寒冷地區建筑負荷對圍護結構熱工參數的敏感性分析

摘要：為研究建筑圍護結構屬性對同一熱工分區不同城市節能建筑負荷影響的敏感性，以同屬于寒冷地區的蘭州和鄭州為研究目標所在城市，在節能65%的前提下將4種外墻、3種外窗和4種窗墻比進行組合得到了48個可能的辦公建筑圍護結構計算房間。分別計算了這些房間的冷負荷、熱負荷和全年總負荷并分析了各熱工參數對負荷的影響。通過與基準房間負荷對比，獲得了具有不同熱工性能的計算房間的節能率及最優的辦公建筑圍護結構。

關鍵詞：寒冷地區；建筑節能；圍護結構；建筑負荷；優化設計

中圖分類號：TU832文獻標志碼：A文章編號：16744764（2015）03010808

Abstract：Two cities located in cold zone， Lanzhou and Zhengzhou were selected to study the relationship between the building envelope properties and the building heating and cooling load.Under the condition of energy efficient rate 65%， four types of walls， three types of windows and four windowtowall ratios were assembled into 48 types of office building envelopes as the calculating rooms. The annual heating and cooling loads of the calculating rooms were obtained and the influence of thermal performance on building load was analyzed. The energy saving ratio and the optimal building envelope for each city were determined by comparing with the annual total load of baseline room，.

Key words：cold zone； building energy efficient； building envelope；heating and cooling load； optimization design

建筑圍護結構對室外條件的熱反應取決于其各組成部分材料的熱性能和它的自身結構，其熱工性能是影響建筑能效的決定性因素[12]。隨著建筑節能目標的不斷提升，與建筑圍護結構有關的研究也取得了大量的成果[38]。文獻[9]對現有公共節能建筑圍護結構進行了熱工性能優化，從建筑方位、窗墻比、保溫材料和窗戶類型幾個方面對優化方案進行了技術經濟分析。文獻[10]研究了中國夏熱冬冷地區4個城市高層建筑圍護結構熱工性能在不同季節的主要影響因素。文獻[11]分析了不同建筑圍護結構外表面裝飾材料在太陽輻射作用下對建筑耗熱的影響。文獻[12]對112種墻和屋頂不同材料組合構成的建筑物進行計算，得到了滿足節能建筑標準要求的隔熱層參數，并對計算結果進行了實驗驗證。文獻[13]在分析了建筑圍護結構中6個因素對建筑運行能耗影響的基礎上，采用正交試驗設計方法對建筑圍護結構進行了優化設計。由于中國寒冷地區在地域和低溫時段上的大跨度特點，決定了建筑圍護結構熱工性能在不同城市必然表現出不同的耗能特性[14]。那么，對于具有同一熱工屬性的圍護結構建筑物在同一熱工分區不同城市負荷間的差異究竟如何呢？關于這一問題，目前還未見報道。本文選取同屬寒冷地區的蘭州和鄭州作為研究目標所在城市，因它們分別屬于中溫帶大陸性氣候區和暖溫帶亞濕潤季風氣候區[15]，在耗能方式和對能耗影響的敏感程度也會有所不同，以此為基礎進行建筑圍護結構優化設計，以獲得同一熱工分區不同城市最佳節能建筑。

1建筑模型

1.1基準房間

為了對不同圍護結構計算房間綜合性能進行評價，引入一個外形、大小、朝向、內部空間劃分和使用功能等基本信息與計算房間相同的假想房間，即為基準房間。蘭州、鄭州兩地的基準房間外墻采用300 mm厚黏土多孔磚，窗戶為6 mm單層玻璃塑鋼窗，南北向窗墻比取0.35。該基準建筑沒有采取任何保溫、遮陽措施，其熱工參數如表1所示。

1.2計算房間

計算房間如圖1所示，其進深×開間×高=6.3 m×4.0 m×3.3 m。該房間位于一幢6層辦公樓的3層西南角位置，西墻和南墻為外墻。窗戶在南墻上。墻體內壁面換熱系數取8.7 W/（m2·K），外壁面換熱系數在不同地區受風速影響較大，應按季節根據文獻[16]中給定值采用內插法來確定，如表2所示。圍護結構均按節能65%標準要求進行設計，其熱工參數如表3和表4所示。建筑體形系數為0.25，窗墻比分別取0.15、0.20、025、0.30，均符合文獻[17]要求。以下計算分析中，不考慮鄰室傳熱。

2負荷計算

2.1供暖期與空調期確定

供暖期以蘭州和鄭州當地政府關于供暖起止日期的文件規定為準，蘭州供暖期為11月1日至次年3月31日，共150 d；鄭州供暖期為11月15日至次年3月15日，共120 d。

建筑能耗分析用的DOE2軟件中，是將5月1日至10月31日設定為空調期。實際上由于建筑氣候環境的多變性及復雜性，各地的經濟水平、人們的生活習慣等各不相同，使得這一設定的空調期在不同城市能耗統計中均存在較大誤差。考慮到所研究城市氣候特點并不需要整日連續開啟空調，室外白天高溫溫度波經圍護結構的延遲導致晚間室內溫度可能較高，這可以通過開窗等措施以自然通風方式來降低室內溫度。因此，根據文獻[18]中的統計數據，將蘭州在6月1日至8月31日期間逐時溫度高于26 ℃的小時數折算為20個空調連續運行日；將鄭州在6月1日至9月15日期間逐時溫度高于26 ℃的小時數折算為49個空調連續運行日。這一確定方法和當地實際氣溫變化以及人們日常生活中的節約行為是一致的。

2.2熱負荷計算

供暖房間熱負荷包括圍護結構耗熱量、冷風滲透耗熱量。分別計算如下：

2.2.1圍護結構耗熱量 圍護結構耗熱量包括圍護結構基本耗熱量和附加耗熱量兩部分。

圍護結構基本耗熱量：

2.5熱工參數對負荷的影響

表3中4種外墻類型、表4中3種外窗類型以及4個窗墻比組合，形成48個不同熱工屬性的圍護結構計算房間。按照2.1～2.3節計算過程，可得不同房間在不同季節位于不同城市時的年累積供暖熱負荷、年累積空調冷負荷以及全年總負荷。下面給出其他條件不變，外墻類型、外窗類型以及窗墻比變化時不同計算房間負荷計算結果。

2.5.1外墻類型對負荷的影響

圖2為外墻傳熱系數變化時計算房間在兩地的負荷計算結果，蘭州和鄭州地區各12種方案。圖2（a）為外窗1、窗墻比取0.15、4種外墻類型對應的負荷計算結果；圖2（b）為外窗2、窗墻比取0.2時4種外墻

類型對應的負

荷計算結果；圖2（c）為外窗3、窗墻比取0.25時4種外墻類型對應的負荷計算結果。圖2（a）中4個方案對應熱負荷均在7.0×106～8.5×106 kW之間變化；圖2（b）中4個方案對應熱負荷均在8.3×106～9.7×106 kW之間變化；圖2（c）中4個方案對應熱負荷均超過了9.8×106 kW。各方案對應的空調冷負荷在蘭州和鄭州地分別穩定在2×106和6.0×106 kW左右。外墻傳熱系數增大274%，窗墻比為0.15時，方案4比方案1的供暖期累積熱負荷在蘭州和鄭州地區分別增大了190%和20.4%，窗墻比為0.2時，方案20比方案17的供暖期累積熱負荷在蘭州和鄭州地區分別增大了15.8%和171%，窗墻比為0.25時，方案36比方案33的供暖期累積熱負荷在蘭州和鄭州地區分別增大了13.2%和14.4%。這說明即使按照65%的節能標準選擇圍護結構，具有不同參數的圍護結構組合對應的熱負荷差異也很大，而且，同一圍護結構建筑物在鄭州地區的熱負荷對外墻類型的敏感性要高于在蘭州地區的情況。這也為地方設計規范和節能標準的制定、實施提供了思路。

2.5.2外窗類型對負荷的影響

圖3為不同外窗類型時計算房間在兩地的負荷計算結果，蘭州和鄭州地區各12種方案。圖3（a）為外墻1、窗墻比取015時4種外窗類型對應的負荷計算結果；圖3（b）為外墻2、窗墻比取02時4種外窗類型對應的負荷計算結果；圖3（c）為外墻3、窗墻比取025時4種外窗類型對應的負荷計算結果；圖3（d）為外墻4、窗墻比取03時4種外窗類型對應的負荷計算結果。各方案對應的空調冷負荷在蘭州地區基本上穩定在2×106 kW左右，在鄭州地區基本上穩定在60×106 kW左右。外窗傳熱系數增大74%，窗墻比為015時，方案9比方案1的供暖期累積熱負荷在蘭州和鄭州地區分別增大了119%和127%，窗墻比為02時，方案22比方案14的供暖期累積熱負荷在蘭州和鄭州地區分別增大了138%和149%，窗墻比為025時，方案35比方案27的供暖期累積熱負荷在蘭州和鄭州地區分別增大了154%和169%，窗墻比為03時，方案48比方案40的供暖期累積熱負荷在蘭州和鄭州地區分別增大了168%和183%。可以看出，外窗屬性對鄭州地區建筑熱負荷的影響要比蘭州地區明顯一些，但隨著外墻傳熱系數和窗墻比的同時增大，這一差異在逐漸減小。

2.5.3不同窗墻比下負荷比較

圖4為不同窗墻比時計算房間在兩地的負荷計算結果，蘭州和鄭州地區各12種方案。圖4（a）為外墻1、外窗1時4種窗墻比對應的負荷計算結果；圖4（b）為外墻2、外窗2時4種窗墻比對應的負荷計算結果；圖4（c）為外墻3、外窗3時4種窗墻比對應的負荷計算結果。各方案對應的空調冷負荷在蘭州和鄭州地區分別在2×106 和6.0×106 kW左右。窗墻比增大了100%，方案37比方案1的供暖期累積熱負荷在蘭州和鄭州地區分別增大了23.8%和19.9%，方案42比方案6的供暖期累積熱負荷在蘭州和鄭州地區分別增大了25.7%和22.7%，方案47比方案11的供暖期累積熱負荷在蘭州和鄭州地區分別增大了28.3%和25.4%。窗墻比對蘭州地區建筑熱負荷的影響要比鄭州明顯一些，但隨著外窗和外墻傳熱系數同時增大，窗墻比對建筑熱負荷的影響在逐漸減弱。

2.5.4各因素綜合影響下負荷及節能率比較

圖5為各因素綜合影響下48種圍護結構構造方案對應的建筑負荷在蘭州和鄭州兩地區的變化趨勢。可以看出，蘭州地區的冷負荷隨各因素變化很微弱，但熱負荷變化顯著，呈鋸齒狀分布，年總負荷變化趨勢與熱負荷變化趨勢比較接近；鄭州地區的冷負荷隨各因素變化也很微弱，熱負荷變化較顯著，也呈鋸齒狀分布，年總負荷變化趨勢與熱負荷變化趨勢比較接近。對于前24種方案，鄭州的全年累積總負荷稍高于蘭州地區的水平，后面24種方案，兩者基本持平。

圖6為不同方案構造圍護結構對應的負荷與基準建筑圍護結構對應的負荷相比較所得節能率計算結果。可以看出，蘭州地區的節能率變化范圍基本上在35%～58%之間波動，在48種構造方案中，方案1的節能率最高，為58%，方案48的節能率最低，為35%；鄭州地區的節能率變化范圍基本上在29%～49%之間波動，在48種構造方案中，方案1的節能率最高，為49%，方案48的節能率最低，為29%。這說明圍護結構熱工性能對建筑負荷的敏感性是與氣候條件密切相關圖6節能率比較

Fig.6Comparison of energy saving的，如何合理結合當地氣候特征優化建筑圍護結構是建筑節能工作的重要內容之一。

3結論

以蘭州和鄭州地區作為研究對象所在城市，4種外墻類型、3種外窗類型及4個窗墻比組合形成48種可能的圍護結構，計算了年熱負荷、年冷負荷以及全年總負荷，比較了各計算房間在蘭州和鄭州地區的節能率。得到了如下主要結論：

1） 按照65%的節能標準選擇圍護結構，具有不同參數的圍護結構組合對應的熱負荷差異也很大，而且，同一圍護結構建筑物在鄭州地區的熱負荷對外墻類型的敏感性要高于在蘭州地區的情況。

2） 外窗類型對鄭州地區建筑熱負荷的影響要比對蘭州地區建筑熱負荷的影響明顯，但隨著外墻傳熱系數和窗墻比的同時增大，這一差異在逐漸減小。

3） 窗墻比對蘭州地區建筑熱負荷的影響要比對鄭州地區建筑熱負荷的影響明顯，但隨著窗戶和外墻傳熱系數的同時增大，窗墻比對建筑熱負荷的影響在逐漸減弱。

4） 獲得了同屬寒冷地區的蘭州和鄭州地區的最優建筑圍護結構，相對于本文構造的基準建筑，在蘭州和鄭州地區的節能率分別為58%和49%。

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（編輯王秀玲）