现行北京市地方标准DB 11/891—2012《居住建筑节能设计标准》 ^[1](以下简称《标准》)中,建筑耗热量指标计算采用的是稳态计算方法,对于围护结构热工性能的合规判断采取规定性指标与权衡判断结合的方法。然而随着《标准》的实施,以及围护结构热工性能的不断提升,尤其是外窗传热性能的提升,原有稳态计算方法难以准确计算太阳辐射得热对耗热量指标的影响。此外,行业标准JGJ 26—2018《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》 ^[2]也已颁布实施,其中明确了新的耗热量指标计算方法。

　　 同时,为了配合北京市进一步提高对诸如北京市城市副中心工程、北京新机场、2022北京冬奥会场馆、环球影城、新首钢高端产业综合服务区等重点地区工程的建筑节能水平,打造绿色节能典范的需求,本次修编借鉴日本节能标准中的建筑节能评价方法,对能耗性能化指标提出了引导值与现行值的概念。重点区域或者有意愿提高自身节能水平的项目,可参照指标引导值,对项目的节能设计提出更高的要求,使其对北京市居住建筑节能起到引领和示范的作用。此外,本次修编中,耗热量指标计算方法改为采用能耗模拟软件进行动态逐时模拟计算,并统一了计算条件以减小计算误差。修编后的《标准》已经颁布,并将于2021年1月1日起正式实施。

　　 耗热量指标的计算方法由过去的稳态计算改为采用统一内核的能耗模拟软件进行逐时计算,其中计算内核采用DeST能耗模拟软件。

　　 目前,由于各节能计算软件的计算核心不同,使用者的操作不同,往往导致能耗模拟计算结果有所差异,本次《标准》修编,为了将这种差异尽量降低,对计算方法及建筑基本信息的统计方法重新进行了梳理,并作了统一规定。编制组通过与清华大学课题组合作,统一了不同朝向的定义,简化了建筑地下部分和出屋面机房核心筒等部分的模拟,将人员、灯光及设备内扰统一设定,通风和不同功能房间作息等参数也进行了明确规定,并内置于软件中。在工程应用中,操作者仅需输入建筑信息,对建筑地上部分的房间建模,选定房间类型,并输入围护结构信息,进行逐时模拟计算即可得到建筑耗热量指标。

　　 体形系数是表征建筑热工特性的一个重要指标,与建筑物的层数、体量、形状等因素有关,与建筑层高无关。建筑物的供暖耗热量中,围护结构的传热耗热量占很大比例,建筑物体形系数越大,即向外传热的围护结构面积相对越大。因此,在满足建筑诸多功能因素的条件下,应减少建筑体形的凹凸或错落,减小建筑物体形系数。

　　 目前,北京市新建居住建筑中,保障性住房较多,其特点是户型较小,为了保证采光与通风,建筑物凹凸较多,表面积大,因此导致其体形系数偏大。而现行《标准》是按照层数分级对规定性指标及耗热量指标进行限定,保障性住房之类的住宅层数多,体形系数不小,但对其围护结构热工性能指标要求反而有所放松。同时,其体形系数常常达不到规定的限值,也给设计带来了困难。

　　 现行《标准》根据体形系数分级来规定热工参数限值,依据限值进行能耗模拟计算,忽视了建筑层高的影响。模拟计算结果显示,相同体形系数、相似平面布局的2个建筑,层高很大程度上影响了建筑物耗热量指标。因此单位建筑面积的外表面面积更能反映建筑体形对耗热量指标的影响。

　　 为此,本次修编引入了外表系数的概念,其定义为:建筑物与室外大气接触的外表面积与建筑面积的比值。对某一具体建筑而言,外表系数与层高有关,而层高与建筑能耗相关。与以往标准中的体形系数相比,外表系数考虑了层高对建筑能耗的影响。通过引入外表系数,重新定义了热工参数的分级指标,能够更加准确地反映建筑耗热量指标与建筑体形的关联性。

　　 本次修编对建筑物的热工性能和耗热量指标进行了双重控制,取消了按照层数进行体形系数和热工参数分级的做法,而是改为按照外表系数对建筑围护结构热工参数规定性指标及建筑耗热量指标进行分级,方法更科学合理。

　　 按照北京市“十三五”节能规划的要求,本次修编确定的节能目标为80%以上。该目标即在2012版《标准》基础上,进一步节能20%以上,且全部由建筑围护结构承担。

　　 按照节能80%以上的目标,同时依据住房和城乡建设部关于提高北京市等发达地区的节能标准和外窗性能的文件,本次修编建筑外围护结构热工参数拟在外墙和屋顶的传热系数变化不大的情况下,外窗的传热系数需要达到1.1 W/(m²·K)。

　　 以选取的工程案例对围护结构热工参数进行优化计算,确定本次修编围护结构热工参数规定性指标的限值。计算时,外围护结构热工参数取值原则为:1) 外表系数采用实际建筑的数值,但都小于既定的最高限值;2) 计算窗墙面积比采用比2012版《标准》中的限值低0.1的数值(案例建筑的实际值均不大于限值),如表1所示;3) 除东西向较大的不设外遮阳装置的外窗夏季有最大遮阳系数的要求外(限值为0.35～0.45),冬季对外窗都不要求遮阳,外窗的综合遮阳系数均取0.4,此数值的大小会影响冬季太阳辐射得热量。

　　 通过向北京市各设计单位征集北京市住宅项目典型设计案例,先后收集了33个项目,选取其中34栋住宅楼及幼儿园的设计资料进行模拟计算。建筑类型涵盖了别墅、公租房、普通住宅、高档住宅及幼儿园;从建筑高度看,涵盖了低层、多层、中高层、高层住宅。根据《标准》的需求和各项目特点,按照本次修编确定的计算方法和原则,对选取的实际工程案例进行了能耗模拟试算。试算工程的外表系数F介于0.64～2.02之间(因试算工程为新版《标准》发布前的工程,其外表系数存在大于新版《标准》限值的情况),外表系数大于1.15的占18%,层数范围为2～29层。

　　 根据优化计算,本次修编建筑围护结构热工参数限值如表2所示。

　　 根据不同类型建筑的特点,作息时间模拟计算设置如表3,4所示。

　　 采用上述按节能率目标优化得到的热工参数限值,及本次修编统一研究采用的动态能耗指标模拟计算方法,对所选工程案例进行模拟计算。根据北京市所处寒冷地区气候特点,能耗指标仍以冬季耗热量指标为主。对于设置集中空调的居住建筑,需额外计算夏季空调耗电量指标。而对于北京城区与北部远郊区县气象参数上的差异,考虑《标准》给出的能耗指标主要是为了对建筑与系统设计及能效指标提出要求,因此能耗指标按统一的气象参数计算。34个建筑模型的耗热量指标统计结果如图1所示。

　　 本次修编考虑卫生要求和寒冷地区冬季仍需少量开窗换气,新风换气次数按0.5 h^-1计算。在此条件下,大部分楼栋耗热量指标相对现行《标准》的节能率可达20%左右。同时,为了体现重点区域与项目的引领和示范作用,以及鼓励项目进一步提高自身节能水平,将耗热量指标分为现行值与引导值,现行值为相对现行《标准》节能20%的数值,引导值则为相对现行《标准》节能30%的数值。根据图1,耗热量指标与外表系数的相关性强,随之变化的趋势明显,规定性指标与耗热量指标按照外表系数分级是合理的。

　　 通过模拟计算结果统计分析,在东、西、北朝向窗墙面积比固定的条件下,南向窗墙面积比从0.3变化至0.8(以0.1为步长),耗热量指标变化较大,以2号、9号及16号工程为例,南向窗墙面积比变化对耗热量指标的影响见图2。2,9,10,16,17,19号工程的概况见表5。

　　 从图2可以看出,南向窗墙面积比大的建筑,耗热量指标相对较小,因而建筑耗热量指标的限值需要根据南向窗墙面积比进行修正。从34栋建筑中选出6栋主朝向为南北朝向的典型建筑,将其转换为东西朝向并比对模拟计算结果,见图3。

　　 从图3可见,东西朝向的建筑耗热量指标大于同等条件下南北朝向的建筑,因而对于主朝向为东西朝向的建筑,耗热量指标的限值需要进行朝向修正。

　　 对上述数据进行归纳分析,提出建筑物耗热量指标应按下式计算:

　　 $q{}_{\text{Η}}=\frac{Q{}_{\text{Η}}}{A\epsilon {}_1\epsilon {}_2}(1)$

　　 式中 q_H为建筑物累计耗热量指标,kW·h/m²;Q_H为供暖季累计耗热量,kW·h;A为计算建筑面积,m²;ε₁为建筑物朝向修正系数,按表6取值;ε₂为建筑物南向窗墙面积比M修正系数,按表7取值。

　　 住宅的建筑物累计耗热量指标应符合表8的规定,其中现行值适用于所有建筑,引导值适用于重点地区或要求更高的建筑。累计耗热量指标是在耗热量指标的基础上乘以供暖期的小时数,这样的表示方法可以比较直观地体现整个供暖季的耗热量。

　　 经过研究,本次修编对于《标准》中规定性指标、能耗指标的计算方法做了较大的修改,具体如下:

　　 1) 节能率的计算仍沿用以往耗热量指标的稳态计算方法,本次修编的节能率目标为80%以上。

　　 2) 提出了外表系数的概念。围护结构热工参数规定性指标及能耗指标分级,由以往的按照建筑层数分级,改为更合理的按照建筑外表系数分级。

　　 3) 耗热量指标的计算方法改为动态逐时模拟计算。

　　 4) 为了鼓励提升项目节能设计水平,促进重点区域与项目发挥引领与示范作用,本次修编对耗热量指标分别提出了引导值与现行值,现行值为相对现行《标准》进一步节能20%的水平,而引导值则为相对现行《标准》节能30%的水平。

　　 5) 本次修编对耗热量指标引导值与现行值提出了2个修正系数,即建筑物朝向修正系数ε₁和南向窗墙面积比修正系数ε₂。

　　 北京地处寒冷地区,供暖能耗在居住建筑能耗中占比较大,随着节能减排目标的提升及建筑热工性能的优化,本次修编调整了新建居住建筑设计供暖能耗值。供暖能耗值的调整对建筑工程的设计有指导意义,并可发挥减少碳足迹的导向作用。