西安某建筑辦公樓圍護結構優化設計

趙紅軍 陳思海 劉農一

0 引言

在我國能源消耗中，建筑用能占全國總能耗的30%左右，已接近發達國家水平(其建筑用能占全社會能源消費量1/3左右)。近幾年我國每年城鄉新建房屋的建筑面積達20億m2，但在同等氣候條件下，我國同類型的建筑物消耗的采暖能源比西歐或北美的要多100%甚至更多，且遠不能達到歐美等國家建筑的舒適程度。究其原因可能是，在我國過去十多年的大規模建筑熱潮中，能源利用效率低的建筑設計、建材產品以及傳統的建筑方式仍然被廣泛使用。

建筑造型及外圍護結構的特性對建筑物能耗有決定性的影響，但是由于建筑復雜性和各種能耗因素的相互影響制約，很難簡單的判斷一個設計方案的優劣。本文利用DeST軟件對西安地區一廠房辦公樓在不同圍護材料的能耗做了模擬計算，并對影響建筑能耗的因素進行了分析，得出了西安地區建筑能耗隨圍護結構變化的規律，為西安地區建筑圍護結構材料的選用提供了一定的參考依據。

1 DeST 軟件介紹[1]

本文利用DeST軟件進行計算分析，該軟件是建筑熱環境及HVAC系統模擬的軟件平臺。DeST主要適用于下面的問題領域:

1)建筑熱特性研究，包括:住宅室溫估算、新型圍護結構的影響、通風影響等。

2)空調系統設計的問題，包括:基于全年逐時模擬的建筑能耗及溫度指標估算、系統形式與分區、變風量系統分析、新風利用、不同AHU(Air Handler Units，組合式空調機組)類型比較;空氣處理設備的校核、冷凍站設計等。

2 建筑概況及模擬方案

2.1 建筑概況

本文的研究對象為西安市某廠房及辦公建筑，總建筑面積為1852 m2，其中空調面積 1610 m2，建筑總高度為 13.4 m，地上3 層，第1層 ～3 層的層高分別為5.0 m，4.5 m 和3.9 m，主要有生產廠房、控制室、會議室、辦公室等功能用房。

2.2 空調系統及設計參數

模擬中設置一層空調全部采用全空氣定風量系統，定新風比，有熱回收裝置。二層及三層主要為辦公室和會議室，故設置為新風+風機盤管系統。制冷機組采用螺桿式冷水機組+冷卻塔形式，整體能效比取為3.5;冬季供暖采用燃氣鍋爐，鍋爐效率為80%。

室內主要設計參數取值見表1。

表1 室內空調、采暖設計參數

工作時間按早上8:00～17:00計算，周末休息，具體如圖1所示[2]。

圖1 各類負荷逐時使用系數

2.3 模型建立及模擬方案確定

本文研究的方法主要是變參數法，在外墻、窗、遮陽等這些圍護結構中，保持其他圍護結構不變的情況下改變其中一種或多種制定節能方案。外圍護結構節能方案主要包括墻體材料及保溫、玻璃材料、遮陽措施三個方面，墻體的傳熱系數見表2，玻璃的傳熱系數見表3，具體模擬方案見表4。

3 計算結果及分析

在對不同的外圍護結構方案進行模擬計算后得到了不同方案情況下的全年累計耗冷量和耗熱量及其節能效率列表，具體結果見表5。

表2 所用建筑外墻傳熱系數

表3 模擬中所用玻璃參數

表4 模擬方案列表

表5 不同模擬方案下節能效果列表

3.1 外墻體及保溫對能耗影響分析

墻體是建筑圍護結構中傳熱面積最大的一部分，它對整個建筑能耗有決定性的影響作用。與國外相比，我國的單位建筑能耗是同等氣候條件下發達國家的3倍，因而節能潛力巨大。本文方案2、方案4、方案5、方案7對不同的外墻材料進行了模擬。模擬結果表明:通過改變墻體材料增加墻體熱阻，能有效降低能耗。其中方案7由于其墻體的導熱系數很小，節能效果明顯，耗熱量和耗冷量節能率分別能達到11.6%和7.1%。

方案8通過增加保溫層，有效的改變了墻體傳熱系數，降低了建筑能耗。方案8選用混凝土墻+200 mm聚苯板保溫外墻進行模擬，相比方案1其全年累計耗熱量節能效率達到14.6%，全年累計耗冷量節能效率達到9.2%，其節能效果十分明顯。對于寒冷地區，國家建設部已經開始要求建筑設計應滿足保溫要求，同時倡導和鼓勵使用建筑外墻保溫。聚苯板是當前使用較多的保溫材料。

3.2 外窗玻璃對能耗影響分析

文中分析了三種不同外窗玻璃對建筑能耗的影響，從表5可以看出，方案2采用了保溫性能好的雙層玻璃和方案3采用了Low-e膜玻璃，其導熱系數遠小于普通單層玻璃，全年累計耗熱量節能效率分別達到10.5%和11.4%，全年累計耗冷量節能效率分別達到4.4%和6.5%，其節能效果十分明顯。對于西安地區，玻璃材料對耗熱量的影響要大于耗冷量的影響，因而在寒冷地區更應該注意提高玻璃材料的熱阻，以降低冬季耗熱量。

3.3 外遮陽對能耗影響分析

外遮陽措施也是建筑節能的重要環節。在模擬方案中，方案6采用了外遮陽。從表5中結果可以看出，雖然方案6采用遮陽后夏季的全年累計耗冷量有所降低，但是幅度不大，只有2.4%，而冬季全年累計耗熱量卻有小幅度的增加，為－1.8%。究其原因可能是采用外遮陽后夏季能夠減少一部分太陽光直射進入建筑內部，減少冷負荷。但是在冬季，由于外遮陽的存在，同樣使得陽光不能直射進入建筑內部，導致了累計冷負荷的增加。可見建筑外遮陽主要影響的是夏季冷負荷，所以在寒冷地區由于冬季熱負荷占主要地位，同時建筑外墻保溫效果比較好時，可以不考慮外遮陽。如果因為窗墻比太大，夏季的冷負荷也很大，需考慮外遮陽時，最好在室內窗戶上設置窗簾，或者使用移動式遮陽系統，可以根據冬夏不同季節和天氣調節遮陽。

4 結語

本文利用建筑能耗模擬軟件DeST對西安某辦公建筑不同圍護結構進行了建筑能耗分析，通過對比8組不同方案，得到主要結論如下:

1)外墻保溫對建筑能耗有直接影響，且對采暖熱負荷影響明顯高于空調冷負荷，同時隨著外墻熱阻的增加，負荷減少的幅度趨于平緩。2)窗體材料對建筑能耗有很大的影響，采用傳熱系數小的玻璃將有顯著的節能效果。3)對寒冷地區，外遮陽對建筑能耗影響不大，可以不采用。

[1]清華大學建筑技術科學系DeST開發小組.DeST用戶使用手冊[Z].2004:9.

[2]王灃浩，王東洋，羅昔聯.既有建筑圍護結構能耗模擬及節能分析[J].建筑科學，2010，23(2):22-26.

[3]王新花.建筑外圍護結構常用節能技術措施[J].山西建筑，2010，36(17):223-224.