寒冷 B 區的高性能節能建筑能耗計算分析

厲盼盼 朱峰磊 李紅 林林

中國建筑科學研究院有限公司

我國的建筑節能工作伴隨著改革開放政策 40 年來穩步推進，各地的節能技術路線從原來的無圍護結構保溫發展到現在的滿足國家或者地方節能設計標準要求的節能建筑。嚴寒和寒冷地區的節能率也從開始的節能率30%、50%、65%、75%的四步節能，向著節能率 80%的第五步節能前進。建筑節能率的提高，代表著建筑整體能耗降低，需要我們在建筑設計時，盡量選用高性能的圍護結構材料，高性能的設備及使用可再生能源等節能技術措施來降低建筑的能耗。近些年，許多新的節能建筑概念不斷涌現，如綠色建筑、智慧生態建筑、既有建筑節能改造、超低能耗建筑、近零能耗建筑等等，這些新概念的提出，不僅反應了我國對節能減排的重視，也凸顯出人們對建筑的居住環境與質量的要求越來越高[1]。

然而在進行超低能耗建筑與高節能率建筑設計時，很多設計師對建筑的設計要點和能耗計算的主要影響因素還處在模糊階段。本文以寒冷B 區居住建筑為例，通過動態模擬分析軟件對住宅類高節能建筑的節能技術體系及能耗計算方法進行研究。并對能耗影響比較大的氣象參數、外窗性能、排風熱回收技術進行詳細計算分析[2]。通過高性能節能建筑的技術措施分析及能耗計算結果的對比，為設計提供參考作用。

1 由氣象文件確定供暖空調期

我國幅員遼闊，每個氣候區的設計要求都有不同的側重點，以寒冷 B 區為研究對象，是因為寒冷 B 區的氣候特征是冬季寒冷，夏季炎熱。在建筑設計時，寒冷B 區不僅應滿足保溫設計要求，亦要滿足隔熱設計要求，還應兼顧自然通風、遮陽設計。本文選取了北京、天津、濟南、鄭州、石家莊五個寒冷 B 區城市的溫度及法向太陽直射輻射量對比，氣象文件來源于《建筑節能氣象參數標準》JGJ/T346-2014[3]。由圖1 各城市月平均溫度對比圖可以看出，寒冷 B 區在冬季 11 月、12月、1 月、2 月、3 月的日平均溫度浮動比較大，所以供暖起止時間可以采用這5 個月進行供熱計算。夏季的6月、7 月、8 月的日平均溫度浮動較小，在 26 日左右，可以采用這 3 個月進行供冷計算。經計算，北京、天津、濟南、鄭州、石家莊在供暖時間段 11 月 15 日至次年 3月 15 日，供暖時間 2904 h 內的平均溫度依次為0.20 ℃、1.38 ℃、2.72 ℃、4.72 ℃、2.65 ℃。北京、天津、濟南、鄭州、石家莊在供冷時間6 月1 日至8 月31 日，供冷時間2209h 內的平均溫度依此為：26.08 ℃、26.61℃、26.18 ℃、26.11 ℃、25.14 ℃。

圖1 寒冷B 區各城市月平均溫度對比圖

太陽輻射也是影響建筑能耗的重要因素之一，進行能耗計算時，太陽輻射占建筑能耗的權重比約為8/16[4]。由圖2 可以看出，冬季11 月、12 月、1 月、2 月、3月的日平均水平面太陽總輻射受地理位置的影響，各地的太陽輻射值各不相同。經計算，北京、天津、濟南、鄭州、石家莊在供暖時間段11 月 15 日至次年 3 月15日，供暖期間日平均水平面太陽總輻射累計值分別為：13 299.07 Wh/m2、12580.44 Wh/m2、13318.19 Wh/m2、13533.51 Wh/m2、13986.85 Wh/m2。北京、天津、濟南、鄭州、石家莊在供冷時間 6 月 1 日至 8 月 31 日，供冷期間日平均水平面太陽總輻射累計值分別為：488504.9 Wh/m2、489914.9 Wh/m2、471775.0 Wh/m2、458401.9 Wh/m2、473928.3 Wh/m2。根據分析各個城市的溫度和太陽輻射，為下面的建筑負荷及能耗計算對比分析打下基礎。

圖2 寒冷B 區各城市日平均水平面太陽總輻射對比圖

2 一次能源消耗計算與分析

2.1 計算原理

建筑逐項逐時的冷熱負荷是通過軟件內核DOE2.1e 進行動態模擬計算[5]，空間負荷計算包含的各項內容見式（1）：

因為空間負荷（LOAD）計算是在恒定的溫度情況下，考慮到室內外通風、設備的運行等因素，有必要對空間負荷（LOAD）進行修正。DOE-2.1e 通過系統負荷（SYSTEM）的計算進行修正。系統負荷計算包含的各項內容見式（2）：

建筑年供暖（供冷）需求計算是從規定的供暖（供冷）起始日期至供暖計算終止日期[6]，具體計算方法見（3）：

式中：Qh是年供暖（供冷）需求，kWh/(m2·a)；t1是供暖（供冷）時間段的起始時間，h；t2是供暖（供冷）時間段的終止時間，h；qi是單位時間內產生的建筑冷熱負荷，W；Δt是冷熱負荷計算的時間步長，取 1 h。

2.2 計算案例

采用典型的超低能耗建筑進行不同城市的一次能源消耗量的計算。建筑外墻、屋頂的傳熱系數K值為0.15 W/(m2·K)，外窗的傳熱系數K 值為1.1 W/(m2·K)，外窗的冬季太陽得熱系數 SHGC 為 0.45，夏季為0.30。東西南北四個朝向的朝向窗墻比分別為：0.17、0.17、0.58、0.29，體形系數為0.38，層高為3.15 m。新風系統設置熱回收裝置，新風-排風熱回收的效率為75%。根據《被動式超低能耗綠色建筑技術導則（試行）（居住建筑）》[7]，室內計算溫度冬季取 20 ℃，夏季取26 ℃。照明功率密度取值為3 W/m2，除照明外的建筑內部得熱取2 W/m2。人員新風量取30 m3/(h·p)。供暖供冷起止日期采用本文選取的時間段，對于新風負荷計算，是扣除從排風中回收的熱回收量。各城市的單位面積能耗指標計算結果如表1 所示：

表1 單位面積的建筑能耗指標計算結果

從表 1 的計算結果可以看出，天津市的供冷需求較大，這是因為天津供冷期間日平均溫度為 26.61 ℃，五個城市中溫度最高，且日平均水平面太陽輻射累計值也是最大。從供暖需求的計算結果可以看出，北京市的供熱需求是五個城市最高的，從溫度來看，北京市供熱期間日平均溫度為 0.2 ℃，是五個城市中溫度最低，這是熱負荷值最大的主要原因。所以在進行超低建筑能耗的指標計算分析時，對城市的氣象參數進行詳細的分析，更有助于準確地計算出建筑的供冷供熱需求及能源消耗情況。

3 圍護結構性能對建筑能耗的影響

3.1 系統性熱橋

被動式住宅項目要求無熱橋設計進行施工的，各類穿過外圍護結構的管道，孔洞，包括與室外陽臺的連接等都要無熱橋設計，可以更好地提升建筑的保溫隔熱性能。由于梁、柱、板等結構構件穿入保溫層而造成保溫層減薄或不連續所形成的線性熱橋，及由連結保溫材料與結構墻的錨栓或是插入保溫層的金屬連接件等所形成的系統性熱橋（圖 3、4），對建筑的外墻的傳熱的影響不可忽視，因此非透明圍護結構的傳熱系數計算值應取其平均傳熱系數與系統性熱橋附加值之和，地方規范提出非透明圍護結構的系統性熱橋附加值不得小于0.05 W/(m2·K)的要求[8]。采用外墻-內墻的單個節點，材料為 250 mm 厚的鋼筋混凝土，導熱系數 1.74 W/(m·K)與 250 mm 厚的石墨聚苯板，導熱系數為0.03 W/(m·K)，研究無錨栓和有錨栓對節點的傳熱系數的影響，得出外墻外保溫的單個錨栓對系統傳熱系數增加值為小于等于0.002 W/(m·2K)。

圖3 單個外墻-樓板節點考慮了錨栓前的熱橋節點圖

圖4 單個外墻-樓板節點考慮了錨栓后的熱橋節點圖

3.2 外窗的配置

影響外窗節能性能的另一因素是外窗的玻璃層數。因寒冷B 區的節能設計標準里，有部分地區明確要求采用三層玻璃，但有的地區可以采用雙層玻璃。下面對天津市的一個住宅模型，外窗的傳熱系數為1.5 W/(m2·K)，在遮陽系數為 0.46 和遮陽系數為 0.52的兩個工況下，配置不同的玻璃層數進行了計算分析，計算結果如表2 所示。

從表2 可以看出，當外窗傳熱系數和遮陽系數相同時，外窗的熱負荷指標是隨著玻璃層數的增加而增加的，而冷負荷是隨著玻璃的層數的增加而減少，因冷負荷的降低比例比較大，所以總的負荷指標是隨著玻璃的層數增加而降低的。熱負荷指標的趨勢與總負荷指標的趨勢相反，這與軟件的外窗選用是K-SC 模型有關。

表2 玻璃層數對建筑負荷指標的影響

K-SC 模型是為了實際工程中，只有傳熱系數K，及遮陽系數SC 參數時，可以構造出一種熱工性能與已知參數相同的窗戶。軟件通過反推出透光體系的方法，當外窗的 K，SC 相同，對于不同的玻璃層數，會構造出不同的玻璃組合類型和不同的鍍膜位置。太陽輻射以不同入射角進入玻璃后，不同的外窗配置類型會有不同的太陽輻射透過量和吸收量。所以高性能的外窗進行建筑能耗計算時因盡量參考標準體系給出的合理的外窗類型，確定外窗玻璃層數及其他熱工參數，可以準確地計算出高性能節能建筑的建筑能耗。

3.3 外窗設置活動外遮陽

在夏季使用活動外遮陽構件，根據太陽高度角自動調節葉片角度，可以遮擋全部的太陽直射輻射。在其他季節，可以通過自動調整葉片角度，讓全部太陽直射輻射進入太陽室內，滿足采光和減少供熱量的需要，在夏熱冬冷地區，采用活動外遮陽能夠對居住建筑節能率的貢獻能達到20%左右[9]。因在寒冷 B 區與夏熱冬冷地區的氣候有相似之處，且對高性能節能建筑，北京的 80%節能標準就對建筑遮陽提出了“東、西向主要房間的外窗（不包括封閉式陽臺的透明部分）應設置展開或關閉后可以全部遮蔽窗戶的活動外遮陽或中置遮陽”的強制性條文要求。圖 5 為對北京市和天津市兩個地區采用固定遮陽和采用活動遮陽的能耗計算結果對比。

圖5 固定遮陽與活動遮陽的能耗對比

圖5 所示結果可以得出，北京地區，該建筑采用活動外遮陽的單位面積能耗比采用固定遮陽降低 9%，天津地區單位面積能耗降低8%左右。

4 結論

1）本文通過動態模擬軟件，對 5 個寒冷B 區的城市進行一次能源消耗計算，得出了因為溫度和太陽輻射的影響，天津市供冷需求最大，北京市的供熱需求最大，所以在進行能耗指標計算分析時，可以對每個城市的氣象條件進行詳細的研究與分析。

2）熱橋和外窗的性能對建筑的能耗影響較大，本文由模擬分析結果得出，外墻外保溫的單個錨栓對系統傳熱系數增加值為小于等于0.002 W/(m2·K)。

3）外窗的傳熱系數和遮陽系數為固定值時，不同的玻璃層數，建筑的供暖負荷趨勢與總負荷趨勢相反。所以對于高性能節能建筑的外窗配置，需要明確外窗的玻璃層數，計算時正確填寫窗戶的熱工性能參數。

4）本文對外窗采用活動外遮陽進行了分析，北京地區采用活動外遮陽的單位面積能耗比采用固定遮陽降低9%，天津地區單位面積能耗降低8%左右。