成都住宅建筑實(shí)現(xiàn)節(jié)能65%目標(biāo)的影響因素研究

朱 磊 余南陽(yáng)

?

成都住宅建筑實(shí)現(xiàn)節(jié)能65%目標(biāo)的影響因素研究

朱 磊 余南陽(yáng)

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

以成都地區(qū)住宅建筑為研究對(duì)象，通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)合建筑空調(diào)能耗模擬的分析方法，研究影響建筑空調(diào)能耗的主要因素，包括朝向、窗墻比、外窗類(lèi)型、外墻外保溫及外窗外遮陽(yáng)，最終發(fā)現(xiàn)外窗使用鍍反射膜雙層中空玻璃，外墻使用70mm EPS保溫板的節(jié)能措施較難實(shí)現(xiàn)成都住宅建筑節(jié)能65%目標(biāo)，需輔以其他節(jié)能手段。

空調(diào)能耗；正交設(shè)計(jì)；建筑節(jié)能

0 引言

我國(guó)的建筑節(jié)能工作是從上個(gè)世紀(jì)80年代初伴隨著中國(guó)實(shí)行改革開(kāi)放政策以后開(kāi)始的，起步晚于國(guó)外，1995年國(guó)家建設(shè)部在《建筑節(jié)能“九五”計(jì)劃和2010年規(guī)劃》中，要求新建采暖居住建筑在1980～1981年當(dāng)?shù)赝ㄓ迷O(shè)計(jì)能耗水平基礎(chǔ)上普遍降低30%；1996年起在達(dá)到第一階段的基礎(chǔ)上節(jié)能50%；2005年在達(dá)到第二階段要求基礎(chǔ)上再節(jié)能30%[1]。實(shí)施建筑節(jié)能65%標(biāo)準(zhǔn)是建筑節(jié)能的發(fā)展方向，它是在當(dāng)前節(jié)能50%的基礎(chǔ)上再節(jié)能30%，可進(jìn)一步節(jié)約寶貴能源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境、提高居住環(huán)境舒適度。空調(diào)能耗是住宅建筑能耗主要組成部分之一，影響住宅建筑空調(diào)能耗的因素有很多，例如建筑朝向、窗墻比、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、設(shè)備能效狀況、室外氣候條件、居民空調(diào)使用方式及習(xí)慣等[2]。現(xiàn)有研究大多是對(duì)上述影響因子進(jìn)行單一性分析，對(duì)主要影響因素的全面分析較少，而可靠的分析相關(guān)因素對(duì)建筑能耗影響的程度是設(shè)計(jì)人員進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的前提。

本文通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)合建筑空調(diào)能耗模擬的分析方法，研究影響成都住宅建筑空調(diào)能耗的主要因素，包括朝向、窗墻比、外窗類(lèi)型、外墻保溫、外窗外遮陽(yáng)及新風(fēng)，并將研究中建筑節(jié)能方案與成都現(xiàn)行住宅建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，最終提出針對(duì)成都住宅建筑節(jié)能的有效意見(jiàn)。

1 模型建立

本文模擬計(jì)算所采用的建筑模型為成都地區(qū)一棟2單元6層傳統(tǒng)住宅建筑，層高3.5m，兩室一廳一廚一衛(wèi)，每單元有兩戶(hù)，建筑面積分別為78.55m2、66.68m2，總建筑面積為1500.91m2，建筑體形系數(shù)為0.34。通過(guò)建筑能耗模擬軟件Designbuilder進(jìn)行建筑能耗模擬計(jì)算。

在進(jìn)行空調(diào)能耗模擬時(shí)，每層的空間都按照采暖空間進(jìn)行設(shè)置，室內(nèi)溫度設(shè)定為18℃，選擇采用散熱器采暖系統(tǒng)，夏季室內(nèi)空調(diào)溫度設(shè)定為 26℃，采用分體式空調(diào)系統(tǒng)。城鎮(zhèn)住宅建筑空調(diào)運(yùn)行時(shí)間通常較為規(guī)律，多數(shù)居民均需上班，因此工作日客廳空調(diào)運(yùn)行時(shí)間設(shè)定為18:00～22:00，臥室空調(diào)運(yùn)行時(shí)間設(shè)定為18:00～08:00；周末客廳及臥室空調(diào)均24h開(kāi)啟。廚房和衛(wèi)生間不設(shè)空調(diào)。室內(nèi)人員及設(shè)備發(fā)熱量按照《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑設(shè)計(jì)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)定。

2 模擬方案設(shè)計(jì)

2.1 正交表安排

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，是利用規(guī)格化的正交表，恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)出試驗(yàn)方案和有效地分析試驗(yàn)結(jié)果，提出最優(yōu)配方和工藝條件，并進(jìn)而設(shè)計(jì)出可能更優(yōu)秀的試驗(yàn)方案的一種科學(xué)方法[3]。

研究中與成都地區(qū)住宅建筑空調(diào)能耗相關(guān)的因素有：朝向、北向窗墻面積比、南向窗墻面積比、東向窗墻面積比、西向窗墻面積比、外窗類(lèi)型、外墻外保溫層厚度、南向外窗外遮陽(yáng)、新風(fēng)量指標(biāo)。本文取各因素的水平數(shù)為3，因不作方差分析，故不考慮各因素之間的交互作用。試驗(yàn)方案選取9個(gè)因素，每個(gè)因素3個(gè)水平，因此選用L27（39）正交表來(lái)安排試驗(yàn)。試驗(yàn)需要進(jìn)行27次模擬計(jì)算。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 空調(diào)能耗分析正交表設(shè)計(jì)（L27(39)）

續(xù)表1 空調(diào)能耗分析正交表設(shè)計(jì)（L27(39)）

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

研究中為比較上述設(shè)計(jì)方案相對(duì)于《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑設(shè)計(jì)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》中所規(guī)定的參照建筑空調(diào)能耗節(jié)能率，特設(shè)計(jì)方案28作為對(duì)比參照。參照建筑物理模型不變，與研究相關(guān)的9種因素按照《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑設(shè)計(jì)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)定，正交表各因子水平及參照建筑取值見(jiàn)表2[4]。

表2 正交表因子水平取值

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案結(jié)果分析

正交設(shè)計(jì)表中的27種工況及參照建筑的建筑空調(diào)能耗模擬計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 空調(diào)能耗模擬結(jié)果

采用極差分析方法分析方案1～27，確定影響因素重要程度，并進(jìn)行影響因素主次排序。極差分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 空調(diào)全年能耗結(jié)果極差分析

注：表中k*是因素A、B、C、D、E、F、G、H、I的第*水平所在的試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)的空調(diào)能耗之和。

通過(guò)對(duì)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的極差分析發(fā)現(xiàn)影響成都地區(qū)住宅建筑空調(diào)能耗相關(guān)因素重要程度排序?yàn)椋和獯邦?lèi)型>外墻外保溫>北向窗墻比>南向窗墻比>西向窗墻比>建筑朝向>東向窗墻比>南向外窗外遮陽(yáng)>新風(fēng)指標(biāo)。

在考慮空調(diào)節(jié)能措施時(shí)，應(yīng)首要考慮提高建筑外窗及外墻的熱工性能，即減小建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)；同時(shí)，在建筑設(shè)計(jì)階段，應(yīng)慎重考慮選取合適的窗墻比，在夏熱冬冷地區(qū)，由于太陽(yáng)輻射的作用將部分輻射熱通過(guò)外窗帶入室內(nèi)，尤其是南、北向的外窗，減小窗墻比可以顯著降低空調(diào)能耗[5]，但是，窗墻比過(guò)小又會(huì)影響采光，增加照明負(fù)荷，因此需要綜合考慮這兩個(gè)因素；研究還發(fā)現(xiàn)新風(fēng)指標(biāo)對(duì)建筑空調(diào)能耗影響最小，主要是因?yàn)樽≌ㄖ覂?nèi)人員密度較小且變化不大，只需較小的新風(fēng)量便可滿(mǎn)足人員健康及舒適需求[6]，因此，對(duì)于住宅建筑，在空調(diào)制冷及采暖季節(jié)可以適量引入室外新風(fēng)以滿(mǎn)足人員需求。

3.2 參照建筑對(duì)比分析

采用設(shè)計(jì)建筑原型，將設(shè)計(jì)建筑各項(xiàng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)改為符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的限值，窗墻比改為符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的推薦值，通過(guò)模擬計(jì)算得到建筑空調(diào)能耗。根據(jù)試驗(yàn)組的空調(diào)能耗模擬結(jié)果計(jì)算各試驗(yàn)節(jié)能率，結(jié)果同見(jiàn)表3。

可以發(fā)現(xiàn)正交設(shè)計(jì)方案中有14個(gè)方案對(duì)比參照建筑實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目的，其中節(jié)能率達(dá)到20%以上的方案有7個(gè)，方案3建筑節(jié)能率最高，達(dá)到36.67%。7個(gè)節(jié)能率較高方案的建筑外窗因子及外墻外保溫因子水平取值均在“2”或“3”。其余7個(gè)節(jié)能方案節(jié)能率較低，其中方案8和9雖然建筑外窗因子及外墻外保溫因子水平取值也為“2”或“3”，但是各個(gè)方向過(guò)大的窗墻比使得建筑即使具有較好的保溫隔熱性能也無(wú)法實(shí)現(xiàn)較好的節(jié)能效果。

3.3 實(shí)現(xiàn)節(jié)能65%目標(biāo)的方案分析

為實(shí)現(xiàn)成都市住宅建筑節(jié)能65%的目標(biāo)，需在現(xiàn)有節(jié)能基礎(chǔ)上繼續(xù)節(jié)能30%。觀察表3可以發(fā)現(xiàn)，方案2和3的建筑節(jié)能率分別為30.44%、36.67%，均達(dá)到了節(jié)能30%的目標(biāo)。兩方案的共同點(diǎn)是北向、南向窗墻比只有10%，西向不開(kāi)窗，且使用了鍍反射膜玻璃外窗，外墻使用EPS板進(jìn)行外保溫，區(qū)別在于方案2為單層玻璃外窗，方案3使用了雙層中空玻璃外窗，其中內(nèi)層為鍍反射膜玻璃，且方案3的保溫層厚度為70mm，比方案2要厚40mm。

通過(guò)分析方案2和3建筑相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)成都住宅建筑節(jié)能關(guān)鍵在于：使用鍍膜玻璃外窗減少以太陽(yáng)輻射方式進(jìn)入室內(nèi)的熱量；外墻使用EPS板進(jìn)行外保溫以減少?lài)o(hù)結(jié)構(gòu)熱損失[7]。雖然兩方案節(jié)能率均達(dá)到30%以上，但南北向建筑窗墻比均只有10%，在實(shí)際工程中較難實(shí)現(xiàn)。

為進(jìn)一步定量分析外窗類(lèi)型和外墻外保溫對(duì)建筑節(jié)能提升效果，設(shè)計(jì)方案29與參照建筑進(jìn)行對(duì)比。方案29建筑的外窗為鍍反射膜雙層中空玻璃外窗，外墻保溫層厚度為70mm，其余影響因素與參照建筑相同，以《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑設(shè)計(jì)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)定。方案能耗計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 空調(diào)能耗模擬結(jié)果

通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)外窗使用鍍膜雙層中空玻璃，外墻保溫層達(dá)到70mm只能使得建筑節(jié)能率達(dá)到28.44%，而且采取兩項(xiàng)節(jié)能措施后，方案29的空調(diào)采暖能耗大幅度降低，但是制冷能耗反而一定程度上略有上升。繼續(xù)增加保溫層厚度或降低外窗傳熱系數(shù)可能最終使得制冷能耗的增加量與采暖能耗的減小量相持平，導(dǎo)致節(jié)能措施不再有節(jié)能效果，反而增加了建設(shè)成本。造成保溫層厚度增加制冷能耗隨之增加現(xiàn)象的原因是外墻保溫層越厚，墻體蓄熱性能越好，制冷期間墻體內(nèi)部蓄熱會(huì)使得空調(diào)能耗增加[8]。所以，外墻保溫層厚度不能一味增加，需要結(jié)合地區(qū)氣候特點(diǎn)合理選擇。要想進(jìn)一步有效提升建筑節(jié)能效果，在采取上述兩項(xiàng)節(jié)能措施之余，需考慮其他節(jié)能方式。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)正交試驗(yàn)法結(jié)合建筑空調(diào)能耗模擬分析得到影響成都地區(qū)住宅建筑空調(diào)能耗的相關(guān)因素重要程度排序。不同節(jié)能方案對(duì)建筑節(jié)能效果提升不同，在考慮建筑節(jié)能措施時(shí)，應(yīng)首先從提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能出發(fā)，尤其是需要降低外窗傳熱系數(shù)及提高外墻保溫效果。進(jìn)一步設(shè)計(jì)對(duì)比方案分析發(fā)現(xiàn)外窗使用鍍膜中空玻璃，外墻保溫層達(dá)到70mm只能使得建筑節(jié)能率達(dá)到28.44%。僅是外窗及外墻采取上述兩項(xiàng)節(jié)能措施較難實(shí)現(xiàn)成都住宅建筑節(jié)能65%的目標(biāo)，還需考慮其他節(jié)能措施，如在滿(mǎn)足室內(nèi)通風(fēng)及采光需求的前提下適當(dāng)減小窗墻比或選擇合適遮陽(yáng)設(shè)施等。

[1] 林海燕,郎四維.建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中幾個(gè)問(wèn)題的說(shuō)明[J].建筑科技,2007,4(6):58-59.

[2] 高巖,安玉嬌,于喜哲,等.住宅使用模式對(duì)住宅建筑供暖空調(diào)能耗影響的模擬分析[J].建筑科學(xué),2010,26(10): 287-291.

[3] 陳魁.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005: 72-83.

[4] JGJ 134-2010,夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

[5] 高波,馮煉,徐彬彬,等.成都住宅建筑空調(diào)負(fù)荷特性分析[J].制冷與空調(diào),2009,23(6):19-22.

[6] 邢振禧.空氣調(diào)節(jié)技術(shù)[M].北京:中國(guó)商業(yè)出版社,2001: 198-204.

[7] 江億,林波榮,曾劍龍,等.住宅節(jié)能[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006.

[8] 阮方,錢(qián)曉倩,朱耀臺(tái),等.分室間歇用能對(duì)墻體內(nèi)外保溫節(jié)能效果的影響[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào),2016,50(1):1-7.

Study on the Energy Conservation Scheme of Achieving65% Goals of Energy Efficiency in Residential Buildings in Chengdu

Zhu Lei Yu Nanyang

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

With the residential building in Chengdu as the object of the research, analyzing the mainly factors of influencing the air conditioning energy consumption including orientations, window-to-wall ratio, window types, wall types and external window shading. In the paper, the orthogonal test design method is used to simulate the building air conditioning energy consumption. Finally, it is found that it is difficult to achieve 65% goals of energy efficiency in residential buildings in Chengdu, if the energy saving measures are coated double glazing glass windows and 70mm EPS board for exterior insulation. It is necessary to take some other energy saving measures.

Air conditioning energy consumption; Orthogonal design; Building energy conservation

1671-6612（2017）06-636-06

TU241.7

B

朱 磊（1992.06-），男，在讀碩士研究生，E-mail：905899439@qq.com

余南陽(yáng)（1961.02-），男，博士，教授，E-mail：rhinos@126.com

2017-04-05