4.3 围护结构热工性能的权衡判断

4.3.1 随着建筑节能性能的不断提高,建筑供暖能耗的绝对值在减小,不同体形、不同层数居住建筑能耗的分布范围也在缩小。由于建筑能耗的影响因素多且复杂,当建筑能耗越来越小时,不同建筑之间能耗差值的百分比在增大。规定不同地区不同层数建筑能耗限值已经难以准确控制建筑节能设计,因此,本标准在进行围护结构热工性能权衡判断时采用了对比评定法。该方法是将不符合规定性指标的设计建筑,与符合规定性指标且平面和功能与设计建筑一致的参照建筑进行比较。当设计建筑的供暖能耗不大于参照建筑时,即判定设计建筑围护结构的热工性能符合本标准的要求。这种方法避免了由于建筑设计的不同带来的能耗计算差异,将比较判定的内容聚焦于围护结构热工性能上,真正起到对设计建筑的围护结构性能进行达标性判定的目的。
    权衡判断应首先计算参照建筑在规定条件下的全年供暖能耗,然后计算设计建筑在相同条件下的全年供暖能耗,当设计建筑的供暖能耗不大于参照建筑的供暖能耗时,应判定围护结构的总体热工性能符合本标准节能要求。当设计建筑的供暖能耗大于参照建筑的供暖能耗时,应调整设计参数重新计算,直至设计建筑的供暖能耗不大于参照建筑的供暖能耗。
    需要说明的是权衡判断计算仅允许建筑设计、不同部位围护结构热工性能的权衡,不允许新风热回收、供暖系统补偿围护结构,因此设计建筑采用新风热回收、提高供暖系统能效等技术措施不允许参与权衡判断。

4.3.2 为了保证设计建筑基本的节能性能,避免由于计算误差造成的建筑性能降低而导致的建筑热工性能过低,影响建筑的室内热环境、保证建筑的正常使用。本条对欲进行围护结构热工性能权衡判断计算的设计建筑,提出了围护结构热工性能最低限要求。这一要求是必须满足的,不得降低。

4.3.3 权衡判断是一种性能化的设计方法,具体做法就是先构想出一栋符合标准规定性指标要求的虚拟建筑,称之为参照建筑。然后分别计算参照建筑和实际设计的建筑的全年供暖能耗,并依照这两个能耗的比较结果做出判断。当设计建筑的能耗大于参照建筑时,调整部分设计参数(例如:提高窗户的保温性能、缩小窗户面积等),重新计算设计建筑的能耗,直至设计建筑的能耗不大于参照建筑的能耗。
    每一栋设计建筑都对应一栋参照建筑。与设计建筑相比,参照建筑除了在设计建筑不满足本标准的一些重要规定之处做了调整满足本标准要求外,其他方面都相同。参照建筑在建筑围护结构的各个方面均应完全符合本标准的规定。
    当设计建筑体形系数满足本标准第4.1.3条规定时,参照建筑的体形系数与设计建筑一致;当设计建筑体形系数不满足本标准第4.1.3条规定时,应等比例减少每一面外墙的面积,使参照建筑的体形系数与本标准第4.1.3条规定一致。
    当设计建筑窗墙面积比满足本标准第4.1.4条规定时,参照建筑的窗墙面积比与设计建筑一致;当设计建筑某开间的窗墙面积比不满足本标准第4.1.4条规定时,应等比例减少该开间的外窗面积使参照建筑的窗墙面积比与本标准第4.1.4条规定一致。

4.3.4 本标准修改了权衡判断的计算方法。原标准采用的稳态计算方法,是将整个供暖季的室外温度、辐射简化为一个固定不变的参数,计算不同城镇的供暖能耗。但由于室外气候从进入供暖季到供暖季结束是不断变化的,每天也在进行着周期性波动。当节能标准较低时,围护结构热工性能比较差,这种波动不会造成围护结构中热流方向的改变,建筑持续处于失热状态。因此可以采用稳态方法简化计算过程,计算精度满足工程要求,且计算简便。
    但随着建筑热工性能的提高,通过围护结构的传热量在不断减小,这种周期性波动带来的影响已经不能忽视了。最为明显的是通过外窗的传热,白天由于室内外温差在通过外窗向外失热的同时,太阳辐射透过玻璃造成室内得热。外窗保温性能差,失热总是大于得热,则建筑产生供暖能耗;外窗保温性能好,将出现得热等于失热的情况,此时供暖能耗为零;外窗性能进一步提高,则会出现得热大于失热时段。这一时段过多的得热只是提高了室内温度,无法降低其他时段的供暖能耗。但稳态计算过长的计算周期,无法将这种周期性影响体现出来,造成了一定的计算误差。反映出来的极端算例是外窗得热超过失热,成为得热构件,且窗户面积越大得热越多。这在冬季室外温度较高且太阳辐射强的地方尤其明显。但是,从当前外窗的性能和通常居住建筑的材料和构造分析,这显然是不正确的。因此,有必要对能耗计算方法进行修正。
    用动态方法计算建筑的供暖能耗是一个非常复杂的过程,很多细节都会影响能耗的计算结果。因此,为了保证计算的准确性,必须对权衡判断热工性能外的参数进行统一,保证计算方法一致,尽量减少人为因素的干扰。
    不同于传统建筑节能的规定性指标,权衡判断是一种性能化设计方法,为建筑设计方案的多样性和创新提供创作空间。供暖能耗计算依赖能耗模拟计算软件,建筑能耗的计算结果受软件和技术人员的影响较大。相同人员采用不同软件或不同人员采用相同软件的计算结果的一致性不高,这是性能化判断方法应用的主要障碍之一。国际上普遍采用提供工具并配合详细的计算方法的方式提高性能化设计和评价结果的有效性和一致性,如英国的SBEM、美国的Ashare90.1标准、日本的LCEM等,编制组根据我国的情况在本节对计算方法和软件提出了要求,并对计算参数进行了规范化,保证计算结果的一致性和权威性。尽管如此,由于建筑能耗模拟计算过程较为复杂、涉及的计算因素也很多,软件对计算工程师的专业素质要求高,同时计算工作量偏大。因此,权衡判断计算工具应具有以下特点:
    1 一致化原则。能耗计算中涉及大量参数,设计师通常难以获得完整准确的信息,导致计算结果一致性差。软件应凝练算法,并提供包含主要计算信息的完整数据库,解决建筑能耗计算中实际数据无法直接获得的问题,因此在系统性能参数设置上,尽量遵循准确统一的原则,尽力实现不同工程师计算结果的一致性。
    2 推荐采用《Energy performance of buildings-Energy needs for heating and cooling,internal temperatures and sensible and latent heat loads》ISO 52016-1:2017中的建筑能耗计算方法,计算方法宜采用月动态计算方法。动态计算的时间步长越短,计算结果越能反映建筑负荷随时间的变化,但带来计算量大,计算速度慢的问题。欧盟、美国、日本等国家和地区的经验表明,采用月动态算法的计算精度可满足工程设计中建筑能效判断的要求,并且具有计算速度快的优势,非常适合于工程中建筑能耗的计算。

4.3.6 室内热环境质量的指标体系包括温度、湿度、风速、壁面温度等多项指标。本标准只提了温度指标和换气次数指标,原因是考虑到一般住宅极少配备集中空调系统,湿度、风速等参数实际上无法控制。另外,在室内热环境的诸多指标中,对人体的舒适性以及对供暖能耗影响最大的也是温度指标,换气指标则是从人体卫生角度考虑的一项必不可少的指标。
    冬季室温控制在18℃,基本达到了热舒适的水平。本条文规定的18℃只是一个计算能耗时所采用的室内温度,并不等于实际的室温。在严寒和寒冷地区,对一栋特定的居住建筑,实际的室温主要受室外温度的变化和供暖系统的运行状况的影响。
    换气次数是室内热环境的另外一个重要的设计指标。冬季室外的新鲜空气进入室内,一方面有利于确保室内的卫生条件,但另一方面又要消耗大量的能量,因此要确定一个合理的换气次数。本条文规定的换气次数也只是一个计算能耗时所采用的换气次数数值,并不等于实际的换气次数。实际的换气量是由住户自己控制的。
    此外,标准中还规定了不同房间的人员数量和照明、设备的功率密度,以及逐时的人员在室率和照明、设备使用率。这样,当计算采用不同时间步长时,可以进行相应的折算。例如:当采用月平均计算时,可以得到表2中的计算参数。

表2 照明、设备和人员的设置参数

房间类型

人员密度
(人)

人员在室率
(%)

设备开启率
(%)

月照明开启小时数
(h)

卧室 2 44 17 105
起居室 3 56 46 120
厨房 1 13 13 60
卫生间 1 13 0 96
辅助房间 1 7 0 48

    需要指出的是,进行权衡判断时,计算出的是某种“标准”工况下的能耗,不是实际的供暖和空调能耗。本标准在规定这种“标准”工况时尽量使它合理并接近实际工况。