寒冷地區(qū)多目標(biāo)因子被動(dòng)式保溫建筑節(jié)能改造設(shè)計(jì)

黃汝廣

(賀州學(xué)院 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，廣西 賀州 542800)

被動(dòng)式保溫設(shè)計(jì)是指采用被動(dòng)的方法，利用太陽能輻射等可再生能源，合理設(shè)計(jì)建造保溫材料和通風(fēng)手段[1-3]，最大限度發(fā)揮建筑本身的優(yōu)勢(shì)，減少非再生能源的消耗。被動(dòng)式保溫設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在滿足居住舒適性的同時(shí)，以最低的造價(jià)達(dá)到最小的不可再生能源取暖消耗。

雖然被動(dòng)式采暖技術(shù)的設(shè)計(jì)理念符合現(xiàn)代建筑節(jié)能減排的要求，但在實(shí)踐過程中也存在一些不足之處[4-6]。首先，保溫材料的使用在降低冬季建筑散熱的同時(shí)也為夏季室內(nèi)防暑降溫帶來了不便，對(duì)于我國大部分季風(fēng)性氣候地區(qū)并不適用；其次，被動(dòng)式建筑在前期建造中特殊材料的使用成本過高，建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性需要較長(zhǎng)的運(yùn)營(yíng)時(shí)間才能顯現(xiàn)；最后，被動(dòng)式采暖技術(shù)是由德國工程師率先提出，應(yīng)用到我國建筑設(shè)計(jì)過程中缺少對(duì)國情的考慮[7]。

基于以上不足，本文以多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)寒冷地區(qū)被動(dòng)式保溫設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化研究，對(duì)寒冷地區(qū)的既有建筑進(jìn)行了保溫改造，采用灰度區(qū)間關(guān)聯(lián)算法對(duì)改造效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析。

1 被動(dòng)式保溫系統(tǒng)改造方案設(shè)計(jì)

1.1 原有建筑概況

原有建筑是位于河北省石家莊市的普通鋼筋混凝土高層住宅，樓層總高度86 m，層高3 m，該住宅樓南北朝向。本文選取了位于10層的某住戶為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行被動(dòng)式保溫改造。受發(fā)展條件限制，原有結(jié)構(gòu)的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)較低，為河北省《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(節(jié)能75%)》(DB13(J)185—2015)，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 改造方案

建筑結(jié)構(gòu)被動(dòng)式改造的關(guān)鍵是按照被動(dòng)式建筑標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格選取保溫材料進(jìn)行被動(dòng)式設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)自身的熱學(xué)性能，降低不可再生能源消耗。因此，本文的改造重點(diǎn)在于圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能和結(jié)構(gòu)整體氣密性。按照德國被動(dòng)式建筑標(biāo)準(zhǔn)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)外墻和屋頂傳熱系數(shù)不高于0.15 W/(m2·K)，窗戶安裝狀態(tài)下的傳熱系數(shù)不高于0.85 W/(m2·K)[8-10]。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，改造后圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 改造后圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

建筑物的氣密性是影響其保溫性能的重要參數(shù)之一[11-12]，良好的氣密性既可阻隔外部冷空氣進(jìn)入室內(nèi)，又可降低空氣流動(dòng)帶來的風(fēng)吹感，增強(qiáng)舒適性。建筑物的氣密性改造從整體和局部2方面出發(fā)，整體氣密性設(shè)計(jì)是從結(jié)構(gòu)整體保溫性能出發(fā)，采用不間斷的氣密性材料，利用材料的連續(xù)性阻隔空氣的內(nèi)外流動(dòng)。氣密性連續(xù)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 氣密性連續(xù)設(shè)計(jì)

氣密性提升的另一個(gè)措施是采用氣密性良好的構(gòu)件[13]，從建筑整體性而言，門窗是氣密性薄弱的構(gòu)件，因此采用了PHI認(rèn)證的被動(dòng)式保溫門窗，該門窗安裝如圖2所示。該門窗結(jié)構(gòu)采用較厚的框體，采用較長(zhǎng)的流體路徑確保氣密性，結(jié)合氣密性連續(xù)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)建筑的保溫性能。

圖2 門窗安裝

2 多目標(biāo)因子評(píng)價(jià)方法與步驟

2.1 多目標(biāo)因子

多目標(biāo)因子是指對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響因素不止一個(gè)，而是由多個(gè)互相關(guān)聯(lián)的因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果均有不同程度的影響，評(píng)價(jià)體系和方法的建立要權(quán)衡各個(gè)因素所占比重，在充分考慮各個(gè)因素的影響下對(duì)目標(biāo)主體進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)[14]。被動(dòng)式保溫系統(tǒng)的性能需采用科學(xué)的評(píng)價(jià)體系按照量化標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)判，實(shí)際工程應(yīng)用中，建筑的性能是多樣性的。因此，其評(píng)價(jià)目標(biāo)也不是單一的，對(duì)同一建筑的評(píng)價(jià)結(jié)果也不是唯一的，對(duì)于被動(dòng)式保溫建筑而言，其評(píng)價(jià)適用于多目標(biāo)因子評(píng)價(jià)方法。

考慮到被動(dòng)式保溫建筑實(shí)際使用中的節(jié)能性、熱舒適性、生態(tài)性與經(jīng)濟(jì)性是比較突出的建設(shè)矛盾，因此本文選取節(jié)能性、熱舒適性、生態(tài)性與經(jīng)濟(jì)性為評(píng)價(jià)依據(jù)。

2.2 灰色區(qū)間關(guān)聯(lián)決策算法

灰色系統(tǒng)是信息標(biāo)識(shí)的一種方法，因?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)的不確定性而對(duì)信息進(jìn)行標(biāo)識(shí)，以凸顯信息背后的變異性。灰色區(qū)間是指將處于某些數(shù)值區(qū)間互相有關(guān)聯(lián)的信息利用方向向量的方法方案評(píng)比，按照優(yōu)劣順序?qū)Σ煌桨高M(jìn)行排序[15]。其計(jì)算公式見式(1)：

(1)

式中，xij為其計(jì)算因子；xj為該因子的控制值；rij為評(píng)價(jià)值；λ為分辨系數(shù)。

灰度區(qū)間關(guān)聯(lián)決策算法本質(zhì)上是對(duì)不同灰度區(qū)間的因子進(jìn)行關(guān)聯(lián)迭代以求得最優(yōu)解，其迭代過程如圖3所示。圖3中，三角形為灰度區(qū)間變量取值，區(qū)間范圍被限制在橢圓形區(qū)域內(nèi)，利用式(1)計(jì)算其灰度關(guān)聯(lián)，其計(jì)算結(jié)果為圖3中圓形，利用該灰色區(qū)間關(guān)聯(lián)迭代算法能在有限范圍內(nèi)取得最優(yōu)解。

圖3 迭代過程

3 改造效果及評(píng)價(jià)

按照以上改造方案對(duì)該住宅結(jié)構(gòu)進(jìn)行了被動(dòng)式保溫改造，按照圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能和能源消耗情況對(duì)其進(jìn)行測(cè)試分析。對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行保溫性能測(cè)試時(shí)，要使內(nèi)外溫差大于10 ℃。因此，在2019年1月2—7日按照《居住建筑節(jié)能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 132—2009)對(duì)其保溫性能進(jìn)行了測(cè)試分析。室外測(cè)點(diǎn)安裝如圖4所示。

圖4 墻外測(cè)點(diǎn)安裝

保溫性能測(cè)試的衡量標(biāo)準(zhǔn)是溫度的變化，對(duì)于室內(nèi)外對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)，以30 min為測(cè)量步距，對(duì)其溫度變化進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

通過表3可以發(fā)現(xiàn)，窗框和窗玻璃實(shí)測(cè)傳熱系數(shù)均小于設(shè)計(jì)值，表明經(jīng)PHI認(rèn)證的窗戶和窗框滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于墻體結(jié)構(gòu)而言，不同位置的實(shí)測(cè)值和設(shè)計(jì)值差異較大，窗上墻體高于設(shè)計(jì)值23.00%，窗下墻體高于設(shè)計(jì)值15.30%，這種差異產(chǎn)生可能是施工隊(duì)伍專業(yè)水平不高，施工質(zhì)量欠佳。

1月份處于供暖季節(jié)，為了研究房間的取暖效果，采用空調(diào)和新風(fēng)機(jī)組進(jìn)行室內(nèi)采暖，室內(nèi)溫度控制標(biāo)準(zhǔn)為20 ℃，研究了室內(nèi)外溫度以及空調(diào)和新風(fēng)機(jī)組功率、耗電量情況，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，空調(diào)每日耗電量16～41 kWh，其耗電量與室外溫度有密切關(guān)系，當(dāng)室外溫度降低后，室內(nèi)采暖需求增加，空調(diào)能耗增加。在統(tǒng)計(jì)時(shí)間范圍內(nèi)，空調(diào)日耗電量為0.393 kWh/m2。新風(fēng)機(jī)組在室外溫度低于0 ℃時(shí)耗能較高，平均為5.1 kWh/d，其余時(shí)間平均能耗1.2 kWh/d。從空調(diào)和新風(fēng)機(jī)組的能耗來看，改造后建筑能耗符合《居住建筑節(jié)能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 132—2009)的要求。

圖5 室內(nèi)外溫度、耗電量測(cè)試結(jié)果

按照多目標(biāo)因子灰色區(qū)間關(guān)聯(lián)決策算法,以改造建筑的能源消耗、保溫性能和氣密性為灰度變量,對(duì)其改造效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析。采用式(1)的計(jì)算方法將變量以矩陣形式呈現(xiàn)，按照分辨系數(shù)取值0.5得到了式(2)所示的矩陣。

(2)

該改造方案按照能源消耗、保溫性能和氣密性灰度關(guān)聯(lián)的評(píng)價(jià)取值為0.91，說明改造效果較為理想。

4 結(jié)語

被動(dòng)式保溫住房利用自身的保溫及合理的取暖機(jī)制降低了煤炭等不可再生能源的消耗。以石家莊某住宅建筑為例，按照被動(dòng)式保溫建筑標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行了保溫和氣密性改造，降低了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)。通過整體氣密性材料鋪設(shè)和窗框局部改造的方法提高了建筑的氣密性；采用灰度區(qū)間關(guān)聯(lián)算法，以能耗、保溫性和氣密性為灰度變量對(duì)其改造效果進(jìn)行了計(jì)算評(píng)價(jià)，結(jié)果表明改造效果較為理想。