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（河南城建学院 河南 平顶山 467000）
【摘 要】通过对建筑外围护构件节能设计原理分析，利用计算机软件DOE-2模拟分析，提出了建筑外围护构件的保温、防热和通风节能设计。
【关键词】围护结构；舒适性；节能设计
Energy-saving design based on DOE-2 simulation under the care component of the building external
Wang Jing
(Henan University of Urban Construction Pingdingshan Henan 467000)
【Abstract】By the analysis of the principle of retaining the external buildings energy-saving component design, with the computer software DOE-2 simulation analysis, the author puts forward the energy-saving design of the external insulation retaining components, heat insulation and ventilation for the buildings.
【Key words】External retaining structure; Comfort; Energy-saving design
1. 前言
为了明确建筑与气候两者的联系,我国《民用建筑热工设计规范》(GB 50176-93) ，从建筑热工设计的角度把我国划分成五个不同的气候区：严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区。但这种分法较笼统，同一气候分区的差异往往也较大，美国则分了17个气候分区。随着人们生活水平的提高，人们利用各种设备改善室内热环境已成趋势。热舒适性是指对热环境感到满意的心理状态，丹麦学者范格尔在人体热平衡方程的基础上进行研究与推导，提出了预测热感指数(Predicted Mean Vote. 简写为PMV)。他得出，热舒适环境是空气温度、空气相对湿度、气流速度和平均辐射温度四个环境参数及人体新陈代谢产热率、皮肤平均温度、肌体蒸发率、所着衣服热阻的函数。为了保证室内热舒适度，四个环境参量必须在一定的范围之内，同时要避免对流冷、不对称热辐射、垂直温差、暖或冷地板引起的局部不舒适。
住宅节能的主要目的是在满足人体热舒适的基础上，尽可能地降低机械系统的使用能耗。
2. 外围护结构节能设计原理
2.1 现代住宅外围护结构设计策略。
美国建筑师Norbert Lechner将建筑设计分为三个层面（见图1）：第一层面是建筑物自身的建筑学设计，通过它来减少冬季热量损失和夏季热量获取，并提高采光的效率。这一层面的不佳决策最终会导致采暖、降温和照明的机械设备量呈双倍甚至是三倍的增加。第二层面包括被动式采暖、降温和昼光照明等技术的运用，这些技术利用自然资源在冬天提供采暖，夏季提供降温，并常年为建筑物提供照明。与第一层面类似，这一层面上的正确决策也可以大幅减轻日后机械措施的压力。第三层面主要是利用不可再生能源的机械设备来满足前两个层面所不能满足的需求量。现代住宅设计应当更多的考虑建筑的本体，在设计中多从第一层面和第二层面入手，从而减少对机械设备的依赖。减少机械设备的运用并非根本不用机械设备，科技的发展本来就是服务于人类，关键在于怎样合理健康的使用。应该看到利用机械设备改善室内热环境是今后广大地区的发展趋势，住宅外围护结构设计必须充分考虑这一因素。
2.2 外围护结构保温设计原理。保温性能是指外围护结构冬季阻止室内向室外传热，夏季空调开启时阻止冷量外传，从而保持室内适当温度的能力。衡量外围护结构体系保温性能的物理指标以传热系数K 和热惰性指标D 来决定。 K 表征围护结构阻隔热流的能力，是围护结构保温性能的基本指标，其值越大，说明散热量越少，围护结构的保温性能越好。D 则表示围护结构反抗温度波动和热流波动能力的无量纲指标 ，数值越大表明保温性能的调节能力也越大，它主要衡量不透明体围护结构的热性能。
2.3 外围护结构防热设计原理。
夏季室内过热的主要原因是受室外气候因素的影响（见图2）。
(1)太阳辐射和室外气温共同作用下，围护结构外表 面吸热升温，将热量传入室内。
(2)通过窗口直接进入的太阳辐射热，加热室内环境温度。
(3)自然通风中带进或带出的热量。
(4)室外环境的反射辐射及长波辐射热。
(5)室内生产、生活过程中产生的热，包括人体散热。
由于室内热量基本上来源于室外，因此必须通过外围护结构阻止这种能量形式的侵入。外围护结构的防热设计主要通过两步来完成：
(1)减弱太阳辐射直接或间接对室内的影响。
(2)通过被动式降温，尽可能将室内的热量快速散发出去。
3. 外围护结构保温设计
3.1 墙体保温设计。
墙体是建筑外围护结构的主体,其功能主要是承重、防水、防潮、隔热、保温。节能建筑设计的关键,就在于承重结构设计时的合理性,承重结构的布局对于节能工程造价的高低影响极大。我国长期以实心粘土砖为主要墙体材料, 用增加砌筑厚度来满足保温要求,这对能源和土地资源是一种严重浪费,。主要有几种墙体保温构造方式，(1）单一材料保温墙体， (2）夹芯复合保温墙体，(3）内保温复合墙体 ，(4）外保温复合墙体。
其中外保温较内保温具有明显的优越性;(1)墙体外保温对建筑主体结构有保温作用,可避免主体结构产生大的温度变化,减少热应力,延长建筑物寿命。(2)外保温有利于消除或减弱建筑物热桥的影响,避免内保温方式容易产生的墙体表面潮湿、结露、发霉、淌水等问题。内保温对于冬季湿负荷较大的房间(如厨房和浴室)不太适合。(3)保温层在室外侧,主体结构在室内一侧,蓄热能力强,可避免室温出现较大的波动。(4)墙体外保温改造可减少对住户家庭生活的干扰,并可避免住户对保温层的破坏,不减少住户的原有使用面积,外保温在新建住宅中广泛采用,在未来大范围既有建筑节能改造中也将占主导地位。
3.2 门、窗保温设计。门窗是住宅保温中的薄弱环节,单层钢窗的传热系数是24cm砖墙的3倍多。 因此,采取措施提高门窗的保温性能,不仅对采暖节能是很重要的,而且对改善室内热环境也有很大意义。
3.2.1 降低窗户的传热系数。窗户温差传热是冬季窗户热损失的主要途径，夏季空调房间温差传热也占很大比重。窗户温差传热量的大小取决于室内外温差和窗户的传热系数，传热系数越大，其表面的散热量也越多。通常用增加空气间层的方法来提高玻璃的保温性能，也可以采用增加空气层数的方法达到增加热阻降低玻璃传热系数的目的。
窗户的传热系数是由玻璃和窗框的K值经过加权平均计算出来的，只提高某一部分的保温性能起不到好的效果。采用导热系数低的非金属材料代替金属型材作为窗框是一种有效的措施。新型断热桥铝合金型材的传热方式相当于两块金属之间由导热系数较小的断热桥和空气间隙联结。这种型材结构设计，大大降低了窗框的传热系数。德国旭格铝合金断热桥Low-e玻璃窗（充有惰性气体），K值更是大大降低，仅为1.1W/(m2.K)。
3.2.2 提高窗户气密性，控制开窗面积。窗户能量损失相当一部分是因为空气渗透造成的。窗的开启方式与空气渗透有一定影响，经对比，要减少空气渗透需设计:（1）较大面积窗扇;（2）窗扇接近正方形;（3）减少开启窗扇，采用固定窗。
利用DOE-2软件模拟得出，如今广泛采用的飘窗形式对住宅能耗影响巨大。相比普通平窗能耗要高出约30%。随着围护结构传热系数降低，窗户的空气渗透耗能量比重加大，通过软件模拟，为了达到室内健康的空气品质，满足一定的换气量，空气渗透耗能量要占30%~40%，建议提高窗户气密性，采取新型换气装置，最好带有热交换功能。
3.3 屋顶保温设计。
屋顶保温设计类似于墙体，通过设置保温材料提高屋顶热阻，屋面保温做法绝大部分为外保温构造，这种构造受周边热桥影响较小。为了提高屋面的保温性能，屋顶保温主要以轻质高效吸水率低或不吸水的保温材料为主，以及改进屋面构造，使之有利于排出湿气。目前较先进的是采用轻质高强、憎水性的挤塑性聚苯板作为保温层的倒铺屋面的构造方式。
4. 外围护结构防热设计
遮阳设计是夏季防热的关键因素, 主要从1）窗口遮阳， 2）外围护结构不透明体遮阳，3）绿化遮阳三方面展开。利用软件模拟分析了水平遮阳、垂直遮阳、综合遮阳、可调式卷帘外遮阳的遮阳效果（见图3）。模拟显示可调式卷帘外遮阳优势明显，应予以推广。
利用软件还模拟分析了几种功能性玻璃，吸热玻璃、热反射玻璃、Low-e玻璃运用于住宅的优缺点。其中Low-e玻璃的性能最为优越，它对可见光透过率高，红外透过率低，很好的实现了多透光少传热的优点。
5. 外围护结构通风设计
自然通风是夏季被动式降温最常用的方式，外围护结构应充分利用自然通风的方法。自然空气流动主要受风压和热压两种作用，住宅通风则主要积极利用风压作用。合理的开口方式，导风设计以及开窗形式对室内的通风影响甚大。
为了通风增加人的舒适度，在人体活动高度内，应设置可开启的低窗户，使风流经人体加快蒸发散热（见图4）。
在有些情况下由于受平面限制，窗户开口不利于自然通风的组织，如单侧开窗、角部垂直开窗，此时可在窗外合理设置导风板改善室内通风。导风板可通过改变表面气压分布，引起气压差，从而改变风的方向。
窗开启方式的不同对通风的影响程度差异较大，在选用时应考虑以下几个方面：窗的开启应满足较大洞口率，以保证足够大的面积完成通风目的；有可调整的开启角度，并能有效引导气流；尽量将风引向人体活动高度。
6. 结语
建筑节能作为现代技术的一个发展方向，已成为国内外建筑业广泛重视的研究课题, 合理的建筑外围护构件节能设计可使建筑起到良好的保温、防热、通风的效果，从而满足人体舒适度的要求。
参考文献
［1］ ［美］诺伯特.莱希纳，建筑师技术设计指南［M］，中国建筑工业出版社2004
［2］ 柳孝图主编，建筑物理（第二版），中国建筑工业出版社2000.6
［3］ 建设部建筑节能“十五”计划纲要
［4］ 付祥钊主编 夏热冬冷地区建筑节能技术中国建筑工业出版社2002.9
［5］ 涂逢祥主编 建筑节能，2005
［6］ 徐占发，建筑节能技术实用手册，机械工业出版社2005
［7］ 毛建西.南京遮热板降温规律研究.绿色建筑与建筑物理［J］，2004.76
【摘 要】通过对建筑外围护构件节能设计原理分析，利用计算机软件DOE-2模拟分析，提出了建筑外围护构件的保温、防热和通风节能设计。
【关键词】围护结构；舒适性；节能设计
Energy-saving design based on DOE-2 simulation under the care component of the building external
Wang Jing
(Henan University of Urban Construction Pingdingshan Henan 467000)
【Abstract】By the analysis of the principle of retaining the external buildings energy-saving component design, with the computer software DOE-2 simulation analysis, the author puts forward the energy-saving design of the external insulation retaining components, heat insulation and ventilation for the buildings.
【Key words】External retaining structure; Comfort; Energy-saving design
1. 前言
为了明确建筑与气候两者的联系,我国《民用建筑热工设计规范》(GB 50176-93) ，从建筑热工设计的角度把我国划分成五个不同的气候区：严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区。但这种分法较笼统，同一气候分区的差异往往也较大，美国则分了17个气候分区。随着人们生活水平的提高，人们利用各种设备改善室内热环境已成趋势。热舒适性是指对热环境感到满意的心理状态，丹麦学者范格尔在人体热平衡方程的基础上进行研究与推导，提出了预测热感指数(Predicted Mean Vote. 简写为PMV)。他得出，热舒适环境是空气温度、空气相对湿度、气流速度和平均辐射温度四个环境参数及人体新陈代谢产热率、皮肤平均温度、肌体蒸发率、所着衣服热阻的函数。为了保证室内热舒适度，四个环境参量必须在一定的范围之内，同时要避免对流冷、不对称热辐射、垂直温差、暖或冷地板引起的局部不舒适。
住宅节能的主要目的是在满足人体热舒适的基础上，尽可能地降低机械系统的使用能耗。
2. 外围护结构节能设计原理
2.1 现代住宅外围护结构设计策略。
美国建筑师Norbert Lechner将建筑设计分为三个层面（见图1）：第一层面是建筑物自身的建筑学设计，通过它来减少冬季热量损失和夏季热量获取，并提高采光的效率。这一层面的不佳决策最终会导致采暖、降温和照明的机械设备量呈双倍甚至是三倍的增加。第二层面包括被动式采暖、降温和昼光照明等技术的运用，这些技术利用自然资源在冬天提供采暖，夏季提供降温，并常年为建筑物提供照明。与第一层面类似，这一层面上的正确决策也可以大幅减轻日后机械措施的压力。第三层面主要是利用不可再生能源的机械设备来满足前两个层面所不能满足的需求量。现代住宅设计应当更多的考虑建筑的本体，在设计中多从第一层面和第二层面入手，从而减少对机械设备的依赖。减少机械设备的运用并非根本不用机械设备，科技的发展本来就是服务于人类，关键在于怎样合理健康的使用。应该看到利用机械设备改善室内热环境是今后广大地区的发展趋势，住宅外围护结构设计必须充分考虑这一因素。
2.2 外围护结构保温设计原理。保温性能是指外围护结构冬季阻止室内向室外传热，夏季空调开启时阻止冷量外传，从而保持室内适当温度的能力。衡量外围护结构体系保温性能的物理指标以传热系数K 和热惰性指标D 来决定。 K 表征围护结构阻隔热流的能力，是围护结构保温性能的基本指标，其值越大，说明散热量越少，围护结构的保温性能越好。D 则表示围护结构反抗温度波动和热流波动能力的无量纲指标 ，数值越大表明保温性能的调节能力也越大，它主要衡量不透明体围护结构的热性能。
2.3 外围护结构防热设计原理。
夏季室内过热的主要原因是受室外气候因素的影响（见图2）。
(1)太阳辐射和室外气温共同作用下，围护结构外表 面吸热升温，将热量传入室内。
(2)通过窗口直接进入的太阳辐射热，加热室内环境温度。
(3)自然通风中带进或带出的热量。
(4)室外环境的反射辐射及长波辐射热。
(5)室内生产、生活过程中产生的热，包括人体散热。
由于室内热量基本上来源于室外，因此必须通过外围护结构阻止这种能量形式的侵入。外围护结构的防热设计主要通过两步来完成：
(1)减弱太阳辐射直接或间接对室内的影响。
(2)通过被动式降温，尽可能将室内的热量快速散发出去。
3. 外围护结构保温设计
3.1 墙体保温设计。
墙体是建筑外围护结构的主体,其功能主要是承重、防水、防潮、隔热、保温。节能建筑设计的关键,就在于承重结构设计时的合理性,承重结构的布局对于节能工程造价的高低影响极大。我国长期以实心粘土砖为主要墙体材料, 用增加砌筑厚度来满足保温要求,这对能源和土地资源是一种严重浪费,。主要有几种墙体保温构造方式，(1）单一材料保温墙体， (2）夹芯复合保温墙体，(3）内保温复合墙体 ，(4）外保温复合墙体。
其中外保温较内保温具有明显的优越性;(1)墙体外保温对建筑主体结构有保温作用,可避免主体结构产生大的温度变化,减少热应力,延长建筑物寿命。(2)外保温有利于消除或减弱建筑物热桥的影响,避免内保温方式容易产生的墙体表面潮湿、结露、发霉、淌水等问题。内保温对于冬季湿负荷较大的房间(如厨房和浴室)不太适合。(3)保温层在室外侧,主体结构在室内一侧,蓄热能力强,可避免室温出现较大的波动。(4)墙体外保温改造可减少对住户家庭生活的干扰,并可避免住户对保温层的破坏,不减少住户的原有使用面积,外保温在新建住宅中广泛采用,在未来大范围既有建筑节能改造中也将占主导地位。
3.2 门、窗保温设计。门窗是住宅保温中的薄弱环节,单层钢窗的传热系数是24cm砖墙的3倍多。 因此,采取措施提高门窗的保温性能,不仅对采暖节能是很重要的,而且对改善室内热环境也有很大意义。
3.2.1 降低窗户的传热系数。窗户温差传热是冬季窗户热损失的主要途径，夏季空调房间温差传热也占很大比重。窗户温差传热量的大小取决于室内外温差和窗户的传热系数，传热系数越大，其表面的散热量也越多。通常用增加空气间层的方法来提高玻璃的保温性能，也可以采用增加空气层数的方法达到增加热阻降低玻璃传热系数的目的。
窗户的传热系数是由玻璃和窗框的K值经过加权平均计算出来的，只提高某一部分的保温性能起不到好的效果。采用导热系数低的非金属材料代替金属型材作为窗框是一种有效的措施。新型断热桥铝合金型材的传热方式相当于两块金属之间由导热系数较小的断热桥和空气间隙联结。这种型材结构设计，大大降低了窗框的传热系数。德国旭格铝合金断热桥Low-e玻璃窗（充有惰性气体），K值更是大大降低，仅为1.1W/(m2.K)。
3.2.2 提高窗户气密性，控制开窗面积。窗户能量损失相当一部分是因为空气渗透造成的。窗的开启方式与空气渗透有一定影响，经对比，要减少空气渗透需设计:（1）较大面积窗扇;（2）窗扇接近正方形;（3）减少开启窗扇，采用固定窗。
利用DOE-2软件模拟得出，如今广泛采用的飘窗形式对住宅能耗影响巨大。相比普通平窗能耗要高出约30%。随着围护结构传热系数降低，窗户的空气渗透耗能量比重加大，通过软件模拟，为了达到室内健康的空气品质，满足一定的换气量，空气渗透耗能量要占30%~40%，建议提高窗户气密性，采取新型换气装置，最好带有热交换功能。
3.3 屋顶保温设计。
屋顶保温设计类似于墙体，通过设置保温材料提高屋顶热阻，屋面保温做法绝大部分为外保温构造，这种构造受周边热桥影响较小。为了提高屋面的保温性能，屋顶保温主要以轻质高效吸水率低或不吸水的保温材料为主，以及改进屋面构造，使之有利于排出湿气。目前较先进的是采用轻质高强、憎水性的挤塑性聚苯板作为保温层的倒铺屋面的构造方式。
4. 外围护结构防热设计
遮阳设计是夏季防热的关键因素, 主要从1）窗口遮阳， 2）外围护结构不透明体遮阳，3）绿化遮阳三方面展开。利用软件模拟分析了水平遮阳、垂直遮阳、综合遮阳、可调式卷帘外遮阳的遮阳效果（见图3）。模拟显示可调式卷帘外遮阳优势明显，应予以推广。
利用软件还模拟分析了几种功能性玻璃，吸热玻璃、热反射玻璃、Low-e玻璃运用于住宅的优缺点。其中Low-e玻璃的性能最为优越，它对可见光透过率高，红外透过率低，很好的实现了多透光少传热的优点。
5. 外围护结构通风设计
自然通风是夏季被动式降温最常用的方式，外围护结构应充分利用自然通风的方法。自然空气流动主要受风压和热压两种作用，住宅通风则主要积极利用风压作用。合理的开口方式，导风设计以及开窗形式对室内的通风影响甚大。
为了通风增加人的舒适度，在人体活动高度内，应设置可开启的低窗户，使风流经人体加快蒸发散热（见图4）。
在有些情况下由于受平面限制，窗户开口不利于自然通风的组织，如单侧开窗、角部垂直开窗，此时可在窗外合理设置导风板改善室内通风。导风板可通过改变表面气压分布，引起气压差，从而改变风的方向。
窗开启方式的不同对通风的影响程度差异较大，在选用时应考虑以下几个方面：窗的开启应满足较大洞口率，以保证足够大的面积完成通风目的；有可调整的开启角度，并能有效引导气流；尽量将风引向人体活动高度。
6. 结语
建筑节能作为现代技术的一个发展方向，已成为国内外建筑业广泛重视的研究课题, 合理的建筑外围护构件节能设计可使建筑起到良好的保温、防热、通风的效果，从而满足人体舒适度的要求。
参考文献
［1］ ［美］诺伯特.莱希纳，建筑师技术设计指南［M］，中国建筑工业出版社2004
［2］ 柳孝图主编，建筑物理（第二版），中国建筑工业出版社2000.6
［3］ 建设部建筑节能“十五”计划纲要
［4］ 付祥钊主编 夏热冬冷地区建筑节能技术中国建筑工业出版社2002.9
［5］ 涂逢祥主编 建筑节能，2005
［6］ 徐占发，建筑节能技术实用手册，机械工业出版社2005
［7］ 毛建西.南京遮热板降温规律研究.绿色建筑与建筑物理［J］，2004.76