夏熱冬冷地區(qū)高層住宅建筑節(jié)能設(shè)計方案探討

王慧麗（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司， 上海 201108）

我國正處于城市化快速發(fā)展時期，每年新增建筑面積約20 億 m2，2020 年我國建筑面積預(yù)計將達到約 700 億 m2，逐步形成世界上最大的建筑市場[1]。基于此背景，普及建筑節(jié)能設(shè)計無疑將會為我國的節(jié)能減排工作做出重要貢獻。夏熱冬冷地區(qū)地域廣袤，具有獨特的熱工性能，因此在進行建筑圍護結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計時不僅要注重保溫性能，還需注重隔熱性能[2]。本文以夏熱冬冷氣候區(qū)中的典型地區(qū)—上海為例，基于斯維爾節(jié)能設(shè)計軟件，以典型某高層住宅建筑的圍護結(jié)構(gòu)為案例，從外墻、屋面、外窗等方面分析圍護結(jié)構(gòu)不同熱工參數(shù)對高層居住建筑能耗的影響，確定合理的圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計組合方案。以期在滿足室內(nèi)人員舒適性前提下，降低建筑實際能耗。

1 斯維爾軟件

斯維爾節(jié)能設(shè)計軟件 BECS 2016 是一套為建筑節(jié)能提供分析計算功能的軟件系統(tǒng)，構(gòu)建于 AutoCAD 平臺之上，適于全國各地的居住建筑和公共建筑節(jié)能審查和能耗評估。軟件采用三維建模，并可以直接利用主流建筑設(shè)計軟件的圖形文件，避免重復(fù)錄入，因此能夠大大提高設(shè)計圖紙節(jié)能審查的效率。

建模過程如下所示：① 空間劃分；② 建樓層框；③每標(biāo)準(zhǔn)層分別創(chuàng)建墻、窗、柱等圍護結(jié)構(gòu)；④ 進行重疊檢查、柱墻檢查、模型檢查、墻基檢查；⑤ 搜索房間；⑥ 模型觀察，檢查樓層是否閉合；⑦ 設(shè)置項目基本信息，選擇計算標(biāo)準(zhǔn)，建筑朝向；⑧ 設(shè)置各房間類型；⑨ 設(shè)置工程材料；⑩ 計算建筑負(fù)荷。

2 建筑建模

2.1 基準(zhǔn)建筑

選取基準(zhǔn)建筑為上海市某高層住宅樓，總建筑面積 7 696.70 m2，建筑高度 60.6 m。其中：建筑地上19 層，建筑面積 7 255.22 m2；地下 2 層，建筑面積441.48 m2。

2.2 設(shè)置參數(shù)

基于斯維爾節(jié)能設(shè)計軟件，建立典型高層居住建筑模型，依據(jù) JGJ 134—2010 《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，設(shè)置基準(zhǔn)建筑相關(guān)信息及參數(shù)。

設(shè)置圍護結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)見表 1，其中主要設(shè)置參數(shù)包括屋面、外墻、分戶墻、樓板、隔墻等傳熱系數(shù)，以及外窗綜合傳熱系數(shù)、綜合遮陽系數(shù)等。

表 1 圍護結(jié)構(gòu)主要參數(shù)表

3 結(jié)果分析

設(shè)置參數(shù)完畢，則可運行軟件。對該建筑模型進行計算，得出了設(shè)置不同圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)后對應(yīng)的建筑能耗。下文分析了該高層居住建筑外墻、屋面、外窗在選取不同的關(guān)鍵參數(shù)值時，建筑能耗的相應(yīng)變化情況，以期獲得圍護結(jié)構(gòu)最佳的組合設(shè)計方案。

3.1 外墻傳熱系數(shù)影響

設(shè)置基準(zhǔn)建筑模型，保持屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 1.0 W/(m2·K)、外窗綜合傳熱系數(shù) 3.2 W/(m2·K)、外窗綜合遮陽系數(shù)Sw為 0.87。在其他圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的前提下，通過改變外墻保溫材料的厚度，來研究外墻熱工性能敏感性。建筑能耗與外墻綜合傳熱系數(shù)間的關(guān)系如表 2 及圖 1 所示。

表 2 外墻傳熱系數(shù)取值

圖 1 外墻熱工性能敏感性

通過分析可知，保持屋面、外窗等基礎(chǔ)性能參數(shù)不變時，隨著保溫材料厚度增大，外墻傳熱系數(shù)呈減小趨勢，且供冷、供熱能耗均呈減少趨勢。單位面積空調(diào)采暖年耗電量減小幅度依次為 1.60 kWh/m2、1.09 kWh/m2、1.21 kWh/m2、1.48 kWh/m2、1.64 kWh/m2。減小幅度基本保持穩(wěn)定，說明外墻保溫材料厚度增加，傳熱系數(shù)減小時，對于高層住宅的整體節(jié)能效果相對明顯。

3.2 屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)影響

設(shè)置基準(zhǔn)建筑模型，保持外墻傳熱系數(shù)為 1.5 W/(m2·K)、外窗綜合傳熱系數(shù) 3.2 W/(m2·K)、外窗綜合遮陽系數(shù)Sw為 0.87。在其他圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的前提下，通過改變屋面保溫材料的厚度，來研究屋面熱工性能敏感性。建筑能耗與屋面綜合傳熱系數(shù)間的關(guān)系如表 3 及圖 2 所示。

表 3 屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取值

圖 2 屋面熱工性能敏感性

通過分析可知，保持外墻、外窗等基礎(chǔ)性能參數(shù)不變時，隨著保溫材料厚度增大，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)呈減小趨勢，且供冷、供熱能耗均呈減少趨勢。單位面積空調(diào)采暖年耗電量減小幅度依次為 0.14 kWh/m2、0.16 kWh/m2、0.14 kWh/m2、0.16 kWh/m2。減小幅度基本保持穩(wěn)定，但相對于外墻，對建筑能耗的影響較小，說明屋面保溫材料厚度增加，傳熱系數(shù)減小時，對于高層住宅的整體能耗有影響，但影響較不明顯。

3.3 外窗傳熱系數(shù)、綜合遮陽系數(shù)影響

設(shè)置基準(zhǔn)建筑模型，保持外墻傳熱系數(shù)為 1.5 W/(m2·K)、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 1.0 W/(m2·K)。在其他圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的前提下，選取不同傳熱系數(shù)、綜合遮陽系數(shù)的 8組外窗，研究外窗保溫性能敏感性。

建筑能耗與外窗性能參數(shù)間的關(guān)系如表 4 及圖 3 所示。

表 4 外窗傳熱系數(shù)、綜合遮陽系數(shù)取值

圖 3 外窗保溫性能敏感性

經(jīng)分析可知，不同于上述外墻、屋面的建筑能耗呈現(xiàn)直線下降趨勢，外窗性能參數(shù)與建筑空調(diào)采暖能耗間呈現(xiàn)波動關(guān)系。當(dāng)外窗傳熱系數(shù)及綜合遮陽系數(shù)從組合 1“3.3+0.9”變化至組合 5“3.0+0.7”時，空調(diào)供暖能耗隨著外窗傳熱系數(shù)及綜合遮陽系數(shù)的減小而波動。這主要是由于當(dāng)綜合遮陽系數(shù)降低時，遮陽性能顯著，影響冬季室內(nèi)采光，空調(diào)耗電量雖略有下降，但采暖耗電量上升，波動幅度依次為 0.05 kWh/m2、-0.23 kWh/m2、0.22 kWh/m2、0.12 kWh/m2。從組合 5“3.0+0.7”變化至組合 8“2.2+0.4”時，建筑能耗呈現(xiàn)下降趨勢。這主要是由于外窗傳熱系數(shù)及綜合遮陽系數(shù)減小，導(dǎo)致空調(diào)耗電量降低，其降低幅度超過采暖耗電量上升幅度，單位面積空調(diào)采暖年耗電量減小幅度依次為 0.07 kWh/m2、0.35 kWh/m2。

3.4 外墻、屋面、外窗綜合影響

在實際建筑設(shè)計過程中，不會出現(xiàn)單獨設(shè)計或分開設(shè)計外墻、屋面及外窗的熱工性能的情況，必然是同時設(shè)計三者。因此本文選取三種組合，觀察哪一組為最佳組合。組合1 為屋面采用最優(yōu)性能，外墻與外窗采用普通性能；組合 2為外墻采用最優(yōu)性能，屋面與外窗采用普通性能；組合 3 為外窗采用最優(yōu)性能，外墻與屋面采用普通性能。具體參數(shù)取值見表 5。

表 5 不同組合下的單位空調(diào)供暖能耗

通過斯維爾節(jié)能設(shè)計軟件的模擬結(jié)果可以看出，組合 2單位面積空調(diào)采暖年耗電量最少，僅為 40.41 kWh/m2，相比組合 1 和組合 3 的能耗分別減少了 4.7% 和 9.6%，因此可確定組合 2 為最佳方案。

4 結(jié) 語

本文通過探討典型夏熱冬冷地區(qū)—上海某高層居住建筑的圍護結(jié)構(gòu)的外墻、屋面及外窗的參數(shù)變化對建筑能耗的影響，得出如下結(jié)論。

（1）夏熱冬冷地區(qū)高層住宅建筑能耗的影響因素探討分析可知，各因素對建筑能耗的影響程度依次為：外墻＞屋面＞外窗。

（2）通過利用斯維爾節(jié)能設(shè)計軟件進行模擬，提出一套適合于夏熱冬冷地區(qū)高層住宅建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)的設(shè)計方案：即外墻傳熱系數(shù) 0.6 W/m2·K、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)0.6 W/m2·K、外窗綜合傳熱系數(shù) 2.7 W/m2·K、綜合遮陽系數(shù) 0.6。