上海地區超低能耗建筑圍護結構優化探索

■ 趙 群 ZHAO Qun 李崢嶸 LI Zhengrong 蒿玉輝 HAO Yuhui

0 引言

隨著全球氣候變化及低碳發展概念的深入人心，一些國家提出了“超低能耗建筑”或類似概念的中長期發展目標、技術路線等政策法規文件。被動房、低能耗、超低能耗、零能耗建筑等一系列概念也隨之進入探索實踐[1]。英國和瑞士提出零排放建筑，旨在利用可再生能源滿足建筑運行的能源需求，實現化石燃料消耗為零的目標；德國提出被動房標準，要求建筑每年的采暖能耗不超過15kWh/m2，建筑全年總能耗不超過120kWh/m2[2]；美國、日本等國家提出零能耗建筑，每年產生的能量和消耗的能量達到平衡，年一次能源消費量收支為零[3]。我國的建筑節能工作亦經歷了近30 年的發展，現階段建筑節能65%的設計標準正在普及，超低能耗建筑無疑已經成為我國下一階段建筑節能工作關注的重點之一 。

圍護結構性能是降低建筑負荷和能耗的關鍵基礎，因此，各地超低能耗示范建筑都采用了較高的熱工性能。相較于北方寒冷地區和南方炎熱地區，夏熱冬冷地區建筑一直面臨冬夏矛盾的需求；同時，長期保留的空調系統間歇性運行特征，也為該地區超低能耗建筑圍護結構熱工性能的確定帶來了困難。現有研究中，一般僅將圍護結構熱工性能與建筑負荷或者能耗簡單關聯，研究負荷或者能耗最低的前提下，圍護結構熱工參數的合理范圍。但是，由于系統間歇運行特征，室內空調熱擾規模、建筑空間設計因素等參數必將影響建筑圍護結構的傳熱過程，進而影響建筑負荷和能耗大小。本文將以此為研究對象，通過模擬實驗方法，探索它們之間的關聯性及其對建筑圍護結構性能選擇的影響。

1 夏熱冬冷地區既有超低能耗建筑熱工性能分析

為分析現有超低能耗建筑圍護結構熱工性能水平，本文調研收集了夏熱冬冷地區11個超低能耗示范建筑的主要熱工性能信息（表1）。目前，夏熱冬冷地區的示范建筑多集中于公共建筑，屋頂及外墻傳熱系數在0.1～0.3W/（m2K）之間，外窗傳熱系數在0.8～1.2W/（m2K）之間，外窗太陽得熱系數（SHGC）在0.3～0.5之間，氣密性等級多在n±50=0.2次/h左右。

基于上述調研結果，本文以上海辦公建筑為對象，建立建筑模型，通過正交實驗方法，探索室內熱擾和建筑幾何尺寸對建筑圍護結構熱工性能最優解的影響。

2 模型實驗設計

2.1 模型參數的確定

2.1.1 建筑空間設計因素

建筑空間設計因素包括建筑朝向、建筑布局形式、標準層面積、長寬比、層高等。本文調研了夏熱冬冷地區46棟獲得綠色建筑評級的多層辦公建筑，結果顯示：建筑朝向多為南向，建筑布局形式多為內廊式，標準層面積、長寬比、層高3個因素的取值則有一定的差異。因此，本文選擇這3個因素分析建筑空間設計的影響，并基于調研結果，總結這3個因素的域值。其中，標準層面積集中在600～2 400m2之間，建筑層高在3.9～4.8m，建筑平面多為矩形，長寬比在1：1～4：1之間。其建筑模型如圖1所示，研究中各因素定量化取值結果見表2。

2.1.2 圍護結構設計參數

圍護結構設計參數包括窗墻比、外墻傳熱系數、外窗傳熱系數、屋頂傳熱系數、氣密性、外窗太陽得熱系數（SHGC）。本文對這幾類因素的取值依據為：上限值取我國現行標準中的規定值[4]，下限值取調研所得夏熱冬冷地區超低能耗示范建筑的現行值。以氣密性取值為例，目前我國對于超低能耗建筑的氣密性推薦指標為n±50≤ 0.6次 /h[5]，夏熱冬冷地區已建超低能耗建筑氣密性可達到0.2次/h，因此氣密性的取值范圍為0.2～0.6次/h。

2.1.3 其它參數

本文氣象數據均取自文獻[6]。采用EnergyPlus 軟件作為負荷模擬工具，室內設計溫度分別為冬季20℃、夏季26℃。為簡化分析建筑室內熱擾對負荷的影響，統稱室內各種負荷熱擾為“室內發熱量”，取值范圍為0～30W/m2。

2.2 模擬工況的確定

本文的研究內容分為兩部分：第一步對建筑空間設計因素進行模擬，分析不同空間設計因素對建筑負荷的影響；第二步是在第一步工作的基礎上，對圍護結構熱工參數進行優化分析。因圍護結構熱工參數因素較多，采用窮舉法的工作量非常巨大，實現難度較高，且本文目的是為了尋求較優工況指導超低能耗建筑設計，因此采用正交試驗法對圍護結構熱工參數進行分析。

2.2.1 窮舉法模擬建筑幾何尺寸

對3個建筑空間設計因素（長寬比、標準層面積和層高）各選取4個水平，進行窮舉法分析，共計64個工況。在對空間設計因素進行模擬分析時，圍護結構熱的工參數參考夏熱冬冷地區現存超低能耗建筑進行取值，四個朝向的窗墻比皆取0.3，外墻傳熱系數為0.2W/（m2K），外窗傳熱系數為1.0W/（m2K），屋頂傳熱系數為0.2W/（m2K），氣密性取n±50=0.6次/h，且室內暫不考慮熱源，即室內發熱量為0W/m2。

表1 夏熱冬冷地區部分超低能耗示范建筑信息

2.2.2 正交試驗法分析圍護結構設計參數最優解

正交試驗法是研究多因素多水平的一種試驗設計方法。它是根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散、齊整可比”的特點。正交試驗是分析因式設計的主要方法，是一種高效率、快速、經濟的實驗設計方法[7]。本文需要考慮與圍護結構參數有關的9個因素對建筑負荷的影響，若進行全面模擬，則需進行49次模擬，工作量巨大；而采用正交試驗設計，則可大大減少模擬次數，同時也可得到合理正確的結論。本次模擬只考慮9個因素對各基礎建筑負荷的影響，不考慮因素間的交互作用，試驗的因素和水平的選取如表4所示。選用 L32（49）正交表（表5），對于每一類基準建筑只需設置32次模擬工況即可得出結論。

3 實驗結果分析

3.1 建筑幾何參數對負荷的影響

正如前文假定，本部分分析中，暫不考慮室內熱擾的影響。

由圖2可知，隨著標準層面積的增加，單位面積供暖空調負荷呈現大幅度降低。①當標準層面積增加至2 400m2時，與標準層面積為600m2時對比可得，供暖空調負荷降低率達到31%～33%；②當建筑層高增加時，全年供暖空調負荷也在逐漸降低，當層高從3.9m增加至4.8m時，供暖空調負荷降低率在23%～25%之間；③當建筑長寬比增加時，供暖空調負荷呈現逐漸增加的趨勢，當長寬比從1：1增加至4：1時，空調負荷增加率在4%～8%之間。按建筑空間設計因素對建筑供暖空調負荷影響程度進行排序可得：標準層面積＞層高＞長寬比。

圖1 內廊式辦公建筑

表2 建筑空間設計因素的取值

表3 圍護結構設計參數的取值

表4 模擬工況因素和水平的選取

圖2 單位建筑面積空調負荷

根據模擬結果，相比其它兩因素，長寬比對于負荷影響程度較小；標準層面積是決定負荷水平的最關鍵因素；而對于每一種標準層面積，層高是決定其負荷強度的因素。

表5 正交試驗法分析單位面積供暖空調負荷（室內發熱量為0W/m2）

3.2 圍護結構熱工參數的影響

根據相關的研究結論，室內熱源是影響建筑負荷的最顯著因素[8、9]。根據工程實際，本文兩個基礎建筑的室內發熱量從0～30W/m2范圍內取4個定量值，分別是0W/m2、10W/m2、20W/m2、30W/m2， 并對每一種室內發熱量值按正交試驗法進行圍護結構參數影響分析（表5～8）。

由表7和表8可知，對于全年供暖空調負荷，主要影響因素是氣密性和外窗太陽得熱系數（SHGC）。氣密性對建筑負荷的影響隨著室內發熱量的增加呈現出逐漸降低的趨勢，外窗太陽得熱系數（SHGC）則隨著室內發熱量的增加呈現出逐漸增加的趨勢。這是因為隨著室內發熱量的增加，因室內熱源對冬季熱負荷的正作用及對夏季冷負荷的負作用，建筑冬季熱負荷所占全年負荷的比例逐漸降低，而滲透風主要影響的是冬季熱負荷，因此，氣密性對全年負荷變化的作用效果逐漸降低。當標準層面積增加時，氣密性對建筑負荷的影響作用亦在逐漸增加，當建筑標準層面積為2 400m2時，無論在何種室內熱源水平下，氣密性的影響作用已大于外窗太陽得熱系數的作用。

計算各因素在各水平下的綜合平均值（表5），判斷各因素水平變化對建筑負荷的影響趨勢，從而得出在不同工況下圍護結構設計參數最優設計方案（表9）。在不同標準層面積和不同室內發熱量水平下，圍護結構最優設計組合方案有所不同，各參數的取值并非越低越好。因此，在圍護結構的設計過程中，應嚴格建筑氣密性指標，其余參數的取值應結合建筑面積及室內發熱量的取值進行考慮。

4 結論

經綜合分析建筑空間設計因素和圍護結構熱工參數對建筑負荷的影響，我們得出以下結論：在不同的建筑空間設計因素、不同的室內發熱量的條件下，節能優化的重點因素不同，圍護結構參數的取值并非越低越好。

（1）建筑空間設計因素特別是標準層面積、層高及建筑長寬比對超低能耗建筑的負荷有著不可忽視的影響。

（2）在系統間歇性運行前提下，建筑氣密性和外窗SHGC是影響上海地區超低能耗建筑空調采暖負荷的關鍵因素；建筑圍護結構的熱工參數設定應該考慮建筑規模與室內熱擾強度大小。

（3）本文的研究成果可以在建筑設計中找到圍護結構最優設計節能方案，為夏熱冬冷地區超低能耗建筑的發展提供基礎。

表6 正交試驗結果的方差分析

表7 各因素對負荷變化的貢獻率（標準層面積600m2，層高4.5m，長寬比4:1）

表8 各因素對負荷變化的貢獻率（標準層面積2 400m2，層高4.5m，長寬比1:1）

表9 不同工況下圍護結構熱工參數最優組合方案