基于能耗分析法對(duì)合肥地區(qū)辦公建筑外遮陽(yáng)形式及尺寸的研究

曹穩(wěn)， 陳麗華， 張琴義， 吳偉東

（1.安徽科技學(xué)院，a.建筑學(xué)院；b.管理學(xué)院，安徽 蚌埠 233100；2.合肥工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，合肥 230009）

0 引 言

到2020年我國(guó)建筑能耗將達(dá)到10.9億t標(biāo)煤[1]，占社會(huì)總能耗很大比重，建筑節(jié)能工作非常重要.目前，在我國(guó)節(jié)能計(jì)算也成為建筑設(shè)計(jì)工作中的必備環(huán)節(jié)[2].合理設(shè)置外遮陽(yáng)可有效節(jié)約建筑能耗，在中高緯度區(qū)其已成為建筑節(jié)能的關(guān)鍵措施[3].

國(guó)外大多是從采光、自控等角度對(duì)外遮陽(yáng)做系統(tǒng)的研究[4-5].國(guó)內(nèi)有學(xué)者從建筑能耗的角度對(duì)外遮陽(yáng)進(jìn)行了研究，如李運(yùn)江等[6]利用PKPM節(jié)能軟件對(duì)武漢地區(qū)南向外遮陽(yáng)的節(jié)能效果進(jìn)行了研究.向俊米等[7]采用Ecotect軟件對(duì)長(zhǎng)沙地區(qū)居住建筑外遮陽(yáng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.肖先波等[8]對(duì)上海和湖州地區(qū)的外窗遮陽(yáng)板深度做了研究.李雪等[9]采用Energyplus軟件對(duì)長(zhǎng)沙地區(qū)住宅建筑外窗遮陽(yáng)系統(tǒng)進(jìn)行了綜合研究.陶求華等[10]對(duì)上海和廈門(mén)地區(qū)建筑的北向外窗遮陽(yáng)設(shè)施進(jìn)行了研究.陳麗華等[11]對(duì)合肥地區(qū)公共建筑外遮陽(yáng)的形式做了定量的研究.

總體而言，現(xiàn)有研究大多是從采光、形式、傾角等方面對(duì)建筑外遮陽(yáng)進(jìn)行研究，很少?gòu)恼陉?yáng)板尺寸的角度來(lái)定量研究其與建筑能耗的關(guān)系.基于此，文中以合肥為例，選取最基本的固定式外遮陽(yáng)即水平式、垂直式、綜合式、擋板式[12]分別研究.通過(guò)對(duì)不同尺寸遮陽(yáng)板的能耗值進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比分析節(jié)能量，以期得到外遮陽(yáng)板尺寸與建筑節(jié)能之間的關(guān)系.

1 模型信息

建立一個(gè)理想化的模擬計(jì)算模型 （圖1），模型各方向功能、面積及窗墻比均相等，為便于對(duì)比研究，簡(jiǎn)化模型，僅保留主要辦公空間.模型位于合肥地區(qū)（北緯 30°57′～32°32′，東經(jīng) 116°41′～117°58′），點(diǎn)式建筑，純框架結(jié)構(gòu)，建筑層數(shù)為 3層，層高4.20 m，建筑面積3684.47 m2，體形系數(shù)為0.24，建筑體積為14839.37 m3，外表面積為3596.93 m2，窗墻面積比0.34，外窗尺寸均為4.8 m（寬）×2.7 m（高）.

圖1 建筑模型平面

建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)造做法及傳熱系數(shù)如下：

1）屋面：水泥砂漿保護(hù)層（20 mm）+SBS改性瀝青卷材防水層（5 mm）+水泥砂漿找平層（20 mm）+石墨模塑聚苯板保溫層（80 mm）+輕集料混凝土找坡層 （最薄處 30 mm）+鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層（100 mm）+水泥砂漿找平層（20 mm），傳熱系數(shù)0.44 W/m2K.

2）外墻：水泥砂漿保護(hù)層（20 mm）+石墨模塑聚苯板保溫層 （30 mm）+煤矸石多孔磚結(jié)構(gòu)層（200 mm）+石墨模塑聚苯板保溫層 （20 mm）+水泥砂漿保護(hù)層（20 mm），傳熱系數(shù)0.64 W/m2K.

3）外窗：塑框Low-E中空節(jié)能玻璃（6 mm+12 A+6 mm)，傳熱系數(shù)2.00 W/m2K.

文獻(xiàn)[13]中規(guī)定建筑物的東向、西向和南向外窗應(yīng)采取遮陽(yáng)措施，北回歸線(xiàn)以南地區(qū)必要時(shí)對(duì)北向窗進(jìn)行遮陽(yáng)，而合肥地區(qū)位于北回歸線(xiàn)以北.因此，下文在研究不同朝向外遮陽(yáng)節(jié)能效果與尺寸的關(guān)系時(shí)，僅選擇東、西、南三個(gè)方向.另外，為了使不同類(lèi)型外遮陽(yáng)的節(jié)能數(shù)據(jù)有較好的可比性，本研究對(duì)建筑模型做了二方面的設(shè)置：一是將不同形式和尺寸的遮陽(yáng)板均設(shè)置為合肥地區(qū)最常用的金屬材質(zhì)[14]；二是在模擬計(jì)算時(shí)，僅研究影響建筑節(jié)能的主要尺寸參數(shù)，將其他次要參數(shù)盡量設(shè)置相同或設(shè)置為最常用數(shù)值.

2 模擬計(jì)算分析

文中利用節(jié)能計(jì)算軟件PKPM對(duì)建筑模型進(jìn)行能耗模擬，此軟件已在全國(guó)多省市建筑節(jié)能領(lǐng)域應(yīng)用，已成為評(píng)價(jià)建筑節(jié)能效果的主要依據(jù).對(duì)不同尺寸遮陽(yáng)板全年能耗值模擬計(jì)算后，從下面兩方面進(jìn)行對(duì)比分析：

1）同種遮陽(yáng)形式下各朝向不同尺寸外遮陽(yáng)節(jié)能量對(duì)比，分析建筑能耗與外遮陽(yáng)板尺寸之間的關(guān)系，并研究外遮陽(yáng)節(jié)能效率與尺寸的關(guān)系.

2）不同遮陽(yáng)形式間節(jié)能量對(duì)比，分析不同朝向和不同形式遮陽(yáng)板的節(jié)能效果對(duì)尺寸的敏感度.

文中采用以下兩種方法來(lái)分析：①將設(shè)置不同朝向和尺寸外遮陽(yáng)的建筑能耗值按遮陽(yáng)形式分別列表，利于對(duì)比分析.②將不同尺寸外遮陽(yáng)節(jié)能量以線(xiàn)狀圖形式分別繪制，便于直觀的對(duì)比研究.

本次節(jié)能計(jì)算是以文獻(xiàn)[15]為主要依據(jù)，有關(guān)參數(shù)如下：室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度夏季為26℃，冬季為20℃，人均使用面積10 m2/人，電器設(shè)備功率為15 W/m2，空調(diào)新風(fēng)量為30 m3/hp，照明功率為9 W/m2.建筑全年能耗包括空調(diào)和供暖耗電量?jī)蓚€(gè)方面，其計(jì)算公式[16]：

式（1）中：E 為全年供暖和空調(diào)總耗電量，（kW·h/m2）；EC為全年空調(diào)耗電量，（kW·h/m2）；EH為全年供暖耗電量，（kW·h/m2）.

另外，為了更直觀的體現(xiàn)設(shè)置外遮陽(yáng)的建筑節(jié)能效果，下文主要采用節(jié)能量這一指標(biāo)來(lái)深入分析.

此處的節(jié)能量是以無(wú)外遮陽(yáng)的全年能耗值為參照，將設(shè)置外遮陽(yáng)的建筑能耗值與其對(duì)比，計(jì)算公式（2）：

式（2）中：WJ為全年總節(jié)能量，（kW·h/m2）；W 為無(wú)外遮陽(yáng)全年總耗電量，（kW·h/m2）；WZ為設(shè)外遮陽(yáng)全年總耗電量，（kW·h/m2）.

不同尺寸外遮陽(yáng)建筑空調(diào)和供暖的全年能耗值見(jiàn)表1～表4，由公式(1)分析可知，無(wú)外遮陽(yáng)建筑的全年能耗為142346.64 kW·h，而不同尺寸外遮陽(yáng)的全年能耗均小于此值，故設(shè)置外遮陽(yáng)可以節(jié)約建筑能耗.然而，不同尺寸遮陽(yáng)板的節(jié)能效果不盡相同，對(duì)此下文將深入研究.

2.1 水平外遮陽(yáng)

通過(guò)軟件節(jié)能計(jì)算得到不同尺寸水平式外遮陽(yáng)全年能耗值，見(jiàn)表1.

表1 不同尺寸水平式外遮陽(yáng)建筑全年空調(diào)和供暖能耗

表1經(jīng)過(guò)公式（1）和公式（2）計(jì)算可得不同朝向水平式外遮陽(yáng)在不同尺寸時(shí)的建筑全年節(jié)能量，見(jiàn)圖2.

圖2 不同尺寸水平式外遮陽(yáng)的建筑全年節(jié)能量

結(jié)合表1和圖2可知，整體而言，合肥地區(qū)水平式遮陽(yáng)板的節(jié)能量隨尺寸的增大而變大.但南向遮陽(yáng)板深度大于2.1 m時(shí)例外，其板深在2.1 m時(shí)，節(jié)能量為467.20 kW·h；板深2.4 m時(shí)，節(jié)能量為463.86 kW·h；板深 2.7 m 時(shí)，節(jié)能量為 446.68 kW·h，即南向遮陽(yáng)板深度超過(guò)2.1 m后其節(jié)能量隨尺寸的增大而變小.因此從節(jié)能的角度考慮，設(shè)置在南向的水平遮陽(yáng)板深度不宜過(guò)大.進(jìn)一步分析節(jié)能量隨尺寸的變化圖發(fā)現(xiàn)，節(jié)能量線(xiàn)型圖的斜率不斷變小，即建筑節(jié)能效率隨著外遮陽(yáng)板尺寸的增加而降低.另外，隨尺寸的不斷增加，不同朝向遮陽(yáng)板節(jié)能量的增幅不同，即線(xiàn)狀圖的整體斜率不同，其中東向的增幅最大，西向和南向次之.

2.2 垂直外遮陽(yáng)

經(jīng)計(jì)算得到不同尺寸垂直式外遮陽(yáng)全年能耗值，見(jiàn)表2.

表2由公式（1）和公式（2）計(jì)算可得不同朝向垂直式外遮陽(yáng)在不同尺寸時(shí)的建筑全年節(jié)能量，見(jiàn)圖3.

由圖3可知，隨外遮陽(yáng)板尺寸的增大建筑總節(jié)能量也不斷增大.當(dāng)垂直遮陽(yáng)板尺寸為2.7 m時(shí)，各個(gè)方向的節(jié)能量最大，分別為西向897.96 kW·h、東向943.38 kW·h、南向433.16 kW·h.進(jìn)一步分析節(jié)能量隨尺寸的變化發(fā)現(xiàn)，垂直式外遮陽(yáng)節(jié)能量線(xiàn)型圖與水平式的相似，其斜率均不斷變小，說(shuō)明建筑節(jié)能效率隨著外遮陽(yáng)板尺寸的增加而降低.另外，隨尺寸的不斷增加，不同朝向遮陽(yáng)板節(jié)能量的增幅不同，即不同朝向遮陽(yáng)板的節(jié)能效果對(duì)尺寸的敏感度不同，由大到小依次為：東向、西向、南向.

表2 不同尺寸垂直式外遮陽(yáng)建筑全年空調(diào)和供暖能耗

圖3 不同尺寸垂直式外遮陽(yáng)的建筑全年節(jié)能量

2.3 綜合外遮陽(yáng)

通過(guò)軟件節(jié)能計(jì)算得到不同尺寸綜合式外遮陽(yáng)全年能耗值，見(jiàn)表3.

表3 不同尺寸綜合式外遮陽(yáng)建筑全年空調(diào)和供暖能耗

表3經(jīng)過(guò)公式（1）和公式（2）計(jì)算可得不同朝向綜合式外遮陽(yáng)在不同尺寸時(shí)的建筑全年節(jié)能量，見(jiàn)圖4.

圖4 不同尺寸綜合式外遮陽(yáng)的建筑全年節(jié)能量

由圖4可知，綜合式遮陽(yáng)板的節(jié)能量隨尺寸的增大而變大，當(dāng)遮陽(yáng)板尺寸為2.7 m時(shí)，各個(gè)方向的節(jié)能量最大，分別為西向2223.21 kW·h、東向2283.55 kW·h、南向 692.85 kW·h.對(duì)比圖 2、圖 3發(fā)現(xiàn)，綜合式遮陽(yáng)板的節(jié)能量比水平式、垂直式均大，說(shuō)明綜合式外遮陽(yáng)更有利于建筑的節(jié)能.綜合遮陽(yáng)板節(jié)能量線(xiàn)狀圖與水平式、垂直式相似，隨尺寸增大節(jié)能量線(xiàn)型圖的斜率不斷變小，即建筑節(jié)能效率隨著外遮陽(yáng)板尺寸的增加而降低；隨尺寸的增加，不同朝向遮陽(yáng)板節(jié)能量的增幅不同，其中東向的增幅最大，西向和南向次之，說(shuō)明不同朝向遮陽(yáng)板的節(jié)能效果對(duì)尺寸的敏感度不盡相同.

2.4 擋板外遮陽(yáng)

經(jīng)計(jì)算得到不同尺寸擋板式外遮陽(yáng)全年能耗值，見(jiàn)表4.

表4 不同尺寸擋板式外遮陽(yáng)建筑全年空調(diào)和供暖能耗

上表由公式（1）和公式（2）計(jì)算可得不同朝向垂直式外遮陽(yáng)在不同尺寸時(shí)的建筑全年節(jié)能量，見(jiàn)圖5.

圖5 不同尺寸擋板式外遮陽(yáng)的建筑全年節(jié)能量

由圖5可知，擋板式遮陽(yáng)板的節(jié)能量隨尺寸的增大而變大，當(dāng)遮陽(yáng)板尺寸為2.7 m時(shí)，各個(gè)方向的節(jié)能量最大，分別為西向3800.98 kW·h、東向3751.59 kW·h、 南向836.29 kW·h.對(duì)比圖2～圖4發(fā)現(xiàn)，擋板式遮陽(yáng)的節(jié)能量隨尺寸變化的線(xiàn)狀圖其他遮陽(yáng)形式有很大不同.首先，整體分析節(jié)能量線(xiàn)型圖的斜率在變小，但變化幅度很小，即建筑節(jié)能效率隨著外遮陽(yáng)板尺寸的增加無(wú)明顯降低.其次，不同朝向遮陽(yáng)板節(jié)能量的增幅不同，其中東向和西向的增幅基本相同，南向最小.另外，線(xiàn)型圖中有兩個(gè)明顯的拐點(diǎn)：一是東向遮陽(yáng)板在0.3 m處，遮陽(yáng)板在0.3 m內(nèi)時(shí)其東向節(jié)能量線(xiàn)型圖與南向基本一致，當(dāng)遮陽(yáng)板大于0.6 m后，其節(jié)能量線(xiàn)圖與西向基本一致；二是南向遮陽(yáng)板在2.4 m處，即遮陽(yáng)板超過(guò)2.1 m時(shí)其節(jié)能量明顯降低，在2.4 m處到最低點(diǎn)，之后回升.因此，就本模型而言東向擋板遮陽(yáng)的尺寸不宜小于0.6 m，而南向擋板遮陽(yáng)的尺寸不宜大于2.1 m.

2.5 不同形式外遮陽(yáng)之間對(duì)比

綜合以上分析發(fā)現(xiàn)：在外遮陽(yáng)板參數(shù)相同的狀況下，不同朝向遮陽(yáng)板節(jié)能量線(xiàn)狀圖的整體斜率不同，其中東向最大，之后依次為西向、南向.節(jié)能量隨尺寸變化線(xiàn)狀圖的整體斜率越大，則節(jié)能效果對(duì)尺寸越敏感，反之亦然.因此，不同朝向遮陽(yáng)板的節(jié)能效果對(duì)尺寸的敏感度由大到小依次為：東向、西向、南向.

由圖2～圖5進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)不同遮陽(yáng)形式節(jié)能量線(xiàn)狀圖的整體斜率也不盡相同.合肥是典型的夏熱冬冷氣候區(qū)城市，設(shè)置西向外遮陽(yáng)可以節(jié)約建筑能耗，同時(shí)能改善室內(nèi)熱環(huán)境.因此，本文以西向外遮陽(yáng)為例分析不同遮陽(yáng)形式間的全年節(jié)能量隨尺寸變化情況，見(jiàn)圖6.

圖6 不同形式外遮陽(yáng)的建筑全年節(jié)能量

圖6 顯示合肥地區(qū)擋板式外遮陽(yáng)節(jié)能量隨尺寸變化圖的整體斜率最大，之后依次為綜合式、水平式、垂直式.故可得出：擋板外遮陽(yáng)節(jié)能效果對(duì)尺寸變化最敏感，之后是綜合外遮陽(yáng)、水平外遮陽(yáng)，而垂直外遮陽(yáng)的節(jié)能對(duì)尺寸變化的敏感度最小.

3 結(jié) 論

利用節(jié)能軟件PKPM對(duì)合肥地區(qū)無(wú)外遮陽(yáng)建筑和各形式下不同尺寸的外遮陽(yáng)建筑分別計(jì)算.通過(guò)對(duì)比不同尺寸外遮陽(yáng)的總建筑節(jié)能量，最終得出幾點(diǎn)結(jié)論：

1）合肥地區(qū)外遮陽(yáng)板尺寸越大，越有利于建筑節(jié)能，但水平式南向遮陽(yáng)板深度不宜過(guò)大，且擋板式遮陽(yáng)板深度宜在一定的尺寸區(qū)間內(nèi).

2）在合肥地區(qū)隨著遮陽(yáng)板尺寸的增大，建筑節(jié)能的效率在降低.

3）不同朝向遮陽(yáng)板的節(jié)能效果對(duì)尺寸的敏感度由大到小依次為：東向、西向、南向.

4）不同形式外遮陽(yáng)節(jié)能效果對(duì)尺寸的敏感度不盡相同，由大到小依次為：擋板式、綜合式、水平式、垂直式.

文中研究了合肥地區(qū)建筑節(jié)能效果與外遮陽(yáng)板尺寸之間的關(guān)系，為建筑遮陽(yáng)的節(jié)能研究提供一定的理論參考.然而，固定式外遮陽(yáng)在影響建筑能耗的同時(shí)對(duì)采光、日照、通風(fēng)等也有一定影響[17].對(duì)此，筆者將進(jìn)一步的深入研究.