建筑模型不同材料外遮陽節(jié)能量對比研究

曹 穩(wěn)，陳麗華，張琴義，吳偉東

（1.安徽科技學(xué)院建筑學(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，安徽合肥230009；3.安徽科技學(xué)院管理學(xué)院，安徽蚌埠233100）

建筑能耗是社會總能耗的重要組成部分，建筑節(jié)能對于緩解能源資源危機(jī)、解決社會發(fā)展矛盾具有重要作用[1]。據(jù)統(tǒng)計我國建筑運行能耗約占全社會總能耗的1/3[2]，政府非常重視建筑節(jié)能工作。建設(shè)部門已經(jīng)制定了較為完備的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系，而節(jié)能計算也成為建筑設(shè)計工作中的必備環(huán)節(jié)[3]。采用合理的外遮陽可降低外窗太陽輻射形成的建筑空調(diào)負(fù)荷，是建筑節(jié)能的有效途徑[4]。建筑節(jié)能是綠色建筑的重要指標(biāo)，隨著綠色建筑的發(fā)展，外遮陽的作用也越來越重要[5]。

國外有學(xué)者從采光、自控系統(tǒng)等角度對外遮陽進(jìn)行研究，如Konstantoglou等[6]研究了建筑遮陽的動態(tài)操作與采光的關(guān)系，Kirintat等[7]系統(tǒng)研究了外遮陽的仿真建模。國內(nèi)學(xué)者多以某地區(qū)建筑為例從能耗的角度對外遮陽進(jìn)行研究，如肖先波等[8]以湖州和上海居住建筑為例，利用DeST能耗模擬軟件分析水平遮陽板深度與建筑能耗之間的關(guān)系；楚洪亮等[9]以上海為居住建筑為例，通過軟件模擬分析了南向遮陽設(shè)施對建筑能耗的影響；陶求華等[10]以廈門和上海辦公建筑為例，利用Energy-plus軟件模擬計算出北向房間外窗采用不同遮陽設(shè)施的全年建筑照明能耗和空調(diào)能耗，進(jìn)而分析了北外窗遮陽的必要性及優(yōu)化選擇；向俊米等[11]以長沙市居住建筑為例，利用EcotectAnalysis軟件模擬得出建筑外遮陽的最優(yōu)組合方案；李雪等[12]以長沙地區(qū)住宅為例，利用Energy-plus軟件對光伏遮陽、固定外遮陽、卷簾遮陽及水平百葉遮陽的節(jié)能效果進(jìn)行模擬，并對其進(jìn)行了綜合能效研究；管玲俐等[13]以南京地區(qū)公共建筑為例，從建筑能耗和炫光的角度分析了百葉外遮陽在不同季節(jié)的最優(yōu)開啟度；劉國丹等[14]以青島教學(xué)樓為例，采用EcotectAnalysis軟件對教室南向外遮陽形式與建筑能耗的關(guān)系進(jìn)行了研究；李運江等[15]以武漢地區(qū)建筑為例，采用PKPM節(jié)能軟件分析了南向不同類型外遮陽對建筑全年能耗的影響；陳麗華等[16]以合肥地區(qū)建筑為例，運用節(jié)能軟件模擬計算不同形式外遮陽建筑的能耗值，分析外遮陽形式與建筑節(jié)能之間的關(guān)系。國外學(xué)者從建筑能耗角度對外遮陽的研究較少，國內(nèi)學(xué)者大多是從遮陽形式、設(shè)置朝向、遮陽尺寸等角度研究外遮陽與建筑能耗的關(guān)系?，F(xiàn)有研究中很少從材料的角度對外遮陽與建筑能耗間關(guān)系進(jìn)行研究?；诖?，文章選取鋼筋混凝土、玻璃鋼、織物、金屬和玻璃5種常用的外遮陽材料進(jìn)行研究，以合肥地區(qū)公共建筑為研究對象，建立一棟理想的建筑模型，運用PKPM節(jié)能軟件進(jìn)行模擬計算。通過對比不同材料外遮陽建筑的能耗值和節(jié)能量，分析外遮陽材料與建筑節(jié)能之間的關(guān)系，為建筑外遮陽的設(shè)計與研究提供一定的理論參考。

1 模型的建立

為便于對外遮陽節(jié)能效果進(jìn)行定量分析研究，建立了一個理想化的建筑模型，如圖1所示?；拘畔⑷缦拢旱攸c位于合肥市，共3層，建筑總高12.90m，朝向正南，框架結(jié)構(gòu)，體型系數(shù)0.24，建筑面積3 684.47 m2，建筑表面積 3 596.93m2，體積 14 839.37m3，外窗尺寸為4.8m（寬）×2.7m（高），窗墻面積比0.34，各朝向外窗太陽得熱系數(shù)均為0.33。

為對比研究不同類型外遮陽建筑節(jié)能效果，將建筑模型的平面功能進(jìn)行簡化，省略相關(guān)輔助用房，僅保留主要辦公用房，使建筑各方向的平面功能、外墻面積及窗墻面比均相等。建筑模型的主要保溫隔熱材料為石墨模塑聚苯板（SEPS），主要物理參數(shù)：密度為22 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.033W/(m·K)，蓄熱系數(shù)為0.32W/(m2·K)。

影響建筑能耗的主要圍護(hù)構(gòu)件的構(gòu)造做法如下（從外到內(nèi)）：

圖1 建筑模型平面

（1）外墻：20mm厚水泥砂漿、30mm厚石墨模塑聚苯板、200mm厚煤矸石多孔磚、20mm厚石墨模塑聚苯板、20mm水泥砂漿，傳熱系數(shù)為0.64W/(m2·K)。

（2）屋面：20mm厚水泥砂漿、5mm SBS改性瀝青防水卷材、20mm厚水泥砂漿、80mm厚石墨模塑聚苯板、輕集料混凝土找坡（最薄處30mm）、100mm厚鋼筋混凝土、20mm厚水泥砂漿，綜合傳熱系數(shù)為0.44W/(m2·K)。

（3）外窗：塑框Low-E中空玻璃（6+12A+6)，傳熱系數(shù)為2.00W/(m2·K)。

《建筑遮陽工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定不同朝向遮陽設(shè)計的優(yōu)先次序為西向、東向、南向[17]。合肥地區(qū)屬于夏熱冬冷氣候區(qū)，外遮陽設(shè)于西向可減少西曬改善室內(nèi)熱環(huán)境。故為了對不同材料外遮陽建筑能耗值進(jìn)行對比研究，在模擬計算時將外遮陽均設(shè)置在西向。另外，為了增加模擬計算數(shù)據(jù)的可比性，將不同形式遮陽板的同種參數(shù)設(shè)置相同。遮陽板具體參數(shù)設(shè)置如下：①水平遮陽：水平板深度1m、水平板角度90°；②垂直遮陽：垂直板深度1m、垂直板角度90°；③綜合遮陽：水平板深度1m、水平板角度90°、垂直板深度1m、垂直板角度90°；④擋板遮陽：擋板高度1m、出挑長度1m。

2 分析方法

此次研究中建筑節(jié)能計算的主要依據(jù)是《合肥市公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》。此標(biāo)準(zhǔn)是以《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2015為基礎(chǔ)，結(jié)合合肥地區(qū)的具體氣候環(huán)境而設(shè)置，具有更嚴(yán)格的節(jié)能要求，一般公共建筑的節(jié)能率均要求達(dá)到65%以上。依據(jù)以上設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定模擬計算主要參數(shù)[18]：夏季室內(nèi)設(shè)計溫度26℃，冬季室內(nèi)設(shè)計溫度20℃，人均使用面積10m2/人，照明功率9W/m2，電器設(shè)備功率15W/m2，新風(fēng)量30m3/hp。文中采用全年能耗值和節(jié)能量兩個指標(biāo)對不同材料外遮陽的節(jié)能效果進(jìn)行對比分析。

建筑的能耗值E包括供暖和空調(diào)兩個方面，其計算公式[19]：E=EC+EH，式中，E為全年供暖和空調(diào)總耗電量，EC為全年空調(diào)耗電量，EH為全年供暖耗電量，單位均為kW·h/m2。

為了更直觀地對比不同類型外遮陽的節(jié)能效果，采用節(jié)能量作為指標(biāo)進(jìn)行分析。此處建筑節(jié)能量定義的是將設(shè)置不同類型外遮陽后的能耗值與無外遮陽的能耗值做對比，其計算公式為

式中，WJ為建筑的全年總節(jié)能量，W為無外遮陽的建筑全年總耗電量，WZ為設(shè)外遮陽的建筑全年總耗電量，單位均為kW·h/m2。

建筑能耗模擬采用中國建筑科學(xué)研究院建筑工程軟件研究所開發(fā)的節(jié)能設(shè)計軟件PKPM，此軟件在全國建筑設(shè)計實踐中被廣泛采用，已成為節(jié)能審查的重要依據(jù)。因此，軟件模擬可以提供較準(zhǔn)確的節(jié)能數(shù)據(jù)。對設(shè)置不同材料外遮陽建筑的能耗值進(jìn)行計算，并從3個方面對比分析各數(shù)據(jù)：（1）無外遮陽與各種材料外遮陽的建筑能耗值對比。（2）以無外遮陽全年能耗值為參照，對比分析各種遮陽形式下不同材料外遮陽的節(jié)能量。（3）對比同種遮陽形式下不同材料遮陽板之間節(jié)能量的最大差值，分析不同形式外遮陽間節(jié)能效果對材料的敏感性。

3 計算結(jié)果分析

3.1 能耗值對比分析

經(jīng)模擬計算可得設(shè)置不同材料外遮陽建筑的全年能耗值，如表1所示。

表1 不同材料建筑外遮陽的全年能耗值/（kW·h）

由表1可見，無外遮陽建筑全年能耗值為142 346.64 kW·h，設(shè)置不同材料外遮陽建筑的全年總能耗均小于此值。因此，總體而言，設(shè)置不同材料的外遮陽均有利于建筑節(jié)能。然而，設(shè)置不同材料外遮陽建筑的節(jié)能效果不盡相同，需要進(jìn)一步的研究。

補(bǔ)充說明：研究發(fā)現(xiàn)設(shè)置各類型外遮陽建筑的節(jié)能量相對于建筑全年能耗值而言，其數(shù)值很小。然而，一般建筑物設(shè)計使用年限為50年，重要的紀(jì)念性建筑為100年以上[20]。所以，從建筑的全壽命周期而言，此研究具有重要意義。

3.2 節(jié)能量對比分析

表1由（1）式計算可得各遮陽形式下不同材料外遮陽建筑的節(jié)能量，為便于對比分析，將其繪制成節(jié)能量柱狀圖，如圖2所示。由圖2可見，設(shè)置不同材料外遮陽建筑的節(jié)能量不同，鋼筋混凝土材質(zhì)遮陽板建筑節(jié)能量最大，之后依次為金屬、玻璃鋼、織物，玻璃材質(zhì)外遮陽節(jié)能量最小。節(jié)能量越大說明建筑節(jié)能效果越好，據(jù)此可對不同材料外遮陽節(jié)能效果進(jìn)行優(yōu)劣排序。同種材料外遮陽在不同遮陽形式下的建筑節(jié)能量不同，下面對各材料遮陽板的節(jié)能效果進(jìn)行對比分析。

（1）鋼筋混凝土外遮陽：擋板式外遮陽建筑節(jié)能量最大，為1 471.61 kW·h，之后依次為綜合式、水平式、垂直式。對比具體數(shù)據(jù)可知，綜合式外遮陽節(jié)能量接近于水平式與垂直式外遮陽節(jié)能量之和，水平式外遮陽節(jié)能量相當(dāng)于2倍多的垂直式外遮陽節(jié)能量。

（2）玻璃鋼、織物、金屬外遮陽：金屬外遮陽節(jié)能量略小于鋼筋混凝土外遮陽，玻璃鋼外遮陽節(jié)能量基本為鋼筋混凝土外遮陽節(jié)能量的一半，織物外遮陽節(jié)能量略小于玻璃鋼外遮陽，此3種材料外遮陽節(jié)能數(shù)據(jù)的變化與鋼筋混凝土外遮陽相似，不再贅述。

（3）玻璃外遮陽：此材料外遮陽建筑節(jié)能量數(shù)據(jù)變化與其他材料完全不同，綜合式外遮陽節(jié)能量最大，超過其他三種遮陽形式之和，擋板式外遮陽節(jié)能量最小，水平式外遮陽節(jié)能量與垂直式相同。

鋼筋混凝土和金屬是不透光材料，玻璃鋼、玻璃和織物基本屬于透光材料。由圖3可知，不透光材料外遮陽的節(jié)能量遠(yuǎn)大于透光材料，即不透光材料遮陽板更有利于建筑節(jié)能。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，各遮陽形式下不同材料遮陽板之間建筑節(jié)能量的最大差值不同，即鋼筋混凝土外遮陽與玻璃外遮陽節(jié)能量的差值不同，不同外遮陽形式下建筑節(jié)能量最大差值見圖3。

圖2 各遮陽形式下不同材料外遮陽建筑節(jié)能量。

從圖3可以看出，擋板式遮陽各材料間建筑節(jié)能量差值最大，為1 329.54 kW·h，之后依次為水平式、綜合式，而垂直式外遮陽節(jié)能量的最大差值最小，為240.61 kW·h。若同種遮陽形式下不同材料外遮陽板建筑的節(jié)能量差值越大，則說明該遮陽形式的節(jié)能效果受材料的影響越大，即節(jié)能效果對材料的敏感度也越大，反之亦然。由上述分析得出：擋板式外遮陽的節(jié)能效果對材料的敏感度最大，其次是水平式遮陽和綜合式遮陽，垂直式外遮陽的節(jié)能效果對材料的敏感度最小。

圖3 不同遮陽形式間建筑節(jié)能量最大差值

4 結(jié)論

利用建筑節(jié)能軟件對無外遮陽建筑和不同材料外遮陽建筑分別建模計算，得出對應(yīng)的全年能耗值。以無外遮陽建筑的全年能耗值為參照，對比分析了不同材料外遮陽的能耗數(shù)據(jù)，最終得出以下結(jié)論：

（1）總體而言，不同材料的外遮陽均有利于建筑的節(jié)能。

（2）不同材料的外遮陽節(jié)能效果不同，鋼筋混凝土材料節(jié)能效果最優(yōu)，之后依次為金屬、玻璃鋼、織物，而玻璃外遮陽節(jié)能效果最差；不透光材料外遮陽的節(jié)能效果優(yōu)于透光材料。

（3）相同材料下設(shè)置不同形式外遮陽建筑的節(jié)能效果不盡相同，對于鋼筋混凝土、玻璃鋼、織物和金屬材料外遮陽而言，擋板式遮陽節(jié)能效果最優(yōu)，之后依次為綜合式、水平式、垂直式；設(shè)置玻璃材質(zhì)外遮陽時，綜合式遮陽節(jié)能效果最優(yōu)，水平式與垂直式遮陽節(jié)能效果相同，擋板式遮陽節(jié)能效果最差。

（4）不同形式外遮陽，其節(jié)能效果對材料的敏感性不同，擋板式外遮陽的節(jié)能效果對材料最敏感，之后依次為水平式外遮陽、綜合式外遮陽，而垂直式外遮陽節(jié)能效果受材料影響最小。