夏热冬冷地区中小型特殊类公共建筑的节能设计策略

胡思太 （安徽安德建筑设计有限公司，安徽 合肥 230022）

0 前言

公共建筑是我国建筑节能工作的重点领域，2005年实行2015年修订的《公共建筑节能设计标准》（GB50189）已经实行多年，该规范编写和修订一直以暖通专家为主。

我国地域辽阔，气候多样，经济发展不平衡，以建筑师的职业实践和视角分析夏热冬冷气候区中小型公共建筑的节能设的特点，是对建筑节能基础性研究的一个补充。

1 夏热东冷气候区的气候特点和节能设计策略

1.1 气候特点

夏热冬冷气候区的特点主要是夏天炎热，冬天寒冷（绝对温度并不是很低，例如合肥市的累年最低日平均温度为-6.4℃），以本地区的合肥为例，其HDD26 是 1725（℃·d），CDD18 是 210（℃·d）[1]，建筑的能耗指标与空调度日数和采暖度日数之间有非常强的相关性，设计和生活实践中也得出，合肥的节能设计的主要矛盾的夏季的隔热和遮阳，夏季制冷是建筑的主要能耗。

1.2 设计策略

为了顺应气候,加强建筑的隔热防热设计是本气候区的传统设计策略之一，设计中注意主要功能房间的朝向，自然通风，南向利用绿化的遮阴等。另一个主要设计策略是合理设置外遮阳，以合肥地区 (北纬31.51度）为例，本气候区太阳高度角（hs）的的变化反映了同纬度地区绝大多数的城市特点,见表1。

不同节气合肥正午12点太阳高度角（度） 表1

根据太阳得热系数（SHGC）的定义式，SHGC是入射角的函数，直观上看增加适当的遮阳措施后，夏天太阳的高度角（hs）高，在外门窗上的阴影就多，得热系数就低，冬季太阳高度角低，室内入射的光线多，得热系数就高。外窗得热系数是动态的。如图1所示。

图1 合肥市的太阳高度角

同纬度区类似城市都有相似的特点，合适外遮阳会对外窗形成夏季和冬季不同的得热系数。在安徽省居住建筑的节能地方标准中写明，如果南向阳台的进深大于1.5m，可以认定该阳台的外门窗满足规范要求的夏季综合遮阳系数[2]。

安徽省《公共建筑节能设计标准》中也要求建筑的东、南、西向的外窗应采取遮阳措施，对于甲二类建筑当南向的单一立面窗墙比大于0.4小于0.5时，规定性指标为西、南、东三个朝向的外窗的得热系数小于等于0.35，同时要求冬季各朝向的外窗得热系数应大于等于0.52[3]。这种情况，建筑的对应朝向只有设置外遮阳，才能满足此规定性指标。

合理科学的设置建筑的朝向利用自然通风和遮阳，是夏热冬冷地区常用的节能设计策略，但是在现实设计工程中，往往忽略这这些传统手法，在方案设计总没有系统的考虑建筑体型系数、朝向、外立面开窗、外遮阳手法等。

2 中小型特殊类公共建筑

2.1 小型公共建筑的定义

《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）中的乙类建筑定义为：小于300m2的建筑[4]。乙类建筑的特点是建筑规模小，内部功能比较简单，与甲类建筑的能耗特性不同。为了减少建筑节能计算的工作量，2015年版的《公共建筑节能设计规范》（GB50189）中，乙类建筑不再权衡计算，强制性要求满足规定性指标即可。

但是在现实设计工作中，有些特殊类的公共建筑：如农贸市场，小型商业并联店、中小学校等尽管总面积超过300m2，但单个使用单元大多在300m2以内，在夏热冬冷地区春秋季节可以通过开启外窗利用自然通风达到室内温度舒适度要求，空调系统运行的时间并不长，属于《民用建筑能耗标准》（GB/T51161）中的A类公共建筑。

2.2 特殊类型一：商业小铺面和农贸市场

农贸市场中小铺面是和并联小商铺是城乡常见的中小型公共建筑，商业的经营模式和本地区的气候特点决定了小的铺面绝一年中大多数时间都是敞开门经营，而且店面多是并联，以一定的单元重复，几乎没有单个店铺超300m2。营业时间是间歇性的，一般是早晚市，周六、周日的营业时间略长。

小铺面围合的室内农贸市场大多是有顶的半室内空间，尽管有遮风避雨的顶棚和相对围合的围护结构，很少使用集中空调，且为满足消防排烟要求，顶棚的自然排烟面积需占地面面积的25%，所以这类空间的往往不考虑围护结构的节能，而是将通风问题设计列为需要解决的重点问题，尽量使市场内部空气流通；利用自然通风，利用室内空气对流来达到改善室内空气质量的效果。

2.3 特殊类型二：中小学校

同样，中小学校的使用特点决定了一般情况下不设集中空器调节系统和新风系统。而且学校的寒暑假期间，正好本气候区最冷最热的时段（合肥地区的中小学暑假是约2个月、寒假约20多天）。隔热通风同样是学校设计规范中的重点要求，《中小学校设计规范》（GB50099）要求的小学和初中普通教室的换气次数是2.5次/h和3.5次/h[5]。设计时通常按照窗户的自然通风面积进行计算，但在夏天炎热和冬天气温寒冷时，教室窗户一般处于关闭状态，就无法保证通风换气次数达标，造成了设计时达标但运营时（考虑节能）却难以实现换气效果的尴尬情况，在本气候区的冬季，卫生规范优先推荐课间开窗自然通风换气[6]。在夏热冬冷地区在夏季,良好的通风对于建筑、人和环境都有较大的热舒适作用,空气对流可以有效带走室内的热量,并且降低室内空气湿度；由于建筑围护结构材料、室内装修材料其成分或溶剂中含有相当的有害物,而且人体及学生日常生活也会影响室内的空气品质,所以良好的建筑通风可以更新室内空气、带走有害物；它所带来的节能效果明显。自然通风（机械辅助式自然通风）是人们乐于接受的通风方式,除了能减少传统空调制冷系统的使用，降低能耗外,更重要的一个原因是有利于人的生理和心理健康，这一点学校建筑中尤为重要。

2.4 节能设计中建筑实际能耗

由于上述建筑的建筑形态和使用的特点，对采光和通风都有较高要求，此类建筑一般不会满足按节能率为导向编制《公共建筑节能设计规范规范》要求的部分朝向上的窗墙比，体型系数、夏冬季节不同的外窗得热系数等规定性指标的要求，要通过权衡计算满足节能规范要求，往往要单方面提高建筑维护结构的热工性能，例如增加外墙外保温和屋顶的材料的厚度、提高外门窗的热工性能，安徽版的公共建筑节能规范中甲二类公建的的规定性指标为对于重质结构，外墙的K值（w/m2·k）小于0.7，屋面K值小于0.5，外窗K值最大不超过2.6，这已经是非常低的指标了，但权衡计算的结果，上述指标往往还要更加小。

《民用建筑能耗标准》（GB/T 51161-2016）中夏热冬冷地区A类建筑（过度季节自然通风，减少空调的运行时间）的引导值是70kW·h/m2·a[7]，实际设计中我们发现通过节能权衡计算出的此类建筑的全年每平方米的能耗衡远远小于此数值，尽管二者计算结果不具备可比性，但是设计节能建筑的实际能耗的调查和数据收集，对我们开展建筑节能和节能投入的经济型分析更具有实际意义。

节能率的正确理解：

设计中通常说设计与未采取节能措施前相比，全年采暖、空调总能耗应降低50%以上，即节能率50%，这里说的未采取节能措施前，在2005版的《公共建节能设计规范》（GB50189）中是上个世纪80年度初的建筑，基准建筑维护结构按当时的传统做法，例如夏热冬冷地区的上海维护结构的K值（w/m2·k）外墙为 2.35，外窗 6.4，屋面 1.55。[8]，并据此在保持与现有标准下室内环境参数的条件下，计算基准建筑的全年（7650h）的暖通空调和照明的能耗，将它作为100%。

2015版规范在2005版规范本的的基础上，建筑的总体（供暖、通风、空气调节和照明）节能率又有了20～23%的提高。其中从北方到南方维护结构分担的节能率为6%～4%[9]，这里比较的基准是满足2005年规定性指标的建筑，可从这里以看出节能率是理论上宏观上的执行规范后前后建筑能耗比较，是各个专业综合提高节能效率的综合结果,不存在单个建筑的前后节能率，而且是保持假定的室内环境下按全年每天24h模拟计算出的能耗对比。在夏热冬冷地区，即使是大型的全空调系统的建筑也很难符合符合规范中假定，通过权衡计算得出全年能耗并不是建筑实际的运行能耗，这在本气候区的上述中小型公共建筑中体现的更为明显，对着一类建筑简单的提高节能率，并不能达到实际意义上在节能，而应该参考《民用建筑能耗标准》中夏热冬冷地区A类建筑的能耗指标。

3 结论

符合夏热冬冷地区气候的节能设计应该注意建筑的自然通风、隔热、和遮阳设计，节能设计应贯穿到建筑设计的全过程,从方案就开始考虑朝向、立面窗墙面积比、窗自然通风的开启形式、遮阳形式等设计策略，握节能设计的主动权。对于农贸市场,中小学校等类型中小型公共建筑应该更注重建筑实际能耗的控制，加强基础数据的收集分析。分析实际运行中节能的的投入和围护成本和节约电费直接的关系。宏观上节能设计管理不单单要看节能率，更应该关心使用中的的实际能耗，建筑节能材料的绿色环保、维护、更新成本。