建筑能耗影響因素及節(jié)能優(yōu)化設(shè)計研究

陳博飛

（山西交控置地有限公司，山西 太原 030006）

1 建筑能耗影響分析

判斷建筑能耗變化方向是提高還是減少最為簡便的方法就是對比分析法，然而受復(fù)雜的實際影響因素以及各因素間的交互作用限制，單因素分析方法模擬分析實際影響因素，在其他因素固定不變的條件下，指定其中某一因素進(jìn)行變化研究，能有效對建筑節(jié)能變化方向進(jìn)行判斷[1]。

1.1 建筑體型系數(shù)

本研究模型起始平面面積設(shè)為420m2左右的固定值，建筑層高設(shè)為55.8m的固定值，分別模擬分析多種建筑體型型式，包括圓柱體、三棱柱體、正方體、長方體以及凹凸組合型體等，依次將體型系數(shù)設(shè)成0.20、0.30、0.27、0.26。對不同的平面型式進(jìn)行變換，從而使模型參數(shù)中的體型系數(shù)發(fā)生改變，并對各體型系數(shù)與建筑能耗變化之間的影響關(guān)系進(jìn)行分析對比，圖1為各體型系數(shù)下，建筑總能耗、照明能耗、制冷能耗和采暖能耗指標(biāo)的分析結(jié)果。

圖1 不同建筑體型的建筑能耗影響

通過對圖1進(jìn)行分析可得，能耗指標(biāo)方面,三棱柱體＞正方體＞長方體＞圓柱體，可認(rèn)為，在相同建筑平面面積條件下，建筑體型系數(shù)越大，其耗費的能耗指標(biāo)越大；此外，需對建筑表面的凹凸組合關(guān)系進(jìn)行合理控制，避免非必要的凹凸變化出現(xiàn)。設(shè)計時，也應(yīng)對長寬邊長比例進(jìn)行適當(dāng)選擇。平面布局型式應(yīng)考慮對圓型或長方型進(jìn)行優(yōu)先選用，從而得到較小的建筑體型系數(shù)，促使建筑所需能耗得到降低[2]。

在模擬分析中調(diào)整建筑層高設(shè)置參數(shù)，對不同體型系數(shù)對建筑能耗的影響關(guān)系進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同建筑層高的建筑能耗影響

對圖2分析可得，經(jīng)模擬分析后，建筑層數(shù)的逐漸遞增，特別是層數(shù)由3層提高至6層時，建筑總能耗呈上升趨勢，但由從6層提高至21層的時候，建筑總能耗又呈現(xiàn)下降趨勢，總能耗直至層數(shù)達(dá)到30層才又變?yōu)樯仙厔荨９士赏ㄟ^對層數(shù)進(jìn)行適當(dāng)增加的方式，使建筑體型系數(shù)得到減小，從而使建筑所需能耗得到降低。

1.2 建筑朝向

對建筑朝向進(jìn)行合理布置，在冬季，能通過足夠多的太陽輻射來提高建筑內(nèi)的室溫，使人體舒適感得到提升，并能使采暖能耗得到降低；在夏季，則可以避免由于獲得過多太陽輻射而導(dǎo)致的室溫升高問題。通常來說，建筑主立面所面向的角度即為建筑朝向[3]。本研究通過對建筑朝向方位參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，由正南方向依次逆時針偏轉(zhuǎn)15°至正東方向，然后順時針偏轉(zhuǎn)15°至正西方向，對建筑不同朝向與所需能耗間的變化影響關(guān)系進(jìn)行對比分析，分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同建筑朝向的建筑能耗影響

通過對圖3的分析可得，當(dāng)建筑處于正南朝向時，其建筑能耗，包括采暖能耗、制冷能耗和全年總能耗均處于最低水平，其次為南偏西15°朝向下的建筑能耗，且隨著向東或向西的偏角變大，建筑總能耗指標(biāo)也呈現(xiàn)漸增趨勢，當(dāng)建筑朝向完全偏向西時，各類建筑能耗指標(biāo)均達(dá)到最高，故應(yīng)避免建筑朝向向西。由前分析可知，朝向的不同也顯著影響著建筑所需能耗。

1.3 外墻傳熱系數(shù)

本研究在模擬分析建筑能耗時，將外墻傳熱系數(shù)的取值范圍設(shè)定在1.1W/（m2·K）之間。在限制傳熱系數(shù)的基礎(chǔ)上，通過對外墻材質(zhì)進(jìn)行變換，并對外墻墻體保溫層進(jìn)行厚度調(diào)整，促使外墻的熱工系數(shù)隨之變化。對居住建筑在各類外墻類型，即：鋼筋混凝土砌塊、實心磚墻、空心磚墻、加氣混凝土砌塊、EPS保溫板+混凝土砌塊等11種類型，受熱工系數(shù)變化影響帶來的全年總能耗、采暖制冷能耗及照明能耗指標(biāo)的變化情況進(jìn)行研究分析，如圖4所示。

圖4 不同建筑外墻類型的建筑能耗影響

由圖4可知，降低建筑的外墻傳熱系數(shù)并不能顯著影響其制冷能耗指標(biāo)的變化，而通過逐漸增加墻體保溫層厚度，降低墻體傳熱系數(shù)，能使采暖能耗指標(biāo)的變化趨勢隨之產(chǎn)生顯著的下降變化，以及建筑全年總能耗指標(biāo)也相應(yīng)地出現(xiàn)較為顯著的下降變化。由圖中結(jié)果還可認(rèn)為，當(dāng)建筑的保溫層厚度增大至6cm時，其采暖能耗指標(biāo)變化開始轉(zhuǎn)為較為平緩的趨勢，就算持續(xù)增大保溫層厚度，其采暖指標(biāo)仍未出現(xiàn)明顯的變化趨勢。

1.4 屋頂傳熱系數(shù)

在模擬分析建筑能耗時，將外墻傳熱系數(shù)的取值范圍控制在不超過0.6W/（m2·K）。在限制屋頂傳熱系數(shù)參數(shù)設(shè)定的基礎(chǔ)上，通過屋頂保溫層的厚度調(diào)整來改變屋頂熱工系數(shù)[4]，對不同屋頂構(gòu)造類型的居住建筑，即：細(xì)石混凝土配鋼筋4cm+防水瀝青+水泥砂漿2cm+擠塑聚苯板XPS（不同厚度）+鋼筋混凝土12cm+水泥砂漿2cm，在受熱工系數(shù)變化影響下，其全年總能耗，和采暖、制冷能耗指標(biāo)的變化情況進(jìn)行研究，研究結(jié)果見圖5。

通過對圖5的分析可見，采暖能耗與制冷能耗具有同步的降低變化趨勢，照明能耗始終保持不變的趨勢，隨著逐漸增大屋面保溫層厚度，建筑總能耗也在緩慢下降。據(jù)此可認(rèn)為，建筑物在滿足結(jié)構(gòu)荷載的前提下，可通過增加調(diào)節(jié)屋面保溫層厚度的方式，實現(xiàn)建筑能耗指標(biāo)的降低控制，但若對屋面保溫層厚度進(jìn)行無限的增加，則有可能會使得屋頂結(jié)構(gòu)的耐久性和牢固程度受到影響，同時也會使屋頂所受荷載壓力增大。

圖5 不同建筑屋頂類型的建筑能耗影響

1.5 窗墻比

在夏季制冷時，由窗戶接收到的外界太陽輻射將大幅增加室內(nèi)的能耗水平。當(dāng)窗墻比取值不超過0.7時，能使采光通風(fēng)得到良好保證，同時也能使使用者心理需要得以滿足。通過對建筑窗墻比設(shè)置參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對不同窗墻比取值下，建筑能耗的變化情況進(jìn)行對比分析。圖6為不同窗墻比對總能耗、照明能耗、采暖和制冷能耗指標(biāo)變化的影響分析結(jié)果。

圖6 不同窗墻比的建筑能耗影響（以南向為例）

通過對圖6的分析，對南向窗墻比取值進(jìn)行調(diào)整可發(fā)現(xiàn)，隨著窗墻比取值的增大，采暖能耗指標(biāo)呈現(xiàn)緩慢下降的變化趨勢；而制冷能耗指標(biāo)隨著南向窗墻比的增加而增加，且趨勢較為穩(wěn)定；同時，由于制冷能耗上升趨勢陡于采暖能耗下降趨勢，總能耗的變化趨勢總體表現(xiàn)為上升變化。由以上分析結(jié)果可知，當(dāng)南向窗墻比取值在0.4上下時，能得到較為適宜的全年總能耗指標(biāo)，同時也是較為合理的居住建筑窗墻比取值。在冬冷夏熱地帶，為確保冬季能得到更多的太陽輻射，需對增大南向窗墻比進(jìn)行適當(dāng)考慮，使室內(nèi)舒適感得到提升。

2 原方案建筑能耗分析

選取某小區(qū)住宅建筑作為案例，本研究采用BIM技術(shù)對監(jiān)理基礎(chǔ)模型進(jìn)行搭建，并在Design Builder中導(dǎo)入模型，分析其全年運行總能耗以及采暖、制冷能耗，對采取節(jié)能優(yōu)化措施前的原方案能耗指標(biāo)進(jìn)行獲取，作為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計后的能耗指標(biāo)的對比。

2.1 BIM模型構(gòu)建

采用Revit軟件，搭建原方案的BIM信息模型，并導(dǎo)出為gb.XML格式文件，然后在Design Builder軟件中導(dǎo)入該格式文件，再調(diào)整模型并設(shè)置各相關(guān)參數(shù)[5]。

2.2 原方案的能耗指標(biāo)結(jié)果

對原始模型進(jìn)行適當(dāng)簡化調(diào)整，在Design Builder中導(dǎo)入模型并模擬其能耗指標(biāo)數(shù)據(jù)，能耗指標(biāo)模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 原方案能耗指標(biāo)

3 優(yōu)化方案設(shè)計及能耗分析

結(jié)合前述居住建筑能耗影響因素分析，并以當(dāng)?shù)鼐幼〗ㄖ?jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中取限值為基礎(chǔ)，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)對照建筑的取值，提出下列三種節(jié)能優(yōu)化方案，如表1所示。

表1 節(jié)能優(yōu)化設(shè)計方案

對三種節(jié)能優(yōu)化方案的能耗指標(biāo)進(jìn)行模擬后，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖8所示。

通過對圖8的分析，方案A有最低的總能耗模擬結(jié)果，其中，建筑采暖能耗由38543.62kWh降至26559.04kWh，達(dá)到了31.1%的降幅；制冷能耗由31035.89kWh降低到20176kWh，達(dá)到了35%的降幅。相比原建筑方案，方案A節(jié)能25.6%，方案B節(jié)能24.1%，方案C節(jié)能10.2%。在總能耗、采暖能耗和制冷能耗指標(biāo)上，三種優(yōu)化方案均能實現(xiàn)節(jié)能效果，可結(jié)合項目所在區(qū)域具體需要，對最適宜的節(jié)能優(yōu)化方案進(jìn)行綜合比選。

圖8 優(yōu)化方案能耗指標(biāo)

4 結(jié)語

設(shè)計居住建筑的過程中，方案階段存在著較多的可變因素和不確定因素，靈活度較強(qiáng)。在方案階段的設(shè)計時，即提出相應(yīng)的居住建筑節(jié)能優(yōu)化策略，且在建筑整個生命周期內(nèi)越早地介入，越有助于促進(jìn)節(jié)能優(yōu)化目標(biāo)的實現(xiàn)。對當(dāng)?shù)貙嶋H氣象參數(shù)情況進(jìn)行充分參考，利用相關(guān)軟件模擬分析不同方案的能耗指標(biāo)，對不同因素影響節(jié)能優(yōu)化措施的效果進(jìn)行對比分析，對各種限制因素進(jìn)行全面考慮，結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H對最佳節(jié)能優(yōu)化方案進(jìn)行篩選，在確保使用者生理和心理需求均能得到滿足的同時，也能實現(xiàn)節(jié)約能耗效果的優(yōu)化。