璃采用LOW-E中空玻璃。虽然玻璃的传热系数不能作为幕墙的传热系数，但由于金属型材隐蔽在玻璃的背后，可以近似参照玻璃的传热系数确定玻璃幕墙的热工性能。如LOU-E玻璃的本身传热系数为1.7-1.8W/(m2/K),其隐框玻璃幕墙的传热系数一般在2.0 W/(m2/K)左右，完全符合规定指标。
常用玻璃的热工性能
玻璃类型
普通单层玻璃
9厚空气层的普通中空玻璃
12厚空气层的普通中空玻璃
12厚空气层的普通中空低辐射玻璃
传热系数K
5.8-6.4
3.2-3.5
2.8-3.2
1.6-1.8
遮阳系数SC
0.3-0.9
0.2-0.8
0.2-0.8
0.25-0.6
4、明框玻璃幕墙应采用断热金属型材和LOW-E中空玻璃，半隐框玻璃幕墙应在明框与玻璃之间采取有效的隔热措施。
5、透明玻璃幕墙的气密性应满足《建筑幕墙物理性能分级》GB15225规定的3级，幕墙应采用高质量的硅酮密封胶、耐候胶和优质的三元乙丙密封胶条。
（五）地面和地下室外墙热阻限值≥1.2(m2∙K)/ W
1）回填地面：
40厚细石钢砼面层
150厚1：8加气混凝土碎块实铺
100厚C20混凝土
80厚碎石垫层
素土夯实

地面热阻值R
材料
厚度
导热系数
热阻
细石钢砼面层
40
1.74
0.023
加气混凝土
200
0.36
0.56
混凝土层
100
1.51
0.066
碎石层
100
2.04
0.05
素土夯实
600
1.16
0.52
∑R=0.11+0.023+0.56+0.066+0.05+0.52=1.33>1.2(m2∙k)/W
2)地下室外墙：
Ø 20厚1：2水泥砂浆
Ø 250厚钢砼墙
Ø 膨胀聚苯板保护层
Ø 回填土
热阻R计算
材料
厚度
导热系数
热阻
水泥砂浆
20
0.93
0.022
钢砼墙体
250
1.74
0.14
水泥砂浆
20
0.93
0.022
膨胀聚苯板
50
0.055
1.1

∑R=0.11+0.022+0.14+0.022+1.1=1.394>1.2(m2∙k)/W
3） 地下室地面热阻R
Ø 40厚细石砼面层
Ø 35厚挤塑聚苯板
Ø 300厚钢混凝土底板
Ø 100厚碎石垫层

地下室地面热阻R
材料
厚度
导热系数
热阻
细石钢砼面层
40
1.74
0.023
挤塑聚苯板
35
0．033
1.06
钢混凝土底板
300
1.74
0.066
碎石层
100
2.04
0.05
∑R=0.11+0.023+1.06+0.07+0.05=1.2(m2∙k)/W

（六）玻璃屋顶和中庭
一般情况下，玻璃屋顶往往与中庭结合在一起，由于透明玻璃直接受到太阳的辐射，其隔热性的好坏直接影响到顶层房间和中庭的室内环境质量，并且消耗大量的建筑用能。
1）控制屋顶面积，不超过屋顶面积的20%，在其他屋顶的保温构造上加强，并应采用遮阳系数较小的中空夹胶玻璃，天窗的构造应采取有效的断热构造措施满足玻璃屋顶的传热系数和遮阳系数要求。
2）中庭应有通风措施。中庭的温度一般要比其它部位高，同时也会影响相邻走廊和室内房间，使得空调不起作用，浪费用能。
A、自然通风是首选的方法。可在玻璃屋顶的四周设置通风百叶，带走中庭的热空气，既降低能耗，又有利于消防排烟。
B、在中庭上部的侧面设置排风机，利用机械排风，带走中庭的热量。
C、中庭的玻璃幕墙和玻璃屋顶设置通风装置。

三、权衡判断计算
（一）参照建筑物
1. 形状、大小、朝向、内部的空间划分和使用功能与所设计的建筑物完全一致
2. 窗墙面积比按照规定设置
3. 围护结构的热工性能符合规定指标的限值
4. 全年采暖和空气调节
5. 全年采暖和空气调节能耗的计算按照标准进行
（二）设计建筑物
1. 围护结构的热工性能按照设计的实际数值
2. 窗墙面积比按照设计的实际数值
3. 全年采暖和空调调节
4. 全年采暖和空气调节能耗的计算按照标准进行
（三）权衡判断
1. 设计建筑物的全年能耗应小于等于参照建筑物的全年能耗，设计建筑物符合节能要求，为节能建筑
2. 设计建筑物的全年能耗大于参照建筑物的全年能耗，不符合节能要求，应调整围护结构的热工性能设计参数重新计算，直至满足要求。