290小型公共建筑能耗特性的比較研究

1、第十六屆全國暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)投稿小型辦公建筑能耗特性的比較研究邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院 魏一然 王京邯鄲建設(shè)銀行滏東支行 陳志宏 摘要 針對(duì)建筑面積在3000平米以下的小型辦公建筑，根據(jù)建筑所處地域、功能、體形系數(shù)、朝向、窗墻面積比、遮陽、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱等因素，應(yīng)用Dest-2和正交試驗(yàn)法，針對(duì)建筑使用能耗進(jìn)行全方位、全生命周期的分析。其結(jié)果表明，建筑面積、建筑的正面朝向、室內(nèi)溫度、窗墻面積比、機(jī)器與照明熱、窗玻材料、屋頂傳熱系數(shù)是影響建筑夏季冷負(fù)荷主要的因素，設(shè)計(jì)和控制好這些因素是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能目標(biāo)的重要手段，在建筑設(shè)計(jì)過程中要充分考慮以上因素對(duì)建筑能耗的影響。關(guān)鍵詞 小型辦公建筑 耗冷量 耗熱量

2、建筑節(jié)能 1引言目前，建筑耗能已與工業(yè)耗能、交通耗能并列，成為我國能源消耗的三大能耗大戶。我國每年新建房屋約20億平米，其中城市建筑約10億平米，大型公共建筑占不到城鎮(zhèn)建筑總量的4%?？梢娦⌒凸步ㄖ臄?shù)量相當(dāng)可觀，研究以辦公建筑為代表的小型公共建筑能耗，對(duì)建筑節(jié)能同樣具有十分重要意義。2 研究方法建立了基準(zhǔn)層面積分別為500m2、700m2、900m2的建筑模型，在不同朝向、外遮陽、建筑形狀比（正面長/側(cè)面長）、外遮陽、室內(nèi)設(shè)定溫度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、窗墻面積比、室內(nèi)散熱、窗玻材料等影響建筑能耗的因素下，采用正交試驗(yàn)和DeST-2模擬分析軟件，通過改變因素的水平，對(duì)建筑全年的得、失熱量進(jìn)行分

3、析，找到了10個(gè)因素搭配的最佳水平，并分析不同的因素對(duì)建筑得、失熱量影響的主次關(guān)系，建立得、失熱量與主要因素的函數(shù)關(guān)系。3 建筑模型的建立與輸入條件選擇3.1 建筑模型 按不同的基準(zhǔn)層面積和形狀比在Dest軟件中構(gòu)建辦公建筑模型，圖1為基準(zhǔn)層面積700平米、形狀比1：2的建筑，由于篇幅所限，文中其它建筑模型不再顯示。3.2 氣象參數(shù)選擇 本文以河北省邯鄲市為例。夏季平均室外氣溫29.9，夏季平均室外風(fēng)速2.0m/s，冬季室外平均溫度1。冬、 夏季室外逐時(shí)氣溫參數(shù)依據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供的氣象數(shù)據(jù)。3.3 輸入條件 輸入條件分固定參數(shù)和變化參數(shù)3.3.1 固定參數(shù)的輸入固定參數(shù)的取值主要參照現(xiàn)行相關(guān)

4、國家及地方標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范以及實(shí)際工程的常規(guī)做法，考慮到試驗(yàn)結(jié)果的可比性，對(duì)不同形式的辦公建筑采用了一致的輸入?yún)?shù)，如：建筑層數(shù)、層高、外窗位置等，其取值見表1。其中選定辦公室人員密度為0.2人/m2，新風(fēng)量依據(jù)采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范GB500192003的規(guī)定，取30m3/h·人。表1 固定參數(shù)建筑層數(shù)三層人員密度0.2人/m2空調(diào)面積比70%新風(fēng)量30m3/h.人層高4.0m換氣次數(shù)0.5次/h外窗位置正面設(shè)置空調(diào)時(shí)間7時(shí)20時(shí)3.3.2 變化參數(shù)及水平選取影響建筑能耗的變化條件和水平的參數(shù)選取見表2表2變化條件和水平的選取變化條件水平因素選取方案123A 基準(zhǔn)層面積500m2

5、700 m2900 m2B 正面朝向南北西C 形狀比1：12:13:1D 外遮陽無遮陽1遮陽2E 室內(nèi)設(shè)定溫度夏季24冬季20夏季26冬季20夏季28冬季20F 外墻傳熱系數(shù)2.0W/m2·標(biāo)準(zhǔn)層18mm多孔砼70mm1.2W/m2·標(biāo)準(zhǔn)層18mm多孔砼150mm0.67 W/ m2·標(biāo)準(zhǔn)層18mm多孔砼300mmG 正面窗墻面積比60%35%10%H 機(jī)器熱照明熱10 W/ m230W/ m250W/ m2I 窗玻材料6mm普通玻璃普通中空內(nèi)張膜（單層）J 屋頂傳熱系數(shù)0.54 W/ m2·標(biāo)準(zhǔn)層150mm苯板保溫層 70mm0.83 W/ m2

6、83;標(biāo)準(zhǔn)層150mm苯板保溫層 40mm1.77 W/ m2·標(biāo)準(zhǔn)層150mm苯板保溫層 10mm有關(guān)參數(shù)說明如下： 房間的性質(zhì)定位為普通辦公室，建筑內(nèi)部發(fā)熱量包括照明、家電和人體散熱，計(jì)算時(shí)分別取3個(gè)水平。其作息時(shí)間按DeST默認(rèn)值選取，見圖2圖7； 夏季室內(nèi)設(shè)定溫度依據(jù)采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50019-2003中舒適性空調(diào)室內(nèi)計(jì)算參數(shù)設(shè)定為3個(gè)水平：24、26、28。 建筑內(nèi)部發(fā)熱量（包括照明、家電和人體散熱）：人員散熱按單位面積人數(shù)0.2人/ m2，人均發(fā)熱量64W/人計(jì)算；機(jī)器熱+照明熱取10 W/m2、30 W/m2、50 W/m2三個(gè)水平； 冬季室內(nèi)設(shè)定溫度均為

7、20； 建筑方位以該建筑長邊正交線所指方向?yàn)檎娉颍捎谠囼?yàn)?zāi)Ｐ偷慕ㄖ娣e、體形系數(shù)、形狀比各不相同，為便于結(jié)果分析，本試驗(yàn)將整個(gè)建筑外表面的窗墻面積比與正面窗墻面積比設(shè)為相同； 外遮陽按DeST默認(rèn)提供值，分別選為：無遮陽、遮陽1、遮陽2；見表3和圖8； 窗戶和墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的做法及其傳熱系數(shù)詳見表4表7。 正交試驗(yàn)不考慮因素之間的交互作用；表3 遮陽1、遮陽2參數(shù)取值表 abcdefgh1h2遮陽1100000.60.20.20遮陽2100000.80.30.20 圖8 窗遮陽示意圖表4 外墻主要材料及熱工性能表外墻水平主要材料及厚度導(dǎo)熱熱阻m·/W傳熱系數(shù)W/ (m2·

8、;)外墻11 石灰砂漿12mm2 加氣混凝土300mm3 石膏干抹灰6mm0.8140.2440.2330.67外墻21、3同外墻12 加氣混凝土150mm0.2441.2外墻31、3同外墻12 加氣混凝土70mm0.2442.0表5 屋面主要材料及熱工性能表屋面水平主要材料及厚度導(dǎo)熱熱阻m·/W傳熱系數(shù)W/( m2·)屋面11 水泥砂漿20mm2 水泥焦渣3 鋼筋混凝土板120mm4 聚苯板保溫層10mm0.930.871.5470.0471.77屋面21、2、3同屋面14 聚苯板保溫層40mm0.0470.83屋面31、2、3同屋面14 聚苯板保溫層70mm0.0470

9、.54表6 窗玻主要材料及熱工性能表窗玻名稱窗材類型mm傳熱系數(shù)W/ (m2·)普通6mm單玻窗65.7普通中空（雙層）6+9+63.1內(nèi)張膜中空玻璃（單膜）6+6air+Pet（Low-e）6air+61.7表7 建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要材料及熱工性能表類別板樓構(gòu)件名稱導(dǎo)熱熱阻m·/W傳熱系數(shù)W/(m2·)內(nèi)墻24加氣磚0.244樓梯間內(nèi)墻37磚內(nèi)墻0.6290.83樓地混凝土保溫樓地1.5470.29樓板鋼筋混凝土保溫樓板1.8950.32門單層實(shí)體木制外門2.3窗雙層鋼窗-建筑物負(fù)荷計(jì)算使用清華大學(xué)空調(diào)實(shí)驗(yàn)室研制開發(fā)的建筑熱環(huán)境設(shè)計(jì)模擬工具包DeST-2（Desi

10、gners Simulation Toolkits），對(duì)建筑得失熱量進(jìn)行全年逐時(shí)模擬分析；正交模擬試驗(yàn)的計(jì)算采用自行編制的正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件并制定了10因素三水平的L81（310）81個(gè)正交實(shí)驗(yàn)表，進(jìn)行正交模擬試驗(yàn)的計(jì)算。4 辦公建筑能耗試驗(yàn)結(jié)果與分析針對(duì)辦公建筑的81個(gè)逐時(shí)冷負(fù)荷、逐時(shí)熱負(fù)荷的計(jì)算數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)出全年建筑累計(jì)的耗冷量、耗熱量。應(yīng)用正交試驗(yàn)，對(duì)影響建筑的不同因素進(jìn)行分析比較，得出能耗最小的建筑形式；找到建筑面積、朝向、形狀比、外遮陽、外墻傳熱系數(shù)、窗墻面積比等多個(gè)變量與全年耗冷量、耗熱量之間的定量關(guān)系和最佳建筑節(jié)能形式的方案，為建筑方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。計(jì)算

11、結(jié)果見圖9、圖10。4.1 建筑面積對(duì)建筑能耗的影響圖9可以明顯看出，10因素中建筑面積與冷負(fù)荷的關(guān)系曲線斜率最大，說明不同的建筑面積對(duì)冷負(fù)荷的影響最為明顯，隨著建筑面積的增加，冷負(fù)荷急劇增加。圖10為10個(gè)因素與耗熱量指標(biāo)之間的關(guān)系曲線。經(jīng)二次回歸分析可得到建筑面積與耗冷量的回歸方程，從而得到建筑面積與能耗之間的關(guān)系， y1 = -40344x12 + 979318x 1+ 2×106 （1）式中， x1建筑面積 m2 y1建筑年耗冷量 kWh/year 圖9 建筑年耗冷量與10因素關(guān)系曲線圖圖10 建筑年耗熱量指標(biāo)與10因素關(guān)系曲線圖因此，建筑面積小的建筑物，雖然耗冷總量小，但單

12、位面積耗冷量指標(biāo)較大，從節(jié)能觀點(diǎn)考慮并不能有效地節(jié)能；而建筑面積大的建筑，雖然耗冷總量大，但單位面積耗冷量指標(biāo)較小。從這一觀點(diǎn)出發(fā)，進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)建筑物的建筑面積不宜太小。大體形建筑反而比較節(jié)能。4.2 建筑朝向?qū)ο?、冬季能耗的影響圖9圖10中給出了冬、夏季建筑的不同朝向與耗冷量、耗熱量的關(guān)系對(duì)比。可以看出建筑的不同朝向?qū)ο募竞睦淞俊⒍竞臒崃康挠绊懯遣煌摹Ｄ舷驅(qū)θ杲ㄖ芎牡挠绊懽钚。飨驅(qū)ㄖ芎牡挠绊懽畲?，而北向居中。南、北朝向時(shí)，建筑冬、夏兩季對(duì)圖11 建筑朝向與耗冷、熱量對(duì)比建筑耗冷、耗熱量的影響基本相同，西向稍高。這是因?yàn)榻ㄖＰ驮诮r(shí)嚴(yán)格按照實(shí)際工程基本模式，以實(shí)際適用為基本

13、原則，建筑的總體外形比較規(guī)則，南、北開窗基本對(duì)稱，窗墻面積比又一致，造成太陽輻射熱對(duì)整個(gè)建筑物的影響基本相同。該結(jié)果有效證明了寒冷地區(qū)如石家莊、邯鄲、邢臺(tái)、保定等地的建筑最佳朝向應(yīng)為南北朝向。這種結(jié)果與公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)2005-07-01中的盡量避免東西向?yàn)檎娉虻慕ㄗh相符，建筑的正面朝向設(shè)計(jì)盡量采用南北朝向。 從圖11中可以看出，夏季建筑年總耗冷量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出冬季耗熱量。南向建筑夏季耗冷量高于冬季耗熱量54.2%，北向高出54.2%，西向高出54.5%。無論任何朝向的建筑夏季耗冷量均高出冬季耗熱量的一半以上，建筑節(jié)能應(yīng)充分考慮夏季冷耗的影響。形狀比對(duì)夏、冬季冷熱負(fù)荷的影響建筑的形狀比也是影

14、響夏季建筑能耗的重要指標(biāo)。 從圖9圖10可以看出，無論冬季還是夏季，形狀比為1：2的建筑耗冷、耗熱量均為最小，能耗最低；而形狀比為1：1和1：3建筑能耗指標(biāo)均高于形狀比為1：2的建筑； 外遮陽對(duì)夏季冷負(fù)荷的影響DeST設(shè)置的遮陽1和遮陽2的做法見表3和圖8。圖9圖10顯示出，無遮陽時(shí)夏季耗冷總量最高，遮陽2兩項(xiàng)指標(biāo)最小。由于遮陽1與不設(shè)遮陽的形式無顯著的變化，夏季冷負(fù)荷總量兩條曲線的斜率較小。窗的遮陽設(shè)計(jì)應(yīng)有明顯可以阻擋陽光的作用，否則與不設(shè)遮陽效果相同。室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度對(duì)夏季冷負(fù)荷的影響夏季室溫設(shè)定溫度為三個(gè)檔次，24、26、28；冬季采用相同的室內(nèi)設(shè)定溫度20。夏季隨著室內(nèi)設(shè)定溫度的降低，冷負(fù)

15、荷急劇升高，直線斜率最大，夏季室內(nèi)溫度平均每升高1，全年將多增加耗冷量686.75MJ/m2·。因此適當(dāng)?shù)恼{(diào)整室內(nèi)溫度對(duì)建筑節(jié)能有顯著影響。外墻和屋頂傳熱系數(shù)對(duì)建筑耗冷量、耗熱量的影響 圖12外墻傳熱系數(shù)與建筑能耗關(guān)系 圖13 屋頂傳熱系數(shù)與建筑能耗關(guān)系圖9中顯示冬季，隨外墻傳熱系數(shù)的減小建筑物耗熱量也逐漸減小，當(dāng)外墻傳熱系數(shù)降至1.2W/M2·K、0.67W/M2·K時(shí)，比傳熱系數(shù)2.0W/M2·K依次減小了25%和41.8%，見圖12。這種結(jié)果驗(yàn)證了當(dāng)建筑的保溫性能較好時(shí)，可以減小冬季建筑的耗熱量。但在夏季，情況并非如此，當(dāng)外墻傳熱系數(shù)減小至 0.6

16、7W/M2·K時(shí)，夏季建筑耗冷量反而比傳熱系數(shù)1.2W/M2·K增加了0.8%。這意味著當(dāng)建筑的保溫隔熱性能增高時(shí)，對(duì)建筑耗冷量的減少并不明顯。同樣，夏季屋頂傳熱系數(shù)的減小會(huì)引起建筑耗冷量的增加，即當(dāng)建筑的保溫隔熱性能較高時(shí)，會(huì)引起室內(nèi)溫度的升高，應(yīng)選用容量更大的制冷機(jī)降低建筑能耗。因此采用較高的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能并不是一種有效的減少冷負(fù)荷的措施。下面從室外溫度分布、外墻及屋頂傳熱量占總建筑耗冷量分額的角度對(duì)以上現(xiàn)象做進(jìn)一步的分析。從傳熱過程來看，外墻及屋頂傳熱系數(shù)越小，有利于減小室外向室內(nèi)傳遞的熱量，起到隔熱的作用；但在夏季夜間或過度季節(jié)，室外溫度相對(duì)室內(nèi)溫度較低時(shí)，傳熱

17、系數(shù)的減小反而不利于室內(nèi)向室外傳熱。以外墻傳熱為例，為使計(jì)算結(jié)果更具可比性，以6月30日為例，空調(diào)全天運(yùn)行，就外墻傳熱系數(shù)分別為2.0W/M2·K、0.67W/M2·K的27個(gè)試驗(yàn)逐時(shí)冷負(fù)荷進(jìn)行分析。圖14 6月30日外墻傳熱系數(shù)為2.0、0.67時(shí)的冷負(fù)荷差及室外溫度關(guān)系圖圖14繪出了6月30日不同外墻傳熱系數(shù)逐時(shí)冷負(fù)荷差和室外溫度曲線；其中，逐時(shí)冷負(fù)荷差=外墻傳熱系數(shù)為2.0W/M2·K逐時(shí)冷負(fù)荷外墻傳熱系數(shù)為0.67WM2·K逐時(shí)冷負(fù)荷。從圖中可以看出，在9：0020：00時(shí)之間，室外平均溫度高于25，負(fù)荷差為正。外墻傳熱系數(shù)為0.67W/M2&#

18、183;K的建筑負(fù)荷較小，說明較小的外墻傳熱系數(shù)起到了保溫隔熱的效果，降低了冷負(fù)荷；而在清晨或夜間（可從曲線的趨勢(shì)圖中看出）當(dāng)室外溫度低于23時(shí)，負(fù)荷差為負(fù)，外墻傳熱系數(shù)為0.67W/M2·K的建筑逐時(shí)冷負(fù)荷較大，說明較低的外墻傳熱系數(shù)阻礙了房間向外散熱，反而增加了空調(diào)負(fù)荷，這說明對(duì)于辦公寫字樓建筑具有較好的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)在冬季能起到很好的保溫隔熱性能，夏季室外溫度高于室內(nèi)溫度時(shí)，同樣也能起到保溫隔熱作用；但在夜間或室外溫度低于房間溫度時(shí)，會(huì)引起室內(nèi)熱量散出困難，致使室內(nèi)溫度升高，增加建筑耗冷量。 屋頂和外墻傳熱系數(shù)的減小，意味著建筑的保溫隔熱性能增強(qiáng)，這對(duì)于冬季室外溫度較低時(shí)能

19、起到保溫作用，能降低建筑的冬季熱負(fù)荷，但在夏季室內(nèi)溫度高于室外溫度時(shí)同樣會(huì)阻止室內(nèi)熱量散入到室外，影響建筑夏季冷負(fù)荷，增加建筑能耗。窗墻面積比、機(jī)器熱+照明熱對(duì)夏季冷負(fù)荷的影響窗墻面積比與夏季冷負(fù)荷的大小呈正比關(guān)系，窗墻面積比越小，建筑的夏季冷負(fù)荷越??；室內(nèi)散發(fā)的熱量越多，需耗冷量越多。在寒冷地區(qū)，為減少夏季冷負(fù)荷耗冷量，窗墻面積比不應(yīng)設(shè)置過大。窗玻材料對(duì)夏季冷負(fù)荷的影響表6給出了普通玻璃、中空玻璃和Low-e玻璃的結(jié)構(gòu)及傳熱特性，Low-e玻璃是近年來在國內(nèi)外越來越多被建筑師和業(yè)主接受的低輻射鍍膜玻璃（low-emissivity coated glass）。該玻璃在可見光譜段具有高透過率、

20、低反射率、低吸收率的特點(diǎn)，允許可見光透過玻璃達(dá)到室內(nèi)；在紅外波段具有高反射率、低吸收率的特點(diǎn)，在冬季能有效阻擋遠(yuǎn)紅外熱輻射，防止室內(nèi)熱量散失，夏季能阻止太陽直接輻射，減少室內(nèi)的日射得熱，同時(shí)又不影響室內(nèi)采光。圖9圖10的計(jì)算結(jié)果顯示窗戶的傳熱系數(shù)對(duì)冬季供暖負(fù)荷影響較大，而遮陽系數(shù)對(duì)夏季空調(diào)負(fù)荷影響大。較小的傳熱系數(shù)并不能降低夏季空調(diào)能耗。圖9圖10說明盡管Low-e玻璃的傳熱系數(shù)低于普通中空玻璃，但夏季能耗反而升高了，這種結(jié)果表明Low-e玻璃遮陽系數(shù)起到關(guān)鍵作用。5 結(jié)論隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人民生活質(zhì)量的要求不斷提高，建筑能耗增長巨大，為此作者建立了一種基于DeST和 “正交實(shí)驗(yàn)法”關(guān)于建筑及建筑能量系統(tǒng)諸要素對(duì)建筑能耗影響關(guān)系的分析方法。由于建筑形式變化的復(fù)雜性，影響建筑能耗的因素多種多樣，在建筑初步設(shè)計(jì)階段，不僅要強(qiáng)調(diào)建筑外墻的保溫和適宜的室內(nèi)設(shè)定溫度，同時(shí)要綜合考慮建筑構(gòu)成的其他因素和建筑設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行方式，對(duì)建筑物和建筑能量系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析和評(píng)價(jià)，找出切合實(shí)際的最節(jié)能建筑，以確定其最優(yōu)方案。參考文獻(xiàn)1 莊楚強(qiáng)，何春雄.應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)。廣州：華南理工大學(xué)出版社，2006.22 黃翔.空調(diào)工程。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.3 P. Herzog, L. LaVine, Identification and quantifica