夏熱冬冷地區辦公建筑外圍護結構優化組合

易兒易， 楊昌智

(湖南大學土木工程學院， 長沙 410082)

隨著中國城市化進程的加速發展，建筑能耗占比逐年上升，且研究表明辦公型建筑能耗指標為居住型建筑的10～20倍，為中國公共建筑的能耗主體。目前中國夏熱冬冷地區僅實現65%節能，這表明針對該地區辦公建筑的節能研究有重大意義。建筑圍護結構的熱工性能是影響建筑整體節能性的重要因素之一，在保證室內環境舒適的前提下減少能源消耗，必須控制建筑的熱損失和熱收益[1-3]。中外學者針對建筑物圍護結構節能這一課題進行了大量的研究，并通過一系列的模型和實測數據對其結果進行驗證。墻體蓄放熱特性被廣泛運用于建筑節能之中[4-6]，各氣候區域墻體的不同保溫形式的合理應用[7]和經濟保溫層厚度[8-9]被充分地討論，屋面與墻體得熱受太陽輻射的影響被提出[10-11]，不同朝向外窗接收太陽輻射和室內太陽輻射得熱的規律不同得到了驗證[12-13]，建筑參數敏感性得到了分析[14]，遮陽措施[15]、外窗材料[16]、窗墻比的設定及其綜合效益[17-20]對建筑物得熱的影響也有研究涉及。已有的研究成果對降低建筑圍護結構得熱起到了有力的推動作用。然而，雖然圍護結構各組分調峰錯峰可使總得熱峰值負荷發生顯著變化，且空調系統一般按峰值負荷確定容量，這決定著空調系統的設計容量和運行效率；但迄今為止已發表的文獻資料中，所涉及者甚少。而且大部分研究在選取合適的圍護結構組合以達到降低得熱峰值的目標時，僅考慮數值的大小，而未考慮其時間上的疊加特性。

基于此，現針對采用間歇運行空調系統的辦公建筑進行研究，以求合理調整房間圍護結構得熱峰值時間，從而達到減少系統裝機容量，提高系統運行效率的目的。為此進行以下研究，以實際建筑的圍護結構參數為基礎建立能耗仿真模型，通過正交試驗方法就各建筑圍護結構參數對不同朝向房間圍護結構得熱峰值的影響進行敏感性分析。在此基礎上，進行優化設計，提出不同朝向房間圍護結構得熱峰值調峰策略。最后，基于經濟性分析，考慮房間得熱峰值時間、全年冷熱負荷，判斷該優化策略的節能效果。

1 負荷形成過程與疊加原理

得熱量指在某一時刻由室內、外熱源向房間散入的熱量總和，而瞬時冷負荷則是指空調設備為維持恒定室溫單位時間內自室內取走的熱量，瞬時冷負荷與瞬時得熱量密切相關。如圖 1所示，受材料的蓄熱特性影響，得熱量在轉化為冷負荷的過程中存在不同程度的衰減和延遲現象，故二者有時相等，有時則不等[21-22]。下文所涉及的圍護結構得熱數據為房間通過結構內表面獲得的瞬時得熱量，室內均未設置其他蓄熱體，因此在概念上雖與瞬時冷負荷存在差異，但本質上具有相似性。毫無疑問的是，絕大多數情況下減少瞬時得熱量有助于降低室內冷負荷，從而達到節能減排的效果。

圖1 得熱量與瞬時冷負荷之間的關系Fig.1 The relationship between heat gain and instantaneous cooling load

圖2 圍護結構得熱曲線示意圖Fig.2 Schematic diagram of heat gain curve of envelope structure

如圖2所示，外擾通過各類圍護結構傳入室內形成的瞬時冷負荷存在時間上的延遲和波峰上的衰減，當波峰出現時刻相近疊加時房間負荷將顯著增加，反之減小；另一方面，將波峰錯開后，總峰值出現時間也將發生變化，如利用這一點通過調整各項圍護結構得熱曲線使其房間總峰值負荷進入室內的時刻在辦公建筑下班之后也可以降低房間空調負荷。

2 疊加特性的研究方法

為有效控制建筑的熱損失和熱收益，針對夏熱冬冷地區辦公型建筑各朝向房間外圍護結構得熱調峰提出優化策略。研究運用了計算機仿真模擬與正交試驗分析方法，結論具有實際運用效果，能有效降低建筑能耗。圖3為該優化策略研究方法的流程圖。

圖3 研究方法流程圖Fig.3 Flow chart of research method

2.1 正交試驗分析

正交設計方法適用于多因素、一般水平數的試驗，能夠均勻挑選出代表性強的試驗方案有效減少試驗次數，簡化統計分析的計算，試驗點具有均勻分散性及整齊可比性的特征[23]，能夠準確高效地分析建筑圍護結構得熱這類復雜、多因素的問題。正交表[Ln(rm)]為正交試驗設計的基礎，其中L為正交表代號；n為正交表橫行數，即試驗次數；r為因素水平數；m為正交表縱列數。如表1所示。

方差分析法與直觀分析法是正交試驗結果分析的常見方法，方差分析能夠彌補直觀分析不能估計誤差的大小，不能精確地估計各因素的試驗結果影響的重要程度等不足[23]，本文研究需分析各因素對結果影響程度的大小故對正交試驗結果選用方差分析法，但由于延遲作用變化相對較小，且有一定規律性故對其改用直觀分析法。其中，方法分析法需計算出各因素的F值將其與相應F分布表中的臨界值進行比較，從而得出該因素對試驗結果是否有顯著影響。F為各因素的均方(MSA)與試驗誤差的均方(MSE)之比，MSA為離差平方和(SSA)與自由度(dfA)之比，MSE為誤差離差平方和(SSe)與誤差自由度(dfe)之比。

表1 L8(27)正交表Table 1 L8(27) orthogonal table

(1)

(2)

dfT=n-1

(3)

dfA=r-1

(4)

式中：yi為第i次正交試驗輸出結果；Ki表示任一列上水平號為i時，所對應的試驗結果之和；SST為總離差平方和；dfT為總自由度；SSA為因素A引起的離差平方和；dfA為因素A的自由度。

SSe=∑SS空列

(5)

dfe=∑df空列

(6)

式中：SSe為誤差的離差平方和；dfe為誤差的自由度；SS空列為空列，即誤差列，所對應的離差平方和；df空列為空列的自由度。

2.2 能耗仿真平臺

為確保模擬分析的準確性，需選擇一個合適的仿真平臺。目前，廣泛應用于建筑能耗分析的模擬軟件工具主要有DOE-2、DeST、DesignBuilder和EnergyPlus。其中，EnergyPlus更適用于模擬分析建筑物的全年運行能耗和圍護結構動態熱特性的能耗模擬。因此，選取EnergyPlus對建筑進行模擬分析。

3 能耗模擬仿真分析

3.1 模型建立與驗證

選用湖南大學某辦公建筑作為研究案例，其小型辦公室房間面積為17.28 m2，層高3.6 m，但實際建筑未能滿足研究各朝向影響的需求，因此以其中一間辦公室為原型建立一棟三層的半虛擬建筑，如圖4所示。其建筑實際圍護結構材料如表2所示。

圖4 建筑模型Fig.4 Architectural model

表2 建筑原始圍護結構材料Table 2 Original building envelope materials

模擬過程中，所選用氣象參數為長沙市典型設計日及標準典型氣象年逐時參數，來源于CSWD(Chinese Standard Weather Data)氣象數據源。參考《湖南省公共建筑節能設計標準》[24]，房間夏季空調設定溫度為26 ℃，冬季供暖設定溫度20 ℃，空調開啟時間設定為7:30—19:00，人員設定為10 m2/人，人均新風量為30 m3/人，照明功率為9 W/m2，設備功率為9 W/m2，人均發熱量按軟件辦公室類型默認值設定，辦公室人員、照明、設備作息依照按常見辦公室類型設定。

采用建筑物實際圍護結構材料參數進行夏季設計日能耗模擬，圖 5所示為中間層不同朝向房間圍護結構得熱情況。

圖5 建筑初始參數模擬結果Fig.5 Simulation results of initial building parameters

結果表明，東向房間峰值出現在10:00，西向峰值出現在16:00，南向峰值出現在13:00,北向則在15:00，這是由于圍護結構得熱尤其是外窗得熱受太陽輻射的影響較大，使得東、西、南向得熱峰值特征較為明顯，尤其是東、西向受太陽東升西落的影響最為顯著。

為了驗證模型的可用性，進行實測分析。在實測房間內布置兩臺TH32R型溫濕度自動記錄儀，測量室溫；外墻內表面布置5個熱電偶測溫點，測量墻體內表面溫度。實測現場如圖6所示。

圖6 模型驗證實驗Fig.6 Model verification experiment

實驗測試時間為2021年6月10—14日，數據記錄間隔設定為600 s，取設備每小時記錄的全部數據平均值作為該小時的代表溫度，并與EnergyPlus軟件模擬結果進行比較，結果如圖7所示。

圖7 模型驗證實驗數據分析Fig.7 Model verification experiment data analysis

通過對比實驗值與模擬值可以發現，其相對誤差均保持在5%以內，誤差較小，說明采用該模型模擬效果較好。

3.2 建筑圍護結構得熱顯著性分析

常規建筑的外圍護結構主要組成成分為外墻、屋面、外窗，外窗的設計又涉及窗墻比、窗玻璃、窗結構等[25-26]。如圖 8所示，外墻與屋面相類似，對室內負荷的影響主要由該結構瞬變傳導得熱造成，且各類墻體熱工性能的差異性會造成其削減、延遲外擾所帶來的影響的程度有所不同。外窗作為透明圍護結構還受到太陽輻射的影響，這也就導致外窗總得熱延遲效果較差，窗玻璃、構造的不同會同時影響外窗的日射得熱和瞬變傳導得熱。而增設遮陽能夠反射部分太陽輻射，部分遮陽設施還能吸收、儲存輻射能量，達到衰減和延遲得熱的峰值的效果。在保證合理的室內光環境和良好的視覺性能的前提下[27]，改變窗墻比的大小能夠使總得熱峰值中各組分得熱的占比發生變化，從而對圍護結構得熱峰值曲線進行調整。

圍護結構各組分熱工性能存在差異，這導致各組分的得熱峰值大小、出現時間有所不同，要得到合理的總得熱峰值曲線需要從各分項入手，分析討論各項的影響效果并進行調整。

選取圍護結構中外墻、屋面、窗墻比、外窗、遮陽5個因素作為正交試驗的因素，并考慮窗墻比與外窗的交互作用，每個因素選取兩個水平，設計L8(27)正交試驗表，對1～3層，東、南、西、北4個朝向，共12種類型房間，分別進行8次試驗。

各水平取值及正交試驗表的設計如表3所示。

圖8 圍護結構得熱示意圖Fig.8 Schematic diagram of heat gain of building envelope

為降低系統裝機容量，合理減少設備初投資，保證系統的穩定性和運行效率，并將房間得熱峰值延后至下班時間。此處選取圍護結構得熱峰值大小、出現時間、逐時得熱量離散程度三組數據進行分析。表4所列為頂層各朝向房間數據結果。

表3 正交試驗水平表L8(27)Table 3 Orthogonal test level table L8(27)

表4 正交試驗數據結果L8(27)Table 4 Orthogonal test data results L8(27)

模擬結果表明，頂層房間受屋面得熱影響，峰值大于其他樓層。東、西、南三個朝向房間圍護結構得熱峰值大小的顯著影響因素按主次順序排列為外窗、窗墻比、外窗與窗墻比的交互作用；北向房間除上述外還受外墻影響。

通過8次模擬試驗結果可以看出，東、西向房間基本上僅在增設遮陽設施后峰值出現的時間發生變化，這與極差分析結果類似；而南、北向房間的峰值時間受多種因素影響，難以直接得出結論，通過極差分析可知，各因素對其都有一定的影響但均不顯著。

此處選用設計日工作時間段逐時得熱量的標準差作為評判其離散程度的標準，可以觀測到，窗墻比越小，各項圍護結構性能越好，房間逐時得熱的變化幅度越小。顯著影響因素按主次順序排列大都為外窗、窗墻比、外窗與窗墻比的交互作用。

通過上述分析，發現外墻和屋面對圍護結構整體得熱的影響較小，原因如下。

(1)與外窗得熱相比，通過外墻和屋面的得熱占比相對較小，僅在窗墻比較小，外窗熱工性能較好的情況下屋面得熱量大于外窗。

(2)對24種不同結構的外墻，6種屋面，進行控制變量分析。由于在空調開啟時間段，墻體內表面與室內的換熱量因其換熱溫差較大而在數值上明顯超過空調關閉時間段，因此僅關注運行時間段的得熱最大值，從模擬結果可以看出，其得熱最大值大都出現在19:00，即下班之后，如此選取得熱峰值出現在下班時間的圍護結構類型則可滿足需求。

根據上述分析，在接下來的研究中，擬定外墻、屋面的圍護結構參數如表5所示。

3.3 建筑圍護結構得熱優化調峰

通過3.2節的研究，可獲悉移動辦公類型房間圍護結構總得熱峰值出現的時間存在可行性，且受外墻和屋面的影響較小，如需達成延遲或調整峰值出現時間的目的，要從窗墻比、外窗材料和遮陽設施入手。故在確定外墻和屋面材料結構類型后，選取窗墻比、外窗材料和遮陽設施三因素，每個因素選取三水平，進行優化分析。

表5 外墻、屋面圍護結構參數表Table 5 Parameters of exterior wall and roof envelope structure

各水平取值設計如表6所示。

二次正交試驗數據結果，如表7所示。

根據分析結果可以提出各朝向房間圍護結構得熱調峰優化策略。

(1)南向房間：中間層可通過調整三種因素使其圍護結構得熱峰值在13:00—15:00變化，但難以再向后延遲至下班時間，如此情況下，將峰值保持在13:00(即辦公室午休時間)可減小其影響，或根據房間使用需求調整其峰值出現的時間。頂層房間可延遲至16:00，選用小窗墻比、優良熱工性能外窗及垂直挑檐遮陽有助于峰值的延遲，其中遮陽項的影響最為顯著。

(2)西向房間：中間層可通過設置垂直挑檐遮陽將峰值時間延遲至17:00，其他項對峰值延遲影響不顯著。頂層房間需三者相互配合，較小的窗墻比及熱工性能較優的外窗更有利于峰值延遲，在條件允許的情況下應優先選取外遮陽和挑檐遮陽。

(3)東向房間：中間層設置挑檐遮陽后可將峰值調整至9:00，其他項對峰值延遲影響不顯著。頂層房間窗墻比跟外窗材料對調整峰值位置影響不顯著，結果顯示稍微偏大的窗墻比更有利，外遮陽和挑檐遮陽更有利。

表6 正交試驗水平表L9(34)Table 6 Orthogonal test level Table L9(34)

表7 正交試驗數據結果L9(34)Table 7 Orthogonal test data results L9(34)

(4)北向房間：北向中間層房間的峰值時間難以調整，基本出現在15:00。頂層可調整至18:00，這需要選取小窗墻比，優良熱工性能的外窗，此時更適合選取內遮陽。

能夠改變各房間圍護結構得熱峰值出現時間的原因在于，通過調整外窗材質、窗墻比大小和設置遮陽設施，能夠有效削減通過窗戶進入室內的熱量，從而改變其設計日逐時得熱曲線的形狀使其幅度變化更小，如此在總圍護結構得熱量的計算中，其他圍護結構(如屋面、外墻)的影響效果增強，導致整體峰值發生變化。由于東、西外窗得熱受太陽輻射影響較為集中，所以難以進行大范圍調整；南、北向外窗得熱曲線較為平緩，其中北向數值更小，故整體峰值大小受其他結構影響大，更利于整體峰值的調整。

4 經濟性分析

4.1 經濟效益分析

比較各組合的差額投資回收期和經濟效益，選用建筑原始結構為初始條件，空調系統能耗COP設定為3.6，投資回收期不滿一年按一年計算，材料使用年限按20 a計算。

(1)投資費用計算：建筑材料的初投資包括材料費用和建造費用，本研究所取費用數值來源于相關參考文獻及市場價格的綜合考慮[18,28-31]。

I=IC+IS

(7)

式(7)中:IC為材料費用，元；IS為建造費用，元。

(2)能源價格：長沙工商業用電電價約0.81元/(kW·h)。

(3)能源價格年上漲率e:經濟性分析中，考慮能源上漲，該值一般控制在5%上下。

(4)基準收益率ic：企業以動態觀點確定的并能接受的方案最低標準收益水平，取6%。

(5)財務凈現值FNPV:反映所選方案在計算期內的盈利能力，此處假設各方案運行期的維護費差異可忽略。

(8)

式(8)中：E0為第一年相比初始方案節約的能耗費用，元；ΔI0為相比初始方案增加的初投資費用。

(6)投資回收期：FNPV<0時，表明該方案未盈利，FNPV>0時，則其已經超額收益，因此，取FNPV=0時所對應的時間作為該方案的投資回收期。

(7)經濟效益：當所選方案其設施使用年限長于投資回收期，在剩余使用時長內節省的能耗費用就是其經濟效益。

R=(N-Nd)E0

(9)

式(9)中：R為經濟效益；N為材料的使用年限；Nd為投資回收期。

以頂層西向房間為例，受市場材料和人工價格的影響，并非所有組合都有良好的經濟效益，部分組合能在較短年限內回收成本，少部分需要更長時間，甚至難以收回成本，相應數據如表8所示。

表8 經濟性計算表

根據計算數據，選取投資回收期短和經濟效益高的組合，如頂層西向房間選取編號為1的圍護結構組合最優，同理可篩選出其他朝向類型房間的最佳組合。

4.2 節能性分析

通過對比優化后的圍護結構與原始結構條件下，各朝向房間夏季設計日圍護結構得熱峰值大小，日平均得熱量，空調季平均冷負荷和供暖季平均熱負荷來分析其節能效果，數據匯總如表9所示。

數據顯示，相比于原始結構，優化后圍護結構得熱峰值大小，日平均得熱量，均削減為原始的30%左右，東、西向效果更好；空調季平均冷負荷可下降4.9%～23%，其中頂層的節能效果優于中間層，東、西向優于南、北向；但供暖季平均熱負荷優化后并不節能，這是由于削減了太陽輻射得熱，從而增大了室內的熱負荷。

5 實驗驗證

為驗證本文理論模擬測試結果的準確性，選取北向頂層實驗臺進行實驗分析。通過比較小屋不同圍護結構組合下的實測數據，對研究中所提出的北向房間優化策略進行驗證，其他朝向的結論選用其他合適的實驗臺在接下的研究中一一驗證。根據上述研究，實驗設置無遮陽措施和內置百葉卷簾遮陽兩種工況，以及0.29和0.43兩種窗墻比，逐時記錄實驗小屋北面墻體，外窗，及屋面的內表面溫度、熱流密度，同時記錄室內外溫濕度和室外天氣情況。實驗小屋的各項參數如表10所示。

表9 節能效果對比分析匯總表Table 9 Comparative analysis of energy saving effect summary table

表10 實驗小屋圍護結構材料Table 10 Materials of experimental cabin envelope

為防止對實驗結果產生影響，對實驗小屋中其他圍護結構采用保溫板、錫箔紙等進行遮擋，并選取氣象參數相近的連續周期進行測試。實測現場如圖9和圖10所示。實測數據整理對比結果如圖11所示。

圖9 實驗小屋Fig.9 Experimental house

圖10 實驗儀器Fig.10 Experimental instrument

圖11 實測數據對比分析圖Fig.11 Comparison and analysis diagram of measured data

如圖11所示，小窗墻比且設置遮陽的工況下圍護結構得熱出現峰值最晚，為18:00；未設遮陽的工況下圍護結構得熱峰值均出現在較早的15:00；窗墻比較大時設置遮陽的延遲效果較差。與前文所得結論：北向頂層房間選取小窗墻比，優良熱工性能的外窗，設置內遮陽能夠有效延遲得熱峰值出現時間相吻合，從而證明了該結論的準確性。此處僅給出部分優化策略的驗證，以此為參考進行實驗可證得其余結論，同時也表明研究結果具有一定可行性。

6 結論

結合計算機能耗仿真模擬與正交試驗分析方法提出了一種針對夏熱冬冷地區辦公型建筑圍護結構得熱調峰優化策略，該方法能調整各朝向房間圍護結構得熱峰值出現時間，有效降低4.9%～23%房間空調季平均冷負荷。建筑經該策略優化后相比于原有建筑圍護結構組合經濟效益良好，且存在較好的節能效果。

(1)正交試驗分析顯示東、西、南三個朝向房間得熱峰值和全體變化幅度主要受外窗材質和窗墻比大小的影響，北向房間還受外墻、屋面材質的影響，設置遮陽設施能改變各房間峰值出現的時間。多種常規墻體結構的得熱峰值出現在19:00，且得熱占比相對較小。

(2)通過調整外窗材料，遮陽設施和窗墻比可以使南向房間圍護結構得熱峰值在13:00—15:00移動，東向可調整至9:00，西向延遲至17:00，北向在14:00—18:00移動，這是由于調整三種因素可以有效削減外窗得熱量，改變外窗逐時得熱曲線形狀，使其幅度變化更小，從而增大其他結構在總得熱中的占比令峰值發生偏移。

(3)本文研究中涉及圍護結構均為常規構造，削峰移峰效果有限，東、西向受外窗影響過大，圍護結構得熱經過移峰后，雖然有較好的節能效果，日平均得熱量可均削減為優化前的20.1%，空調季平均冷負荷可減少23.2%，但其峰值出現時間對于大多數辦公建筑而言仍處于工作時間，因此后續可采用新型圍護結構展開進一步的研究。

(4)該優化策略對采用全玻璃幕墻式建筑適用性不強，但所得與透明圍護結構得熱相關的結論具有一定參考價值，優化方法和思路也可以相互借鑒。此外，所得結論在超高層辦公建筑和大面積辦公用房的適用性也將在后續研究中進行討論。