不同建筑熱工分區(qū)辦公建筑外圍護結(jié)構(gòu)負荷指標影響因素權(quán)重

王燁++孫鵬寶++付銀安++管國祥

摘要：為研究多因素對不同熱工分區(qū)辦公建筑總負荷指標的綜合影響，在分析了單一因素對建筑總負荷指標影響規(guī)律的基礎上，采用層次分析法對分別位于哈爾濱、蘭州、重慶、廣州的辦公建筑負荷指標進行了評價。得到了窗戶傳熱系數(shù)Kw、玻璃遮陽系數(shù)Sc、窗墻比R在不同熱工分區(qū)辦公建筑總負荷指標影響因素中的權(quán)重值，并對此進行了一致性檢驗。結(jié)果表明：對于嚴寒地區(qū)的哈爾濱和寒冷地區(qū)的蘭州節(jié)能建筑，各因素重要程度為R>Kw>Sc；對于夏熱冬冷地區(qū)的重慶和夏熱冬暖地區(qū)的廣州節(jié)能建筑，各因素重要程度為Sc >R>Kw。在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計中應根據(jù)各熱工分區(qū)負荷影響因素的比重不同進行優(yōu)先控制相應因素。

關(guān)鍵詞：辦公建筑；負荷指標；影響因素；權(quán)重；優(yōu)化設計；窗墻比

中圖分類號：TU831.1文獻標志碼：A文章編號：16744764（2017）01000706

收稿日期：20160608

基金項目：國家自然科學基金（51266004、51476073）；甘肅省建設科技攻關(guān)項目（JK20162）

作者簡介：王燁（1972）， 男， 博士， 教授， 博士生導師，主要從事暖通空調(diào)、強化傳熱研究，（Email）wangye@mail.lzjtu.cn。

Received：20160608

Foundation item：National Natural Science Foundation of China（No.51266004，51476073）；Gansu Province Scientific Research Project（No.JK20162）

Author brief：Wang Ye（1972），PhD，professor，doctoral supervisor，main research interests：heating ventilation and air conditioning，heat transfer enhancement，（Email）wangye@mail.lzjtu.cn.Analysis on the weight of the indices of factors affecting the heat and

cold load for office buildings in different climate zones

Wang Yea，b，Sun Pengbaoa，F(xiàn)u Yinana，Guan Guoxianga

（a. School of Environmental and Municipal Engineering； b. Key Laboratory of Railway Vehicle

Thermal Engineering， Ministry of Education， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， P. R. China）

Abstract：The building total load index of the office buildings in Harbin， Lanzhou， Chongqing and Guangzhou were assessed by the analytical hierarchy process based on the effect of single factor on the building total load index to study the synthetic effects of several factors on the total load index of the office buildings in four climate zones. The weights of varied indexes of window heat transfer coefficient， glass sunshade coefficient and windowwall ratio were determined by the analytical hierarchy process. And the consistency of the weight of index was checked ultimately. The results indicated that the importance of the three factors for the total load index of the office buildings in Harbin and Lanzhou was R>Kw>Sc， while the importance of the three factors for the total load index of the office buildings in Chongqing and Guangzhou was Sc>R>Kw. In the optimum design of building structure， the crucial factors should be controlled preferentially for a building in different climate zones.

Keywords：office building； load index； factors； weight of index； optimum design； windowwall ratio

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，中國建筑能耗在社會總能耗的比例逐漸上升，目前已接近25%（不包含農(nóng)村非商品生物質(zhì)能源的建筑用能）[1]，建筑能耗已成為經(jīng)濟發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)。其中辦公建筑和大型公共建筑作為能耗大戶具有能耗總量大、能源利用效率低、節(jié)能潛力大的特點，對實現(xiàn)節(jié)能減排的目標具有重要意義，因此受到了人們的廣泛關(guān)注[24]。窗戶作為熱量散失的重要構(gòu)件，與之相關(guān)的窗墻比、傳熱系數(shù)、玻璃遮陽系數(shù)、窗戶外遮陽、朝向等也就成為了降低能耗的研究重點[59]。文獻[10]對廣州地區(qū)某辦公建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工屬性與建筑負荷關(guān)系的研究表明：降低外窗遮陽系數(shù)對減少建筑全年空調(diào)能耗和最大空調(diào)冷負荷是有利的，但降低窗的傳熱系數(shù)對減少建筑全年空調(diào)能耗和最大空調(diào)冷負荷不利。文獻[11]分析了外窗玻璃遮陽系數(shù)和窗戶傳熱系數(shù)對3個熱工分區(qū)住宅建筑空調(diào)能耗的影響，提出了各地區(qū)的節(jié)能側(cè)重點。文獻[12]對蘭州地區(qū)某辦公建筑全年總負荷指標影響因素的研究發(fā)現(xiàn)：窗戶傳熱系數(shù)對南向總負荷指標的影響較玻璃遮陽系數(shù)的影響顯著。上述研究大部分只分析了單一因素對單個地區(qū)或多個地區(qū)建筑能耗的影響，即使探討了多因素對單個地區(qū)建筑能耗的影響，也未對各影響因素的權(quán)重進行分析。目前，將與窗戶有關(guān)的多個因素對多個熱工分區(qū)建筑能耗的影響進行對比研究并確定這些因素在相應熱工分區(qū)的權(quán)重，還未見報道。本文選取了嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)的代表性城市，綜合分析了窗墻比、窗戶傳熱系數(shù)、玻璃遮陽系數(shù)對這些城市辦公建筑總負荷指標的影響，并通過層次分析法計算得到了各熱工分區(qū)辦公建筑總負荷指標各影響因素的權(quán)重。

1研究模型

1.1物理模型

構(gòu)建一獨立的6層辦公樓，呈南北方位布置，層高3 m，建筑尺寸：長×寬×高=24 m×14 m×18 m，每層8個辦公室，單個辦公室面積為24 m2，單層面積336 m2，總建筑面積2 016 m2。該建筑分別位于嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)的哈爾濱、蘭州、重慶、廣州4個城市。圍護結(jié)構(gòu)熱工屬性以滿足當?shù)毓?jié)能65%的要求來確定相關(guān)參數(shù)。

1.2熱工條件

辦公建筑的負荷主要為通過圍護結(jié)構(gòu)的負荷和房間內(nèi)擾。由于辦公建筑的人員密度、設備和照明負荷基本穩(wěn)定，只需考慮工作日和節(jié)假日的區(qū)別。依據(jù)文獻[13]，人體散熱量取75 W/人、設備散熱量取15 W/m2、燈光散熱量取9 W/m2，人均占有面積10 m2/人?？照{(diào)設備間歇運行，開啟時段為7：00—18：00。辦公室人均新風量為30 m3/（h·p）[13]。根據(jù)人員逐時在室率設定空調(diào)溫度、照明時間及設備使用率。房間的通風換氣次數(shù)為0.5 次/h，夏季采用2次/h的夜間通風。

在節(jié)能65%的同一前提下，不同熱工分區(qū)建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱工屬性不同，體現(xiàn)為不同地區(qū)外墻傳熱系數(shù)Kow、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)Kc及外窗傳熱系數(shù)Kw、玻璃遮陽系數(shù)Sc、窗墻比R等參數(shù)有各自的取值范圍及組合形式。對于外墻和屋面來說，不同熱工分區(qū)建筑的主要區(qū)別在于其保溫層厚度不同，如圖1所示。所選4個城市建筑的圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1外墻和屋面結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1Structure of external wall and roof表1外墻和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

Table 1Heat transfer coefficients of external wall and roof城市δc/

mmKc/

（W·（m2·K）-1）δw/

mmKow/

（W·（m2·K）-1）哈爾濱1400.271000.37蘭州700.45700.48重慶600.45300.74廣州300.7201.40

1.3參數(shù)選取

討論窗戶傳熱系數(shù)對建筑總負荷指標影響時，各地區(qū)窗墻比R均取0.5，哈爾濱、蘭州、重慶、廣州的玻璃遮陽系數(shù)分別為0.81、0.48、0.39、0.39。

討論玻璃遮陽系數(shù)對建筑總負荷指標影響時，各地區(qū)窗墻比R均取0.5，哈爾濱、蘭州、重慶、廣州的窗戶傳熱系數(shù)分別為1.9、2.2、2.4、2.7。

討論窗墻比對建筑總負荷指標影響時，窗戶傳熱系數(shù)Kw和玻璃遮陽系數(shù)Sc取值如表2所示。

討論以上3個因素對建筑總負荷指標影響時外墻和屋面相關(guān)參數(shù)如表1所示。表2窗戶各項參數(shù)取值

Table 2Values of window parametersR哈爾濱蘭州重慶廣州KwScKwScKwScKwSc0.22.70.813.00.813.50.815.20.580.32.50.812.70.583.00.54.00.50.42.20.812.40.542.60.453.00.390.51.90.812.20.482.40.392.70.390.61.60.812.00.452.20.392.50.290.71.50.811.90.392.20.342.50.270.81.40.811.60.392.00.292.50.250.91.30.811.50.341.80.272.00.2

23種因素對總負荷指標的影響對比

2.1建筑總負荷指標

為了將室溫維持在一定的范圍內(nèi)，單位時間需要向室內(nèi)輸入的冷量或熱量分別稱為冷負荷和熱負荷。影響建筑室內(nèi)負荷的主要因素有：圍護結(jié)構(gòu)熱工屬性、建筑結(jié)構(gòu)、室內(nèi)熱源、室外氣象條件等。但不同房間的熱邊界條件是動態(tài)變化的，對應的熱傳遞過程也存在差異，要準確獲得建筑物各房間的室溫及冷、熱負荷值，需要分別建立圍護結(jié)構(gòu)熱平衡方程（包括外墻、屋面、窗戶）、家具熱平衡方程、室內(nèi)空氣熱平衡方程等，按照邊界耦合條件對所有房間溫度進行聯(lián)立求解。具體過程見文獻[14]。負荷指標是計算所得負荷與建筑地板面積的比值，總負荷指標為冷、熱負荷指標之和。

2.2結(jié)果分析

圖2為窗戶傳熱系數(shù)對4個城市節(jié)能建筑總負荷指標影響對比情況。圖中窗戶傳熱系數(shù)取值范圍包含了該城市所屬熱工分區(qū)節(jié)能65%辦公建筑可以選取的所有值[13]?？梢钥闯觯诟鞒鞘锌扇≈捣秶鷥?nèi)，窗戶傳熱系數(shù)增大引起的總負荷指標的增幅不同，哈爾濱和蘭州地區(qū)建筑總負荷指標隨窗戶傳熱系數(shù)增大其增幅明顯，重慶地區(qū)建筑次之，廣州地區(qū)窗戶傳熱系數(shù)對總負荷指標基本沒有影響。

圖3為玻璃遮陽系數(shù)對4個城市節(jié)能建筑總負荷指標影響對比情況。圖中玻璃遮陽系數(shù)取值范圍包含了該城市所屬熱工分區(qū)節(jié)能65%辦公建筑可以選取的所有值[13]。玻璃遮陽系數(shù)對各城市建筑總負荷指標的影響也存在一定差異。隨著玻璃遮陽系數(shù)增大，重慶和廣州地區(qū)建筑總負荷指標呈現(xiàn)出近似一致的增幅，而哈爾濱與蘭州地區(qū)建筑總負荷指標則均隨玻璃遮陽系數(shù)的增大略呈下降趨勢。這說明在夏熱冬冷地區(qū)的重慶和夏熱冬暖地區(qū)的廣州，適當減小玻璃遮陽系數(shù)有利于降低建筑總負荷指標，而位于嚴寒地區(qū)的哈爾濱和位于寒冷地區(qū)的蘭州，則剛好相反。

圖2窗戶傳熱系數(shù)對總負荷指標的影響對比

Fig.2Comparison of the influence of

Kw on the total load index圖3玻璃遮陽系數(shù)對總負荷指標的影響對比

Fig.3Comparison of the influence of Sc

on the total load index圖4為窗墻比對4個城市節(jié)能建筑總負荷指標影響對比情況。圖中窗墻比取值范圍包含了該城市所屬熱工分區(qū)節(jié)能65%辦公建筑可以選取的所有值[13]。可以看出，隨著窗墻比增大，各熱工分區(qū)建筑總負荷指標均呈上升趨勢。其中，哈爾濱和重慶地區(qū)的上升速度一致，蘭州和廣州地區(qū)的上升速度一致，但窗墻比對哈爾濱和重慶的建筑總負荷指標影響更為明顯。這就為不同熱工分區(qū)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化以降低建筑能耗提供了思路。

圖4窗墻比對總負荷指標的影響對比

Fig.4Comparison of the influence of R on the total load index以上只是各單一因素對不同熱工分區(qū)節(jié)能建筑總負荷指標影響程度的對比定性分析。下面，分析窗戶傳熱系數(shù)、玻璃遮陽系數(shù)、窗墻比3個因素對不同熱工分區(qū)建筑總負荷指標的綜合影響。

3各影響因素權(quán)重確定

本文涉及的權(quán)重就是影響建筑總負荷指標的各因素的重要程度，是建筑圍護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的重要參考指標。采用層次分析法確定窗戶傳熱系數(shù)、玻璃遮陽系數(shù)、窗墻比3個因素對總負荷指標的影響權(quán)重。

為了減少主觀人為因素對判斷矩陣的影響，先根據(jù)單一因素對總負荷指標影響的計算數(shù)據(jù)，每次取兩個因素按表3的數(shù)量標度比較其重要程度，得到判斷矩陣，求解其最大特征根和最大特征根對應的標準化特征向量，再檢驗一致性，最后得到各因素權(quán)重指標。表3判斷矩陣的標度

Table 3Standard of judgement matrix標度定義說明1同樣重要2個元素對屬性同樣重要3稍微重要1個元素比另一個稍微重要5明顯重要1個元素比另一個明顯重要7重要得多1個元素主導地位已顯示出來9極端重要1個元素占絕對重要地位2、4

6、8上述兩相鄰

因素的折中表示需要在上述兩個標度之

間折中時的定量標度

3.1構(gòu)造判斷矩陣

根據(jù)上文計算數(shù)值，算出各因素變化時總負荷指標的相對變化率，對照表3比較各因素間的重要程度得到的判斷矩陣，如表4～7所示。表4哈爾濱地區(qū)

Table 4Harbin regionKwScRKw161/4Sc1/611/8R481表5蘭州地區(qū)

Table 5Lanzhou regionKwScRKw11/61/5Sc612R51/21表6重慶地區(qū)

Table 6Chongqing regionKwScRKw141/3Sc1/411/5R351表7廣州地區(qū)

Table 7Guangzhou regionKwScRKw11/71/4Sc714R41/41據(jù)此，可得各城市判斷矩陣依次為（下標H、L、C、G分別代表哈爾濱、蘭州、重慶、廣州）AH=161/4

1/611/8

481AL=141/3

1/411/5

351

AC=11/61/5

612

51/21AG=11/71/4

714

41/413.2計算各因素的相對重要程度

根據(jù)判斷矩陣計算對總負荷指標的各影響因素權(quán)重，得到判斷矩陣的最大特征根λmax及對應歸一化的特征向量W=（W1，W2，W3）T。AW=λmaxW（1）歸一化后的特征向量W=（W1，W2，W3）T即為相對應的各影響因素權(quán)重。λmax和W采用和積法計算。

各城市的特征向量依次為

WH=（0.237，0.064，0.699）T，WL=（0.28，0092，0.628）T，

WC=（0.081，0.577，0.342）T，WG=（0.075， 0696， 0.229）T。

3.3一致性檢驗

在權(quán)重計算過程中，客觀事物的復雜性和人為主觀因素會對判斷矩陣的一致性產(chǎn)生一定影響，因而需要對判斷矩陣的一致性進行檢驗。

一致性指標CI的檢驗公式如式（2）所示。CI=λmax-nn+1（2）式中：CI為一致性指標；n為影響因素個數(shù)。

一致性比率CR的計算公式如式（3）所示。CR=CIRI（3）式中：CR為一致性比率，當CR<0.1時，認為判斷矩陣具有滿意的一致性。RI為評價一致性指標，三階時取0.58。

根據(jù)以上各式求得各城市一致性比率依次為CRH=0.081、CRL=0.065、CRC=0.025、CRG=0066，均小于0.1，一致性可以接受。

3.4權(quán)重分析

不同因素對各城市建筑總負荷指標的影響權(quán)重如表8所示?？梢钥闯?，窗戶傳熱系數(shù)、玻璃遮陽系數(shù)、窗墻比3個因素在不同熱工分區(qū)節(jié)能建筑總負荷指標中的相對重要程度并不一致。對于嚴寒地區(qū)的哈爾濱和寒冷地區(qū)的蘭州節(jié)能建筑，各因素重要程度為R > Kw > Sc；對于夏熱冬冷地區(qū)的重慶和夏熱冬暖地區(qū)的廣州節(jié)能建筑，各因素重要程度為Sc >R>Kw。這是因為窗墻比在不同氣候分區(qū)對建筑負荷影響的側(cè)重點不同：對北方地區(qū)建筑主要影響供暖熱負荷，因為北方地區(qū)建筑負荷中冬季供暖負荷占絕對大份額，室內(nèi)外大溫差是引起供暖負荷份額占優(yōu)的最主要因素，作為室內(nèi)外耦合傳熱載體也是建筑保溫最薄弱環(huán)節(jié)的窗戶自然也就成為了重要的影響因素，玻璃遮陽系數(shù)對嚴寒和寒冷地區(qū)建筑負荷影響很?。欢戏降貐^(qū)建筑負荷主要以冷負荷為主，可以看出，玻璃遮陽效果在夏熱冬冷地區(qū)的重慶以及夏熱冬暖地區(qū)的廣州顯得尤為突出，窗墻比作為影響太陽輻射透射強度的重要因素，是僅次于玻璃遮陽系數(shù)的另一負荷影響因素，而窗戶傳熱系數(shù)對夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)的建筑負荷影響甚微。另外，窗墻比對嚴寒地區(qū)建筑節(jié)能的重要性與玻璃遮陽系數(shù)對夏熱冬暖地區(qū)建筑節(jié)能的重要性非常接近。圖5直觀地反映了與窗戶有關(guān)的三個因素對不同熱工分區(qū)節(jié)能65%辦公建筑總負荷指標的綜合影響。這也為針對不同氣候特征地區(qū)進行建筑圍護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計提供了理論參考。表8各因素權(quán)重

Table 8Weight for factors因素哈爾濱蘭州重慶廣州Kw0.2370.280.0810.075Sc0.0640.0920.5770.696R0.6990.6280.3420.229圖5多因素對總負荷指標的綜合影響對比

Fig.5Comparison of the synthetical influence of three

factors on the total load index4結(jié)論

分析了窗墻比、窗戶傳熱系數(shù)、玻璃遮陽系數(shù)對嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)節(jié)能建筑總負荷指標的影響，并通過層次分析法計算得到了各熱工分區(qū)辦公建筑總負荷指標各影響因素的權(quán)重。得到了如下主要結(jié)論：

1） 窗戶傳熱系數(shù)增大引起哈爾濱和蘭州地區(qū)建筑總負荷指標增幅明顯，重慶地區(qū)建筑次之，廣州地區(qū)建筑總負荷指標基本不受影響。

2）重慶和廣州地區(qū)建筑總負荷指標與玻璃遮陽系數(shù)變化呈正相關(guān)關(guān)系，兩個地區(qū)建筑總負荷指標增幅一致，而哈爾濱與蘭州地區(qū)建筑總負荷指標則均隨玻璃遮陽系數(shù)的增大略呈下降趨勢。

3）各熱工分區(qū)建筑總負荷指標均隨窗墻比增大呈上升趨勢，但窗墻比對哈爾濱和重慶的建筑總負荷指標影響更為明顯。

4）在所研究的窗戶傳熱系數(shù)Kw、玻璃遮陽系數(shù)Sc、窗墻比R這3個因素中，對于嚴寒地區(qū)的哈爾濱和寒冷地區(qū)的蘭州節(jié)能建筑，各因素重要程度為R>Kw>Sc；對于夏熱冬冷地區(qū)的重慶和夏熱冬暖地區(qū)的廣州節(jié)能建筑，各因素重要程度為Sc >R>Kw。窗墻比對嚴寒地區(qū)建筑節(jié)能的重要性與玻璃遮陽系數(shù)對夏熱冬暖地區(qū)建筑節(jié)能的重要性非常接近。

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