寒冷 B 區(qū)的高性能節(jié)能建筑能耗計算分析

厲盼盼 朱峰磊 李紅 林林

中國建筑科學(xué)研究院有限公司

我國的建筑節(jié)能工作伴隨著改革開放政策 40 年來穩(wěn)步推進(jìn)，各地的節(jié)能技術(shù)路線從原來的無圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫發(fā)展到現(xiàn)在的滿足國家或者地方節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求的節(jié)能建筑。嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的節(jié)能率也從開始的節(jié)能率30%、50%、65%、75%的四步節(jié)能，向著節(jié)能率 80%的第五步節(jié)能前進(jìn)。建筑節(jié)能率的提高，代表著建筑整體能耗降低，需要我們在建筑設(shè)計時，盡量選用高性能的圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料，高性能的設(shè)備及使用可再生能源等節(jié)能技術(shù)措施來降低建筑的能耗。近些年，許多新的節(jié)能建筑概念不斷涌現(xiàn)，如綠色建筑、智慧生態(tài)建筑、既有建筑節(jié)能改造、超低能耗建筑、近零能耗建筑等等，這些新概念的提出，不僅反應(yīng)了我國對節(jié)能減排的重視，也凸顯出人們對建筑的居住環(huán)境與質(zhì)量的要求越來越高[1]。

然而在進(jìn)行超低能耗建筑與高節(jié)能率建筑設(shè)計時，很多設(shè)計師對建筑的設(shè)計要點和能耗計算的主要影響因素還處在模糊階段。本文以寒冷B 區(qū)居住建筑為例，通過動態(tài)模擬分析軟件對住宅類高節(jié)能建筑的節(jié)能技術(shù)體系及能耗計算方法進(jìn)行研究。并對能耗影響比較大的氣象參數(shù)、外窗性能、排風(fēng)熱回收技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)計算分析[2]。通過高性能節(jié)能建筑的技術(shù)措施分析及能耗計算結(jié)果的對比，為設(shè)計提供參考作用。

1 由氣象文件確定供暖空調(diào)期

我國幅員遼闊，每個氣候區(qū)的設(shè)計要求都有不同的側(cè)重點，以寒冷 B 區(qū)為研究對象，是因為寒冷 B 區(qū)的氣候特征是冬季寒冷，夏季炎熱。在建筑設(shè)計時，寒冷B 區(qū)不僅應(yīng)滿足保溫設(shè)計要求，亦要滿足隔熱設(shè)計要求，還應(yīng)兼顧自然通風(fēng)、遮陽設(shè)計。本文選取了北京、天津、濟南、鄭州、石家莊五個寒冷 B 區(qū)城市的溫度及法向太陽直射輻射量對比，氣象文件來源于《建筑節(jié)能氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T346-2014[3]。由圖1 各城市月平均溫度對比圖可以看出，寒冷 B 區(qū)在冬季 11 月、12月、1 月、2 月、3 月的日平均溫度浮動比較大，所以供暖起止時間可以采用這5 個月進(jìn)行供熱計算。夏季的6月、7 月、8 月的日平均溫度浮動較小，在 26 日左右，可以采用這 3 個月進(jìn)行供冷計算。經(jīng)計算，北京、天津、濟南、鄭州、石家莊在供暖時間段 11 月 15 日至次年 3月 15 日，供暖時間 2904 h 內(nèi)的平均溫度依次為0.20 ℃、1.38 ℃、2.72 ℃、4.72 ℃、2.65 ℃。北京、天津、濟南、鄭州、石家莊在供冷時間6 月1 日至8 月31 日，供冷時間2209h 內(nèi)的平均溫度依此為：26.08 ℃、26.61℃、26.18 ℃、26.11 ℃、25.14 ℃。

圖1 寒冷B 區(qū)各城市月平均溫度對比圖

太陽輻射也是影響建筑能耗的重要因素之一，進(jìn)行能耗計算時，太陽輻射占建筑能耗的權(quán)重比約為8/16[4]。由圖2 可以看出，冬季11 月、12 月、1 月、2 月、3月的日平均水平面太陽總輻射受地理位置的影響，各地的太陽輻射值各不相同。經(jīng)計算，北京、天津、濟南、鄭州、石家莊在供暖時間段11 月 15 日至次年 3 月15日，供暖期間日平均水平面太陽總輻射累計值分別為：13 299.07 Wh/m2、12580.44 Wh/m2、13318.19 Wh/m2、13533.51 Wh/m2、13986.85 Wh/m2。北京、天津、濟南、鄭州、石家莊在供冷時間 6 月 1 日至 8 月 31 日，供冷期間日平均水平面太陽總輻射累計值分別為：488504.9 Wh/m2、489914.9 Wh/m2、471775.0 Wh/m2、458401.9 Wh/m2、473928.3 Wh/m2。根據(jù)分析各個城市的溫度和太陽輻射，為下面的建筑負(fù)荷及能耗計算對比分析打下基礎(chǔ)。

圖2 寒冷B 區(qū)各城市日平均水平面太陽總輻射對比圖

2 一次能源消耗計算與分析

2.1 計算原理

建筑逐項逐時的冷熱負(fù)荷是通過軟件內(nèi)核DOE2.1e 進(jìn)行動態(tài)模擬計算[5]，空間負(fù)荷計算包含的各項內(nèi)容見式（1）：

因為空間負(fù)荷（LOAD）計算是在恒定的溫度情況下，考慮到室內(nèi)外通風(fēng)、設(shè)備的運行等因素，有必要對空間負(fù)荷（LOAD）進(jìn)行修正。DOE-2.1e 通過系統(tǒng)負(fù)荷（SYSTEM）的計算進(jìn)行修正。系統(tǒng)負(fù)荷計算包含的各項內(nèi)容見式（2）：

建筑年供暖（供冷）需求計算是從規(guī)定的供暖（供冷）起始日期至供暖計算終止日期[6]，具體計算方法見（3）：

式中：Qh是年供暖（供冷）需求，kWh/(m2·a)；t1是供暖（供冷）時間段的起始時間，h；t2是供暖（供冷）時間段的終止時間，h；qi是單位時間內(nèi)產(chǎn)生的建筑冷熱負(fù)荷，W；Δt是冷熱負(fù)荷計算的時間步長，取 1 h。

2.2 計算案例

采用典型的超低能耗建筑進(jìn)行不同城市的一次能源消耗量的計算。建筑外墻、屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)K值為0.15 W/(m2·K)，外窗的傳熱系數(shù)K 值為1.1 W/(m2·K)，外窗的冬季太陽得熱系數(shù) SHGC 為 0.45，夏季為0.30。東西南北四個朝向的朝向窗墻比分別為：0.17、0.17、0.58、0.29，體形系數(shù)為0.38，層高為3.15 m。新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置熱回收裝置，新風(fēng)-排風(fēng)熱回收的效率為75%。根據(jù)《被動式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則（試行）（居住建筑）》[7]，室內(nèi)計算溫度冬季取 20 ℃，夏季取26 ℃。照明功率密度取值為3 W/m2，除照明外的建筑內(nèi)部得熱取2 W/m2。人員新風(fēng)量取30 m3/(h·p)。供暖供冷起止日期采用本文選取的時間段，對于新風(fēng)負(fù)荷計算，是扣除從排風(fēng)中回收的熱回收量。各城市的單位面積能耗指標(biāo)計算結(jié)果如表1 所示：

表1 單位面積的建筑能耗指標(biāo)計算結(jié)果

從表 1 的計算結(jié)果可以看出，天津市的供冷需求較大，這是因為天津供冷期間日平均溫度為 26.61 ℃，五個城市中溫度最高，且日平均水平面太陽輻射累計值也是最大。從供暖需求的計算結(jié)果可以看出，北京市的供熱需求是五個城市最高的，從溫度來看，北京市供熱期間日平均溫度為 0.2 ℃，是五個城市中溫度最低，這是熱負(fù)荷值最大的主要原因。所以在進(jìn)行超低建筑能耗的指標(biāo)計算分析時，對城市的氣象參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，更有助于準(zhǔn)確地計算出建筑的供冷供熱需求及能源消耗情況。

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能對建筑能耗的影響

3.1 系統(tǒng)性熱橋

被動式住宅項目要求無熱橋設(shè)計進(jìn)行施工的，各類穿過外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的管道，孔洞，包括與室外陽臺的連接等都要無熱橋設(shè)計，可以更好地提升建筑的保溫隔熱性能。由于梁、柱、板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件穿入保溫層而造成保溫層減薄或不連續(xù)所形成的線性熱橋，及由連結(jié)保溫材料與結(jié)構(gòu)墻的錨栓或是插入保溫層的金屬連接件等所形成的系統(tǒng)性熱橋（圖 3、4），對建筑的外墻的傳熱的影響不可忽視，因此非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)計算值應(yīng)取其平均傳熱系數(shù)與系統(tǒng)性熱橋附加值之和，地方規(guī)范提出非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性熱橋附加值不得小于0.05 W/(m2·K)的要求[8]。采用外墻-內(nèi)墻的單個節(jié)點，材料為 250 mm 厚的鋼筋混凝土，導(dǎo)熱系數(shù) 1.74 W/(m·K)與 250 mm 厚的石墨聚苯板，導(dǎo)熱系數(shù)為0.03 W/(m·K)，研究無錨栓和有錨栓對節(jié)點的傳熱系數(shù)的影響，得出外墻外保溫的單個錨栓對系統(tǒng)傳熱系數(shù)增加值為小于等于0.002 W/(m·2K)。

圖3 單個外墻-樓板節(jié)點考慮了錨栓前的熱橋節(jié)點圖

圖4 單個外墻-樓板節(jié)點考慮了錨栓后的熱橋節(jié)點圖

3.2 外窗的配置

影響外窗節(jié)能性能的另一因素是外窗的玻璃層數(shù)。因寒冷B 區(qū)的節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)里，有部分地區(qū)明確要求采用三層玻璃，但有的地區(qū)可以采用雙層玻璃。下面對天津市的一個住宅模型，外窗的傳熱系數(shù)為1.5 W/(m2·K)，在遮陽系數(shù)為 0.46 和遮陽系數(shù)為 0.52的兩個工況下，配置不同的玻璃層數(shù)進(jìn)行了計算分析，計算結(jié)果如表2 所示。

從表2 可以看出，當(dāng)外窗傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)相同時，外窗的熱負(fù)荷指標(biāo)是隨著玻璃層數(shù)的增加而增加的，而冷負(fù)荷是隨著玻璃的層數(shù)的增加而減少，因冷負(fù)荷的降低比例比較大，所以總的負(fù)荷指標(biāo)是隨著玻璃的層數(shù)增加而降低的。熱負(fù)荷指標(biāo)的趨勢與總負(fù)荷指標(biāo)的趨勢相反，這與軟件的外窗選用是K-SC 模型有關(guān)。

表2 玻璃層數(shù)對建筑負(fù)荷指標(biāo)的影響

K-SC 模型是為了實際工程中，只有傳熱系數(shù)K，及遮陽系數(shù)SC 參數(shù)時，可以構(gòu)造出一種熱工性能與已知參數(shù)相同的窗戶。軟件通過反推出透光體系的方法，當(dāng)外窗的 K，SC 相同，對于不同的玻璃層數(shù)，會構(gòu)造出不同的玻璃組合類型和不同的鍍膜位置。太陽輻射以不同入射角進(jìn)入玻璃后，不同的外窗配置類型會有不同的太陽輻射透過量和吸收量。所以高性能的外窗進(jìn)行建筑能耗計算時因盡量參考標(biāo)準(zhǔn)體系給出的合理的外窗類型，確定外窗玻璃層數(shù)及其他熱工參數(shù)，可以準(zhǔn)確地計算出高性能節(jié)能建筑的建筑能耗。

3.3 外窗設(shè)置活動外遮陽

在夏季使用活動外遮陽構(gòu)件，根據(jù)太陽高度角自動調(diào)節(jié)葉片角度，可以遮擋全部的太陽直射輻射。在其他季節(jié)，可以通過自動調(diào)整葉片角度，讓全部太陽直射輻射進(jìn)入太陽室內(nèi)，滿足采光和減少供熱量的需要，在夏熱冬冷地區(qū)，采用活動外遮陽能夠?qū)幼〗ㄖ?jié)能率的貢獻(xiàn)能達(dá)到20%左右[9]。因在寒冷 B 區(qū)與夏熱冬冷地區(qū)的氣候有相似之處，且對高性能節(jié)能建筑，北京的 80%節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)就對建筑遮陽提出了“東、西向主要房間的外窗（不包括封閉式陽臺的透明部分）應(yīng)設(shè)置展開或關(guān)閉后可以全部遮蔽窗戶的活動外遮陽或中置遮陽”的強制性條文要求。圖 5 為對北京市和天津市兩個地區(qū)采用固定遮陽和采用活動遮陽的能耗計算結(jié)果對比。

圖5 固定遮陽與活動遮陽的能耗對比

圖5 所示結(jié)果可以得出，北京地區(qū)，該建筑采用活動外遮陽的單位面積能耗比采用固定遮陽降低 9%，天津地區(qū)單位面積能耗降低8%左右。

4 結(jié)論

1）本文通過動態(tài)模擬軟件，對 5 個寒冷B 區(qū)的城市進(jìn)行一次能源消耗計算，得出了因為溫度和太陽輻射的影響，天津市供冷需求最大，北京市的供熱需求最大，所以在進(jìn)行能耗指標(biāo)計算分析時，可以對每個城市的氣象條件進(jìn)行詳細(xì)的研究與分析。

2）熱橋和外窗的性能對建筑的能耗影響較大，本文由模擬分析結(jié)果得出，外墻外保溫的單個錨栓對系統(tǒng)傳熱系數(shù)增加值為小于等于0.002 W/(m2·K)。

3）外窗的傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)為固定值時，不同的玻璃層數(shù)，建筑的供暖負(fù)荷趨勢與總負(fù)荷趨勢相反。所以對于高性能節(jié)能建筑的外窗配置，需要明確外窗的玻璃層數(shù)，計算時正確填寫窗戶的熱工性能參數(shù)。

4）本文對外窗采用活動外遮陽進(jìn)行了分析，北京地區(qū)采用活動外遮陽的單位面積能耗比采用固定遮陽降低9%，天津地區(qū)單位面積能耗降低8%左右。