建筑外围护结构的节能设计策略
宗德新1,2，陈俊1,2，王大川1,2
(1. 重庆大学 建筑城规学院，重庆，400045；
2. 重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆，400045)
摘要：建筑的外围护结构是建筑的重要组成部分。通过对建筑外围护结构进行合理的设计，可以有效提高建筑的气候适应性，改善建筑的舒适性。提出建筑外围护结构的设计应该遵循适应气候、可变性、经济性、整体化、地域化等原则；对组成建筑外维护结构的墙体、玻璃幕墙、窗户遮阳，阳台与走道、屋顶等重点部位的设计策略进行了阐述；建立了典型的研究模型对建筑维护结构的性能进行模拟与分析，得出运用外墙外保温、双层玻璃窗、呼吸式玻璃幕墙、屋顶遮阳和外窗遮阳共5项外围护结构的节能措施以及综合使用多种技术手段情况下的建筑节能率，为进行有效建筑维护结构的设计提供参考。
关键词：建筑围护结构；遮阳；屋顶绿化；建筑节能；建筑设计
中图分类号：TU11 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)S1-0155-09
Strategy of energy saving design for building envelop
ZONG De-xin1,2, CHEN Jun1,2, WANG Da-chuan1
(1. Faculty of Architecture and Urban Planning, Chongqing University, Chongqing 400045, China;
2. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area,
Chongqing University, Chongqing 400045, China)
Abstract: Envelop is an important component of building. Well design of envelop makes great sense to promote climate adaptability for the building, improve building comfort and drive forward energy conservation. The design principle of adaptation to climate, variability, economy, localization and integration were put forward, the strategies on wall, glass curtain wall, the window sunshade, the balcony and footpath, roof and other parts were described, and a typical research model to simulate and analyze the envelop performance to figure out energy saving rates were established, by adopting external thermal insulation, double glazing, respiratory glass curtain wall, roof shading, exterior shading and comprehensive use of various technical means. This can provide reference for envelop design.
Key words: building envelop; sunshade; green roof; building energy efficiency; building design
随着经济发展和人们生活水平的提高，建筑能耗日益增长，建筑节能问题已引起各国的普遍重视并付诸行动，近年来我国也在采取多种措施积极推进建筑节能工作。建筑的外围护结构是建筑的重要组成部分之一。它对内围合成建筑的空间，对外是城市环境空间的界面载体。重视建筑外围护结构的设计，对于提高建筑的气候适应性、改善建筑的舒适性、推进建筑节能有积极的意义。
1 定义
建筑外围护结构就是建筑物同室外直接接触的各面的遮挡物，是指为构成室内空间，抵御外界环境影响的构件[1]，用以抵御风雨、温度变化和太阳辐射等，应具有保温、隔热、隔声、防水、防潮、耐火和耐久等性能。它分透光和不透光两部分：透光部分有门、窗、玻璃幕墙、遮阳板和采光顶，不透光部分是外墙和屋顶等[2]。
2 设计原则
要创造一个对环境友好同时具有良好舒适性的建筑，可以通过精心的设计建筑外围护结构去实现。建筑外围护结构有以下一些设计原则。
2.1 适应气候的原则
建筑总是置身与特定的环境和气候之中，设计师应该对气候进行充分的分析和论证，并有针对性的采取适当的策略，让建筑外围护结构更加紧密和谐地适应宏观气候、创造出舒适、健康的建筑微气候。这样做不仅能够降低建筑的运行成本，更重要的是能为使用者营造出一个舒适高效的生活和工作环境。
2.2 可变性原则
建筑外界的气候环境随时在变化之中，人在不同的季节和天气条件下会穿不同的衣服来适应气候。同样的道理，建筑外围护结构也应该具有一定的可变性，不应该是简单的室内外空间的分隔，而是在季节和外部气候条件改变时，具有可调节的能力，有能力通过改变外围护结构的开合、形状、角度和颜色等来应对气候的变化。
2.3 经济性原则
建筑的外围护结构设计要从特定地区的经济实力和科技水平现实出发。根据不同情况，采取可以灵活调整的技术原则；注重地区经济特征与地方的资源状况，注重结构、工艺和材料等技术资源的现实性。结合地方气候进行设计，反对不顾地区实际的以设备解决一切的作法，反对盲目采用费用高昂的高技术策略，要采用与环境相协调的技术手段。
2.4 整体化原则
建筑的外围护结构是一个有机的整体，设计中应该将外围护中具有的各种功能元素进行有机组合，将外围护结构的多种功能进行综台优化处理，使得建筑的外立面成为如同生物的皮肤一样成为有机的整体，具有与外界进行物质、能量、信息交换的功能。
2.5 地域化原则
地域化原则充分强调对当地材料和传统技术优势的发掘利用[3]。地域性技术往往反映了传统的地方建筑手段在可持续发展建筑原则下的当代应用。传统地方建造技术中普遍地体现了建造方式高效灵活，采取简单合理的适用技术因地制宜使用本地材料，重视材料的循环使用充分发挥材料的物理性能，利用构造手段来实现建筑的通风、降温等来适应本地气候。
3 外维护结构不同部分的设计策略建筑对外界的传热交换主要包括外墙、地面、门窗与屋顶等。
3.1 墙体
外墙的热工性能一直是建筑性能的重要组成部分，外墙约占到建筑总传热量的40%左右[4]。我国在新建建筑中已经非常重视建筑墙体的节能问题，各地都根据自身所处的不同气候条件制定了墙体的保温隔热性能要求。目前，国内新建建筑墙体节能保温措施主要有如下三大类：外墙内保温、夹层保温和外墙外保温[5]。使用最为广泛的是外墙外保温技术，即在建筑物外墙外侧附加保温材料达到节能目的。外墙外保温技术节能构造技术合理，节能效果较好；不仅适用于新建建筑，也适用于既有建筑的节能改造。外保温材料包覆在主体结构的外侧，能够有效保护建筑的主体结构，延长建筑物的使用寿命，有效减少建筑结构热桥，增加建筑的有效使用空间[6]。
针对不同的气候条件应当使用适应气候条件的墙体结构。如在北方寒冷且日照条件较好的地区，可以考虑使用特朗伯墙[7]等墙体技术来达到更好的性能要求；在使用主动式太阳能技术时，可以将太阳能板整合到建筑墙体外表面上；在夏季炎热的地区，可以考虑将西边的墙面进行立体绿化，既减少了直接辐射得热，又能收到良好的生态效益[8]。
3.2 玻璃幕墙
玻璃幕墙是目前使用较为广泛的一种外围护结构形式，具有建筑形式新颖现代、室内采光充足、景观视线条件良好等优点。
针对玻璃幕墙在使用中能耗较大、室内空气质量不佳等问题，有人提出了“呼吸式”幕墙技术[9]，这是当今生态建筑中普遍采用的一项有效的节能技术。在不同季节时玻璃幕墙的工作状况如图1所示。在夏季，内窗关闭，外窗打开，气流上升，形成烟囱效应，带走室内空气热量；冬季时，内外窗关闭，形成保温空气层，避免与外界冷空气热交换，形成温室效应；在过渡季节时，室外窗均打开，室外新鲜空气由底部进入，室内空气由上部排除。在双层玻璃表皮内增设可控制的遮阳或者隔热保护层，就可以调节太阳光线进入室内的强弱。
图1 呼吸式玻璃幕墙在不同季节的工作状况
Fig.1 Working conditions of the glass curtain wall in different seasons
在实际运用中，根据不同的地域气候条件，改变各层表皮的功能特性、表皮数量、重叠方式、顺序，或者运用新技术、新产品，研究出不同形态和性能的建筑表皮系统，如建筑整合太阳光伏电系统的光电幕墙，可增加发电和储能的经济效益[10]。智能幕墙是在呼吸式幕墙基础上通过计算机网络进行控制，有效地调节室内空气、温度和光线，节省了建筑物使用过程的能源，降低了生产和建筑物使用过程的费用[11]。
3.3 窗户与遮阳
在建筑外围护结构中门窗的热工性能最为薄弱，是影响室内热环境质量和建筑节能的主要因素之 一[11]。改善外窗的保温隔热性能可采用高性能的材料，比如采用双层或多层玻璃、中空玻璃等。冬季需要考虑的是减少热量的损失，更多地获得阳光。而夏季正好相反，需要避免过多的阳光直接射入室内。改善窗户的热工性能还要重视窗户的气密性问题，应该尽量选用气密性好的产品[12]。
遮阳是通过建筑手段，运用相应的材料和构造，与日照光线成某一有利的角度，遮挡通过玻璃影响室内过热的热辐射，而不减弱采光条件的手段和措施，对于控制建筑能耗起着非常重要的作用[13]。有效地建筑遮阳可以防止透过玻璃直射阳光使室内过热；可以防止建筑围护结构过热并造成对室内环境的热辐射；可以防止直射阳光造成的强烈眩光。
在遮阳的设计中需要注意在遮阳的同时要避免使室内采光不足。图2所示为运用建筑性能分析软件Ecotect Analysis在进行遮阳设计时建立的研究模型。由图2可以看到，设计的遮阳阻挡了大部分夏季的热辐射，但是通过遮阳合适的角度和反射效果，使得室内的照度没有明显降低，这样的遮阳设计就达到了良好的效果。
由于日辐射强度随季节、地点、时间、朝向而异。建筑中各朝向窗口要求遮阳的日期、时间以及遮阳的形式和尺寸也需根据具体地区的气候和朝向进行研究后确定。在实际的使用中，活动外遮阳有着比较大的灵活性，可以广泛采用。
3.4 阳台和走廊
建筑的阳台和走廊等空间是建筑室内与室外的缓冲空间，充分做好这些空间的设计对改善建筑的整体性能有积极的作用。
例如把住宅的阳台进行封闭，把阳台变成住宅内部环境与外部环境的气候缓冲空间，自然界的冷热变化经过封闭阳台的缓冲，改善了室内的热舒适环境。按照间接得热原理，需在阳台空间内增加蓄热量大的材料，阳台空间的墙体宜用砖或混凝土等贮热量大的材料构成，还可附加设置蓄热板，达到在气候寒冷时能有效蓄存太阳能，并使之得以分配；夏季则需在封闭阳台的外皮上开设进出风口，利用间接除热降低封闭阳台的温度。
图2 遮阳设计模型及分析结果
Fig.2 Sunshade design model and analysis results
经过精心设计建筑走廊也能起到很好的适应气候的作用，如图3所示的走廊遮阳设计，使用轻质的遮阳板在夏天的可以起到遮阳和挡雨，冬季则可以收起来起到挡风的作用，体现了可变性的原则。
3.5 屋顶
建筑屋顶是对外界自然条件影响较大的部位，改善屋顶的性能常用的有屋顶绿化、蓄水屋顶、屋顶遮阳等方法。
图3 建筑走廊的轻质活动遮阳板设计图
Fig.3 Sunshade diagram for light activity of corridor
屋顶绿化对增加城市绿地面积，改善日趋恶化的人类生存环境空间，改善城市高楼大厦林立，改善众多道路的硬质铺装而取代的自然土地和植物的现状、改善过度砍伐自然森林、各种废气污染而形成的城市热岛效应、沙尘暴等对人类的危害；开拓人类绿化空间、建造田园城市、改善人民的居住条件、提高生活质量以及对美化城市环境、改善生态效应等有着极为重要的意义。
据相关研究在相同外部条件下，采用屋顶绿化比不采用屋顶绿化建筑顶层的室内温度要低约3.5 ℃，可以减少房间空调耗电量16%[14]。可见，采用屋顶绿化技术具有非常好的隔热性能。而且投资较小，成本回收快，在4年内即可以收回投资[15]，值得大力推广。
蓄水屋面就是在刚性防水屋面上蓄一层水，其目的是利用水蒸发时，带走大量水层中的热量，大量消耗晒到屋面的太阳辐射热，从而有效地减弱了屋面的传热量和降低屋面温度，是一种较好的隔热措施，是改善屋面热工性能的有效途径[16]。
4 模型研究
研究中建立了一个典型的办公楼模型来进行建筑维护结构性能的模拟，原始对照组模型是一个常规的五层办公楼，办公楼的原始模型如图4所示，在设计上较少考虑一些节能需求，建筑外墙面直接分隔室内与室外空间，没有阳台、露台、外廊等缓冲空间，本例将此原始模型作为实验研究对照组，分别对原始模型增加：外墙外保温、双层玻璃窗、呼吸式玻璃幕墙、屋顶遮阳和外窗遮阳等5项外围护结构的节能措施，设置5个实验组，与对照组模型分别进行能耗模拟计算后分别加以对比。
图4 原始研究模型
Fig.4 Original model for office building
4.1 原始模型的能耗情况
研究实验中主要采用的软件工具Ecotect Analysis 2011，初始设定的一些数据主要如下。
(1) 采用重庆的气候数据，数据资料来源为美国能源局网站www.apps1.eere.energy.gov/。
(2) 办公空间采用自然通风和空调系统的混合模式系统，温控范围为10~28 ℃，即当温度不在此范围内，将开启空调系统。
(3) 交通空间与附属空间仅采用自然通风，全年不采用空调系统。
(4) 办公人员信息为8 m2/人，即总办公人员数243人，双休日和节假日建筑不使用。
(5) 计算能耗仅考虑HAVC系统的负荷情况，其余建筑能耗如灯光系统、水系统、声源系统等于外围护结构热工性能关系不大，没有考虑。
原始对照组在以上初始状态下进行全年的能耗模拟，能耗模拟主要为建筑全年逐月能耗(能耗状况仅限于HAVC设备系统)。
图5所示为原始对照组的全年逐月能耗图，表1所列为全年逐月能耗报表。由图5可以得到，原始对照组的建筑全年供热能耗为9 350.1 kW·h，制冷能耗为89 944.4 kW·h，总能耗为99 294.5 kW·h。
图5 原始模型全年逐月能耗图
Fig.5 Monthly energy consumption for original model
4.2 外围护结构节能措施的能耗情况
在研究实验中分别将外墙外保温(实验组1)、双层玻璃窗(实验组2)、呼吸式玻璃幕墙(实验组3)、屋顶遮阳(实验组4)、外窗遮阳(实验组5)和综合策略(实验组6)等作为6组实验组进行能耗模拟，用以与原始模型的对照组的能耗情况进行对比以得出结论。
4.2.1 增加外墙保温下的能耗模拟
实验组1(外墙保温的增加)主要是对模型中的外围护墙面进行材质替换，将原先普通砖墙外围护替换为木板+R20保温材料的外围护墙面，其参数如图6所示。
模拟得到实验组1的建筑全年供热能耗为6 993.3 kW·h，制冷能耗为73 057.1kW·h，总能耗为80 050.4 kW·h。
表1 原始模型全年能耗表
Table 1 Monthly energy consumption list for original model
4.2.2 双层玻璃窗情况下的能耗模拟
实验组2将原始模型的玻璃窗换为双层LOW-E玻璃窗，采用中空结构，其属性参数如图7所示。
模拟得到实验组2的建筑全年供热能耗为8 064.6 kW·h，制冷能耗为77 977.8 kW·h，总能耗为86 042.4 kW·h。
4.2.3 呼吸式玻璃幕墙情况下的能耗模拟
实验组3将对照组原模型的南面中央开间墙面替换为双层呼吸式玻璃幕墙，并在材质编辑器中赋予其合适的材质。图8所示为采用双层呼吸式玻璃幕墙的办公楼外观效果。
模拟得到实验组3的建筑全年供热能耗为 11 100.4 kW·h，制冷能耗为80 200.8 kW·h，总能耗为91 302.3 kW·h。
4.2.4 屋顶遮阳情况下的能耗模拟
实验组4对原对照组模型进行屋顶遮阳处理，遮阳构件角度的得到主要是通过计算重庆地区在小雪大寒时节以及谷雨处暑时节的最大太阳高度角，以保证屋顶在夏季能够充分得到遮阳以及在冬季能够得到较好的日光辐射，遮阳构件图示如图9所示。
图6 外墙保温材料的参数
Fig.6 Parameters of thermal insulation
图7 双层玻璃窗的参数
Fig.7 Parameters interface for double deck glass
图8 使用呼吸式玻璃幕墙的研究模型
Fig.8 Model for respiratory glass curtain wall
图10(a)所示为冬至日正午屋顶阴影情况，图10(b)所示为夏至日正午屋顶阴影情况。模拟得到实验组4的建筑全年供热能耗为7 250.6 kW·h，制冷能耗为 85 942.8 kW·h，总能耗为93 193.4 kW·h。
图9 屋顶遮阳设计图
Fig.9 Roof sun visor
图10 屋顶遮阳的效果示意图
Fig.10 Diagram for roof shading effect
4.2.5 外窗遮阳情况下的能耗模拟
实验组5对原始对照组模型中的窗户进行综合式遮阳处理，综合遮阳伸出宽度800 mm，效果如图11所示。
模拟得到实验组5的建筑全年供热能耗为8 823.6 kW·h，制冷能耗为78 795.6 kW·h，总能耗为87 619.3 kW·h。
图11 采用外窗遮阳的研究模型
Fig.11 Diagram for roof shading effect
4.2.6 综合几种外围护结构节能措施的能耗模拟
实验组6综合采用了以上5种外围护结构的节能措施，模型效果如图12所示。
图13所示为实验组6的全年逐月能耗图像，表2所列为全年逐月能耗报表。模拟得到实验组6的建筑全年供热能耗为6 463.4 kW·h，制冷能耗为48 817.5 kW·h，总能耗为55 280.9 kW·h。
4.3 几种情况的节能对比及结论
综合前面得到的数据，几组外围护结构的节能性能对比情况如表3。
由表3可知，对建筑外围护结构进行合理设计可以收到良好的节能效果，综合使用论文中分析的5种技术措施，建筑的节能率达到44.33%。
图12 采用综合策略的研究模型
Fig.12 Model on envelop with comprehensive strategies
图13 采用综合策略的全年逐月能耗图
Fig.13 Monthly energy consumption of synthetic model
表2 采用综合策略的全年逐月能耗报表
Table 2 Monthly energy consumption list of synthetic model
表3 不同实验组的节能性能对比
Table 3 Comparison of year-round energy consumption with five technologies
5 结论
(1) 从建筑维护结构的设计策略出发，对建筑维护结构设计的原则与各重点部位的设计方法进行了总结，并通过建立研究模型进行模拟分析，验证了提高建筑围护结构热工性能是设计节能的重要途径，对比分析了不同的技术措施的节能率，为建筑转护结构设计提供一定的参考。
(2) 在建筑设计中除了重视提高建筑外墙保温性能、进行有效的建筑遮阳等常规手段之外，还应该重视建筑外围护结构的整体设计，进一步提高建筑的性能，在满足节能的要求的同时增加建筑使用的舒适性。
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(编辑 龙怀中)
收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15
基金项目：国家科技部科技支撑计划重大课题子课题资助项目(2006BAJ02A13-4)
通信作者：宗德新(1977-)，男，云南保山人，博士研究生，讲师，从事建筑技术方面的研究；电话：18623161128；E-mail：jzzdx@126.com
