寒冷地區(qū)建筑負(fù)荷對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)的敏感性分析

摘要：為研究建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)屬性對(duì)同一熱工分區(qū)不同城市節(jié)能建筑負(fù)荷影響的敏感性，以同屬于寒冷地區(qū)的蘭州和鄭州為研究目標(biāo)所在城市，在節(jié)能65%的前提下將4種外墻、3種外窗和4種窗墻比進(jìn)行組合得到了48個(gè)可能的辦公建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算房間。分別計(jì)算了這些房間的冷負(fù)荷、熱負(fù)荷和全年總負(fù)荷并分析了各熱工參數(shù)對(duì)負(fù)荷的影響。通過與基準(zhǔn)房間負(fù)荷對(duì)比，獲得了具有不同熱工性能的計(jì)算房間的節(jié)能率及最優(yōu)的辦公建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：寒冷地區(qū)；建筑節(jié)能；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；建筑負(fù)荷；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU832文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2015）03010808

Abstract：Two cities located in cold zone， Lanzhou and Zhengzhou were selected to study the relationship between the building envelope properties and the building heating and cooling load.Under the condition of energy efficient rate 65%， four types of walls， three types of windows and four windowtowall ratios were assembled into 48 types of office building envelopes as the calculating rooms. The annual heating and cooling loads of the calculating rooms were obtained and the influence of thermal performance on building load was analyzed. The energy saving ratio and the optimal building envelope for each city were determined by comparing with the annual total load of baseline room，.

Key words：cold zone； building energy efficient； building envelope；heating and cooling load； optimization design

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)室外條件的熱反應(yīng)取決于其各組成部分材料的熱性能和它的自身結(jié)構(gòu)，其熱工性能是影響建筑能效的決定性因素[12]。隨著建筑節(jié)能目標(biāo)的不斷提升，與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)有關(guān)的研究也取得了大量的成果[38]。文獻(xiàn)[9]對(duì)現(xiàn)有公共節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱工性能優(yōu)化，從建筑方位、窗墻比、保溫材料和窗戶類型幾個(gè)方面對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。文獻(xiàn)[10]研究了中國(guó)夏熱冬冷地區(qū)4個(gè)城市高層建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能在不同季節(jié)的主要影響因素。文獻(xiàn)[11]分析了不同建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面裝飾材料在太陽(yáng)輻射作用下對(duì)建筑耗熱的影響。文獻(xiàn)[12]對(duì)112種墻和屋頂不同材料組合構(gòu)成的建筑物進(jìn)行計(jì)算，得到了滿足節(jié)能建筑標(biāo)準(zhǔn)要求的隔熱層參數(shù)，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[13]在分析了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中6個(gè)因素對(duì)建筑運(yùn)行能耗影響的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于中國(guó)寒冷地區(qū)在地域和低溫時(shí)段上的大跨度特點(diǎn)，決定了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能在不同城市必然表現(xiàn)出不同的耗能特性[14]。那么，對(duì)于具有同一熱工屬性的圍護(hù)結(jié)構(gòu)建筑物在同一熱工分區(qū)不同城市負(fù)荷間的差異究竟如何呢？關(guān)于這一問題，目前還未見報(bào)道。本文選取同屬寒冷地區(qū)的蘭州和鄭州作為研究目標(biāo)所在城市，因它們分別屬于中溫帶大陸性氣候區(qū)和暖溫帶亞濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)[15]，在耗能方式和對(duì)能耗影響的敏感程度也會(huì)有所不同，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲得同一熱工分區(qū)不同城市最佳節(jié)能建筑。

1建筑模型

1.1基準(zhǔn)房間

為了對(duì)不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算房間綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，引入一個(gè)外形、大小、朝向、內(nèi)部空間劃分和使用功能等基本信息與計(jì)算房間相同的假想房間，即為基準(zhǔn)房間。蘭州、鄭州兩地的基準(zhǔn)房間外墻采用300 mm厚黏土多孔磚，窗戶為6 mm單層玻璃塑鋼窗，南北向窗墻比取0.35。該基準(zhǔn)建筑沒有采取任何保溫、遮陽(yáng)措施，其熱工參數(shù)如表1所示。

1.2計(jì)算房間

計(jì)算房間如圖1所示，其進(jìn)深×開間×高=6.3 m×4.0 m×3.3 m。該房間位于一幢6層辦公樓的3層西南角位置，西墻和南墻為外墻。窗戶在南墻上。墻體內(nèi)壁面換熱系數(shù)取8.7 W/（m2·K），外壁面換熱系數(shù)在不同地區(qū)受風(fēng)速影響較大，應(yīng)按季節(jié)根據(jù)文獻(xiàn)[16]中給定值采用內(nèi)插法來(lái)確定，如表2所示。圍護(hù)結(jié)構(gòu)均按節(jié)能65%標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，其熱工參數(shù)如表3和表4所示。建筑體形系數(shù)為0.25，窗墻比分別取0.15、0.20、025、0.30，均符合文獻(xiàn)[17]要求。以下計(jì)算分析中，不考慮鄰室傳熱。

2負(fù)荷計(jì)算

2.1供暖期與空調(diào)期確定

供暖期以蘭州和鄭州當(dāng)?shù)卣P(guān)于供暖起止日期的文件規(guī)定為準(zhǔn)，蘭州供暖期為11月1日至次年3月31日，共150 d；鄭州供暖期為11月15日至次年3月15日，共120 d。

建筑能耗分析用的DOE2軟件中，是將5月1日至10月31日設(shè)定為空調(diào)期。實(shí)際上由于建筑氣候環(huán)境的多變性及復(fù)雜性，各地的經(jīng)濟(jì)水平、人們的生活習(xí)慣等各不相同，使得這一設(shè)定的空調(diào)期在不同城市能耗統(tǒng)計(jì)中均存在較大誤差?？紤]到所研究城市氣候特點(diǎn)并不需要整日連續(xù)開啟空調(diào)，室外白天高溫溫度波經(jīng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的延遲導(dǎo)致晚間室內(nèi)溫度可能較高，這可以通過開窗等措施以自然通風(fēng)方式來(lái)降低室內(nèi)溫度。因此，根據(jù)文獻(xiàn)[18]中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，將蘭州在6月1日至8月31日期間逐時(shí)溫度高于26 ℃的小時(shí)數(shù)折算為20個(gè)空調(diào)連續(xù)運(yùn)行日；將鄭州在6月1日至9月15日期間逐時(shí)溫度高于26 ℃的小時(shí)數(shù)折算為49個(gè)空調(diào)連續(xù)運(yùn)行日。這一確定方法和當(dāng)?shù)貙?shí)際氣溫變化以及人們?nèi)粘Ｉ钪械墓?jié)約行為是一致的。

2.2熱負(fù)荷計(jì)算

供暖房間熱負(fù)荷包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量、冷風(fēng)滲透耗熱量。分別計(jì)算如下：

2.2.1圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量 圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本耗熱量和附加耗熱量?jī)刹糠帧?/p>

圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本耗熱量：

2.5熱工參數(shù)對(duì)負(fù)荷的影響

表3中4種外墻類型、表4中3種外窗類型以及4個(gè)窗墻比組合，形成48個(gè)不同熱工屬性的圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算房間。按照2.1～2.3節(jié)計(jì)算過程，可得不同房間在不同季節(jié)位于不同城市時(shí)的年累積供暖熱負(fù)荷、年累積空調(diào)冷負(fù)荷以及全年總負(fù)荷。下面給出其他條件不變，外墻類型、外窗類型以及窗墻比變化時(shí)不同計(jì)算房間負(fù)荷計(jì)算結(jié)果。

2.5.1外墻類型對(duì)負(fù)荷的影響

圖2為外墻傳熱系數(shù)變化時(shí)計(jì)算房間在兩地的負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，蘭州和鄭州地區(qū)各12種方案。圖2（a）為外窗1、窗墻比取0.15、4種外墻類型對(duì)應(yīng)的負(fù)荷計(jì)算結(jié)果；圖2（b）為外窗2、窗墻比取0.2時(shí)4種外墻

類型對(duì)應(yīng)的負(fù)

荷計(jì)算結(jié)果；圖2（c）為外窗3、窗墻比取0.25時(shí)4種外墻類型對(duì)應(yīng)的負(fù)荷計(jì)算結(jié)果。圖2（a）中4個(gè)方案對(duì)應(yīng)熱負(fù)荷均在7.0×106～8.5×106 kW之間變化；圖2（b）中4個(gè)方案對(duì)應(yīng)熱負(fù)荷均在8.3×106～9.7×106 kW之間變化；圖2（c）中4個(gè)方案對(duì)應(yīng)熱負(fù)荷均超過了9.8×106 kW。各方案對(duì)應(yīng)的空調(diào)冷負(fù)荷在蘭州和鄭州地分別穩(wěn)定在2×106和6.0×106 kW左右。外墻傳熱系數(shù)增大274%，窗墻比為0.15時(shí)，方案4比方案1的供暖期累積熱負(fù)荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了190%和20.4%，窗墻比為0.2時(shí)，方案20比方案17的供暖期累積熱負(fù)荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了15.8%和171%，窗墻比為0.25時(shí)，方案36比方案33的供暖期累積熱負(fù)荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了13.2%和14.4%。這說明即使按照65%的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)選擇圍護(hù)結(jié)構(gòu)，具有不同參數(shù)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)組合對(duì)應(yīng)的熱負(fù)荷差異也很大，而且，同一圍護(hù)結(jié)構(gòu)建筑物在鄭州地區(qū)的熱負(fù)荷對(duì)外墻類型的敏感性要高于在蘭州地區(qū)的情況。這也為地方設(shè)計(jì)規(guī)范和節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的制定、實(shí)施提供了思路。

2.5.2外窗類型對(duì)負(fù)荷的影響

圖3為不同外窗類型時(shí)計(jì)算房間在兩地的負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，蘭州和鄭州地區(qū)各12種方案。圖3（a）為外墻1、窗墻比取015時(shí)4種外窗類型對(duì)應(yīng)的負(fù)荷計(jì)算結(jié)果；圖3（b）為外墻2、窗墻比取02時(shí)4種外窗類型對(duì)應(yīng)的負(fù)荷計(jì)算結(jié)果；圖3（c）為外墻3、窗墻比取025時(shí)4種外窗類型對(duì)應(yīng)的負(fù)荷計(jì)算結(jié)果；圖3（d）為外墻4、窗墻比取03時(shí)4種外窗類型對(duì)應(yīng)的負(fù)荷計(jì)算結(jié)果。各方案對(duì)應(yīng)的空調(diào)冷負(fù)荷在蘭州地區(qū)基本上穩(wěn)定在2×106 kW左右，在鄭州地區(qū)基本上穩(wěn)定在60×106 kW左右。外窗傳熱系數(shù)增大74%，窗墻比為015時(shí)，方案9比方案1的供暖期累積熱負(fù)荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了119%和127%，窗墻比為02時(shí)，方案22比方案14的供暖期累積熱負(fù)荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了138%和149%，窗墻比為025時(shí)，方案35比方案27的供暖期累積熱負(fù)荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了154%和169%，窗墻比為03時(shí)，方案48比方案40的供暖期累積熱負(fù)荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了168%和183%?？梢钥闯?，外窗屬性對(duì)鄭州地區(qū)建筑熱負(fù)荷的影響要比蘭州地區(qū)明顯一些，但隨著外墻傳熱系數(shù)和窗墻比的同時(shí)增大，這一差異在逐漸減小。

2.5.3不同窗墻比下負(fù)荷比較

圖4為不同窗墻比時(shí)計(jì)算房間在兩地的負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，蘭州和鄭州地區(qū)各12種方案。圖4（a）為外墻1、外窗1時(shí)4種窗墻比對(duì)應(yīng)的負(fù)荷計(jì)算結(jié)果；圖4（b）為外墻2、外窗2時(shí)4種窗墻比對(duì)應(yīng)的負(fù)荷計(jì)算結(jié)果；圖4（c）為外墻3、外窗3時(shí)4種窗墻比對(duì)應(yīng)的負(fù)荷計(jì)算結(jié)果。各方案對(duì)應(yīng)的空調(diào)冷負(fù)荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別在2×106 和6.0×106 kW左右。窗墻比增大了100%，方案37比方案1的供暖期累積熱負(fù)荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了23.8%和19.9%，方案42比方案6的供暖期累積熱負(fù)荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了25.7%和22.7%，方案47比方案11的供暖期累積熱負(fù)荷在蘭州和鄭州地區(qū)分別增大了28.3%和25.4%。窗墻比對(duì)蘭州地區(qū)建筑熱負(fù)荷的影響要比鄭州明顯一些，但隨著外窗和外墻傳熱系數(shù)同時(shí)增大，窗墻比對(duì)建筑熱負(fù)荷的影響在逐漸減弱。

2.5.4各因素綜合影響下負(fù)荷及節(jié)能率比較

圖5為各因素綜合影響下48種圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造方案對(duì)應(yīng)的建筑負(fù)荷在蘭州和鄭州兩地區(qū)的變化趨勢(shì)。可以看出，蘭州地區(qū)的冷負(fù)荷隨各因素變化很微弱，但熱負(fù)荷變化顯著，呈鋸齒狀分布，年總負(fù)荷變化趨勢(shì)與熱負(fù)荷變化趨勢(shì)比較接近；鄭州地區(qū)的冷負(fù)荷隨各因素變化也很微弱，熱負(fù)荷變化較顯著，也呈鋸齒狀分布，年總負(fù)荷變化趨勢(shì)與熱負(fù)荷變化趨勢(shì)比較接近。對(duì)于前24種方案，鄭州的全年累積總負(fù)荷稍高于蘭州地區(qū)的水平，后面24種方案，兩者基本持平。

圖6為不同方案構(gòu)造圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的負(fù)荷與基準(zhǔn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的負(fù)荷相比較所得節(jié)能率計(jì)算結(jié)果。可以看出，蘭州地區(qū)的節(jié)能率變化范圍基本上在35%～58%之間波動(dòng)，在48種構(gòu)造方案中，方案1的節(jié)能率最高，為58%，方案48的節(jié)能率最低，為35%；鄭州地區(qū)的節(jié)能率變化范圍基本上在29%～49%之間波動(dòng)，在48種構(gòu)造方案中，方案1的節(jié)能率最高，為49%，方案48的節(jié)能率最低，為29%。這說明圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能對(duì)建筑負(fù)荷的敏感性是與氣候條件密切相關(guān)圖6節(jié)能率比較

Fig.6Comparison of energy saving的，如何合理結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蛱卣鲀?yōu)化建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)是建筑節(jié)能工作的重要內(nèi)容之一。

3結(jié)論

以蘭州和鄭州地區(qū)作為研究對(duì)象所在城市，4種外墻類型、3種外窗類型及4個(gè)窗墻比組合形成48種可能的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，計(jì)算了年熱負(fù)荷、年冷負(fù)荷以及全年總負(fù)荷，比較了各計(jì)算房間在蘭州和鄭州地區(qū)的節(jié)能率。得到了如下主要結(jié)論：

1） 按照65%的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)選擇圍護(hù)結(jié)構(gòu)，具有不同參數(shù)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)組合對(duì)應(yīng)的熱負(fù)荷差異也很大，而且，同一圍護(hù)結(jié)構(gòu)建筑物在鄭州地區(qū)的熱負(fù)荷對(duì)外墻類型的敏感性要高于在蘭州地區(qū)的情況。

2） 外窗類型對(duì)鄭州地區(qū)建筑熱負(fù)荷的影響要比對(duì)蘭州地區(qū)建筑熱負(fù)荷的影響明顯，但隨著外墻傳熱系數(shù)和窗墻比的同時(shí)增大，這一差異在逐漸減小。

3） 窗墻比對(duì)蘭州地區(qū)建筑熱負(fù)荷的影響要比對(duì)鄭州地區(qū)建筑熱負(fù)荷的影響明顯，但隨著窗戶和外墻傳熱系數(shù)的同時(shí)增大，窗墻比對(duì)建筑熱負(fù)荷的影響在逐漸減弱。

4） 獲得了同屬寒冷地區(qū)的蘭州和鄭州地區(qū)的最優(yōu)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，相對(duì)于本文構(gòu)造的基準(zhǔn)建筑，在蘭州和鄭州地區(qū)的節(jié)能率分別為58%和49%。

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（編輯王秀玲）