某公共建筑外圍護結構對建筑負荷的影響研究

貢 達，朱華德，黃 澎（鎮江綠建工程咨詢有限公司， 江蘇 鎮江 212000）

隨著我國經濟的快速發展以及人民生活水平的提高，能源與環境矛盾日益加重。目前全國建筑全壽命周期能耗總量約 21.47 億 tce，占全國能源消費總量的 46.5%，建筑運營階段消耗能源約 10 億 tce，占全國能源消費總量 21.7%。因此降低建筑能源消耗能夠有效緩解國內能源緊缺、改善人民環境促進可持續發展的有效途徑。為了降低建筑能源消耗，可以通過對建筑的圍護結構節能保溫做法進行優化設計，減少建筑負荷。同時國家層面也大力推進發展綠色建筑、近零能耗建筑，切實降低建筑能耗，提高人民生活環境。

GB T 50378—2019《綠色建筑評價標準》于 2019 年 8月 1 號開始實施。新標準相對于 2014 版標準要求有較大幅度的提高，其中將圍護結構熱工性能的提高比例或建筑負荷降低比例納入了星級評價的前置條件。要求一星、二星、三星級綠色建筑項目外墻、屋面的傳熱系數及外窗的傳熱系數和太陽得熱系數（公共建筑）比國標提高比例分別達到 5%、10%、20%，或建筑負荷降低比例分別達到 5%、10%、15%。由于 GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》中對圍護結構的熱工性能要求較高，在常規設計中普遍達不到外墻、屋面、外窗的熱工性能同時比國標提高 5% 以上。由于建筑的外圍護結構對建筑運營期的能耗也起到重要作用，因此本文著重研究圍護結構熱工參數與建筑負荷的關系以及各外圍護結構熱工參數變化對建筑負荷的影響。

1 項目概況

本項目位于江蘇省鎮江市，為學校的教學樓。項目體型系數 0.28，地上建筑面積為 15 831.31 m2，窗墻比東向0.08、西向 0.09、南向 0.24、北向 0.32。屋面采用 70 mm擠塑聚苯板，傳熱系數為 0.46 W/(m2·K)；外墻采用 55 mm石墨復合保溫板，傳熱系數為 0.7 W/(m2·K)；外窗傳熱系數為 2.5 W/(m2·K)，太陽得熱系數為 0.44。本文采用 PKPM軟件對項目進行建模，并進行建筑負荷模擬。

2 模擬參數設置

項目模擬時設計建筑與參照建筑對比，獲得設計建筑負荷相對參照建筑負荷降低的比例。參照建筑的形狀、大小、朝向、窗墻面積比和使用功能與設計建筑完全一致，圍護結構的傳熱系數也滿足相關節能標準。設計建筑與參照建筑的圍護結構熱工參數及提高幅度具體如表1 所示。由表1 可以看出項目外墻、屋面的傳熱系數與外窗太陽得熱系數相對參照建筑提高的幅度都＞5%，但是由于北向外窗的傳熱系數及外窗太陽得熱系數提高幅度＜5%，因此本項目無法滿足綠建新標準中對于外圍護結構熱工性能的要求。針對外圍護結構整體提高幅度較大，但有部分外圍護結構提高幅度不滿足要求時，可采用 PKPM 軟件對項目進行負荷模擬，針對建筑整體建筑負荷進行判斷。PKPM 建筑負荷模擬時建筑負荷僅考慮圍護結構本身不同的熱工性能對其影響，并不考慮室內暖通設備及其他。

表1 外圍護結構提高幅度

3 建筑負荷分析

設計建筑各構件負荷比例以及各構件負荷分布圖如圖1 、圖2 所示。由圖1、圖2 可知，影響建筑負荷的因素主要有外墻、屋面、外窗、內圍護以及地面。其中外墻對建筑負荷的影響最大，為 279.650 MWh，占比 39.56%；其次為外窗 199.795 MWh，占比 28.26%；屋面 85.065 MWh占 12.03%；內圍護結構 96.955 MWh，占 13.71%；地面45.455 MWh，占 6.43%。

圖1 設計建筑各構件負荷比例

圖2 設計建筑各構件負荷分布圖

教學樓項目外墻面積為 10 983.06 m2，外窗面積為3 040.43 m2，屋面建筑面積為 3 881.98 m2。外墻單位面積負荷 25.46 kW/m2，外窗單位面積負荷 65.71 kW/m2，屋面單位面積負荷 21.91 kW/m2。外墻的總負荷最大，為 279.65 MWh。外窗的單位面積負荷最大，外窗面積是外墻面積的27.68%，但負荷占比是外墻的 71.44%，單位面積負荷是外墻的 2.58 倍。外窗的單位負荷要遠遠高于外墻單位面積負荷，如果建筑的窗墻比變大，外窗對負荷的影響會更加明顯，因此針對窗墻比較大的建筑，外窗的優化設計會比外墻的優化設計更加重要。屋面的面積為外墻面積的 35.35%，屋面負荷占比為外墻負荷的 30.21%，同時兩者單位面積負荷也相近，可以看出屋面與外墻的負荷與面積呈正相關，且影響相近。

設計建筑全年負荷 706.90 MWh，參照建筑全年負荷 772.87 MWh，單位面積負荷分別為 44.65 kWh/m2、48.82 kWh/m2，建筑負荷降低比例為 8.54%。根據圍護結構熱工性能的對比，提升幅度＜5%，達不到一星級綠色建筑的要求，而根據全年建筑負荷計算，建筑負荷降低幅度已達到 5%，可以滿足一星級綠建建筑的要求。因此對于部分外圍護結構提高幅度較高，而部分部位不滿足時可采用全年負荷降低幅度來進行權衡。

4 各外圍護結構對建筑全年負荷的影響

本文通過改變外墻、屋面、外窗傳熱系數及外窗太陽得熱系數，采用 PKPM 軟件模擬設計建筑相對參照建筑的建筑負荷降低比例，整個研究過程中參照建筑的熱工參數及建筑負荷保持不變。外墻、屋面通過改變其保溫層厚度從而改變其傳熱系數，同時在模擬時，每次只改變單一外圍護參數，其他外圍護結構的參數保持不變。

4.1 外墻傳熱系數對建筑負荷的影響

外墻傳熱系數隨保溫層厚度的變化如圖3 所示，由圖3可知，隨著保溫層厚度的增加，傳熱系數逐漸下降且下降幅度不斷變小。保溫層厚度從 35 mm 到 40 mm，傳熱系數從0.92 W/(m2·K)下降到 0.86 W/(m2·K)，下降 0.06 W/(m2·K)。而從 60 mm 到 65 mm，傳熱系數下降 0.03 W/(m2·K)，降低幅度減少 50%。因此可以知隨著保溫層厚度的增加，對傳熱系數的影響也在逐漸減少。

圖3 外墻傳熱系數

外墻傳熱系數與建筑負荷的影響如圖4 所示。屋面保溫層根據常規設計厚度分別選用 60 mm、70 mm、80 mm，外窗傳熱系數 2.5 W/(m2·K)，太陽得熱系數 0.44 時，設計建筑比參造建筑建筑負荷降低比例與外墻保溫材料厚度的關系。從圖中可以看出隨著保溫層厚度的增加，降低比例都有所增加。當屋面為 70 mm 時，隨著外墻保溫層從 35 mm 增加到 65 mm，負荷降低比例從 －5.21% 提高到 13.29%，增加 18.50 個百分點。當屋面為 60 mm 與 80 mm 時，建筑負荷分別增加了 18.70 與 18.36 個百分點。同時從圖4 中也可以看出不同屋面保溫層厚度，三條負荷降低比例曲線變化趨勢完全一致，可以得出外墻傳熱系數對建筑負荷降低比例變化的影響與屋面傳熱系數無關。根據模擬結果可以看出，屋面保溫層厚度為 70 mm 時，當外墻保溫層厚度從 35 mm增加到 40 mm，幅度增長最快，增長幅度在 5.01 個百分比。其次是由 45 mm 增加到 50 mm，增長了 3.83 個百分比。而由 60 mm 增加到 65 mm 時，增長最少，為 1.58 個百分點。由于外墻保溫層厚度普遍在 30～45 mm，因此在同類型建筑外墻保溫層厚度在 35 mm 或 45 mm 時，可優先考慮增加外墻保溫層厚度。

圖4 外墻傳熱系數與建筑負荷的影響

4.2 屋面傳熱系數對建筑負荷的影響

屋面傳熱系數隨保溫層厚度的變化如圖5 所示。從圖5 中可以看出，隨著屋面保溫層厚度的增加，屋面傳熱系數隨之下降。在 60 mm 增加到 65 mm 時屋面傳熱系數下降 0.04 W/(m2·K)，從 75 mm 到 80 mm 時傳熱系數下降0.02 W/(m2·K)。與外墻傳熱系數相似，也隨保溫層厚度的增加，對傳熱系數的影響逐漸變小。

圖5 屋面傳熱系數

屋面傳熱系數對建筑負荷的影響如圖6 所示。由圖6 可知，外墻保溫層厚度為 45 mm、50 mm、55 mm，外窗傳熱系數 2.5 W/(m2·K)，太陽得熱系數 0.44 時，設計建筑比參造建筑建筑負荷降低比例與屋面保溫層厚度的關系。從圖6 中可以看出當外墻為 45 mm、50 mm、55 mm 時，隨著屋面保溫層厚度由 60 mm 增加到 85 mm，建筑負荷降低比例分別增加了 4.13、4.04 以及 4.01 個百分點。不同外墻傳熱系數下，建筑負荷降低比例變化曲線基本一致，即屋面保溫材料變化對建筑負荷的影響與外墻傳熱系數無關。當外墻保溫材料厚度為 55 mm 時，屋面保溫材料從 60 mm 增加到 65 mm，建筑負荷降低比例增加最大，為 1.16 個百分比。從 75 mm 到 80 mm 時，建筑負荷降低比例增加最小，為 0.48 個百分比。

圖6 屋面傳熱系數對建筑負荷的影響

4.3 外窗對建筑負荷的影響

外窗傳熱系數對建筑負荷的影響如圖7 所示，外窗太陽得熱系數對建筑負荷的影響如圖8 所示。圖7 中保持太陽得熱系數為 0.44，即外墻、屋面傳熱系數與外窗太陽得熱系數與參考建筑保持一致。當外窗傳熱系數為 2.1 W/（m2·K）時，建筑負荷降低比例達到 4.12%，隨著傳熱系數每增加0.1 W/（m2·K），建筑負荷降低比例減少約 0.5 個百分點。當公共建筑窗墻比較小時，節能標準對于外窗的傳熱系數要求不高，因此當外窗選用高性能窗戶時，即使其他外圍護結構與節能標準持平，也能明顯降低建筑負荷。圖8 中外窗傳熱系數保持為 2.5 W/（m2·K），當太陽得熱系數為 0.24時，建筑負荷降低比例為 4.69%，隨著太陽得熱系數每增加0.05，建筑負荷降低比例減少 0.61～0.74 個百分點。其中太陽得熱系數從 0.44 變為 0.49 時，建筑負荷降低比例減少最多，為 0.74 個百分點。從 0.29 變為 0.34 時，建筑負荷降低比例減少最少，為 0.61 個百分點。可以看出外窗的太陽得熱系數每變化 0.05 比外窗傳熱系數變化 0.1 W/（m2·K）對建筑負荷的影響還要大。

圖7 外窗傳熱系數對建筑負荷的影響

圖8 外窗太陽得熱系數對建筑負荷的影響

5 結 語

本文通過對鎮江某新建學校全年建筑負荷進行建模分析，并通過改變圍護結構熱工參數，分析各參數對建筑負荷的影響。結合對模型研究，總結以下內容。

（1）對于有星級要求的綠色建筑在設計過程中，當外圍護結構部分熱工性能提高幅度不滿足要求且部分提高幅度較高時，可采用全年負荷降低比例來進行權衡。

（2）外墻對建筑負荷的影響最大，為 279.65 MWh，占比 39.56%。外窗的單位面積負荷最大，為外墻的 2.58倍，屋面的 3 倍。

（3）建筑在節能設計時應重點關注外窗的熱工性能。同時外窗的太陽得熱系數對建筑負荷的影響也不容忽視。

（4）在圍護結構各影響因素中，外墻保溫層厚度的變化對建筑負荷的影響最大，因此當建筑負荷不滿足提高比例時可優先對外墻保溫層厚度進行調節。