天津地區辦公建筑外遮陽的節能分析

孔華彪

天津地區辦公建筑外遮陽的節能分析

孔華彪

（中國鐵路設計集團有限公司建筑院 天津 300308）

為研究分析天津地區辦公建筑全年采暖及供冷能耗及采用外遮陽設計的節能潛力，以天津地區典型辦公建筑為研究對象，基于天津所處寒冷地區的氣候特點，利用Energyplus軟件計算了辦公建筑在不同朝向安裝不同傾角外遮陽時的冷、熱負荷，計算結果為合理設計天津地區辦公建筑外遮陽構件提供依據。

外遮陽；建筑節能；能耗模擬

0 引言

外遮陽在建筑中的應用由來久遠，許多建筑師都把它與建筑空間形態塑造、界面設計聯系在一起。然而人們在注意到其藝術性的同時忽視了它控制太陽輻射的功能，從而造成建筑在夏季能耗過大。在節能降耗成為建筑設計關注重點的背景下，科學有效地應用建筑外遮陽對建筑能耗進行控制是普遍關注的重要研究方向。同濟大學的李崢嶸對透過建筑外百葉遮陽進入室內的太陽輻射得熱進行了分析，并以建筑全年能耗為控制指標，提出了總輻射凈得益量的概念，對建筑外百葉遮陽結構進行了優化[1]。西南交通大學的朱燕燕提出了一個建筑遮陽節能評價體系，全面反映了夏熱冬冷地區建筑遮陽的節能效果[2]。

建筑遮陽設計需要結合當地的氣候，相關研究和應用主要在南方，北方寒冷地區相對較少。因此本文以天津地區典型辦公建筑為研究對象，基于天津所處寒冷地區的氣候特點，利用Energyplus軟件計算了辦公建筑在不同朝向安裝不同傾角外遮陽時的冷、熱負荷，并分析建筑全年采暖供冷能耗及其節能量，為合理設計天津地區建筑外遮陽構件提供依據。

1 天津地區的氣候特征

天津市位于我國建筑熱工設計分區中的寒冷地區，全年月平均溫度和月總輻射量如圖1所示，太陽輻射總量有明顯的年季變化，冬季最小，夏季最大。月輻射量最大值出現在5月，約為630MJ/m2；最小值出現在11月，約為200MJ/m2[3]。

圖1 天津地區月平均溫度和月總輻射

2 計算模型的建立

2.1 建筑能耗模擬軟件Energyplus簡介[4]

EnergyPlus是美國能源部開發的建筑能耗分析軟件，用戶輸入描述建筑物理特征和相關設備的參數之后，軟件就能計算得到所有得到設定條件下的冷熱負荷，并且能夠得出空調冷熱源和末端風機等設備的具體能耗。它采用集成同步的負荷／系統／設備的模擬方法，利用熱平衡法模擬負荷和CTF模塊模擬墻體、屋頂、地板等的瞬態傳熱。本文采用典型氣象年數據作為逐時室外計算氣象數據，利用Energyplus軟件計算建筑冷熱負荷及其能耗。

2.2 建筑模型概況

本文計算的建筑模型為天津市某辦公樓，如圖2所示。該建筑朝向為南，長寬均為30m，共12層，層高為3.5m，總建筑面積為10800m2，各朝向窗墻比均為35%。選定沒有設置外遮陽構件的建筑為參照建筑，設置外遮陽構件的建筑為設計建筑。設計建筑中選取寬為0.5m、長為30m的遮陽板安裝與外窗上沿，安裝傾角分別為0°、10°、20°、30°、40°（過大的傾角影響室內自然采光）。

根據GB50189-2015《公共建筑節能設計標準》設計模型建筑主要熱工參數如下：（1）外墻為10mm水泥砂漿+240mm加氣混凝土磚+100mm發泡聚苯乙烯保溫+20mm石膏灰泥墻面，綜合傳熱系數為0.244W/m2·K；（2）屋頂為50mm瀝青膨脹珍珠巖保溫+200mm現澆鋼筋混凝土+100mm發泡聚苯乙烯保溫+20mm石膏灰泥墻面，綜合傳熱系數為0.303W/m2·K；（3）外窗為鋁合金中空雙層玻璃窗，采用普通3mm玻璃，綜合傳熱系數為1.96W/m2·K。

圖2 建筑模型

2.3 采暖空調負荷計算參數

建筑采暖空調負荷計算參數：（1）辦公區冬季18℃、夏季26℃、新風量30m3/(人·h)、人員密度4m2/人、照明功率密度10W/m2、設備功率密度15W/m2；（2）衛生間冬季16℃、夏季28℃、新風量30m3/(人·h)、人員密度20m2/人、照明功率密度5W/m2、設備功率密度5W/m2；（3）樓梯走廊為非空調區域。表1為辦公室人員逐時在室率（設備、照明使用率相同）。

表1 人員在室率

3 模擬結果及分析

3.1 建筑冷熱負荷模擬結果及分析

模擬計算出參照建筑采暖熱負荷為437368.6kWh、空調冷負荷為608461.8kWh，設計建筑各朝向安裝不同傾角的外遮陽板的全年冷熱負荷如圖2所示。各朝向安裝外遮陽板的設計建筑采暖熱負荷均隨安裝傾角增大而增大，冷負荷均隨安裝傾角增大而減小。安裝傾角一定時，安裝南向遮陽板的建筑冬季熱負荷明顯大于安裝東西向遮陽板的建筑熱負荷，其中西向略大于東向；各朝向安裝遮陽板后的建筑夏季冷負荷：南向最大,西向最小。原因主要是位于北半球的冬季太陽高度角小，建筑南立面接收太陽輻射較東、西立面多，遮陽板的采用會一定幅度衰減這部分有利輻射；而夏季太陽高度角更大，日曬時間更長，尤其是西曬與東曬，從而使得建筑接收的太陽輻射西立面大于東立面大于南立面，且均隨遮陽板傾角增大，各立面被遮擋的太陽輻射增多。

圖2 建筑冷熱負荷

3.2 建筑全年采暖空調能耗分析

辦公樓夏季采用家用空調供冷，冬季采用燃煤鍋爐供熱水散熱器采暖，空調機為3，燃煤鍋爐效率為0.8。由于煤和電在能源品位上存在差異，為便于分析全年采暖空調總能耗，采用等效電法將耗煤量折算成電力[5]，折算系數取45.4%。因此可根據式（1）、（2）計算出建筑全年采暖空調總耗電量：

采暖等效耗電量=熱負荷÷鍋爐效率×折算系數（煤/電） （1）

空調耗電量=冷負荷÷空調機COP （2）

如圖3所示。若冬夏季采用恒定不變的外遮陽傾角，南向安裝外遮陽時建筑全年總能耗隨傾角增大而增大，東、西向隨傾角增大而減小，且南向安裝時建筑總能耗遠大于東向，東向略大于西向。主要由于建筑南向遮陽時冬季太陽輻射影響大于東、西向，導致采暖能耗過大，而對夏季空調能耗減小量比東、西向遮陽貢獻較少。將設計建筑采暖空調總能耗與參照建筑比較得出建筑各朝向安裝不同傾角遮陽板時建筑節能量，如圖4所示。南向遮陽在冬季采暖季對建筑節能是不利的，且該能耗增值隨傾角增大而增大；統籌全年考慮，東、西向遮陽對建筑節能是有利的，且節能量隨傾角增大而增大，西向略優于東向。

圖3 采暖空調總能耗

圖4 節能量

4 結論

本文利用Energyplus建立模型分析天津地區外遮陽對建筑全年空調冷熱負荷的影響及其節能量，得出以下主要結論：

（1）各朝向安裝外遮陽板的設計建筑采暖熱負荷均隨安裝傾角增大而增大，冷負荷均隨安裝傾角增大而減小。

（2）南向外遮陽角度在全年使用時應統籌考慮確定，在冬夏兩季不應選取同一角度，應盡量采取措施減少冬季南向外遮陽角度過大會造成的熱負荷增高；而東、西向遮陽，經全年統籌考慮，對建筑節能是有利的，且節能量隨傾角增大而增大。

[1] 李崢嶸.基于能耗控制的建筑外百葉遮陽優化研究[J].暖通空調,2007,37(11):5-13.

[2] 朱燕燕.夏熱冬冷地區建筑遮陽系統設計及其節能評價[D].成都:西南交通大學,2007.

[3] 吳繼臣,徐剛.全國主要城市冬季太陽輻射強度的研究[J].哈爾濱工業大學學報,2003,35(10):136-139.

[4] 周欣,燕達,洪天真,等.建筑能耗模擬軟件空調系統模擬對比研究[J].暖通空調,2014,44(4):113-122.

[5] 江億,楊秀.在能源分析中采用等效電方法[J].中國能源,2010,32(5):5-11.

Analysis on Energy Conservation Performance of External Shading in Office Building in Tianjin

Kong Huabiao

( China Railway Design Corporation, Tianjin, 300308 )

In this paper, annual heating and cooling energy consumption and energy conservation performance of external shading in office building in Tianjin has been analyzed. Based on local meteorological parameters in cold zone, heating and cooling load of a typical office building in city has been calculated by Energyplus. Diverse installation orientations and angles of external shading were analyzed in simulation respectively. Results have been considered reliable for external shading designing in office building in Tianjin.

external shading; energy conservation in building; energy consumption simulation

1671-6612（2020）06-765-04

TU111.19+5

A

孔華彪（1985.12-），男，碩士研究生，高級工程師，E-mail：280852844@qq.com

2017-01-18