摘要： 本文立足于上海地区，根据该地区的实际情况和低密度住宅现状的调查结果，以《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》为参考，借助于能耗分析软件TRACETM 700对目前低密度住宅的一些常见墙体形式和新型墙体材料进行热工性能模拟，并进行简单的经济分析，得出一些结论和提出建议。
关键词： 建筑节能 低密度住宅 热工性能
0 引言
建筑能耗的剧烈增长引发了一系列环境、能源和社会问题。我国的建筑能耗占全国能耗量的1/4以上，其中建筑采暖、空调、照明占14%，建筑建造能耗为11%[1]。而且在我国经济比较发达的中心城市中建筑能耗还会有很大的增长空间。因此实施建筑节能不仅可以有效地节约能源，减少对环境造成的直接或间接的压力，而且还能降低电网的负荷，保证社会的稳定。
在本文中，笔者着重讨论建筑围护结构部分的外墙体热工性能。墙体是建筑围护结构的主要组成部分，在建筑物采暖、空调负荷中，围护结构的传热占了很大一部分比重，通过外墙传热所造成的能耗损失约占建筑的外围护结构总能耗损失的48%[2]。墙体热工性能直接影响着建筑的能耗水平，对于建筑节能有着极其重要的意义。
上海不属于冬季采暖区，历年来建筑设计对于围护结构的保温隔热性能没有给予特殊重视，因此该地区建筑围护结构的保温隔热性能要比采暖地区差很多。本文所研究的对象——低密度住宅因其自身的特点，与其他类型的住宅建筑相比建筑能耗较高，笔者认为对低密度住宅的墙体进行热工性能分析有着迫切的现实意义。因此，笔者针对上海地区2003年新建低密度住宅的墙体材料的使用现状做了详细的调研，并根据调研结果，采用美国特灵公司开发的能耗模拟软件TRACETM 700，模拟一幢典型的两层独立式住宅，分析由于不同墙体形式对建筑负荷与能耗的综合影响，并选择几种墙体进行了简单的经济分析。
1 上海整体环境以及低密度住宅材料使用现状的调研结果
1.1 上海整体环境
上海属于夏热冬冷地区，夏季连晴的高温天气中，室内温度超过30℃，冬季室内外温差只有1~4℃，室内阴冷，温度不到12℃，人在室内坐久，则感到寒气袭人。在建筑节能实践的层面上，上海与西方国家相比还存在相当大的差距，具体数据参见表1。英国标准在能源危机前外墙传热系数值为1.6W/(m2.℃)，现已降至0.45 W/(m2.℃)，而上海的节能标准规定，外墙体的传热系数上限值为1.5 W/(m2.℃)，可见差距是非常大的。因此迫切需要对住宅建筑的外墙体进行革新，实现建筑节能。
表1 上海与先进国家在建筑传热系数值方面的比较
|
国别 |
节能标准 |
瑞典 |
英国 |
美国 | |
|
传热系数 |
外墙 |
≤1.5 |
0.17 |
0.45 |
0.3~0.5 |
|
窗户 |
≤3.2 |
2.0 |
2.0~2.6 | ||
|
屋顶 |
≤1.0 |
0.12 |
0.45 |
0.15 |
说明：其中上海地区窗户传热系数值的规定是在窗墙面积比&>0.25且≤0.35的前提条件下设定。
1.2 上海低密度住宅材料应用现状的调查与分析
2004年4月我们就上海地区低密度住宅材料使用的现状作了一次随机抽样调查。低密度住宅就是指建筑容积率不大于0.9或套密度不大于3.5（套／1000平方米）且层数在四层以下的住宅[3]。本次调研活动的对象是2003年在上海新建成的独立式住宅、联排式住宅、叠加别墅或低于六层的多层住宅。共发放问卷250份，收回问卷60份，其中有效问卷42份，涉及调研人员125人，被访楼盘覆盖上海10大区域。因此能基本和客观地反映目前上海新建低密度住宅建筑材料使用的主流现状。调研数据总结如下：
(1) 楼地：多为混凝土碎石和砖块楼地。
(2) 地坪以上外墙体材料：100%为混凝土或石材墙体，组成略有不同，所占比例参见表2。
(3) 地坪以上墙体：100%无保温材料。
(4) 楼板：多为钢筋混凝土楼板。
(5) 屋顶和阁楼：100%有保温，其中95%的保温材料为膨胀珍珠岩，5%为聚苯板。
(6) 门和窗：室外以复合门、钢门和实木门居多，室内多为木门；窗框使用材料见表3。
表2 外墙体中各材料的比例
|
编号 |
各材料组成 |
所占比例 |
|
1 |
100%现浇钢筋混凝土 |
25% |
|
2 |
20%现浇混凝土+80%空心粘土砖 |
50% |
|
3 |
50%现浇混凝土+50%加气混凝土 |
15% |
|
4 |
混凝土砌块 |
10% |
表3 窗框使用材料
|
编号 |
窗框材料 |
所占比例 |
|
1 |
铝合金 |
60% |
|
2 |
塑钢 |
31% |
|
3 |
不锈钢 |
7% |
|
4 |
实木 |
2% |
由于低密度住宅有其特殊的消费群体，因此在以往的设计理念中，往往从美学、功能等角度加以重点设计，从根本上忽略其建筑节能的问题。但是从如今低密度住宅的能耗现状看，它的耗能与普通住宅相比是非常严重的，据笔者所做的统计可知，普通住宅（1户）全年支付的单位面积电力能耗费平均为8元/m2~38元/m2，仅为低密度住宅的35%左右。然而根据此次调查结果，我们看到上海地区新建低密度住宅材料的使用还比较单一。屋顶和楼地的保温措施不够完善，窗墙比从0.25~0.50，建筑很少有外遮阳，门窗气密性不高。外墙大都是混凝土结构或砖混结构，还仅仅局限于单一墙体材料的使用。与我市普通的多层住宅相比，屋顶、楼地板、窗户以及外墙体等围护结构的材料使用并没有太大差别，尤其是外墙体部分，基本达不到节能标准所定的要求(传热系数值≤1.5 W/(m2.℃) [4]。这与国家的节能大潮相不符，也体现不出低密度住宅与普通住宅的特殊之处，因此我们要重视低密度住宅的建筑节能问题，运用科学的节能技术和可持续发展的理念使其真正达到长效、低耗、舒适的目标。
2 不同墙体材料热工性能的模拟、分析和比较
通过调研结果得到了目前上海低密度住宅材料使用的主流现状，笔者运用能耗分析软件模拟一幢典型的两层独立式住宅，通过变换不同的外墙墙体材料，使热工性能中的关键性指标——传热系数K值发生变化，从而对全年建筑负荷和能耗量发生影响。在该模拟试验中，建筑朝向、体形系数、窗墙比、窗、门和屋顶的材料等参数均定为常量，唯一的变量就是不同外墙材料的传热系数K值。
2.1 建筑模型描述
该建筑模型为两层独立式住宅，建筑面积为215.4m2，体形系数为0.3，屋顶为角度30o 的坡屋顶，窗墙比为0.30，具体平面布置参见下图1。
该住宅选用风冷热泵机组作为空调冷、热源，空调末端为风机盘管，空调面积为168m2。夏季室内设计温度为26℃，冬季室内设计温度为18 ℃，室内设计相对湿度为60%。在模拟中全年24小时空调系统运行。天气参数采用典型气象年的逐时气象资料。除外墙外其他围护结构的传热系数如表4所示。
表4 围护结构的构成和传热系数
|
围护构件常量参数 |
外窗 |
屋顶 |
楼板 |
楼地 |
|
材料 |
铝合金型材双玻窗（断热） |
水泥膨胀珍珠岩屋面 |
110钢筋混凝土楼板 |
混凝土碎石楼地 |
|
K值 W/(m2.℃) |
3.20 |
1.00 |
2.72 |
4.41 |
在该模型中，人员结构为五口之家，一对年轻夫妇及其父母和一个已上学的小孩。基于此次调研的结果，按照居民的生活习惯和家用电器使用情况，对室内负荷进行了设定，如表5、6所示。新风量按30立方米/小时·人计算，房间与室外的冷风渗透量为0.2次/小时。模拟采用能耗模拟软件——特灵公司开发的TRACETM 700，通过变换外墙材料，使该模型建筑的传热系数K值发生变化，模拟计算该两层独立式住宅的建筑负荷和全年能耗量。
表5 人员、照明和设备负荷率
|
房间类型 |
人员 |
照明 |
设备 |
|
娱乐室 |
8:00~11:00:20%;14:00~16:00:20%; |
19:00~21:00:50%;其余:0% |
8:00~11:00:40%;14:00~16:00:40%; |
|
餐厅 |
7:00~9:00:100%;11:00~13:00:40%; |
18:00~20:00:100%;其余:0% |
10:00~12:00:10%; |
|
厨房 |
7:00~9:00:80%;11:00~13:00:100%; |
17:00~20:00:100%;其余:0% |
7:00~9:00:80%;11:00~13:00:80%; |
|
客厅 |
10:00~12:00:30%;15:00~17:00:30%; |
19:00~21:00:70%;其余:0% |
10:00~12:00:50%;15:00~17:00:50%; |
|
老人卧室 |
20:00~7:00:100%; |
19:00~22:00:90%;其余:0% |
22:00~7:00:5%;13:00~15:00:40%; |
|
起居室 |
19:00~22:00:40%;其余:0% |
19:00~21:00:80%;其余:0% |
19:00~21:00:80%;其余:0% |
|
书房 |
19:00~23:00:90%;其余:0% |
19:00~23:00:100%;其余:0% |
19:00~23:00:80%;其余:0% |
|
主卧室 |
20:00~23:00:50%; |
20:00~21:00:90%;其余:0% |
20:00~22:00:50%;其余:0% |
|
小孩卧室 |
20:00~7:00:100%;其余:0% |
20:00~22:00:100%;其余:0% |
20:00~22:00:50%;其余:0% |
表6 人员、照明和设备负荷
|
房间类型 |
人员密度(人/m2) |
照明负荷(W/m2) |
设备负荷 (W/m2) |
|
娱乐室 |
0.6 |
10 |
5 |
|
餐厅 |
0.35 |
10 |
3.5 |
|
厨房 |
0.25 |
10 |
15 |
|
客厅 |
0.2 |
15 |
8 |
|
老人卧室 |
0.12 |
8 |
5 |
|
次卫1 |
无 |
8 |
3 |
|
次卫2 |
无 |
10 |
8 |
|
家居室 |
0.2 |
10 |
5 |
|
书房 |
0.18 |
12 |
10 |
|
主卧室 |
0.07 |
8 |
5 |
|
小孩卧室 |
0.255 |
8 |
5 |
|
主卫 |
无 |
15 |
8 |
|
次卫3 |
无 |
8 |
3 |
2.2 五种墙体热工性能分析以及经济收益的比较
2.2.1 参数的设定
五种外墙体的传热系数K值参见表7。其中1号、2号、3号墙体来自于此次调查的结果，它代表了目前上海低密度住宅外墙材料使用的主流现状，而4号和5号墙体则是在2号墙体的基础上分别添加保温材料后满足节能标准的墙体。
表7 五种墙体的构成和传热系数K值
|
围护构件变量参数 |
外墙 |
传热系数 W/(m2.℃) |
|
材料组成 |
钢筋混凝土墙体 （1号） |
2.91 |
|
钢筋混凝土与空心砖的混合墙体（2号） |
1.89 | |
|
钢筋混凝土与加气混凝土的混合墙体（3号） |
1.94 | |
|
钢筋混凝土与空心砖混合墙体、内贴6mm水泥聚苯板（4号） |
1.50 | |
|
钢筋混凝土与空心砖混合墙体、外贴30mmEPS聚苯板（5号） |
0.70 |
2.2.2 建筑负荷以及全年能耗量的模拟结果
从模拟结果可以看到：当外墙体的传热系数K值从1号墙体的2.91 W/(m2.℃)逐步降低到5号墙体的0.70 W/(m2.℃)时，建筑冷负荷从26.04kW减小到20.49kW，建筑热负荷从19.44kW减小到12.32kW，同时全年耗电量也呈明显的下降趋势，电力耗能量从11980kWh降低到8250kWh。
建筑总负荷中的围护结构负荷以及室内负荷的详细数据参见表8，其中围护结构冷负荷占建筑总冷负荷的69％～75%，围护结构热负荷则占建筑总热负荷的95％～97％，相对而言室内冷负荷占建筑总冷负荷的比例仅在21％～27％左右，所占比例较小。在这种围护结构传热负荷所占比例很大的建筑中，提高外墙的保温绝热性能，相对于围护结构传热负荷所占比例较小的商业建筑或工业建筑，其作用是比较显著的。
图4为全年12个月的电力消耗情况，其中峰值出现在7月和8月，谷值则出现在4月、5月、10月和11月，墙体传热系数值降低，全年能耗随之降低，其中冬、夏季能耗降低比较显著，而过渡季变化很小。说明提高建筑围护结构的热工性能，增强其保温隔热能力，能够减小建筑负荷以及全年耗能量，达到建筑节能的目的。
表8 各墙体总建筑负荷详细列表
|
负荷单位（kW） |
一号墙体 |
二号墙体 |
三号墙体 |
四号墙体 |
五号墙体 | |||||
|
冷负荷 |
热负荷 |
冷负荷 |
热负荷 |
冷负荷 |
热负荷 |
冷负荷 |
热负荷 |
冷负荷 |
热负荷 | |
|
围护结构负荷 |
19.52 |
18.80 |
17.12 |
15.49 |
18.90 |
15.66 |
14.85 |
14.25 |
13.95 |
11.68 |
|
室内负荷 |
5.65 |
0 |
5.65 |
0 |
5.65 |
0 |
5.65 |
0 |
5.65 |
0 |
|
通风负荷等 |
0.87 |
0.64 |
0.88 |
0.64 |
0.88 |
0.64 |
0.88 |
0.64 |
0.89 |
0.64 |
|
总建筑负荷 |
26.04 |
19.44 |
23.65 |
16.13 |
25.43 |
16.30 |
21.38 |
14.89 |
20.49 |
12.32 |
2.2.3 经济性分析
目前上海低密度住宅的外墙体普遍采用2号墙体，其造价最低且传热系数K值达到1.89W/(m2.℃)，4号和5号墙体则是在2号墙体的基础上添加保温层，使其传热系数K值达到节能标准——1.50 W/(m2.℃)和0.70W/(m2.℃)。在表9中，我们从经济收益的角度简单比较了这三种墙体，可以明显地看到，要提高墙体热工性能，降低墙体传热系数值必然会增加墙体的初投资。达到节能标准的4号、5号墙体和未达到节能标准的2号墙体相比，增加的初投资分别为25元/m2和55元/m2，而年节约费用分别为420元和1011元，投资回收期则分别为21年和17.9年（银行贷款利率按6%计算，且仅记入材料费未计入人工费用）。
表9 墙体的经济收益比较
|
墙体类型 |
2号墙体 |
4号墙体 |
5号墙体 |
|
传热系数值W/(m2.℃) |
1.89 |
1.50 |
0.70 |
|
墙面面积(m2) |
199 |
199 |
199 |
|
增加造价(元/m2) |
/ |
25 |
55 |
|
年节约费用(元) |
/ |
420 |
1011 |
|
投资回收期(年) |
/ |
21 |
17.9 |
从投资回收期的角度看，这个回收周期并不理想，这也给节能墙体的推广带来了一定的难度。从房地产开发商的角度看，投资最小而能达到利益最大化是他们的目标，而采用节能墙体没有给他们带来明显的收益，因此很难推广。
目前，建筑节能的方法很多，但关键是要积极响应和贯彻实施，因此笔者认为，如果国家要有效地推动房地产行业的规范化，使其能够自觉地遵守节能标准就十分有必要出台一些经济奖励制度或惩罚制度，从根本上推动上海地区节能事业的有效发展。
3 结论
根据上述的模拟和分析，笔者得到了如下几点结论：
(1) 在一定范围内减小墙体传热系数K值，可以降低建筑负荷、减少建筑能耗，但同时也会增加墙体的初投资。因此在墙体传热系数K值、建筑能耗和墙体初投资这三者间，必然存在一个综合最优值，它与住宅的各项参数和所采用的设备以及运行效率有关。
⑵ 居住建筑相对于商业建筑或工业建筑，室内负荷在建筑总负荷中所占比例相对较小且比较稳定，因此对于居住建筑的围护结构实施节能措施是非常有意义的。
⑶ 如果将住宅外墙体传热系数值降低到节能标准所规定的限值（K≤1.5 W/(m2.℃)），其投资回收期大概在18～21年左右，计算时只记入材料费用，如果记入人工费用，则投资回收期还要相应延长。由于回收周期较长，给节能标准在上海的实施带来了一定的困难，因此笔者认为政府有必要出台相关政策以便推动和鼓励节能事业的健康发展。
参考文献
[1] 龙惟定.建筑能源管理[M].中国建筑工业出版社:待出版
[2] 邹焱，商宏伟.浅谈建筑墙体的节能技术[J].应用能源技术，2000年第1期（总第59期）:21～22
[3] 聂兰生，舒平.低密度住宅的规划设计与新技术的应用[J].世界建筑，2003年7月:28～30
[4] JGJ134-2001，夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准[S].中国建筑工业出版社，2001
[5] 董海荣，刘加平，杨柳.多层住宅围护结构整体性保温的节能效应研究[J].工业建筑，2003，33（10）:11～13