圍合式公共建筑圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能特點和節(jié)能潛力分析*

劉宏成， 吳金貴， 肖 堅， 朱宏泰

(湖南大學 建筑學院， 長沙 410082)

目前，我國建筑能耗約占社會總能耗的28%[1].公共建筑占建筑總量的17%，但其能耗卻占建筑業(yè)總能耗的38%～40%[2].2016年公共建筑單位面積耗電強度約為62.74 (kW·h)/m2，是其他類型建筑能耗強度的2.5～3.5倍，且保持增長趨勢[3].多年來，我國關于公共建筑圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能研究取得顯著成果.盧凌寰等[4]對夏熱冬暖地區(qū)既有建筑圍護結(jié)構(gòu)進行節(jié)能改造技術研究；張歡等[5]對寒冷地區(qū)辦公建筑的節(jié)能潛力進行研究，得出圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能排序；李穎[6]對夏熱冬冷地區(qū)學校建筑進行節(jié)能設計研究，得出具體的圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能措施；顧文等[7]調(diào)研各氣候區(qū)酒店的能耗現(xiàn)狀；張洋等[8]對嚴寒地區(qū)建筑能耗的構(gòu)成特點進行研究；王宏偉等[9]對嚴寒地區(qū)教學樓圍護結(jié)構(gòu)進行節(jié)能改造分析，得出不同節(jié)能優(yōu)選方案.雖然以上研究成果顯著，但未對不同氣候區(qū)不同公建的節(jié)能特點和節(jié)能潛力進行對比分析.

圍合式建筑形式簡潔大方，可適用于各種公共建筑，在國內(nèi)被廣泛運用，具有典型性.本文研究方案是選取一棟典型的圍合式建筑作為研究對象，以哈爾濱、北京、長沙、廣州、昆明分別作為五個氣候區(qū)的代表城市，通過EnergyPlus能耗模擬軟件，根據(jù)標準規(guī)范設定圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)，模擬出基準建筑和設計建筑的能耗.通過能耗模擬分析研究辦公、學校、酒店三種公建的圍護結(jié)構(gòu)在各代表城市的節(jié)能特點和節(jié)能潛力.

1 模型建立及參數(shù)設置

1.1 基準建筑模型建立

建筑共5層，層高為3.6 m，總面積為7 126.3 m2，體型系數(shù)為0.37，窗墻比東西向為0.25，南北向為0.37.各城市外墻用不同厚度的普通實心磚加

20 mm厚水泥砂漿內(nèi)外抹灰，哈爾濱地區(qū)外墻厚490 mm，傳熱系數(shù)K=1.22 W/(m2·K)，北京地區(qū)外墻厚370 mm，K=1.50 W/(m2·K)；其余城市外墻厚均為240 mm，K=2.01 W/(m2·K)；屋面均為120 mm厚鋼筋混凝土加20 mm厚水泥砂漿內(nèi)外抹灰，K=3.96 W/(m2·K)；外窗均為3 mm白色單層玻璃普通鋁合金窗，K=6.4 W/(m2·K).基準建筑的平面布局和模擬模型如圖1所示.

1.2 內(nèi)擾參數(shù)設置

建筑照明、電器設備、人員密度等均按照《公共建筑節(jié)能設計標準》(GB50189-2015)[10]和《建筑照明設計標準》(GB50034-2013)[11]規(guī)定設置，參數(shù)設定如表1所示.

基準建筑和設計建筑的采暖空調(diào)能效一致，在哈爾濱和北京地區(qū)冬季用燃氣供暖，能效比為0.86.夏季用分體空調(diào)，能效比為3.2.其余城市均采用分體空調(diào)，夏季空調(diào)能效比為3.2，冬季采暖能效比為2.4.不同公建類型的人均新風量均為30 m3/h，室內(nèi)溫度、采暖空調(diào)運行時間控制等具體參數(shù)如表2所示.

表2 空調(diào)系統(tǒng)及室內(nèi)環(huán)境參數(shù)設定Tab.2 Air conditioning system and indoor environment parameter settings

基準建筑外窗氣密性等級取4級，設計建筑根據(jù)《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測方法》(GB/T 7106-2008)[12]規(guī)定取6級.在基準建筑基礎上，設計建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能根據(jù)文獻[10]要求設定，具體如表3所示.

2 圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能特點分析

我國南北方氣候差異懸殊，導致建筑節(jié)能特點具有一定差異性.經(jīng)研究比較，學校和酒店建筑與辦公建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能特點基本相似.以辦公建筑為例，分析其圍護結(jié)構(gòu)在以上各城市的節(jié)能特點.為了直觀反映圍護結(jié)構(gòu)采取某項節(jié)能措施時在各城市的節(jié)能變化特點，定義能耗比值分別為

表3 不同氣候區(qū)圍護結(jié)構(gòu)熱工性能指標Tab.3 Thermal performance indicators of enclosure structures in different climate zones

(1)

(2)

(3)

式中：Qq，w為外墻采取節(jié)能措施時設計建筑的采暖空調(diào)總能耗；Q′q，w為基準建筑采暖空調(diào)總能耗；Qq，w，h為外墻采取節(jié)能措施時設計建筑采暖能耗；Q′q，w，h為基準建筑采暖能耗；Qq，w，c為外墻采取節(jié)能措施時設計建筑的空調(diào)能耗；Q′q，w，c為基準建筑空調(diào)能耗.上述公式分別反映設計建筑采取外墻節(jié)能措施時在冬季、夏季和全年的節(jié)能特點，該值越小于1越節(jié)能，越大于1越不節(jié)能.外窗和屋面的節(jié)能特點研究參照外墻做法.外窗和屋面節(jié)能措施的采暖能耗比值分別為ωq，g，h、ωq，r，h，空調(diào)能耗比值分別為ωq，g，c、ωq，r，c，采暖空調(diào)總能耗比值分別為ωq，g、ωq，r.它們在各城市的變化特性曲線如圖2～4所示.

圖2 辦公建筑外墻保溫在各城市的節(jié)能特點Fig.2 Energy-saving characteristics of exterior wall insulation of office buildings in different cities

圖3 辦公建筑外窗保溫在各城市的節(jié)能特點Fig.3 Energy-saving characteristics of outer windows insulation of office buildings in different cities

圖4 辦公建筑屋面保溫在各城市的節(jié)能特點Fig.4 Energy-saving characteristics of roof insulation of office buildings in different cities

由圖2可知，冬季外墻保溫在各城市ωq，w，h均小于1，表示外墻保溫在各城市均有節(jié)能效果，且越往哈爾濱地區(qū)ωq，w，h越小，節(jié)能效果越好.分析可知，由于外墻傳熱系數(shù)的減小，冬季室內(nèi)散熱減少而有效降低采暖負荷.采暖期越長，冬季室內(nèi)外溫差越大的地區(qū)，外墻保溫對于冬季的節(jié)能效果越明顯.

夏季外墻保溫在各城市ωq，w，c均大于1，且越往哈爾濱地區(qū)ωq，w，c越大，表示在以上城市的夏季，外墻保溫均不節(jié)能，反而出現(xiàn)“保溫反節(jié)能”現(xiàn)象.劉方舟等[13]研究出在溫州地區(qū)辦公建筑的圍護結(jié)構(gòu)保溫性能超出某限值時，提高保溫性能空調(diào)總能耗不減反增；阮方等[14]研究出間歇式用能的建筑外墻保溫在夏季制冷時存在“反節(jié)能”現(xiàn)象；程飛等[15]得出在長沙地區(qū)也有同樣的結(jié)果.

針對此現(xiàn)象，本文展開進一步研究，以廣州為例，在7月1～31日內(nèi)，通過軟件模擬計算得出，墻體加保溫前，日間室內(nèi)通過外墻得熱量為6 786.8 kW·h，夜間散熱量為6 077.2 kW·h.加保溫后，日間室內(nèi)通過外墻得熱量為6 339.4 kW·h，夜間散熱量為5 022.6 kW·h.加保溫后，日間室內(nèi)得熱量減少447.4 kW·h，而夜間散熱量減少1 054.6 kW·h.這表明外墻保溫后，日間通過外墻的得熱減少量小于夜間散熱減少量，從而增加空調(diào)能耗.綜合全年來看，外墻保溫除了廣州地區(qū)，其他城市節(jié)能效果較好，且采暖期越長的地區(qū)效果越好.

由圖3可知，提高外窗熱工性能，冬季在各城市ωq，g，h均小于1，且越往哈爾濱地區(qū)ωq，g，h越小，節(jié)能效果越好.分析可知，外窗是建筑節(jié)能最薄弱的部位.當K值減小，氣密性提高，冬季能有效阻擋室內(nèi)散熱和冷風滲透而減少熱損失，降低采暖能耗.采暖期越長，冬季室內(nèi)外溫差越大的地區(qū)，提高外窗熱工性能在冬季的節(jié)能效果越明顯.

夏季在各城市ωq，g，c均小于1，越往廣州地區(qū)ωq，g，c越小，節(jié)能效果越好，在廣州地區(qū)，夏季節(jié)能效果好于冬季.根據(jù)文獻[10]分析可知，越往廣州地區(qū)，SHGC越小.當提高外窗性能時，外窗的K值和SHGC系數(shù)減小，能有效減少夏季太陽輻射得熱而降低空調(diào)負荷.廣州地區(qū)冬季采暖能耗占比很小，夏季由K值減小帶來的節(jié)能效果不如因SHGC的減小而減少太陽輻射得熱所降低的冷負荷的節(jié)能效果好.綜合全年來看，無論冬季和夏季，提高外窗性能，其節(jié)能效果都較好.

由圖4可知，冬季屋面保溫在各城市ωq，r，h均小于1，表明在各城市均有節(jié)能效果.分析可知，屋面熱阻增大，能有效減少冬季頂層室內(nèi)熱損失，降低采暖負荷.夏季在各城市ωq，r，c小于1，且各氣候區(qū)差別不大，表明屋面保溫在夏季的節(jié)能效果甚微.

分析可知，在夏季日間，屋面的單位面積受到太陽輻射強度較大，但屋面占建筑表面積比例較小，夜間散熱量小于日間得熱量.當屋面熱阻增大時，日間通過屋面減少的傳熱量大于夜間減少的散熱量，但兩者相差較小.綜合全年來看，提高屋面保溫，在各城市具有一定的節(jié)能效果，但節(jié)能效果有限.

3 不同公共建筑的節(jié)能潛力分析

各類公共建筑因功能不同，人員使用情況、室內(nèi)熱源及采暖空調(diào)等使用情況不同，造成各自冷熱負荷特征各異，因此，圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能潛力也不同.為了直觀反映不同地區(qū)提高外墻熱工性能的節(jié)能潛力，引入公式

(4)

式中：εw為提高外墻熱工性能的節(jié)能潛力；Q′q為基準建筑采暖空調(diào)總能耗，能耗單位均為kW·h.提高屋面和外窗熱工性能的節(jié)能潛力公式參照外墻做法.屋面和外窗的節(jié)能效果分別為εr和εg.各城市三類公建的圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能情況如圖5～7所示.

圖5 辦公建筑在不同城市節(jié)能效果Fig.5 Energy-saving effect of office buildings in different cities

圖6 學校建筑在不同城市節(jié)能效果Fig.6 Energy-saving effect of school buildings in different cities

圖7 酒店建筑在不同城市節(jié)能效果Fig.7 Energy-saving effect of hotel buildings in different cities

由圖5可知，辦公建筑在哈爾濱地區(qū)，外墻εw為15.4%、外窗εg為14.5%，屋面εr為6.3%，節(jié)能潛力表現(xiàn)為外墻>外窗>屋面.北京和長沙地區(qū)，外墻εw分別為9.1%和4.4%，外窗εg分別為12.9%和10.7%，屋面εr分別為5.6%和3.1%，節(jié)能潛力表現(xiàn)為外窗>外墻>屋面.在廣州和昆明地區(qū)，外墻εw分別為0.1%和3.8%，外窗εg分別為7.2%和9.8%，屋面εr分別為1.4%和4.8%.屋面的節(jié)能潛力好于外墻，表現(xiàn)為外窗>屋面>外墻.

由圖6可知，學校建筑在哈爾濱地區(qū)，圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能率分別為外墻14.2%、外窗13.8%及屋面6.0%，節(jié)能潛力表現(xiàn)為外墻>外窗>屋面.北京和長沙地區(qū)，外墻εw分別為9.2%和7.3%，外窗εg分別為12.1%和9.4%，屋面εr分別為5.6%和3.9%，節(jié)能潛力表現(xiàn)為外窗>外墻>屋面.在廣州和昆明地區(qū)，外墻εw分別為0.3%和3.7%，外窗εg分別為4.4%和10.3%，屋面εr分別為1.0%和5.8%.屋面節(jié)能潛力好于外墻，表現(xiàn)為外窗>屋面>外墻.

由圖7可知，酒店建筑在哈爾濱地區(qū)，各圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能率ε分別為外墻19.4%、外窗18.5%、屋面9.8%，節(jié)能潛力表現(xiàn)為外墻>外窗>屋面.在北京和長沙地區(qū)，外墻εw分別為14.5%和10.0%，外窗εg分別為17.3%和15.5%，屋面εr分別為8.2%和5.5%，節(jié)能潛力表現(xiàn)為外窗>外墻>屋面.在廣州地區(qū)，外墻εw、外窗εg和屋面εr分別為2.7%、12.2%和3.9%，節(jié)能潛力表現(xiàn)為外窗>屋面>外墻.在昆明地區(qū)，外墻εw、外窗εg和屋面εr分別為4.1%、13.8%和3.1%，節(jié)能潛力表現(xiàn)為外窗>外墻>屋面.

綜上得出三類公共建筑在各代表城市中的節(jié)能潛力排序，以①代表外墻，②代表外窗，③代表屋面，結(jié)果如表4所示.

表4 三類公共建筑在各城市中節(jié)能排序Tab.4 Energy-saving ranking of three types of public buildings in different cities

在哈爾濱地區(qū)，節(jié)能潛力表現(xiàn)為外墻>外窗>屋面，外窗和外墻基本接近，遠好于屋面.分析可知，外窗傳熱面積小于外墻，但冬季通過外窗導熱傳熱量和冷空氣滲透換熱量較大，提高外窗的熱工性能后便能取得與外墻接近的節(jié)能效果.而外墻傳熱面積大于屋面，散熱損失大，因此，提升保溫性能后節(jié)能效果優(yōu)于屋面.

在北京和長沙地區(qū)，外窗節(jié)能效果好于外墻，表現(xiàn)為外窗>外墻>屋面.基于前文的研究可知，外墻保溫在夏季會增加空調(diào)能耗，而提高外窗熱工性能，冬季和夏季均能降低建筑能耗，因此，外窗的節(jié)能效果逐漸好于外墻.同理，外墻保溫在夏季增加的空調(diào)能耗會抵消一部分冬季保溫效果，而屋面因傳熱面積較小，對建筑全年節(jié)能效果影響有限，因此，外墻的節(jié)能效果逐漸與屋面接近.

在廣州和昆明地區(qū)，外墻節(jié)能潛力不如屋面，表現(xiàn)為外窗>屋面>外墻，酒店建筑在昆明地區(qū)外墻節(jié)能效果好于屋面.分析可知，夏季外墻單位面積實際受到太陽輻射量小于屋面，導致外墻熱流強度小于屋面，提升保溫隔熱性能后，外墻對節(jié)能措施的敏感度小于屋面，節(jié)能效果差于屋面.

4 結(jié) 論

本文以一棟典型的圍合式公共建筑為研究對象，按照相關標準規(guī)范設置各項參數(shù)，運用Design Builder進行模擬，在此條件下得出以下結(jié)論：

1) 外墻保溫，夏季在各城市出現(xiàn)反節(jié)能現(xiàn)象.冬季在各城市均有較好的節(jié)能效果.全年來看，外墻保溫除了廣州，其他城市節(jié)能效果較好，且采暖期越長的地區(qū)效果越好.

2) 提高外窗熱工性能，冬季和夏季都具有節(jié)能作用.除了廣州地區(qū)，其他城市節(jié)能效果冬季好于夏季.且空調(diào)期越長的地區(qū)夏季節(jié)能效果越好，采暖期越長的地區(qū)冬季節(jié)能效果越好.

3) 屋面保溫對建筑節(jié)能作用不大，節(jié)能效果主要體現(xiàn)在冬季，在夏季節(jié)能效果甚微.

4) 辦公和學校建筑在哈爾濱地區(qū)節(jié)能潛力為外墻>外窗>屋面.在北京和長沙地區(qū)節(jié)能潛力為外窗>外墻>屋面.在廣州和昆明地區(qū)節(jié)能潛力為外窗>屋面>外墻.

5) 酒店建筑哈爾濱、北京和長沙地區(qū)圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能優(yōu)選同辦公和學校建筑.但在廣州地區(qū)節(jié)能潛力為外窗>屋面>外墻.在昆明地區(qū)節(jié)能潛力為外窗>外墻>屋面.

本文研究成果具有一定參考意義.由于選取的是典型代表城市，而每個氣候區(qū)不同城市氣候條件又有小差異，因此，在工程項目中應視具體情況具體分析.