某居住建筑外圍護結構對建筑能耗的影響研究

雷舒堯 陳振乾

東南大學能源與環境學院

0 引言

我國正處在城鎮化快速發展的時期，隨著經濟的快速發展和人民生活水平的不斷提高，能源和環境的矛盾日益突出，建筑能耗總量和能耗強度上行壓力不斷加大[1]。過去30 年里，我國建筑節能工作取得了很大進展，并進一步向國際看齊，將低能耗建筑，超低能耗建筑，近零能耗建筑乃至（凈）零能耗建筑這一系列建筑發展理念，定為未來建筑節能的發展方向。

為了盡可能地降低建筑能源需求，需要通過優化外圍護結構熱工性能，來減少圍護結構與外界環境之間的熱傳遞，從而實現建筑整體負荷的降低。而外圍護結構影響建筑能耗的主要熱工部件包括外墻，屋面和外窗，因此本文以南京地區某典型高層居住建筑為例，運用EnergyPlus 軟件，模擬分析外墻，屋面和外窗的傳熱系數以及外窗太陽得熱系數這四項參數對建筑物全年整體和分項能耗的影響。

1 模型建立

1.1 建筑模型信息

本文選用的居住建筑模型位于南京市，是典型的夏熱冬冷地區之一。建筑物地上28 層，地下1 層，總高度96.05 m，總建筑面積13037.48 m2，體型系數0.26，建筑各朝向窗墻比為：東向0.05，南向0.51，西向0.07，北向0.36，該建筑建筑物標準層平面布局如圖1 所示。本文擬采用SketchUp 軟件對目標建筑進行建模，并通過OpenStudio 軟件對模型進行建筑信息賦予，計算模型如圖2 所示。OpenStudio 軟件內核即EnergyPlus，EnergyPlus 建筑能耗模擬軟件是由美國能源部與勞倫斯伯克利實驗室共同開發的，其吸收了DOE-2 和BLAST 等軟件的優點，在其算法及功能上都有較大的優勢[2]。

圖1 建筑標準層平面圖

圖2 OpenStudio 計算模型示意圖

1.2 模擬參數設置

以建筑圍護結構本身的設計參數作為基準參數，如表1 所示。設定建筑室內空調區域夏季溫度為26 ℃、濕度為60%，冬季溫度為20 ℃，主要房間的室內新風量為30 m3/(h·人)。人均占地面積為32 m2，人員在室率、照明時刻表、設備使用率等參照國家《近零能耗建筑技術標準》[1]。

表1 建筑圍護結構熱工性能設計參數

2 材料參量對建筑能耗的影響

本文選取了外墻傳熱系數，屋面傳熱系數，外窗傳熱系數和外窗SHGC 這四項材料參量，來模擬采用不同熱工參數的材料時的建筑全年運行能耗情況，并量化分析各變量對建筑能耗總值和分項能耗的的影響，以此來研究各材料參數對于建筑能耗的影響程度以及其在設定閾值范圍內的節能潛力。

2.1 外墻傳熱系數對建筑能耗的影響

根據《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》[3]，體型系數≤0.4 的建筑外墻傳熱系數應不大于1.0 W/(m2·K)，根據國家《近零能耗建筑技術標準》[1]，外墻傳熱系數應在0.15≤K≤0.40 W/(m2·K)區間內，綜合上述標準中的規定，并結合實際建造成本，確定模擬外墻傳熱系數的閾值范圍為0.2～0.6 W/(m2·K)，并設定模擬步長為0.05。不同外墻傳熱系數下的年建筑總能耗，年制冷能耗和年供暖能耗折線圖如圖3 所示。

圖3 不同外墻傳熱系數能耗折線圖

在模擬范圍內，隨著外墻傳熱系數的增加，供暖能耗、建筑總能耗都隨之增大，而制冷能耗稍有降低。這是因為隨著建筑圍護結構保溫性能的提高，室內熱量更難散失，室內照明、設備、人員的散熱量可儲存在房間中，墻體蓄熱量較高，導致了冷負荷的增加和熱負荷的減少。

將不同外墻傳熱系數下的單位面積年制冷能耗、單位面積年供暖能耗和單位面積建筑總能耗進行線性擬合，可得出：

1）單位面積年制冷能耗與外墻傳熱系數的函數關系為：y=-10.13x+78.84，R2=0.98051

2）單位面積年供暖能耗與外墻傳熱系數的函數關系為：y=28.09x+12.12，R2=0.99921

3）單位面積年總能耗與外墻傳熱系數的函數關系為：y=17.96x+151.81，R2=0.99721

其中，上述三個公式中，y 表示相應的單位面積能耗值（建筑制冷能耗、建筑供暖能耗及建筑總能耗），x表示不同的外墻傳熱系數。

節能貢獻率可定義為，將各個設計參量分別通過敏感性分析得出的實際能耗值與基準模型的能耗值的比值，以此來反映不同設計參量對于建筑節能效果的量化影響程度[4]。其計算方法如下：

其中，ECR 即為節能貢獻率（Energy-saving Contribution Ratio），Qn為某一優化參量變化之后的建筑能耗值，Q0為基準模型能耗值。

將上述分項能耗模擬結果與基準模型作對比，可計算出不同外墻傳熱系數的節能貢獻率，并繪制出折線圖如圖4 所示。

圖4 不同外墻傳熱系數的分項能耗節能貢獻率

可見，外墻傳熱系數對該建筑模型的供暖能耗影響最為顯著。在0.2～0.6 W/(m2·K)的區間內，外墻傳熱系數對供暖能耗的節能貢獻率的變化范圍為-2.47%～37.37%，對制冷能耗的節能貢獻率的變化范圍為-5.25%～0.42%，對建筑總能耗的節能貢獻率變化范圍為-0.24%～4.13%。

因此，相對于基準模型（外墻傳熱系數為0.58 W/(m2·K)），外墻傳熱系數對該建筑模型的節能潛力為4.13%。

2.2 屋面傳熱系數對建筑能耗的影響

綜合《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》[3]及《近零能耗建筑技術標準》[1]中對屋面傳熱系數的規定，并結合實際建造成本，確定模擬屋面傳熱系數的閾值范圍為0.1～0.5 W/ (m2·K)，并設定模擬步長為0.05。不同屋面傳熱系數下的年建筑總能耗、制冷能耗和供暖能耗折線圖如圖5 所示。

隨著屋面傳熱系數的增大，供暖能耗略有增加，而制冷能耗略有降低。總體而言，建筑總能耗隨著屋面傳熱系數增大而增加，但增幅很小。這主要是因為該建筑體型系數較小，屋面面積占總外表面積的比例很小，因此屋面的熱傳遞量對建筑負荷的影響是很有限的。

圖5 不同屋面傳熱系數能耗折線圖

將不同屋面傳熱系數下的單位面積年制冷能耗，單位面積年供暖能耗和單位面積建筑總能耗進行線性擬合，可得出：

1）單位面積年制冷能耗與屋面傳熱系數的函數關系為：y=-0.30x+73.12，R2=0.96456

2）單位面積年供暖能耗與屋面傳熱系數的函數關系為：y=2.32x+27.69，R2=0.99995

3）單位面積年總能耗與屋面傳熱系數的函數關系為：y=2.02x+161.66，R2=0.99891

將上述分項能耗模擬結果與基準模型作對比，可計算出不同屋面傳熱系數的節能貢獻率，并繪制出節能貢獻率的折線圖，如圖6 所示。屋面傳熱系數對供暖能耗影響最為顯著。在0.1～0.5 W/(m2·K)的區間內，屋面傳熱系數對供暖能耗的節能貢獻率的變化范圍為-1.92%～1.34%，對制冷能耗的節能貢獻率的變化范圍為0.11%～0.30%，對建筑總能耗的節能貢獻率的變化范圍為-0.20%～0.28%。

圖6 不同屋面傳熱系數的分項能耗節能貢獻率

因此，相對于基準模型（屋面傳熱系數為0.34 W/(m2·K)），屋面傳熱系數對該建筑模型的節能潛力為0.28%。

2.3 外窗傳熱系數對建筑能耗的影響

綜合《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》[3]及《近零能耗建筑技術標準》[1]中對外窗傳熱系數的規定，并結合實際建造成本，確定模擬屋面傳熱系數的閾值范圍為1.0 W/(m2·K)-1.4 W/(m2·K)，并設定模擬步長為0.05。不同外窗傳熱系數下的年建筑總能耗，年制冷能耗和年供暖能耗折線圖如圖7 所示。

圖7 不同外窗傳熱系數能耗折線圖

由于基準模型所選取的外窗熱工性能（傳熱系數為1.31 W/(m2·K)）已經遠遠超出近零能耗建筑的硬性標準，因此，在有限的優化范圍內，隨著外窗傳熱系數的減小，外窗保溫性能提高，室內熱量不易散失，熱負荷也隨之減小，而冷負荷則隨之增大，建筑總能耗略微減小。

將不同外窗傳熱系數下的單位面積年制冷能耗，單位面積年供暖能耗和單位面積建筑總能耗進行線性擬合，可得出：

1）單位面積年制冷能耗與外窗傳熱系數的函數關系為：y=-10.77x+87.21，R2=0.99003

2）單位面積年供暖能耗與外窗傳熱系數的函數關系為：y=14.42x+9.50，R2=0.99634

3）單位面積年總能耗與外窗傳熱系數的函數關系為：y=3.65x+157.56，R2=0.99414

將上述分項能耗模擬結果與基準模型作對比，可計算出不同外窗熱系數的節能貢獻率，并繪制出節能貢獻率的折線圖如圖8 所示。

圖8 不同外窗傳熱系數的分項能耗節能貢獻率

在1.0～1.4 W/(m2·K)的模擬閾值區間內，外窗傳熱系數對供暖能耗的節能貢獻率的變化范圍為-4.44%～16.06%，對制冷能耗的節能貢獻率的變化范圍為-4.76%～1.18%，對建筑總能耗的節能貢獻率的變化范圍為-0.24%～0.65%。

因此，相對于基準模型（外窗傳熱系數為1.31 W/(m2·K)），外窗傳熱系數對該建筑模型的節能潛力為0.65%。

2.4 外窗太陽得熱系數對建筑能耗的影響

根據《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》[3]和《近零能耗建筑技術標準》[1]中對外窗SHGC 值的規定，并結合實際建造成本，確定模擬SHGC 值的閾值范圍為0.2～0.6，并設定模擬步長為0.05。外窗不同SHGC 值下的年建筑總能耗，年制冷能耗和年供暖能耗折線圖如圖9 所示。

圖9 不同外窗SHGC 值能耗折線圖

隨著外窗SHGC 值的增大，窗戶的隔熱性能減弱，通過外窗進入室內的太陽輻射得熱量增加，因此冷負荷隨之增大，而熱負荷則隨之降低。冷負荷增幅更加明顯，所以建筑總負荷也隨外窗SHGC 值的增加而增大。

將不同外窗SHGC 值的單位面積年制冷能耗、單位面積年供暖能耗和單位面積建筑總能耗進行線性擬合，可得出：

1）單位面積年制冷能耗與外窗SHGC 值的函數關系為：y=118.03x2+8.20x+38.27，R2=0.98333

2）單位面積年供暖能耗與外窗SHGC 值的函數關系為：y=32.79x2-58.87x+50.03，R2=0.99379

3）單位面積年建筑總能耗與外窗SHGC 值的函數關系為：y=150.82x2-50.67x+149.15，R2=0.97596

將上述分項能耗模擬結果與基準模型作對比，可計算出不同屋面傳熱系數的節能貢獻率，并繪制出節能貢獻率的折線圖如圖10 所示。

外窗太陽得熱系數在0.3～0.6 的區間內時，供暖能耗的節能貢獻率的變化范圍為-41.00%～7.12%，制冷能耗的節能貢獻率的變化范圍為-19.79%～41.50%，建筑總能耗的節能貢獻率的變化范圍為-7.68%～11.56%。

圖10 不同外窗SHGC 值的分項能耗節能貢獻率

因此，相對于基準模型（外窗SHGC 值為0.52），外窗SHGC 值對該建筑模型的節能潛力為11.56%。

可以看出，外窗太陽得熱系數對建筑節能而言是一項非常重要的指標，盡管減小外窗的傳熱系數和太陽得熱系數均可獲得建筑節能的效果，但減小外窗太陽得熱系數的節能效果更加明顯，因此夏熱冬冷地區居住建筑應更加注重建筑外窗的隔熱性能。

3 總結

本文通過對南京市某高層居住建筑的全年運行能耗進行建模分析，比較了不同圍護結構熱工參數下的建筑分項能耗，并總結了四類材料參量在給定閾值范圍內的節能潛力貢獻率。結合本文的研究內容，對結論的總結如下：

1）外窗太陽得熱系數的節能潛力最大，外墻傳熱系數次之。因此，從建筑節能的角度考慮，應盡量采用傳熱系數較低的外墻材料和較低SHGC 值的外窗。

2）南京地區居住建筑在節能設計時應更注重外窗的隔熱性能。

3）本文僅從能耗角度對外圍護結構熱工性能的影響進行了理論模擬和分析，而工程實踐中需要考慮經濟性問題，因此未來可引入經濟成本進行綜合分析。