建筑外圍護結構的節能設計與優化

李紅鋒，王珂奇

(1.亳州職業技術學院 建筑工程系，安徽 亳州 236800；2.安徽建筑大學 土木工程學院，合肥 230601)

由于嚴寒區域在我國的占地面積較廣，其建筑節能效果一直是建筑行業施工單位和研究院所共同關注的課題[1]，包括已有節能改造以及建筑的設計與施工方案等。在建筑節能的設計與優化過程中，外圍護結構是重中之重，這主要是因為外圍護結構是實現節能的關鍵[2]，在建筑節能標準與要求不斷提升的背景下，對建筑外圍護結構進行設計與優化是值得研究的課題[3]，然而實際工程改造測試周期長、成本高，而采用模擬的方法不僅可以有效得出節能效果參數[4-5]，還具有模擬便捷、成本低等特點，而目前國內在建筑外圍護節能效果模擬與應用方面的研究報道較少[6]。本文基于嚴寒地區建筑外圍護結構的應用現狀，對外圍護結構中的各項參數進行了優化模擬，結果將有助于外圍護結構的節能設計與改造。

1 建筑外圍護結構

1.1 基本特征

本文選取嚴寒地區具有代表性的外圍護結構作為研究對象，該建筑為6層多層住宅，總高為17.8 m、層高3.2 m，結構形式為磚混結構、朝向為南北向。

外圍護結構主要包括墻體、隔墻、屋面和外窗，其中墻體部分由混合砂漿、多孔磚、保溫層和抗裂砂漿等組成，屋面由防水層、找平層、保溫層、找平層、珍珠巖找平層、屋面板和混合砂漿組成，外窗由南(6+13+6玻璃窗)、北(6+13+6推拉窗)和東西(6+13+6平開窗)外窗組成，且所有玻璃都為中空浮法玻璃。

1.2 能耗模擬

采用Design Builder軟件對嚴寒地區建筑外圍護結構的能耗進行模擬[7-9]，軟件操作界面如圖1所示。能耗模擬共分為8組(包含對照組、X組、Y組、Z組、X+Y組、X+Z組、Y+Z組、X+Y+Z組)，模擬參數以選區的典型建筑作為參照，包括墻體、隔墻、屋面和外窗等幾個部分。屋面保溫層(150 mm)和墻體保溫層(180 mm)厚度作為參數X，窗玻璃作為參數Y，窗墻比作為參數Z(南0.6、北0.3)，參照典型建筑的遮陽方式，模擬中均采用卷窗遮陽。

圖1 嚴寒地區建筑外圍護結構的能耗模擬軟件操作界面

采用Design Builder軟件對嚴寒地區建筑外圍護結構的能耗進行模擬過程中，需要單獨考慮各外圍護結構的基本參數[10-12]，以更好地實現節能設計優化。嚴寒地區建筑外圍護結構中的墻體、隔墻、屋面和外窗部分的工程實際應用和軟件模擬應用參數如表1～4所示[13-16]，都分別考慮了實際工程和軟件模擬中的應用情況。

1)墻體。嚴寒地區建筑外圍護結構中墻體的應用參數如表1所示，其中實際工程和軟件模擬中的傳熱系數分別為0.581 W·m-2·K-1和0.555 W·m-2·K-1。

表1 嚴寒地區建筑外圍護結構中墻體的應用參數

2)隔墻。嚴寒地區建筑外圍護結構中隔墻的應用參數如表2所示，其中實際工程和軟件模擬中的傳熱系數分別為0.534 W·m-2·K-1和0.537 W·m-2·K-1。

表2 嚴寒地區建筑外圍護結構中隔墻的應用參數

3)屋面。嚴寒地區建筑外圍護結構中墻體的應用參數如表3所示，其中實際工程和軟件模擬中的傳熱系數分別為0.431 W·m-2·K-1和0.399 W·m-2·K-1。

表3 嚴寒地區建筑外圍護結構中屋面的應用參數

4)外窗。嚴寒地區建筑外圍護結構中墻體的應用參數見表4。

表4 嚴寒地區建筑外圍護結構中外窗的應用參數

2 結果與分析

圖2為嚴寒地區建筑外圍護結構中不同組別的耗能量分析結果，分別列出了采暖模式、制冷模式和采暖+制冷模式下的耗能量。在采暖模式下，相較于對照組(第1組)，第2～8組的能耗都相對有所降低；在單一方式下，第4組的能耗降低不如第2和第3組；在2種組合方式下，能耗降低最大的是第5組，其次為第7組；3種組合方式下，第8組的能耗降低最大，為采暖模式下能耗最低的。在制冷模式下，第2、第3和第5組都可以起到一定的降低能耗作用，而第4組、第6、第7和第8組反而使得能耗增加。從采暖+制冷模式下，能耗降低效果最好的是第8組，其次為第5組，而能耗降低消耗較差的是第2組，但是整體而言，組合效果都要優于對照組。

圖2 嚴寒地區建筑外圍護結構中不同組別的耗能量

表5為嚴寒地區建筑外圍護結構的能耗分析結果，分別列出了采暖、制冷、采暖+制冷模式下的單位面積能耗和遞減量。可見，8組措施下的能耗變化趨勢與圖2保持一致。即在采暖模式下，能耗降低效果從大至小順序為：8>5>7>6>3>2>4>1；制冷模式下，能耗降低效果從大至小順序為：5>3>2>1>6>8>7>4；采暖+制冷模式下，能耗降低效果從大至小順序為：8>5>7>6>3>2>4>1。由此可見，在對嚴寒地區建筑外圍結構進行優化設計過程中，單一方式下窗戶的傳熱效果對采暖能耗的影響遠大于窗墻比，2種組合方式下墻體、屋面和窗戶的傳熱系數對能耗的降低效果要優于增大窗墻比；雖然為了增加制冷效果可以增加窗墻比，但是對采暖效果影響較大。整體而言，從采暖模式和采暖+制冷模式角度出發，第8組方案的能耗最低，可以取得最好的節能效果。

表5 嚴寒地區建筑外圍護結構的能耗分析結果

根據上述模擬結果可知，要想對既有嚴寒地區建筑外圍護結構進行優化以提升節能效果，采取單一方式和2種組合方式的效果不如X+Y+Z模式，為了綜合提升嚴寒地區建筑外圍結構的節能效果[17]，需要對外窗、墻體、屋面等機構進行整體優化設計，以最大限度降低能耗，具體節能設計優化方案如表6所示。

表6 嚴寒地區建筑外圍護結構的節能設計優化

3 結論

1)在采暖+制冷模式下，能耗降低效果最好的是第8組，其次為第5組，而能耗降低消耗較差的是第2組，但是整體而言，組合效果都要優于對照組。

2)在采暖模式下，能耗降低效果從大至小順序為：8>5>7>6>3>2>4>1；制冷模式下，能耗降低效果從大至小順序為：5>3>2>1>6>8>7>4；采暖+制冷模式下，能耗降低效果從大至小順序為：8>5>7>6>3>2>4>1。

3)采取單一方式和2種組合方式的效果不如X+Y+Z模式，為了綜合提升嚴寒地區建筑外圍結構的節能效果，提出了嚴寒地區外圍護結構的節能設計方案。