建築物熱性能是節約能源設計的關鍵指標

建築物熱性能是節約能源設計的關鍵指標
作者：管理員 於 2025年04月24日 13:10:00
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根據研究數據顯示，建築能耗約佔全球總能耗的40%，其中空調和暖氣系統的能耗尤為顯著。透過提升建築熱性能，可使建築能耗降低20%-30%。這不僅有助於實現能源節約目標，也能為使用者節省可觀的運營成本。

1. 熱性能概述與重要性

建築物的熱性能是評估建築外殼抵禦外部熱量傳遞及維持室內舒適溫度能力的關鍵指標。隨著全球能源危機和環境保護意識的增強，建築物的熱性能已成為建築設計中不可忽視的重要環節。優良的建築熱性能不僅能有效節約能源，減少空調設備的使用需求，還能提升室內環境舒適度，降低建築的碳排放。

建築熱性能的優劣直接影響室內溫度的穩定性和舒適性。良好的熱性能設計能減少室內溫度的波動，降低「熱島效應」的影響，提供更為舒適的居住和工作環境。此外，優化建築熱性能還能減少能源消耗和碳排放，為實現碳中和目標做出貢獻。

2. 建築熱性能的關鍵指標

衡量建築熱性能的標準主要包含四個關鍵指標，這些指標共同決定了建築物整體的節能效果和室內環境舒適度。以下將詳細介紹這四項指標及其重要性：

2.1 外牆平均熱傳透率 (Uaw)

外牆平均熱傳透率是評估建築外牆熱性能的重要指標，指的是當室內外溫差為1K時，單位外牆面積在單位時間內的傳透熱量，單位為W/(m²·K)。外牆作為建築物外殼的主要部分，其熱性能直接影響建築的整體節能效果。

外牆平均熱傳透率越低，表示外牆隔熱效果越好，熱性能越佳。依據建築技術規則，住宿類建築的外牆平均熱傳透率基準值不應超過2.75W/(m²·K)，而其他類型建築則不應超過2.0W/(m²·K)。這一指標的達標情況，直接關係到建築是否符合節能要求。

2.2 窗平均熱傳透率 (Uaf)

窗平均熱傳透率是評估建築窗戶熱性能的重要指標，計算方式與外牆熱傳透率類似，但由於窗戶通常包含玻璃和窗框兩部分，計算時需要考慮這兩部分的熱傳透率加權平均。窗戶是建築外殼中熱性能最薄弱的部分，通常其熱傳透率比外牆高出數倍。

窗平均熱傳透率的基準值依據立面開窗率(WR)不同而有所差異。開窗率越高，對窗戶熱性能的要求越嚴格。例如，當住宿類建築的立面開窗率超過0.5時，其窗平均熱傳透率基準值為2.7W/(m²·K)；而開窗率低於0.1時，基準值可放寬至6.5W/(m²·K)。

2.3 窗平均遮陽係數 (SF)

窗平均遮陽係數是評估窗戶對日射量阻擋能力的重要指標，它表示日射量穿透進所有建築立面開窗部位的比例。遮陽係數對建築熱性能的影響尤為顯著，特別是在夏季和陽光充足的環境中。

窗平均遮陽係數越低，表示窗戶對日射熱的阻擋效果越好，熱性能越佳。遮陽係數受玻璃材質和外部遮陽設施（如遮陽板、百葉窗等）共同影響。依據規範，遮陽係數的基準值同樣隨立面開窗率變化，開窗率越高，對遮陽係數的要求越嚴格。

2.4 可開啟窗面積比 (OWR)

可開啟窗面積比是針對住宿類建築設計的指標，指的是居室空間中可開啟窗戶面積與總窗戶面積的比值。這一指標與建築的自然通風能力密切相關，對建築的熱性能和室內空氣品質有重要影響。

根據建築技術規範，住宿類建築每一居室的可開啟窗面積比應大於15%。充足的可開啟窗面積，可以在適宜的氣候條件下，減少機械通風和空調的使用需求，從而提升建築的整體熱性能和節能效果。

3. 熱性能指標的計算方法

準確計算建築熱性能指標是設計和評估建築節能效果的基礎。以下詳細介紹四項主要熱性能指標的計算方法：

3.1 外牆平均熱傳透率計算

外牆平均熱傳透率(Uaw)的計算公式為：

Uaw = Σ(Uwi × Awi) ÷ ΣAwi

其中：

  • Uwi：i部位外牆部位熱傳透率[W/(m²·K)]
  • Awi：i部位外牆部位面積(m²)

計算外牆熱傳透率時，需考慮牆體各層材料的熱阻值。一般情況下，外牆熱傳透率的計算公式為：

Uwi = 1 / (1/ho + Σ(dx/kx) + 1/hi)

其中：

  • ho：外表面熱傳遞率(W/(m²·K))
  • hi：內表面熱傳遞率(W/(m²·K))
  • dx：第x層材料厚度(m)
  • kx：第x層材料熱傳導係數(W/(m·K))

在實際計算中，可以參照建材熱傳導係數表和常用外牆構造熱傳透率表來簡化計算過程。計算得出的外牆平均熱傳透率需要與基準值進行比較，確保達到建築熱性能的要求。

3.2 窗平均熱傳透率計算

窗平均熱傳透率(Uaf)的計算公式為：

Uaf = Σ((Ufi × rfi + Ugi × (1.0-rfi)) × Agi) ÷ ΣAgi

其中：

  • Ufi：窗框熱傳透率[W/(m²·K)]
  • Ugi：玻璃熱傳透率[W/(m²·K)]
  • rfi：窗框面積比，無單位
  • Agi：開窗部位面積(m²)

窗框面積比(rfi)可以透過公式計算或從表格中查詢。對於不同類型的窗戶(如固定窗、推窗、拉窗)，其窗框面積比有明顯差異，且隨著窗戶尺寸的增加而減小。計算窗平均熱傳透率時，需要考慮建築中所有窗戶的熱傳透率和面積。

為了簡化計算，可以將窗戶按照類型(固定窗、拉窗、推窗)分類，分別計算各類窗戶的平均熱傳透率，再進行加權平均。最終計算出的窗平均熱傳透率應低於基準值，以確保建築的熱性能符合要求。

3.3 窗平均遮陽係數計算

窗平均遮陽係數(SF)的計算公式為：

SF = Σ(Ki × ηi × Agi) ÷ ΣAgi

其中：

  • Ki：外遮陽係數，無外遮陽時為1.0
  • ηi：玻璃日射透過率，無單位
  • Agi：開窗部位面積(m²)

外遮陽係數(Ki)與遮陽設施的形式(水平遮陽、垂直遮陽、格子遮陽)和深度比相關，可以從相應的表格中查詢。玻璃日射透過率(ηi)則與玻璃的類型和厚度有關，同樣可以從表格中查詢。

在計算窗平均遮陽係數時，需要考慮建築中所有窗戶的外遮陽係數、玻璃日射透過率和面積。最終計算出的窗平均遮陽係數應低於基準值，以確保建築的熱性能符合要求。

3.4 可開啟窗面積比計算

可開啟窗面積比(OWR)的計算公式為：

OWRj = ΣOWij ÷ ΣAgij

其中：

  • OWij：j居室空間之i部位可開啟窗面積(m²)
  • Agij：j居室空間之i部位開窗部位面積(m²)

可開啟窗面積比是針對每一居室空間單獨計算的，而非整棟建築的平均值。在計算時，需要確定每個居室中各窗戶的總面積和可開啟部分的面積。

根據規範要求，住宿類建築每一居室空間的可開啟窗面積比應大於15%。這一要求是為了確保居室有足夠的自然通風條件，改善室內空氣品質，同時也有助於提升建築的整體熱性能。

4. 建材熱性能參數與選擇

建材的選擇對建築熱性能有著決定性影響。不同材料具有不同的熱傳導性能，合理選擇和組合建材可以顯著提升建築的整體熱性能。本節將詳細介紹外牆材料、窗戶材料和遮陽設計的熱性能參數及選擇要點。

4.1 外牆材料熱性能

外牆材料的熱性能主要由其熱傳導係數(k)決定，熱傳導係數越低，材料的隔熱性能越好。以下是常見外牆材料的熱傳導係數和特點：

材料類型 熱傳導係數[W/(m·K)] 特點
普通混凝土 1.4 - 1.5 強度高，但隔熱性能較差
輕質混凝土 0.8 重量輕，隔熱性能優於普通混凝土
泡沫混凝土(ALC) 0.17 輕質多孔，隔熱性能優良
紅磚 0.8 傳統材料，隔熱性能中等
岩棉保溫材 0.042 優異的隔熱性能，同時具有防火特性
玻璃棉 0.042 輕質，隔熱性能優良
硬質聚氨酯板(PU板) 0.028 隔熱性能極佳，但價格較高
發泡聚苯乙烯板(PS板) 0.037 成本較低，隔熱性能良好

在選擇外牆材料時，除了考慮熱性能外，還需綜合考慮材料的強度、耐久性、成本、防火性能等因素。對於寒冷地區或有較高節能要求的建築，可以採用複合牆體結構，結合結構材料和保溫材料，以提升整體熱性能。

4.2 窗戶材料熱性能

窗戶的熱性能主要受玻璃和窗框兩部分的影響。以下分別介紹這兩部分的材料選擇：

玻璃材料及其熱傳透率

玻璃類型 熱傳透率[W/(m²·K)] 日射透過率ηi 特點
單層透明玻璃(6mm) 6.16 0.82 隔熱性能差，成本低
雙層透明玻璃(6+A12+6) 3.03 0.73 隔熱性能中等
雙層惰性氣體玻璃(6+Aig12+6) 1.89 0.73 隔熱性能良好
綠色膠合玻璃(5+5mm) 4.88 0.57 安全性好，遮陽效果較好
Low-E雙層玻璃 1.8 - 2.2 0.46 - 0.57 隔熱性能優良，價格較高

窗框材料及其熱傳透率

窗框材料 熱傳透率[W/(m²·K)] 特點
鋁窗框 3.5 強度高，耐久性好，但隔熱性能差
鋼窗框 3.5 強度極高，防火性能好，但隔熱性能差
塑鋼窗框 1.4 隔熱性能好，成本適中
實木窗框(5.0cm) 2.47 自然美觀，隔熱性能中等
斷橋鋁窗框 2.0 - 2.5 結合鋁材強度和塑料隔熱性的優點

在選擇窗戶材料時，需要綜合考慮熱傳透率、日射透過率、窗框面積比等因素。針對不同氣候區和建築類型，可以採用不同的窗戶組合方案，以優化建築的整體熱性能。例如，在炎熱地區可以選擇遮陽效果好的玻璃，而在寒冷地區則應選擇隔熱性能優良的窗戶系統。

4.3 遮陽設計與係數

遮陽設計是提升建築熱性能的重要策略，特別是在陽光充足的地區。合理的遮陽設計可以有效減少夏季太陽輻射熱的進入，同時在冬季允許陽光進入室內提供自然採暖。

遮陽設計主要包括三種形式：水平遮陽、垂直遮陽和格子遮陽。不同形式的遮陽設施對不同方位的窗戶有不同的遮陽效果：

  • 水平遮陽：適用於南向窗戶，對東西向窗戶效果較差。遮陽係數隨深度比增加而減小，但增加到一定程度後效果趨於穩定。
  • 垂直遮陽：適用於東西向窗戶，對南向窗戶效果較差。遮陽係數同樣隨深度比增加而減小。
  • 格子遮陽：結合水平和垂直遮陽的優點，適用於各個方位的窗戶，遮陽效果最佳。

遮陽設施的熱性能效果通過外遮陽係數(Ki)來量化，Ki值越小，遮陽效果越好。不同形式、不同深度比和不同方位的遮陽設施，其Ki值可以通過規範中的表格查詢。在實際設計中，還需要考慮遮陽設施對採光和視野的影響，以及遮陽設施的造價和維護成本。

5. 熱性能優化設計策略

建築熱性能的優化需要綜合考慮外牆、窗戶、通風等多個方面的設計策略。本節將詳細介紹提升建築熱性能的各項設計策略，幫助設計者在滿足節能要求的同時，創造舒適的室內環境。

5.1 外牆熱性能優化

外牆熱性能的優化主要通過以下策略實現：

外保溫系統

外保溫系統是將保溫材料設置在外牆的外側，可以有效減少熱橋效應，提升整體熱性能。外保溫系統通常包括保溫材料(如發泡聚苯乙烯板、岩棉板等)、抗裂纖維網、粘結砂漿和飾面層等。外保溫系統的優點是保溫效果好，不佔用室內空間，但需要注意防火和耐候性。

內保溫系統

內保溫系統是將保溫材料設置在外牆的內側，適用於既有建築的改造或有特殊外觀要求的建築。內保溫系統施工較為簡便，但存在熱橋效應和可能導致牆體結露的問題，需要採取相應的防護措施。

複合牆體系統

複合牆體系統結合了結構和保溫功能，如加氣混凝土牆體、輕質夾芯板牆體等。這類系統可以簡化施工流程，提高建造效率，同時具有良好的熱性能。

熱橋處理

熱橋是牆體中熱傳導係數較高的部位，如梁、柱、樓板等，是熱量傳遞的"捷徑"。熱橋處理是提升外牆熱性能的關鍵環節，常見的處理方法包括梁柱外包保溫、樓板斷熱處理等。良好的熱橋處理可以顯著提升整體熱性能，減少能源消耗。

5.2 窗戶熱性能優化

窗戶熱性能的優化主要通過以下策略實現：

高性能玻璃選擇

選擇適合的高性能玻璃是提升窗戶熱性能的關鍵。在寒冷地區，宜選用Low-E中空玻璃或三層玻璃，以減少熱量流失；在炎熱地區，宜選用遮陽性能好的吸熱或反射玻璃，以減少太陽輻射熱的進入。針對不同方位的窗戶，可以採用不同類型的玻璃，以優化整體熱性能。

窗框材料選擇

窗框材料的選擇對窗戶熱性能有顯著影響。塑鋼窗框、斷橋鋁窗框和實木窗框都有較好的隔熱性能，可以根據建築的功能、造價和外觀要求進行選擇。此外，窗框的密封性能也是影響窗戶熱性能的重要因素，應選擇具有良好氣密性和水密性的窗戶系統。

窗戶尺寸和方位設計

窗戶的尺寸和方位設計直接影響建築的採光、通風和熱性能。在寒冷地區，南向窗戶面積可以適當增加，以獲取更多的太陽輻射熱；東西向窗戶面積應適當控制，以減少夏季過熱的風險。在炎熱地區，則應整體控制窗戶面積，特別是東西向窗戶。

遮陽設計

合理的遮陽設計可以顯著提升窗戶的熱性能。固定式遮陽(如遮陽板、遮陽格柵)和可調節式遮陽(如遮陽百葉、捲簾)各有優勢，可以根據建築的特點和使用要求進行選擇。在設計遮陽設施時，還需要考慮不同季節和不同時間的太陽高度角和方位角，以實現最佳的遮陽效果。

5.3 自然通風與熱性能

自然通風是提升建築熱性能和室內環境品質的重要策略，特別是在過渡季節和夏季夜間。合理的自然通風設計可以減少機械通風和空調的使用需求，降低能源消耗。

通風開口設計

通風開口的設計包括可開啟窗戶的類型、尺寸和位置。對於住宿類建築，規範要求每一居室的可開啟窗面積比應大於15%，以確保足夠的自然通風條件。在選擇窗戶類型時，推拉窗和平開窗的通風效果有所不同，應根據實際需求進行選擇。

穿堂風設計

穿堂風是指空氣從建築物的一側進入，從另一側流出的通風方式，通風效果顯著。穿堂風設計需要考慮室內空間的佈局、門窗的位置和當地的主導風向，以實現最佳的通風效果。

堆疊效應設計

堆疊效應是指由於溫差引起的空氣密度差而產生的自然通風現象。通過設置高低錯落的通風開口，如屋頂通風塔、天窗等，可以利用堆疊效應增強自然通風效果，提升建築的熱性能。

智能通風系統

智能通風系統可以根據室內外環境參數(如溫度、濕度、風速等)自動調節通風開口的開啟程度，實現最佳的通風效果和熱性能。智能通風系統雖然增加了初始投資，但可以提供更舒適的室內環境和更好的節能效果。

6. 熱性能設計案例分析

以下是一個綜合了多種熱性能優化策略的實際案例，該案例為位於臺北市的一棟11層集合住宅，通過精心設計，實現了優異的熱性能和節能效果。

案例背景

該建築為地上11層、地下3層的RC構造集合住宅，建築高度45.4米。設計團隊希望通過熱性能優化設計，提升建築的節能效果和居住舒適度，同時滿足建築技術規則的要求。

熱性能指標計算與評估

設計團隊首先對建築的四項熱性能指標進行了詳細計算和評估：

外牆平均熱傳透率(Uaw)

該建築外牆採用花崗岩飾面的混凝土牆，計算得出的外牆平均熱傳透率為2.74W/(m²·K)，小於住宿類建築的基準值2.75W/(m²·K)，符合規範要求。

窗平均熱傳透率(Uaf)

建築全面採用5+5mm綠色膠合玻璃和塑鋼窗框，經計算，窗平均熱傳透率為4.53W/(m²·K)。由於建築的立面開窗率為0.15，查表得基準值為5.2W/(m²·K)，因此窗平均熱傳透率符合規範要求。

窗平均遮陽係數(SF)

結合玻璃日射透過率(0.57)和各窗戶的外遮陽係數，計算得出窗平均遮陽係數為0.39，小於基準值0.45，符合規範要求。

可開啟窗面積比(OWR)

各居室的可開啟窗面積比均在0.33-0.5之間，遠高於規範要求的0.15，為住戶提供了充足的自然通風條件。

熱性能優化策略應用

該建築採用了多種熱性能優化策略：

  • 外牆設計：採用15cm厚的鋼筋混凝土牆體，外貼花崗岩飾面，形成具有一定蓄熱能力的外牆系統，有助於緩解室內溫度波動。
  • 窗戶選擇：全面採用5+5mm綠色膠合玻璃和塑鋼窗框，兼顧隔熱、遮陽和安全性能。
  • 遮陽設計：根據不同方位的特點，設計了不同形式的遮陽設施。西向和東向採用格子遮陽，南向採用水平遮陽，北向窗戶則基本不設置遮陽設施。
  • 自然通風：每個居室都設置了充足的可開啟窗戶，可開啟窗面積比遠高於規範要求，為住戶提供了良好的自然通風條件。

案例成效與啟示

該案例成功地通過熱性能優化設計，實現了節能和舒適的雙重目標：

  • 建築的四項熱性能指標均符合或優於規範要求，確保了基本的節能效果。
  • 合理的遮陽設計和窗戶選擇，有效控制了太陽輻射熱的影響，提升了夏季的室內舒適度。
  • 充足的自然通風條件，為住戶提供了節能、健康的生活環境。

這個案例啟示我們，建築熱性能的優化是一個系統工程，需要在設計初期就考慮各種因素的相互影響，並針對具體的氣候條件和建築功能，採用最適合的設計策略。通過精心設計和計算，即使是常規建材和技術，也能實現良好的熱性能和節能效果。