基于建筑能耗的合肥地區(qū)金屬外遮陽(yáng)研究

曹 穩(wěn),陳麗華,張琴義,吳偉東

(1.安徽科技學(xué)院 建筑學(xué)院，安徽 蚌埠 233100；2.合肥工業(yè)大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230009；3.安徽科技學(xué)院 管理學(xué)院，安徽 蚌埠 233100)

隨著生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)室內(nèi)熱舒適度有了更高的要求，建筑空調(diào)和供暖的耗能也越來(lái)越大。政府對(duì)建筑的節(jié)能問(wèn)題越來(lái)越重視，節(jié)能設(shè)計(jì)已成為建筑設(shè)計(jì)中的必須環(huán)節(jié)[1]。建筑遮陽(yáng)可以有效遮擋太陽(yáng)輻射熱，降低室內(nèi)溫度，減少空調(diào)耗電量[2]。因此，合理設(shè)置外遮陽(yáng)可以有效節(jié)約建筑能耗，尤其是在中高緯度區(qū)其已成為建筑節(jié)能的關(guān)鍵措施[3]。

目前，外遮陽(yáng)的建筑節(jié)能作用日益受到人們的重視，已有學(xué)者進(jìn)行研究。如董凱[4]等以杭州為例，對(duì)居住建筑水平式外遮陽(yáng)節(jié)能效果進(jìn)行了研究；李運(yùn)江[5]等以武漢為例，研究了南向遮陽(yáng)與建筑能耗之間的關(guān)系；肖先波[6]等以上海和湖州為例，對(duì)水平式遮陽(yáng)板深度與建筑能耗間關(guān)系進(jìn)行了研究；李雪[7]等以長(zhǎng)沙為例，對(duì)傳統(tǒng)的遮陽(yáng)系統(tǒng)的綜合能效進(jìn)行了研究。向俊米[8]等以長(zhǎng)沙為例，研究了居住建筑外遮陽(yáng)的最優(yōu)組合方案。

現(xiàn)有建筑遮陽(yáng)能耗的研究大多以居住建筑為研究對(duì)象，很少研究公共建筑。然而，公共建筑運(yùn)行能耗是社會(huì)總能耗的重要組成部分，故對(duì)其節(jié)能的研究具有重要意義。另外，合肥作為中部重要城市，很少有學(xué)者對(duì)該地區(qū)外遮陽(yáng)的建筑節(jié)能進(jìn)行研究。因此，以合肥地區(qū)公建為例，選擇該地區(qū)常用的水平式、垂直式和綜合式三種固定式外遮陽(yáng)進(jìn)行研究[9]。通過(guò)對(duì)建筑遮陽(yáng)板尺寸和設(shè)置朝向分別對(duì)比分析，總結(jié)該地區(qū)外遮陽(yáng)與建筑能耗間的關(guān)系。

1 模型信息

為便于研究，首先建立一個(gè)建筑模型如圖1所示。并以此為載體進(jìn)行建筑能耗模擬計(jì)算。對(duì)計(jì)算模型做簡(jiǎn)化處理，使各朝向的開(kāi)窗和窗墻比均相等。建筑模型信息如下：地址位于合肥(東經(jīng)116°41′～117°58′，北緯30°57′～32°32′)，邊長(zhǎng)為36 m的方形平面，三層框架結(jié)構(gòu)，柱網(wǎng)為6 m×6 m，層高4.20 m，總建筑面積3 684.47 m2，建筑表面積為3 596.93 m2，建筑體積為14 839.37 m3，外窗尺寸為4.8 m(寬)×2.7 m(高)。

圖1 建筑模型平面

模型主要外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的具體構(gòu)造做法如下(從內(nèi)到外)：

(1)外墻：20 mm厚水泥砂漿+20 mm厚石墨模塑聚苯板保溫層+200 mm厚煤矸石多孔磚+30 mm厚石墨模塑聚苯板保溫層+20 mm厚水泥砂漿，傳熱系數(shù)0.64 W/m2K。

(2)屋面：20 mm厚水泥砂漿+100 mm厚鋼筋混凝土+最薄30 mm厚輕集料混凝土找坡+80 mm厚石墨模塑聚苯板保溫層+20 mm厚水泥砂漿+5 mm厚SBS改性瀝青防水卷材+20 mm厚水泥砂漿，傳熱系數(shù)0.44 W/m2K。

(3)外窗：6 mm+12A+6 mm系列Low-E塑框中空玻璃窗，傳熱系數(shù)2.00 W/m2K。

不同形式的外遮陽(yáng)構(gòu)造方式不同，模擬計(jì)算時(shí)其參數(shù)設(shè)置也不盡相同。為了使不同類型外遮陽(yáng)的節(jié)能數(shù)據(jù)具有可比性，在能耗計(jì)算時(shí)將外遮陽(yáng)材質(zhì)設(shè)為金屬，遮陽(yáng)板與墻身角度統(tǒng)一設(shè)為90°，遮陽(yáng)板距窗邊均設(shè)為100 mm。在研究遮陽(yáng)板尺寸與建筑能耗間關(guān)系時(shí)僅分析主要構(gòu)造參數(shù)，包括水平式、垂直式、綜合式遮陽(yáng)板的深度。

2 模擬計(jì)算與分析

研究中能耗模擬計(jì)算主要采用PKPM節(jié)能軟件，該軟件已廣泛應(yīng)用于全國(guó)多省市，已成為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的重要工具。對(duì)設(shè)置不同類型金屬遮陽(yáng)板的建筑進(jìn)行能耗值模擬計(jì)算后，主要采用以下2種方法對(duì)比分析：

(1)將設(shè)置不同類型外遮陽(yáng)建筑的空調(diào)能耗、供暖能耗及總能耗值列入同一表中，進(jìn)行直觀對(duì)比。

(2)以無(wú)外遮陽(yáng)為參照，運(yùn)用公式計(jì)算出不同類型外遮陽(yáng)建筑的空調(diào)節(jié)能量、供暖增能量和總節(jié)能量，并繪出合適的分析圖，以便于深入對(duì)比分析。

建筑節(jié)能計(jì)算主要依據(jù)是文獻(xiàn)[10]，此文獻(xiàn)是以合肥地區(qū)的具體氣候環(huán)境為編制依據(jù)，具有更加嚴(yán)格的節(jié)能指標(biāo)。我國(guó)建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定建筑全年能耗值包括夏季空調(diào)和冬季供暖耗兩部分，其計(jì)算公式[11]：

E=EC+EH,

(1)

式中,E為全年供暖和空調(diào)總耗電量(kW·h/m2)；EC為全年空調(diào)耗電量(kW·h/m2)；EH為全年供暖耗電量(kW·h/m2)。

為了更直觀地對(duì)比設(shè)置不同類型外遮陽(yáng)的建筑節(jié)能效果，文中采用全年總節(jié)能量作為分析指標(biāo)。此處的總節(jié)能量指建筑有外遮陽(yáng)比無(wú)外遮陽(yáng)時(shí)全年節(jié)約的總能耗，其計(jì)算公式如式(2)所示：

WJ=W-WZ,

(2)

式中,WJ為全年總節(jié)能量(kW·h/m2)；W為無(wú)外遮陽(yáng)全年總耗電量(kW·h/m2)；WZ為設(shè)外遮陽(yáng)全年總耗電量(kW·h/m2)。

建筑外遮陽(yáng)通過(guò)阻止過(guò)多的太陽(yáng)輻射熱進(jìn)入室內(nèi)以減少夏季空調(diào)的能耗來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的，與此同時(shí)也會(huì)增加建筑冬季供暖的能耗。因此，為了更深入地分析外遮陽(yáng)對(duì)建筑能耗的影響，除了選擇建筑總節(jié)能量外還選取建筑空調(diào)節(jié)能量和供暖增能量作為分析指標(biāo)，此兩種指標(biāo)也是以無(wú)外遮陽(yáng)建筑為參照，具體計(jì)算參照式(2)。

2.1 不同尺寸對(duì)比分析

合肥地區(qū)位于夏熱冬冷氣候區(qū)，外遮陽(yáng)設(shè)于西向不僅有利于建筑的節(jié)能，還可改善室內(nèi)熱環(huán)境[12]。故在研究遮陽(yáng)板尺寸與能耗之間關(guān)系時(shí)，為了便于對(duì)比分析，將外遮陽(yáng)設(shè)置朝向定為西向。通過(guò)計(jì)算可得設(shè)置不同尺寸外遮陽(yáng)建筑的全年能耗值如表1所示。

由表1可知，設(shè)置外遮陽(yáng)的建筑空調(diào)能耗小于無(wú)外遮陽(yáng)建筑，而供暖能耗要大于無(wú)外遮陽(yáng)建筑，即設(shè)置外遮陽(yáng)有利于建筑夏季空調(diào)能耗的節(jié)約，對(duì)建筑冬季供暖能耗不利。另外，設(shè)置不同尺寸外遮陽(yáng)的建筑總能耗均小于無(wú)外遮陽(yáng)的建筑總能耗，即在合肥地區(qū)設(shè)置金屬外遮陽(yáng)有利于建筑節(jié)能。然而，設(shè)置不同尺寸外遮陽(yáng)的建筑節(jié)能效果不盡相同，對(duì)此仍需進(jìn)一步研究。表1結(jié)合式(1)、式(2)分析可得設(shè)置不同尺寸外遮陽(yáng)的建筑空調(diào)節(jié)能量、供暖增能量及總節(jié)能量三個(gè)指標(biāo)。為了對(duì)比研究，將各形式外遮陽(yáng)的上述三個(gè)指標(biāo)分別繪制成線狀圖，如圖2、圖3、圖4所示。

由圖2、圖3、圖4可知，隨著遮陽(yáng)板尺寸的增加，建筑空調(diào)節(jié)能量和供暖增能量在增大。由于空調(diào)節(jié)能量的增幅大于供暖增能量的增幅，故建筑的總節(jié)能量在不斷增加。因此，外遮陽(yáng)尺寸越大越有利于建筑空調(diào)節(jié)能和建筑總節(jié)能，卻對(duì)建筑供暖能耗不利。進(jìn)一步分析不同形式外遮陽(yáng)的能耗變化線狀圖可以發(fā)現(xiàn)，隨遮陽(yáng)板尺寸的增加，水平式和綜合式遮陽(yáng)建筑的空調(diào)節(jié)能量、供暖增能量及總節(jié)能量線狀圖斜率在變小，而斜率變小說(shuō)明變化效率降低，即隨著遮陽(yáng)板尺寸的增大,建筑的空調(diào)節(jié)能效率、供暖增能效率和建筑總節(jié)能效率均不斷降低。垂直式外遮陽(yáng)的能耗變化圖基本為直線狀，說(shuō)明其能耗的變化效率基本不變。另外，不同遮陽(yáng)形式間對(duì)比可知，綜合式外遮陽(yáng)的總節(jié)能量最大，之后依次是水平式、垂直式。

表1 不同尺寸金屬外遮陽(yáng)建筑全年空調(diào)和供暖能耗值(kW·h)

圖2 不同尺寸外遮陽(yáng)建筑空調(diào)節(jié)能量 圖3 不同尺寸外遮陽(yáng)建筑供暖增能量

2.2 不同朝向?qū)Ρ确治?/h3>

國(guó)家規(guī)范[13]規(guī)定：建筑物的東向、西向和南向外窗應(yīng)采取遮陽(yáng)措施，在北回歸線以南的地區(qū)必要時(shí)對(duì)北向外窗進(jìn)行遮陽(yáng)設(shè)置。合肥地區(qū)處于北回歸線以北，因此在研究外遮陽(yáng)設(shè)置朝向與建筑能耗之間關(guān)系時(shí)，僅選東、西、南三個(gè)方向進(jìn)行對(duì)比。為了使能耗數(shù)據(jù)具有對(duì)比性，在計(jì)算時(shí)將外遮陽(yáng)板的構(gòu)造尺寸均設(shè)定為1.0 m。經(jīng)計(jì)算可以得出不同朝向外遮陽(yáng)的建筑能耗狀況如表2所示。

表2 不同朝向金屬外遮陽(yáng)建筑全年空調(diào)和供暖能耗值(kW·h)

結(jié)合式(1)、式(2)對(duì)表2分析可得各遮陽(yáng)形式下不同朝向外遮陽(yáng)的建筑能耗狀況，如圖5～圖13所示。下面對(duì)水平式、垂直式、綜合式外遮陽(yáng)分別進(jìn)行分析。

將水平式外遮陽(yáng)設(shè)于各方向時(shí)的建筑空調(diào)、供暖及總能耗狀況與無(wú)外遮陽(yáng)的建筑能耗值進(jìn)行對(duì)比后，可得圖5～圖7。由圖5～圖7可知水平式外遮陽(yáng)設(shè)于不同朝向的能耗狀況：外遮陽(yáng)設(shè)于東向時(shí)建筑夏季空調(diào)節(jié)能量最大，為1 502.00 kW·h，設(shè)于南向時(shí)空調(diào)節(jié)能量最小，為1 200.80 kW·h；外遮陽(yáng)設(shè)于西向時(shí)建筑冬季供暖增能量最小，為574.37 kW·h，設(shè)于南向時(shí)供暖增能量最大，為897.66 kW·h；不同朝向設(shè)置外遮陽(yáng)的建筑總節(jié)能量由大到小依次為東向、西向、南向。

圖4 不同尺寸外遮陽(yáng)建筑總節(jié)能量 圖5 水平式外遮陽(yáng)建筑空調(diào)節(jié)能量

圖6 水平式外遮陽(yáng)建筑供暖增能量圖7 水平式外遮陽(yáng)建筑總節(jié)能量

垂直式外遮陽(yáng)設(shè)于各方向時(shí)的建筑空調(diào)、供暖及總能耗狀況與無(wú)外遮陽(yáng)的建筑能耗值進(jìn)行對(duì)比后，可得圖8～圖10。由圖8～圖10可知，垂直式外遮陽(yáng)建筑的空調(diào)節(jié)能量不同于水平式，外遮陽(yáng)設(shè)于南向時(shí)建筑夏季空調(diào)節(jié)能量最大，設(shè)于西向時(shí)空調(diào)節(jié)能量最小。垂直式外遮陽(yáng)建筑的供暖增能量和建筑總節(jié)能量總體的變化規(guī)律與水平式相同。

將綜合式外遮陽(yáng)設(shè)于各方向時(shí)的建筑空調(diào)、供暖及總能耗狀況與無(wú)外遮陽(yáng)的建筑能耗值進(jìn)行對(duì)比后，可得圖11～圖13。由圖11～圖13可知不同朝向設(shè)置綜合式外遮陽(yáng)建筑的能耗狀況：建筑空調(diào)節(jié)能量由大到小依次為東向、西向、南向；建筑供暖增能量由小到大依次為西向、東向、南向；建筑總節(jié)能量由大到小依次為東向、西向、南向。綜合式外遮陽(yáng)建筑能耗的整體變化規(guī)律與水平式基本相同。

圖8 垂直式外遮陽(yáng)建筑空調(diào)節(jié)能量圖9 垂直式外遮陽(yáng)建筑供暖增能量

圖10 垂直式外遮陽(yáng)建筑總節(jié)能量 圖11 綜合式外遮陽(yáng)建筑空調(diào)節(jié)能量

圖12 綜合式外遮陽(yáng)建筑供暖增能量圖13 綜合式外遮陽(yáng)建筑總節(jié)能量

綜合對(duì)比不同形式外遮陽(yáng)的建筑能耗變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，水平式與綜合式外遮陽(yáng)設(shè)于東向時(shí)建筑的空調(diào)節(jié)能量最大，而垂直式外遮陽(yáng)設(shè)于南向時(shí)空調(diào)節(jié)能量最大。各形式外遮陽(yáng)設(shè)于南向時(shí)建筑供暖增能量最大。不同朝向設(shè)置外遮陽(yáng)建筑的總能耗變化規(guī)律均相同，總節(jié)能量由大到小依次為東向、西向和南向。綜合式外遮陽(yáng)的節(jié)能效果要優(yōu)于水平式和垂直式。

3 結(jié)論

研究利用PKPM節(jié)能軟件對(duì)合肥地區(qū)設(shè)置金屬外遮陽(yáng)的建筑進(jìn)行能耗計(jì)算。從遮陽(yáng)板尺寸和設(shè)置朝向兩個(gè)方面對(duì)比分析不同類型外遮陽(yáng)的建筑空調(diào)、供暖及總能耗狀況，最終得出以下結(jié)論：總體而言，金屬外遮陽(yáng)板尺寸越大，建筑節(jié)能效果越好；外遮陽(yáng)板尺寸的增大有利于節(jié)約建筑夏季空調(diào)能耗，當(dāng)外遮陽(yáng)板為2.7 m時(shí)，空調(diào)節(jié)能量最大，分別為：水平式2 589.60 kW·h，垂直式1 334.80 kW·h，綜合式3 352.80 kW·h；外遮陽(yáng)板尺寸的增大對(duì)建筑冬季供暖能耗不利。隨著外遮陽(yáng)板尺寸的增大，水平式和綜合式外遮陽(yáng)的建筑節(jié)能效率不斷降低。合肥地區(qū)金屬外遮陽(yáng)設(shè)于東向時(shí)最有利于建筑總能耗的節(jié)約，之后依次為西向、南向；水平式和綜合式外遮陽(yáng)設(shè)于東向時(shí)最有利于建筑空調(diào)的節(jié)能；各形式外遮陽(yáng)設(shè)于南向時(shí)最不利于建筑供暖的節(jié)能。綜合分析，合肥地區(qū)設(shè)置綜合式外遮陽(yáng)的建筑節(jié)能效果最好，之后依次是水平式、垂直式。研究從建筑能耗的角度對(duì)合肥地區(qū)金屬外遮陽(yáng)進(jìn)行了研究，為該地區(qū)建筑外遮陽(yáng)的理論研究與設(shè)計(jì)提供一定的參考。外遮陽(yáng)在影響建筑能耗的同時(shí)，對(duì)通風(fēng)采光也有影響[14]，筆者將對(duì)此做進(jìn)一步的研究。