朱 磊 余南陽

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成都住宅建筑實現(xiàn)節(jié)能65%目標的影響因素研究

朱 磊 余南陽

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

以成都地區(qū)住宅建筑為研究對象，通過正交試驗設計結合建筑空調能耗模擬的分析方法，研究影響建筑空調能耗的主要因素，包括朝向、窗墻比、外窗類型、外墻外保溫及外窗外遮陽，最終發(fā)現(xiàn)外窗使用鍍反射膜雙層中空玻璃，外墻使用70mm EPS保溫板的節(jié)能措施較難實現(xiàn)成都住宅建筑節(jié)能65%目標，需輔以其他節(jié)能手段。

空調能耗；正交設計；建筑節(jié)能

0 引言

我國的建筑節(jié)能工作是從上個世紀80年代初伴隨著中國實行改革開放政策以后開始的，起步晚于國外，1995年國家建設部在《建筑節(jié)能“九五”計劃和2010年規(guī)劃》中，要求新建采暖居住建筑在1980～1981年當地通用設計能耗水平基礎上普遍降低30%；1996年起在達到第一階段的基礎上節(jié)能50%；2005年在達到第二階段要求基礎上再節(jié)能30%[1]。實施建筑節(jié)能65%標準是建筑節(jié)能的發(fā)展方向，它是在當前節(jié)能50%的基礎上再節(jié)能30%，可進一步節(jié)約寶貴能源，保護生態(tài)環(huán)境、提高居住環(huán)境舒適度?？照{能耗是住宅建筑能耗主要組成部分之一，影響住宅建筑空調能耗的因素有很多，例如建筑朝向、窗墻比、圍護結構熱工性能、設備能效狀況、室外氣候條件、居民空調使用方式及習慣等[2]。現(xiàn)有研究大多是對上述影響因子進行單一性分析，對主要影響因素的全面分析較少，而可靠的分析相關因素對建筑能耗影響的程度是設計人員進行建筑節(jié)能設計的前提。

本文通過正交試驗設計結合建筑空調能耗模擬的分析方法，研究影響成都住宅建筑空調能耗的主要因素，包括朝向、窗墻比、外窗類型、外墻保溫、外窗外遮陽及新風，并將研究中建筑節(jié)能方案與成都現(xiàn)行住宅建筑節(jié)能標準進行比較，最終提出針對成都住宅建筑節(jié)能的有效意見。

1 模型建立

本文模擬計算所采用的建筑模型為成都地區(qū)一棟2單元6層傳統(tǒng)住宅建筑，層高3.5m，兩室一廳一廚一衛(wèi)，每單元有兩戶，建筑面積分別為78.55m2、66.68m2，總建筑面積為1500.91m2，建筑體形系數為0.34。通過建筑能耗模擬軟件Designbuilder進行建筑能耗模擬計算。

在進行空調能耗模擬時，每層的空間都按照采暖空間進行設置，室內溫度設定為18℃，選擇采用散熱器采暖系統(tǒng)，夏季室內空調溫度設定為 26℃，采用分體式空調系統(tǒng)。城鎮(zhèn)住宅建筑空調運行時間通常較為規(guī)律，多數居民均需上班，因此工作日客廳空調運行時間設定為18:00～22:00，臥室空調運行時間設定為18:00～08:00；周末客廳及臥室空調均24h開啟。廚房和衛(wèi)生間不設空調。室內人員及設備發(fā)熱量按照《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑設計節(jié)能標準》設定。

2 模擬方案設計

2.1 正交表安排

正交試驗設計，是利用規(guī)格化的正交表，恰當地設計出試驗方案和有效地分析試驗結果，提出最優(yōu)配方和工藝條件，并進而設計出可能更優(yōu)秀的試驗方案的一種科學方法[3]。

研究中與成都地區(qū)住宅建筑空調能耗相關的因素有：朝向、北向窗墻面積比、南向窗墻面積比、東向窗墻面積比、西向窗墻面積比、外窗類型、外墻外保溫層厚度、南向外窗外遮陽、新風量指標。本文取各因素的水平數為3，因不作方差分析，故不考慮各因素之間的交互作用。試驗方案選取9個因素，每個因素3個水平，因此選用L27（39）正交表來安排試驗。試驗需要進行27次模擬計算。正交試驗設計見表1。

表1 空調能耗分析正交表設計（L27(39)）

續(xù)表1 空調能耗分析正交表設計（L27(39)）

2.2 模型參數設置

研究中為比較上述設計方案相對于《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑設計節(jié)能標準》中所規(guī)定的參照建筑空調能耗節(jié)能率，特設計方案28作為對比參照。參照建筑物理模型不變，與研究相關的9種因素按照《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑設計節(jié)能標準》設定，正交表各因子水平及參照建筑取值見表2[4]。

表2 正交表因子水平取值

3 計算結果與分析

3.1 正交試驗設計方案結果分析

正交設計表中的27種工況及參照建筑的建筑空調能耗模擬計算結果如表3所示。

表3 空調能耗模擬結果

采用極差分析方法分析方案1～27，確定影響因素重要程度，并進行影響因素主次排序。極差分析結果見表4。

表4 空調全年能耗結果極差分析

注：表中k*是因素A、B、C、D、E、F、G、H、I的第*水平所在的試驗中對應的空調能耗之和。

通過對正交試驗設計方案的極差分析發(fā)現(xiàn)影響成都地區(qū)住宅建筑空調能耗相關因素重要程度排序為：外窗類型>外墻外保溫>北向窗墻比>南向窗墻比>西向窗墻比>建筑朝向>東向窗墻比>南向外窗外遮陽>新風指標。

在考慮空調節(jié)能措施時，應首要考慮提高建筑外窗及外墻的熱工性能，即減小建筑外圍護結構傳熱系數；同時，在建筑設計階段，應慎重考慮選取合適的窗墻比，在夏熱冬冷地區(qū)，由于太陽輻射的作用將部分輻射熱通過外窗帶入室內，尤其是南、北向的外窗，減小窗墻比可以顯著降低空調能耗[5]，但是，窗墻比過小又會影響采光，增加照明負荷，因此需要綜合考慮這兩個因素；研究還發(fā)現(xiàn)新風指標對建筑空調能耗影響最小，主要是因為住宅建筑室內人員密度較小且變化不大，只需較小的新風量便可滿足人員健康及舒適需求[6]，因此，對于住宅建筑，在空調制冷及采暖季節(jié)可以適量引入室外新風以滿足人員需求。

3.2 參照建筑對比分析

采用設計建筑原型，將設計建筑各項圍護結構的傳熱系數改為符合設計標準的限值，窗墻比改為符合設計標準的推薦值，通過模擬計算得到建筑空調能耗。根據試驗組的空調能耗模擬結果計算各試驗節(jié)能率，結果同見表3。

可以發(fā)現(xiàn)正交設計方案中有14個方案對比參照建筑實現(xiàn)了節(jié)能目的，其中節(jié)能率達到20%以上的方案有7個，方案3建筑節(jié)能率最高，達到36.67%。7個節(jié)能率較高方案的建筑外窗因子及外墻外保溫因子水平取值均在“2”或“3”。其余7個節(jié)能方案節(jié)能率較低，其中方案8和9雖然建筑外窗因子及外墻外保溫因子水平取值也為“2”或“3”，但是各個方向過大的窗墻比使得建筑即使具有較好的保溫隔熱性能也無法實現(xiàn)較好的節(jié)能效果。

3.3 實現(xiàn)節(jié)能65%目標的方案分析

為實現(xiàn)成都市住宅建筑節(jié)能65%的目標，需在現(xiàn)有節(jié)能基礎上繼續(xù)節(jié)能30%。觀察表3可以發(fā)現(xiàn)，方案2和3的建筑節(jié)能率分別為30.44%、36.67%，均達到了節(jié)能30%的目標。兩方案的共同點是北向、南向窗墻比只有10%，西向不開窗，且使用了鍍反射膜玻璃外窗，外墻使用EPS板進行外保溫，區(qū)別在于方案2為單層玻璃外窗，方案3使用了雙層中空玻璃外窗，其中內層為鍍反射膜玻璃，且方案3的保溫層厚度為70mm，比方案2要厚40mm。

通過分析方案2和3建筑相關設計參數，可以發(fā)現(xiàn)成都住宅建筑節(jié)能關鍵在于：使用鍍膜玻璃外窗減少以太陽輻射方式進入室內的熱量；外墻使用EPS板進行外保溫以減少圍護結構熱損失[7]。雖然兩方案節(jié)能率均達到30%以上，但南北向建筑窗墻比均只有10%，在實際工程中較難實現(xiàn)。

為進一步定量分析外窗類型和外墻外保溫對建筑節(jié)能提升效果，設計方案29與參照建筑進行對比。方案29建筑的外窗為鍍反射膜雙層中空玻璃外窗，外墻保溫層厚度為70mm，其余影響因素與參照建筑相同，以《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑設計節(jié)能標準》設定。方案能耗計算結果見表5。

表5 空調能耗模擬結果

通過計算可以發(fā)現(xiàn)外窗使用鍍膜雙層中空玻璃，外墻保溫層達到70mm只能使得建筑節(jié)能率達到28.44%，而且采取兩項節(jié)能措施后，方案29的空調采暖能耗大幅度降低，但是制冷能耗反而一定程度上略有上升。繼續(xù)增加保溫層厚度或降低外窗傳熱系數可能最終使得制冷能耗的增加量與采暖能耗的減小量相持平，導致節(jié)能措施不再有節(jié)能效果，反而增加了建設成本。造成保溫層厚度增加制冷能耗隨之增加現(xiàn)象的原因是外墻保溫層越厚，墻體蓄熱性能越好，制冷期間墻體內部蓄熱會使得空調能耗增加[8]。所以，外墻保溫層厚度不能一味增加，需要結合地區(qū)氣候特點合理選擇。要想進一步有效提升建筑節(jié)能效果，在采取上述兩項節(jié)能措施之余，需考慮其他節(jié)能方式。

4 結語

本文通過正交試驗法結合建筑空調能耗模擬分析得到影響成都地區(qū)住宅建筑空調能耗的相關因素重要程度排序。不同節(jié)能方案對建筑節(jié)能效果提升不同，在考慮建筑節(jié)能措施時，應首先從提高圍護結構熱工性能出發(fā)，尤其是需要降低外窗傳熱系數及提高外墻保溫效果。進一步設計對比方案分析發(fā)現(xiàn)外窗使用鍍膜中空玻璃，外墻保溫層達到70mm只能使得建筑節(jié)能率達到28.44%。僅是外窗及外墻采取上述兩項節(jié)能措施較難實現(xiàn)成都住宅建筑節(jié)能65%的目標，還需考慮其他節(jié)能措施，如在滿足室內通風及采光需求的前提下適當減小窗墻比或選擇合適遮陽設施等。

[1] 林海燕,郎四維.建筑節(jié)能設計標準中幾個問題的說明[J].建筑科技,2007,4(6):58-59.

[2] 高巖,安玉嬌,于喜哲,等.住宅使用模式對住宅建筑供暖空調能耗影響的模擬分析[J].建筑科學,2010,26(10): 287-291.

[3] 陳魁.試驗設計與分析[M].北京:清華大學出版社,2005: 72-83.

[4] JGJ 134-2010,夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[5] 高波,馮煉,徐彬彬,等.成都住宅建筑空調負荷特性分析[J].制冷與空調,2009,23(6):19-22.

[6] 邢振禧.空氣調節(jié)技術[M].北京:中國商業(yè)出版社,2001: 198-204.

[7] 江億,林波榮,曾劍龍,等.住宅節(jié)能[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[8] 阮方,錢曉倩,朱耀臺,等.分室間歇用能對墻體內外保溫節(jié)能效果的影響[J].浙江大學學報,2016,50(1):1-7.

Study on the Energy Conservation Scheme of Achieving65% Goals of Energy Efficiency in Residential Buildings in Chengdu

Zhu Lei Yu Nanyang

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

With the residential building in Chengdu as the object of the research, analyzing the mainly factors of influencing the air conditioning energy consumption including orientations, window-to-wall ratio, window types, wall types and external window shading. In the paper, the orthogonal test design method is used to simulate the building air conditioning energy consumption. Finally, it is found that it is difficult to achieve 65% goals of energy efficiency in residential buildings in Chengdu, if the energy saving measures are coated double glazing glass windows and 70mm EPS board for exterior insulation. It is necessary to take some other energy saving measures.

Air conditioning energy consumption; Orthogonal design; Building energy conservation

1671-6612（2017）06-636-06

TU241.7

B

朱 磊（1992.06-），男，在讀碩士研究生，E-mail：905899439@qq.com

余南陽（1961.02-），男，博士，教授，E-mail：rhinos@126.com

2017-04-05