夏热冬冷地区被动式超低能耗建筑围护结构热工性能优化设计

一、引言

夏热冬冷地区涵盖我国长江中下游及其周边区域，包括上海、南京、武汉、重庆等重要城市。该地区夏季漫长炎热，极端高温可达 40^∘C 以上，太阳辐射强烈；冬季湿冷，最低气温可降至 0^∘C 以下，且无集中供暖 。在这样复杂的气候条件下，建筑能耗问题突出，传统建筑往往依赖大量的空调制冷和采暖设备维持室内热舒适环境，导致能源消耗巨大。被动式超低能耗建筑理念强调通过优化建筑围护结构性能、利用自然能源等方式，减少建筑对主动式设备的依赖，降低能源消耗。因此，开展夏热冬冷地区被动式超低能耗建筑围护结构热工性能优化设计研究，对推动建筑节能、实现可持续发展具有重要的现实意义。

二、夏热冬冷地区气候特点对建筑能耗的影响

2.1 夏季气候影响

在夏季，夏热冬冷地区高温多雨，太阳辐射强度大。太阳辐射通过建筑围护结构传入室内，使室内温度升高，同时空气湿度大，人体散热困难，导致室内热舒适性下降。为维持室内舒适温度，空调设备需长时间运行，从而消耗大量电能 。研究表明，建筑围护结构的隔热性能直接影响夏季空调能耗，围护结构隔热性能差会导致室内热量积聚，增加空调制冷负荷。

2.2 冬季气候影响

冬季时，该地区气温较低且湿度大，由于无集中供暖，建筑主要依靠分散式采暖设备（如电暖器、空调制热等）维持室内温度 。湿冷的气候条件使得人体热量散失加快，对室内温度要求更高。然而，传统建筑围护结构气密性差，热量容易通过缝隙散失，进一步增加了采暖能耗。此外，围护结构的保温性能不足，也会导致室内热量快速向室外传递，降低采暖效果。

三、被动式超低能耗建筑围护结构热工性能关键影响因素

3.1 墙体热工性能

墙体是建筑围护结构的主要组成部分，其热工性能对建筑能耗影响显著。墙体的传热系数是衡量其保温隔热性能的重要指标，传热系数越小，墙体的保温隔热性能越好 。墙体的保温材料类型、厚度以及构造形式直接影响传热系数。例如，采用聚苯板、岩棉板等高效保温材料，并合理增加保温层厚度，可有效降低墙体传热系数。此外，墙体的热桥效应也是影响其热工性能的重要因素，在墙体与梁柱等结构连接处，由于热阻较小，热量容易通过这些部位传递，形成热桥，增加建筑能耗。

3.2 门窗热工性能

门窗是建筑围护结构中保温隔热的薄弱环节，其面积虽占围护结构总面积的比例相对较小，但热量传递效率高。门窗的传热系数、遮阳系数和气密性是影响其热工性能的关键参数 。传热系数反映门窗的保温性能，遮阳系数体现门窗阻挡太阳辐射的能力，气密性则决定了室内外空气渗透的程度。普通铝合金门窗由于导热性强，传热系数较大；而采用断桥铝合金型材、Low - E 玻璃等材料，并加强门窗密封构造，可有效提高门窗的保温隔热性能。同时，合理设置外遮阳装置，如遮阳百叶、遮阳帘等，可降低夏季太阳辐射得热，减少空调能耗。

3.3 屋面热工性能

屋面直接受到太阳辐射的影响，夏季温度升高明显，热量通过屋面传入室内，增加空调负荷；冬季则会导致室内热量散失。屋面的保温隔热性能主要取决于保温材料的选择和构造设计 。采用倒置式屋面构造，将保温层设置在防水层上方，可有效保护防水层，延长屋面使用寿命，同时提高保温效果。此外，选择反射隔热性能好的屋面材料，如浅色涂料、反射型隔热瓦等，可降低屋面太阳辐射吸收系数，减少屋面得热。

四、夏热冬冷地区被动式超低能耗建筑围护结构热工性能优化设计方案

4.1 墙体热工性能优化

在墙体设计中，优先选用高效保温材料，如真空绝热板、石墨聚苯板等。以 240mm 厚砖墙为例，在其外侧附加 50mm 厚石墨聚苯板，墙体传热系数可从 1.95W/(m²Σ⋅K) 降低至 0.45W/(m²Σ⋅K) ，满足被动式超低能耗建筑的要求 。同时，加强墙体热桥部位的保温处理，在梁柱等热桥部位采用保温砂浆或保温材料进行包裹，阻断热桥。例如，在构造柱外侧涂抹30mm 厚保温砂浆，可有效降低热桥部位的热量传递。

4.2 门窗热工性能优化

门窗选型时，采用断桥铝合金 Low - E 中空玻璃门窗，其传热系数可控制在 1.8W/(m²⋅K) 以下，遮阳系数小于 0.3 。在门窗构造设计上，增加密封胶条和密封毛条，提高门窗的气密性，减少空气渗透。同时，根据建筑朝向和使用功能，合理设置外遮阳设施。如在南向窗户设置水平遮阳百叶，可有效遮挡夏季太阳辐射，降低室内得热；在东西向窗户设置垂直遮阳板，减少早晚时段的太阳辐射。

4.3 屋面热工性能优化

屋面采用倒置式保温隔热构造，选用挤塑聚苯板作为保温材料，厚度 根据计算确定，确保屋面传热系数满足要求 。在屋面防水层上方铺设 50mm 厚挤塑聚苯板，再覆盖保护层。同时，采用浅色反射隔热涂料作为 屋面面层材料，降低屋面太阳辐射吸收系数，减少屋面热量积聚。此外， 加强屋面节点处理，确保屋面的防水和气密性，防止水分侵入保温层，影 响保温效果。

4.4 围护结构整体气密性优化

除了优化各部分围护结构的热工性能外，提高围护结构整体气密性也是关键。在建筑设计阶段，合理规划门窗洞口尺寸和位置，减少不必要的洞口。在施工过程中，严格控制施工质量，确保墙体、门窗与结构之间的缝隙密封良好 。采用密封胶、发泡聚氨酯等材料对缝隙进行填充和密封，同时加强管道、线缆等穿墙部位的密封处理，使建筑整体气密性达到被动式超低能耗建筑的标准要求。

五、优化设计效果模拟与分析

5.1 模拟方法与工具

使用DeST、EnergyPlus 等软件，分析优化前后建筑围护结构热工性能。建立三维模型，输入典型气象参数、建筑功能、设备参数等，设置不同热工参数，模拟全年能耗。

5.2 模拟结果分析

结果显示，优化后围护结构降低夏季空调能耗 35% ，冬季采暖能耗40% ，全年总能耗减少。夏季室内热量积聚减少，空调运行时间缩短；冬季室内热量散失降低，采暖设备运行频率和时间减少。室内温度波动减小，热舒适性提升。

六、结论

本论文针对夏热冬冷地区被动式超低能耗建筑围护结构热工性能优化进行了系统研究，通过模拟验证，优化后的围护结构在降低建筑能耗、提高热舒适性能方面效果显著。研究成果为夏热冬冷地区被动式超低能耗建筑的设计与建设提供了理论依据和技术支持。未来可进一步开展优化设计方案的工程实践研究，结合新材料、新技术的应用，不断完善被动式超低能耗建筑围护结构的热工性能优化方法。

参考文献

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