西安某建筑辦公樓圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙紅軍 陳思海 劉農(nóng)一

0 引言

在我國(guó)能源消耗中，建筑用能占全國(guó)總能耗的30%左右，已接近發(fā)達(dá)國(guó)家水平(其建筑用能占全社會(huì)能源消費(fèi)量1/3左右)。近幾年我國(guó)每年城鄉(xiāng)新建房屋的建筑面積達(dá)20億m2，但在同等氣候條件下，我國(guó)同類型的建筑物消耗的采暖能源比西歐或北美的要多100%甚至更多，且遠(yuǎn)不能達(dá)到歐美等國(guó)家建筑的舒適程度。究其原因可能是，在我國(guó)過(guò)去十多年的大規(guī)模建筑熱潮中，能源利用效率低的建筑設(shè)計(jì)、建材產(chǎn)品以及傳統(tǒng)的建筑方式仍然被廣泛使用。

建筑造型及外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的特性對(duì)建筑物能耗有決定性的影響，但是由于建筑復(fù)雜性和各種能耗因素的相互影響制約，很難簡(jiǎn)單的判斷一個(gè)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣。本文利用DeST軟件對(duì)西安地區(qū)一廠房辦公樓在不同圍護(hù)材料的能耗做了模擬計(jì)算，并對(duì)影響建筑能耗的因素進(jìn)行了分析，得出了西安地區(qū)建筑能耗隨圍護(hù)結(jié)構(gòu)變化的規(guī)律，為西安地區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的選用提供了一定的參考依據(jù)。

1 DeST 軟件介紹[1]

本文利用DeST軟件進(jìn)行計(jì)算分析，該軟件是建筑熱環(huán)境及HVAC系統(tǒng)模擬的軟件平臺(tái)。DeST主要適用于下面的問(wèn)題領(lǐng)域:

1)建筑熱特性研究，包括:住宅室溫估算、新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響、通風(fēng)影響等。

2)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的問(wèn)題，包括:基于全年逐時(shí)模擬的建筑能耗及溫度指標(biāo)估算、系統(tǒng)形式與分區(qū)、變風(fēng)量系統(tǒng)分析、新風(fēng)利用、不同AHU(Air Handler Units，組合式空調(diào)機(jī)組)類型比較;空氣處理設(shè)備的校核、冷凍站設(shè)計(jì)等。

2 建筑概況及模擬方案

2.1 建筑概況

本文的研究對(duì)象為西安市某廠房及辦公建筑，總建筑面積為1852 m2，其中空調(diào)面積 1610 m2，建筑總高度為 13.4 m，地上3 層，第1層 ～3 層的層高分別為5.0 m，4.5 m 和3.9 m，主要有生產(chǎn)廠房、控制室、會(huì)議室、辦公室等功能用房。

2.2 空調(diào)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)參數(shù)

模擬中設(shè)置一層空調(diào)全部采用全空氣定風(fēng)量系統(tǒng)，定新風(fēng)比，有熱回收裝置。二層及三層主要為辦公室和會(huì)議室，故設(shè)置為新風(fēng)+風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)。制冷機(jī)組采用螺桿式冷水機(jī)組+冷卻塔形式，整體能效比取為3.5;冬季供暖采用燃?xì)忮仩t，鍋爐效率為80%。

室內(nèi)主要設(shè)計(jì)參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 室內(nèi)空調(diào)、采暖設(shè)計(jì)參數(shù)

工作時(shí)間按早上8:00～17:00計(jì)算，周末休息，具體如圖1所示[2]。

圖1 各類負(fù)荷逐時(shí)使用系數(shù)

2.3 模型建立及模擬方案確定

本文研究的方法主要是變參數(shù)法，在外墻、窗、遮陽(yáng)等這些圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，保持其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)不變的情況下改變其中一種或多種制定節(jié)能方案。外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能方案主要包括墻體材料及保溫、玻璃材料、遮陽(yáng)措施三個(gè)方面，墻體的傳熱系數(shù)見(jiàn)表2，玻璃的傳熱系數(shù)見(jiàn)表3，具體模擬方案見(jiàn)表4。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

在對(duì)不同的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行模擬計(jì)算后得到了不同方案情況下的全年累計(jì)耗冷量和耗熱量及其節(jié)能效率列表，具體結(jié)果見(jiàn)表5。

表2 所用建筑外墻傳熱系數(shù)

表3 模擬中所用玻璃參數(shù)

表4 模擬方案列表

表5 不同模擬方案下節(jié)能效果列表

3.1 外墻體及保溫對(duì)能耗影響分析

墻體是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中傳熱面積最大的一部分，它對(duì)整個(gè)建筑能耗有決定性的影響作用。與國(guó)外相比，我國(guó)的單位建筑能耗是同等氣候條件下發(fā)達(dá)國(guó)家的3倍，因而節(jié)能潛力巨大。本文方案2、方案4、方案5、方案7對(duì)不同的外墻材料進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果表明:通過(guò)改變墻體材料增加墻體熱阻，能有效降低能耗。其中方案7由于其墻體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，節(jié)能效果明顯，耗熱量和耗冷量節(jié)能率分別能達(dá)到11.6%和7.1%。

方案8通過(guò)增加保溫層，有效的改變了墻體傳熱系數(shù)，降低了建筑能耗。方案8選用混凝土墻+200 mm聚苯板保溫外墻進(jìn)行模擬，相比方案1其全年累計(jì)耗熱量節(jié)能效率達(dá)到14.6%，全年累計(jì)耗冷量節(jié)能效率達(dá)到9.2%，其節(jié)能效果十分明顯。對(duì)于寒冷地區(qū)，國(guó)家建設(shè)部已經(jīng)開(kāi)始要求建筑設(shè)計(jì)應(yīng)滿足保溫要求，同時(shí)倡導(dǎo)和鼓勵(lì)使用建筑外墻保溫。聚苯板是當(dāng)前使用較多的保溫材料。

3.2 外窗玻璃對(duì)能耗影響分析

文中分析了三種不同外窗玻璃對(duì)建筑能耗的影響，從表5可以看出，方案2采用了保溫性能好的雙層玻璃和方案3采用了Low-e膜玻璃，其導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于普通單層玻璃，全年累計(jì)耗熱量節(jié)能效率分別達(dá)到10.5%和11.4%，全年累計(jì)耗冷量節(jié)能效率分別達(dá)到4.4%和6.5%，其節(jié)能效果十分明顯。對(duì)于西安地區(qū)，玻璃材料對(duì)耗熱量的影響要大于耗冷量的影響，因而在寒冷地區(qū)更應(yīng)該注意提高玻璃材料的熱阻，以降低冬季耗熱量。

3.3 外遮陽(yáng)對(duì)能耗影響分析

外遮陽(yáng)措施也是建筑節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。在模擬方案中，方案6采用了外遮陽(yáng)。從表5中結(jié)果可以看出，雖然方案6采用遮陽(yáng)后夏季的全年累計(jì)耗冷量有所降低，但是幅度不大，只有2.4%，而冬季全年累計(jì)耗熱量卻有小幅度的增加，為－1.8%。究其原因可能是采用外遮陽(yáng)后夏季能夠減少一部分太陽(yáng)光直射進(jìn)入建筑內(nèi)部，減少冷負(fù)荷。但是在冬季，由于外遮陽(yáng)的存在，同樣使得陽(yáng)光不能直射進(jìn)入建筑內(nèi)部，導(dǎo)致了累計(jì)冷負(fù)荷的增加?？梢?jiàn)建筑外遮陽(yáng)主要影響的是夏季冷負(fù)荷，所以在寒冷地區(qū)由于冬季熱負(fù)荷占主要地位，同時(shí)建筑外墻保溫效果比較好時(shí)，可以不考慮外遮陽(yáng)。如果因?yàn)榇皦Ρ忍?，夏季的冷?fù)荷也很大，需考慮外遮陽(yáng)時(shí)，最好在室內(nèi)窗戶上設(shè)置窗簾，或者使用移動(dòng)式遮陽(yáng)系統(tǒng)，可以根據(jù)冬夏不同季節(jié)和天氣調(diào)節(jié)遮陽(yáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用建筑能耗模擬軟件DeST對(duì)西安某辦公建筑不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建筑能耗分析，通過(guò)對(duì)比8組不同方案，得到主要結(jié)論如下:

1)外墻保溫對(duì)建筑能耗有直接影響，且對(duì)采暖熱負(fù)荷影響明顯高于空調(diào)冷負(fù)荷，同時(shí)隨著外墻熱阻的增加，負(fù)荷減少的幅度趨于平緩。2)窗體材料對(duì)建筑能耗有很大的影響，采用傳熱系數(shù)小的玻璃將有顯著的節(jié)能效果。3)對(duì)寒冷地區(qū)，外遮陽(yáng)對(duì)建筑能耗影響不大，可以不采用。

[1]清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系DeST開(kāi)發(fā)小組.DeST用戶使用手冊(cè)[Z].2004:9.

[2]王灃浩，王東洋，羅昔聯(lián).既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗模擬及節(jié)能分析[J].建筑科學(xué)，2010，23(2):22-26.

[3]王新花.建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)常用節(jié)能技術(shù)措施[J].山西建筑，2010，36(17):223-224.