基于PBEC的公共建筑外圍護系統能耗分析

李萍，林舟

（福建信息職業技術學院建筑工程系，福建 福州350003）

《福建省 “十二五”節能減排綜合性工作方案》中提出新建居住和公共建筑的設計和施工中嚴格執行節能50%的建筑節能標準［1］，為了達到節能要求，首先要考慮的是外圍護系統方案的選擇，其熱工性能是決定建筑能否節能的基礎。下面，筆者采用節能軟件PBEC分析了在夏熱冬暖地區某公共建筑外圍護系統選擇屋面擠塑聚苯板（XPS）的厚度、加氣混凝土砌塊的厚度、窗戶材料及外窗有無遮陽等措施對節能率的貢獻。

1 工程概況

福州市某交流中心大廈，地下1層，地面以上層數為7層。層高：地下一層4.4 m；一層4.4 m；二層4.2 m；三層以上均為3.0 m。朝向南偏東11°。該建筑客房多數房間是朝西，主要原因在于：一是受到地塊紅線的限制；二是西向面向烏龍江，觀景效果好。

東向窗墻比為0.126；南向窗墻比為0.355；西向窗墻比為0.358；北向窗墻比為0.253。采用鋁合金框，熱反射中空玻璃（5＋6A＋5）傳熱系數K值為3.4 W／（m2·K），遮陽系數SC為0.45。

1）外墻類型（從外至內）：外墻淺色面磚或涂料＋水泥砂漿（20mm）＋蒸壓加氣混凝土（200mm）＋水泥砂漿（20mm）＋內墻涂料。

2）屋面類型（從上而下）：水泥砂漿（20mm）＋細石混凝土（40mm）＋擠塑聚苯乙烯泡沫板（30mm）＋水泥砂漿（20mm）＋鋼筋混凝土（100mm）。

3）地面類型（從上而下）：水泥砂漿（20mm）＋細石混凝土（40mm）＋加氣混凝土保溫砌塊（200mm）＋混凝土墊層（60mm）。

2 計算思路

PBEC軟件采用DOE－2的計算內核，根據 《公共建筑節能設計標準》（GB 50189－2005），并結合各地的地方標準開發，在設計階段對建筑能耗進行動態模擬評估，計算出設計建筑和參照建筑的耗能量，完成公共建筑外圍護系統的節能檢查，得出是否滿足 《公共建筑節能設計標準》要求的結論。

軟件把墻體和房間分別當作線性的熱力系統，通過輸入每小時的氣象數據，建筑外圍護系統的使用（包括人員，設備，照明條件）、空調系統、操作條件和空調冷熱源選擇等信息，對建筑物進行全年8760h的逐時能耗分析計算，模擬計算出建筑物全年采暖及空調耗電量［2］。

3 計算模型

建筑數據的獲取方法是通過PBEC軟件，利用建筑軟件APM產生的數據，將DWG圖轉換成建筑數據。在讀取數據的過程中，計算機會自動識別各種構件，但仍會產生偏差，需經過設計人員的修改調整，確保建立封閉的立體模型。南向三層以上外挑陽臺以水平遮陽措施輸入。該公共建筑的三維模型如圖1所示。

圖1 公共建筑的三維模型

3.1 外圍護系統參數

該公共建筑實際建筑外圍護系統的熱物理參數如表1所示。

表1 實際建筑外圍護系統的熱物理參數表

3.2 室內計算參數設置

福州屬于夏熱冬暖的地區，夏季悶熱，冬季較冷，建筑要考慮夏季空調兼顧冬季采暖。

建筑節能標準是以采暖和空調能耗為最終標準，空調面積占總建筑面積的比例對最終能耗量的計算結果有很大影響。設計人員在操作軟件過程中，要根據房間的功能情況做出標識，以便軟件正確計算。根據 《公共建筑節能設計標準》夏熱冬暖地區室內環境設計參數如表2［3］所示。

表2 室內環境節能設計計算參數

4 建筑能耗分析

在建筑外圍護系統的傳熱過程中主要有以下3種基本傳熱方式。

第1種是對流傳熱，即外圍護系統內外表面與周圍空氣間的對流傳熱，其表面與周圍空氣溫差越大，對流交換熱量就越大，對流換熱過程所交換熱量與空氣和外圍護系統表面溫差成正比，即：

式中，qc為對流換熱強度，W／m2；αc為對流換熱系數，W／（m2·℃）；θ為外圍護結構表面溫度，℃；t為外圍護結構周圍空氣溫度，℃。

第2種是固體導熱，在外圍護系統內部產生，遵守傅里葉導熱基本定律，即在單位時間內，通過單位截面積的導熱量與溫度梯度成正比，其比例系數λ叫做材料的熱導率，W／（m·K）。對于單層勻質平壁在一維穩定傳熱時的傳熱量為：

式中，d為材料層（平壁）的厚度，m；θi、θe為平壁內、外表面溫度，℃。

第3種是輻射傳熱，外圍護系統兩表面間的輻射傳熱量及其表面與周圍其他表面間的輻射傳熱［4］。對于夏熱冬暖地區而言，冬季要減少室內的熱量損失，保持室內較為舒適的溫度；夏季要防止室外的熱輻射進入室內，使室內保持較為涼爽的環境。外圍護系統進行節能處理就是要選擇較小導熱系數和較大蓄熱系數的材料，降低外圍護系統表面與周圍空氣間的對流傳熱及周圍其他表面間的輻射傳熱，以同時滿足保溫和隔熱的需要。

所有設計建筑是否達到節能50%的要求，需要有一個 “基準建筑”與之做比較。所謂 “基準建筑”是指選擇體型系數、建筑層數、朝向和窗墻比等在某一地區具有代表性的住宅建筑，以此作為基準，將建筑物耗熱量控制指標分解為各項外圍護系統傳熱系數限制，以便從總體上控制該地區公共建筑能耗［3］。“基準建筑”的空調和采暖能耗為100%，只要設計建筑能耗與 “基準建筑”之比小于或等于50%，就可以評定該建筑符合節能要求。

參照建筑是與實際設計的建筑相比，參照建筑除了在實際設計建筑不滿足 《公共建筑節能設計標準》的一些重要規定處做調整外，其他方面均相同。參照建筑在外圍護系統的各個方面均符合節能設計標準的規定。參照建筑是設計建筑進行權衡判斷的基礎。參照建筑與基準建筑相比，達到節能50%的要求。

為得到不同節能措施對節能率的貢獻情況，通過PBEC進行能耗分析，設定計算模式，把實際建筑作為模式1，其他模式只改變一個參數，其余條件均與實際建筑一致，共有11種計算模式。

4.1 改變屋面節能參數的建筑能耗和節能率

表3列出了改變屋面節能參數的建筑能耗和節能率。

表3 屋面節能參數變化結果匯總

在夏熱冬暖地區，夏季太陽輻射強度很高，屋面接受太陽輻射的幾率最大，它承擔著節能與改善頂層房間熱環境2個任務。與實際設計建筑相比，屋面聚苯板乙烯泡沫保溫層的厚度對采暖能耗的影響比較大，空調能耗影響比較小，兩者相差一個數量級。在模式2（擠塑聚苯板厚為20mm）條件下，與實際設計建筑相比，節能率降低0.64%。在模式3（擠塑聚苯板厚為40mm）條件下，與實際設計建筑相比，節能率提高0.38%。在模式4（擠塑聚苯板厚為50mm）條件下，與實際設計建筑相比，節能率提高0.64%。

4.2 改變外墻節能參數的建筑能耗和節能率

表4列出了改變外墻節能參數的建筑能耗和節能率。

表4 外墻節能參數變化結果

墻體是構成建筑的主要構件之一，在建筑節能中占了非常重要的位置。特別是外墻，是建筑物內環境與外界自然環境進行能量交流的重要通道之一，因此墻體熱工性能的好壞對整個建筑的能耗有重要的影響［5］。與節能率為50%的參照建筑相比，在模式5（加氣混凝土砌塊厚度為100mm）條件下，節能率降低1.07%。在模式6（加氣混凝土砌塊厚度為150mm）條件下，節能率降低0.28%。在模式7（加氣混凝土砌塊厚度為250mm）條件下，節能率提高0.58%。在模式8（加氣混凝土砌塊厚度為300mm）條件下，節能率提高0.85%。但墻體厚度的增加對節能的貢獻并不呈線性特征，隨著墻體厚度的增加，建筑采暖能耗、空調能耗和總能耗都隨之降低，但幅度越來越小，對節能率提高的貢獻率也越來越小，且厚度增加采暖能耗的影響比空調能耗大。對于夏熱冬暖地區，主要在于夏季防暑，空調能耗要求比采暖能耗要求更高。因此單純以增加加氣混凝土砌塊厚度的做法來提高節能效果，對于夏熱冬暖地區是不足的。

4.3 改變外窗節能參數的建筑能耗和節能率。

表5列出了改變外窗節能參數的建筑能耗和節能率。

表5 外窗節能參數變化計算結果

建筑外門窗（包括玻璃幕墻、采光頂）由于以透明材料為主要面層，太陽輻射可直接透過面層導致室內直接輻射得熱，不同于其他非透明墻體以熱傳導為主的方式傳熱，熱工性能比非透明墻體要差很多。與節能率為50%的參照建筑相比，在模式9（鋁合金框普通單層玻璃）條件下，節能率降低6.02%；在模式10（鋁合金框普通中空玻璃）條件下，節能率降低2.51%；在模式11（實際建筑無遮陽）條件下，節能率降低0.85%。

窗戶材質的改變對建筑節能的影響是非常顯著的，主要原因在于公共建筑的窗墻比較大，夏熱冬暖地區夏季太陽強烈，加上外門窗有大面積的透明部分，直接獲得太陽輻射能量巨大，導致建筑外圍護結構熱工性能下降。因此選擇熱工性能良好的外窗是關鍵。在夏熱冬暖地區采取遮陽措施還是有必要的，但其影響遠沒有窗戶自身熱工性能改善來的重要。

5 結論

1）公共建筑外圍護系統的節能設計不是簡單將保溫隔熱材料進行堆積，合理保溫系統的選擇很重要。實際建筑所進行的節能措施能夠滿足節能50%的要求。

2）屋面保溫材料聚苯乙烯泡沫板（XPS）厚度的增加，對采暖能耗的降低比空調能耗的降低敏感，對建筑節能率提高是也有效的。

3）加氣混凝土砌塊作為外墻圍護系統，相比參照建筑，墻體厚度的增加對節能率的提高并不顯著，且不呈線性。

4）外窗是外圍護系統的薄弱環節，外窗本身熱工性能的好壞對建筑的節能率影響非常顯著。在夏熱冬暖地區的北區，外窗有無遮陽，對建筑節能率是有影響的。同時相比外窗材料改變下對節能率的影響，遮陽效果的影響要弱得多。因此在進行外窗節能設計時，要優先考慮熱工性能優良的窗型。

［1］福建省人民政府，福建省 “十二五”節能減排綜合性工作方案（閩政 〔2011〕95號）［Z］.

［2］于美靜，王宏偉.建筑節能計算機模擬軟件的研究 ［J］.區域供熱，2007（3）：69－72.

［3］GB 50189－200，公共建筑節能設計標準 ［S］.

［4］朱盈豹.公共節能建筑耗熱量指標探討 ［J］.墻體革新與建筑節能，2006（5）：37－39.

［5］吳成東，李新輝.建筑節能技術及其發展 ［J］.智能建筑與城市信息，2005（10）：83－87.