夏熱冬冷地區公共建筑低能耗設計策略研究

李晶磊

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司常州分院）

0 引言

能源短缺問題不僅是時代性的難題，也是人類共同面對的挑戰，利用可再生能源和節約資源成為緩解能源短缺問題的有效途徑之一[1]。在我國，城鎮化進程的加劇使得人口大量向城市集聚，為解決市民的居住、娛樂、教育和商業等，修建了大量的建筑物，這些建筑為了提供舒適的居住環境，在運行的過程中消耗了大量的能量應用于建筑中的通風空調系統、照明電力系統等。公共建筑作為人口流量大、人員活動密集的場所，其能源消耗比普通的住宅建筑高約30%～50%，成為建筑節能設計的重點研究對象[2]。夏熱冬冷地區的公共建筑節能面臨著更多的能源消耗問題，通過對夏熱冬冷地區公共建筑類項目案例的研究，結合主被動低能耗設計策略，以及可再生能源的利用，進一步挖掘公共建筑節能潛力，營造綠色低碳、舒適健康的建筑活動空間。

1 工程概況

某圖書館建筑位于華中地區城市中心，建筑面積為25020m2，平面形狀大致為矩形，立面較為規整，根據不同的功能的采光需求，開窗面積有所區別。圖書館共有5 層，館內設置有4 個閱覽書庫、4 個典藏書庫和3 個電子預覽室，還具備多功能報告廳、多媒體培訓教室和研討室等多種形式的信息共享空間。圖書館建筑設計了空調系統、通風系統、監控系統、不間斷供電系統、VPN系統和環境監測系統等。圖書館所在區域具有典型的夏季高溫、冬季濕冷的典型特征。全年月平均氣溫（干球溫度）呈現典型的拋物線特征，7 月份年月平均氣溫為全年的極大值，為30℃；11 月份至次年3 月份的月平均氣溫小于15℃，1 月份年月平均氣溫為全年的極小值，為5℃；1～11月份月平均相對濕度較為80%，12月份月平均相對濕度為60%；全年月平均太陽總輻射也呈現典型的拋物線特征，7 月份月平均太陽總輻射為全年的極大值，為550MJ/m2；11 月份至次年2 月份的月平均太陽總輻射小于300MJ/m2，1 月份月平均太陽總輻射為全年的極小值，為200℃。

2 低碳公共建筑主動設計策略

公共建筑的熱消耗是以人體的熱舒適為根本，在綜合評價公共建筑室內熱環境的舒適度方面，預測平均熱感覺指標PMV 是最為重要的評價指標之一。公共建筑冬季和夏季的熱環境參數中，能對預測平均熱感覺指標PMV 產生最為顯著影響的指標有2 個，分別是公共建筑內空氣溫度和平均輻射溫度。因此在室內熱環境參數的綜合調節中，控制這2 個指標參數是對降低公共建筑能源消耗的關鍵。本研究以圖書館內預測平均熱感覺指標PMV 為控制目標，分析夏季和冬季室內平均輻射溫度與室內空氣設定溫度的相互關系，夏季館內相對濕度控制為56%，冬季館內相對濕度控制為52%，得到分析結果如表1所示。

表1 公共建筑夏季和冬季室內平均輻射溫度對室內空氣設定溫度的影響

以人體熱舒適度的角度出發，分別從主動式和被動式兩種方式來給出公共建筑低能耗設計策略。在公共建筑低能耗設計中，主要有建筑低能耗主動式設計和建筑低能耗被動式設計兩種方式[3]。

項目建筑低能耗主動式設計策略主要采取的是通過優化空調系統能效比的方式，可以參考《房間空氣調節器能效限定值和能源效率級別》[4]。表2 為不同能效比對建筑能耗的影響。從表2 中可以，在夏季，當空調系統效能比固定的情況下，隨著室內空氣溫度的升高，空調能耗呈明顯下降趨勢，且當室內空氣溫度不變，當空調系統能效比進行優化提升后，空調的能耗也呈明顯下降趨勢；在冬季，當空調系統效能比固定的情況下，隨著室內空氣溫度的降低，空調能耗呈明顯下降趨勢，且當室內空氣溫度不變，當空調系統能效比進行優化提升后，空調的能耗也呈明顯下降趨勢。

表2 公共建筑夏季和冬季設備系統能效比對室內空氣溫度的設計策略

3 低碳公共建筑動設計策略

項目建筑低能耗被動式設計策略主要以優化建筑圍護結構，優化建筑外立面遮陽，以及利用可再生能源這三個方式來綜合設計的。

策略一：通過優化建筑圍護結構來合理降低建筑能耗。

表3 為不同圍護結構熱工性能對建筑能耗的影響。從表3 中可以，在同一圍護結構等級下，隨著室內空氣溫度的增加，夏季空調能耗呈近線性降低，隨著圍護結構等級的增加，夏季空調能耗也逐步降低；在同一圍護結構等級下，隨著室內空氣溫度的降低，冬季采暖能耗呈近線性降低，隨著圍護結構等級的增加，冬季采暖能耗也逐步降低。

表3 公共建筑夏季和冬季圍護結構對室內空氣溫度的設計策略

策略二：優化外立面遮陽來降低能耗。

考慮夏季針對圖書館中不同功能的房間，選用的遮陽方式也有所區別[5]。閱覽室以及報告廳等功能，為了保證良好的采光，在立面上需要使用大面積的玻璃，那么能耗久相對較高。在夏季，需要有效的隔熱，為了有效的降低房間內部的輻射溫度，在這些功能房間的南側立面可以采用水平外遮陽的方式，有效遮蔽夏季高太陽高度角的直射陽光，在西側可以采用垂直的遮陽方式，有效遮蔽低太陽高度角的西曬時的直射陽光，能效的降低室內輻射溫度；而在冬季房間需要有足夠的采暖時，太陽高度角也較低，陽光可以直接從遮陽板下方直接射入房間，提高房間熱輻射溫度。因此，通過合理的遮陽板的優化設計，夏季減少直射陽光，降低室內輻射溫度，冬季不影降直射陽光，提高室內輻射溫度，可以有效達到低降能耗的效果。

策略三：可再生能源的利用。

圖書館在地下50m 范圍內埋設了冷熱棒作為室內人環境調節系統，用以調節室內冬夏季節的室內溫度，為研究圖書館建筑物的能耗效果，對室外環境溫度和室內溫度進行監測，夏季監測時間為7 月21 日～7 月26日，冬季監測時間為3 月4 日～3 月8 日，如圖1、圖2 所示。夏季觀測期間室外環境溫度呈現規律性的波動，其極端高溫為35℃，由于7 月23 日存在大氣降雨，因此溫度相對較低且變化較為平穩，最低溫也為25℃，白天室外太陽輻射強度也呈現規律性的波動，極端太陽輻射強度為800W/m2；冬季觀測期間室外環境溫度呈現規律性的波動，其極端高溫為12.2℃，出現在3 月7 日，對應的極端太陽輻射強度為700W/m2。

圖1 圖書館夏季太陽輻射和室外溫度測量結果

圖2 圖書館冬季太陽輻射和室外溫度測量結果

圖3、圖4 分別為圖書館內夏季和冬季的風機盤管出口、風機盤管進口、送風口和室內溫度監測變化情況。從圖3 中可以看出室內溫度受到環境溫度的影響呈現起伏變化，但每日的室內氣溫變化相對較小，不超過1.5℃。風機盤管進出水溫度與室內送風溫度的變化規律大致相同，進水溫度基本控制在24℃～26℃，進出水溫度差與室內環境調節系統的開啟時間有關，時間越長，其溫差逐步減小。從圖4 中可以看出室內溫度受到環境溫度的影響變化幅度較大，溫度的變化范圍為10.5℃～16.5℃，風機盤管進出水溫度與室內送風溫度的變化規律基本一致，進水溫度基本控制在16.2℃～17.2℃，送風溫度基本控制在15.4℃～16.5℃，起到了良好的室內溫度調節作用。

圖3 夏季室內熱環境變化特征

圖4 冬季室內熱環境變化特征

4 結論

以華中地區某博物館為研究對象，基于主動式設計方法和被動式設計方法對低能耗公共建筑的設計策略進行研究，得到以下幾個結論：

⑴在同一夏季空調系統能效比條件下，如果夏季室內通風效果較好，冬季熱輻射足夠，人體平均熱感指標平穩，那么夏季室內空氣溫度設定可以略高，冬季室內空氣溫度設定可以略低，從而降低能耗；在同一室內空氣溫度設定，人體平均熱感指標平穩，增加空調能好效能比，能耗也逐步降低。

⑵其他常量不變的情況下，優化建筑圍護結構，增加圍護結構的等級，能有效降低夏季空調及冬季采暖能耗。

⑶在需要大面積使用玻璃的功能房間，南側使用水平遮陽，西側使用垂直遮陽，能有效的降低夏季室內輻射溫度并提升冬季室內輻射溫度，起到降低能耗的效果。

⑷對室外環境溫度和室內溫度進行監測表明，采用圖書館在地下50m 范圍內埋設了冷熱棒作為室內人環境調節系統，起到了良好的室內溫度調節作用，有效降低能耗。