寒冷地區居住建筑遮陽節能方案研究

郭而郛 王 瀛 崔雅楠

（天津生態城綠色建筑研究院有限公司，天津 300467）

寒冷地區居住建筑遮陽節能方案研究

郭而郛 王 瀛 崔雅楠

（天津生態城綠色建筑研究院有限公司，天津 300467）

本文從降低綠色建筑能耗的角度出發，利用能耗模擬軟件e-QUEST，對寒冷地區居住建筑遮陽系統進行研究，方法一是通過改善調整居住建筑外窗本體遮陽系數；方法二是通過添加活動式可調節外遮陽，通過定量化模擬手段進行建筑節能率測算，從而制定寒冷地區居住建筑外遮陽系統選用策略。

寒冷地區；建筑節能；e-QUEST；可調節外遮陽

1 引 言

目前我國現有建筑總面積約400億m2，預計到2020年還將新增建筑面積約300億m2。建筑需占用大量土地，在建造和使用過程中，直接消耗的能源占到全社會總能耗的近30%，因此，有效的降低建筑業的能源資源消耗，減輕建筑業造成的生態環境污染，將建筑業這個傳統的高消耗發展模式轉變為高效綠色型發展模式，將對社會可持續發展起著至關重要的作用。

自2006年住建部頒布第一版《綠色建筑評價標準》以來，如何實現節約資源保護環境，已成為建筑行業發展的必然趨勢。目前，我國已進入十三五高速發展期，經過十年的發展，各地區已頒布各類節能設計標準及綠色建筑專項設計與評價標準，保障綠色建筑的發展，但與此同時，我國建筑制造業較發達國家規模達、能源消耗量大，環境污染高，嚴寒及寒冷地區冬季采暖能耗大，化石能源消耗量大，已成為環境污染及建筑行業持續發展的重點問題，如何通過外圍護結構降低空調與采暖能耗，已成為建筑設計師業內學者交流熱點。

建筑外圍護結構是建筑內外能量流失通道，對于居住建筑來說，其外窗面積占到整體圍護結構面積的30%左右，又因其保溫效果較外墻差，故其成為建筑能量損失的主要通道，占到建筑總耗熱量的40%以上[1-3]。其中，遮陽系數的降低可以一定程度改善建筑節能效果，其方式可以通過改變外窗本體遮陽系數以及添加活動式外遮陽兩個方式實現，該方式已納入天津地區節能設計標準，并已定性的體現改善效果，但如何體現兩方式的區別及對居住建筑節能效果的量化影響，從而制定選材方案，已成為行業共同關注點。

本文以生態城居住建筑為案例，通過e-Quest模擬軟件，定量化表征兩方式對建筑節能效果的影響，為居住建筑外遮陽的選取提供方法。

2 模型的建立

2.1 e-Quest能耗模擬軟件介紹

本文選用e-QUEST 能耗模擬軟件[4]，該軟件具有應用廣泛、操作簡單、結果輸出可視性更強等優點[5]。

該軟件利用當地氣候數據文件，依據建筑項目具體模型，通過模擬室內外溫度的時時變化建立溫度與熱流傳到數據函數，通過各地區節能設計標準及建筑類型，定義周期計算時間及運行條件，從而對建筑冷、熱、設備、照明、排風等各能源消耗進行計算，最終得到全年每平米建筑面積平均能耗。同時該軟件可根據項目需求添加構件及構筑物，如活動式外遮陽，并可根據具體情況調節外窗整體遮陽系數及全年開啟時間表。

e-QUEST采用反應系數法動態的計算建筑物的負荷，該方法最大特點是不要求以周期擾量為前提,可以用時間序列表示外擾的變化,這是該軟件與同類模擬軟件的最大區別，因此適用于建筑全年負荷計算。

2.2 建模及參數設置

本文選取中新天津生態城世茂新城05-10-05-01地塊（20a）15號樓住宅為研究對象，總建筑面積3438m2，主體為鋼筋混凝土剪力墻結構，其中地上6層，建筑面積2910.7m2；地下2層，主要為庫房，建筑面積389.12m2，依據《天津市居住建筑節能設計標準》（DB29-1-2010）[6]，除外窗Sc之外其余圍護結構與設備選型參數詳見表1。

中新天津生態城世茂新城05-10-05-01地塊（20a）15號樓參照建筑按照《天津市居住建筑節能設計標準》（DB29-1-2010）規定，制冷采用cop為2.6的單體空調器，工作周期為5月15日至9月15日，工作時間按照工作日下午16:00至次日7:00；采暖采用效率為89%的燃氣鍋爐，工作周期為11月15日至次年3月15日。其主要功能空間設計參數見下表（其他功能房間設計參數依據《天津市居住建筑節能設計標準》（DB29-1-2010）中限值確定）。

表1 基準建筑圍護結構相關參數列表

表2 主要功能房間設計參數

在以上參數設置的基礎上，當該項目外窗遮陽系數為0.7時，即可滿足《天津市居住建筑節能設計標準》（DB29-1-2010）規定的65%節能率限值的要求。

圖1 外遮陽檢測報告

外窗本體遮陽是指窗戶上玻璃自身的遮陽功能，從一開始的吸熱玻璃到熱反射玻璃，再到現在的低輻射玻璃和各種鍍膜玻璃，也是品種越來越多，性能越來越好，是外窗出廠后的固有參數，穩定不變；但活動式外遮陽在夏季可根據自身傾角及開啟方式的變化改變圍護結構綜合遮陽系數，同時在冬季全部關閉的狀態下，可與外窗形成有機整體，可有效的增強圍護結構保溫隔熱效果，以某卷簾式活動外遮陽產品檢測報告為依據，在外窗本體Sc為0.7時，夏季白天10：00~16：00遮擋2/3，外窗整體遮陽系數可減小至0.21，冬季夜晚全部關閉，可使得外窗傳熱系數明顯減小，達到1.91 W/（m2·K）。

圖2 建筑模型圖

通過建模進行對比實驗，方案一是將外窗本體遮陽系數Sc從0.7每隔0.01個單位，連續變化到0.4；方案二是固定外窗遮陽系數0.7，添加卷簾式活動外遮陽，通過方案對比定量化得出建筑能耗模擬結果。

利用e-Quest軟件所建模型如圖2。

3 數據分析

如圖3所示，方案一只改變外窗本體遮陽系數，制冷節能率上升了12.85%，采暖節能率下降了6.28%，整體建筑節能率下降了3.38%。

圖3 各遮陽系數對應節能率變化

通過降低外窗本體遮陽系數不能夠減小建筑總能耗[7]，原因如下：對于建筑固定外窗來說，遮陽系數的降低，減少了室內的太陽輻射得熱，夏季空調能耗隨之減小，而采暖能耗反而上升，而根據《天津市居住建筑節能設計標準》（DB29-1-2010）中住宅建筑夏季夜晚空天處于長時間開啟狀態，溫差傳熱量也隨之減小，但外窗材料的蓄熱系能和熱惰性隨之增大，導致溫度波延遲，又因為在寒冷地區采暖能耗是制冷能耗的2~3倍，故采暖節能率的下降大幅度抵消了制冷節能率的提升，從而導致整體能耗呈上升趨勢。

方案二，固定外窗自身遮陽系數為節能設計標準限值，即0.7，通過添加上述活動式卷簾遮陽構件，模擬結果表征如下：

圖4 可調節外遮陽節能率對比

如圖4所示，與參照建筑相比，方案二的制冷節能率提高了9.8%，采暖節能率下降了2.3%，總節能率上升了5.6%；與方案一固定外窗本體遮陽系數相比，通過制冷及采暖節能率的提高，明天提高了建筑全年整體節能率。與傳統固定外窗相比，活動式外遮陽構件具有根據需求任意調節的特點，在夏季進行有效遮擋的同時，冬季可與外窗自身形成整體，增強外窗保溫效果，使得滿足夏季空調能耗降低的同時，大幅度減少冬季采暖能耗，使得全年建筑總體能耗呈下降趨勢。根據模擬結果趨勢可知，若添加與外窗一體化設計更加完善的外遮陽構件，改善效果將更為明顯。

4 結 語

1）外窗本體遮陽系數具有固定不變的特點，通過改善外窗本體遮陽系數并不能有效改善居住建筑能耗。

2）通過定量化模擬方法，添加活動式外遮陽構件，根據自身可調節性，既可有效改善夏季制冷能耗，同時在冬季可通過改善傳熱系數的方式降低采暖能耗，進而有效的改善寒冷地區居住建筑全年整體節能效果。

[1]夏建光，王正清，孫勤梧.建筑節能的重要意義和實施途徑[J].能耗及環境，2008( 19) : 24-25.

[2]趙曉萍.建筑界面一生態建筑外圍護結構研究[D].上海:同濟大學，2006.

[3]吳珍珍.武漢地區多層辦公建筑節能設計研究[D].武漢:武漢理工大學，2008.

[4]黃俊鵬.eQUEST建筑能耗模擬軟件的應用講義．http://www.topenergy.org/bbs，2005-6-19.

[5]侯余波,付祥釗,郭勇. 用DOE-2 程序分析建筑能耗的可靠性研究[J]. 暖通空調,2003 ,33 (3) :90～92.

[6]天津市建筑設計院. DB29-1-2010，天津市居住建筑節能設計標準[S]. 2010,5-65.

[7]張淑秘，馬大雷，冉春雨.建筑外窗對建筑節能的影響分析[J].吉林建筑工程學院學報，2008.

The Research of Shading Device on the Target of Residential Building Energy-saving in Cold Regions

This paper tries to start from the viewpoint of reducing building energy consumption, taking a residential building in cold area (Sino-Singapore Tianjin Eco-city City) as the research object, through using the simulating software e-QUEST, analyzes influence of building energy-saving through improving outside window of the shading coefficient and adding adjustable shading. This paper preliminarily proposes a suitable shading device on the target of residential building energy-saving in cold regions.

cold regions;building energy-saving; e-QUEST;adjustable shading

中新天津生態城中新科技合作計劃課題：綠色建筑指標庫及適宜技術研究

TU201.5

B

1003-8965(2017)05-0013-03