某居住建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)對建筑能耗的影響研究

雷舒堯 陳振乾

東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

0 引言

我國正處在城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的時期，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，能源和環(huán)境的矛盾日益突出，建筑能耗總量和能耗強(qiáng)度上行壓力不斷加大[1]。過去30 年里，我國建筑節(jié)能工作取得了很大進(jìn)展，并進(jìn)一步向國際看齊，將低能耗建筑，超低能耗建筑，近零能耗建筑乃至（凈）零能耗建筑這一系列建筑發(fā)展理念，定為未來建筑節(jié)能的發(fā)展方向。

為了盡可能地降低建筑能源需求，需要通過優(yōu)化外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能，來減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)與外界環(huán)境之間的熱傳遞，從而實現(xiàn)建筑整體負(fù)荷的降低。而外圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響建筑能耗的主要熱工部件包括外墻，屋面和外窗，因此本文以南京地區(qū)某典型高層居住建筑為例，運(yùn)用EnergyPlus 軟件，模擬分析外墻，屋面和外窗的傳熱系數(shù)以及外窗太陽得熱系數(shù)這四項參數(shù)對建筑物全年整體和分項能耗的影響。

1 模型建立

1.1 建筑模型信息

本文選用的居住建筑模型位于南京市，是典型的夏熱冬冷地區(qū)之一。建筑物地上28 層，地下1 層，總高度96.05 m，總建筑面積13037.48 m2，體型系數(shù)0.26，建筑各朝向窗墻比為：東向0.05，南向0.51，西向0.07，北向0.36，該建筑建筑物標(biāo)準(zhǔn)層平面布局如圖1 所示。本文擬采用SketchUp 軟件對目標(biāo)建筑進(jìn)行建模，并通過OpenStudio 軟件對模型進(jìn)行建筑信息賦予，計算模型如圖2 所示。OpenStudio 軟件內(nèi)核即EnergyPlus，EnergyPlus 建筑能耗模擬軟件是由美國能源部與勞倫斯伯克利實驗室共同開發(fā)的，其吸收了DOE-2 和BLAST 等軟件的優(yōu)點(diǎn)，在其算法及功能上都有較大的優(yōu)勢[2]。

圖1 建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

圖2 OpenStudio 計算模型示意圖

1.2 模擬參數(shù)設(shè)置

以建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身的設(shè)計參數(shù)作為基準(zhǔn)參數(shù)，如表1 所示。設(shè)定建筑室內(nèi)空調(diào)區(qū)域夏季溫度為26 ℃、濕度為60%，冬季溫度為20 ℃，主要房間的室內(nèi)新風(fēng)量為30 m3/(h·人)。人均占地面積為32 m2，人員在室率、照明時刻表、設(shè)備使用率等參照國家《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]。

表1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能設(shè)計參數(shù)

2 材料參量對建筑能耗的影響

本文選取了外墻傳熱系數(shù)，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，外窗傳熱系數(shù)和外窗SHGC 這四項材料參量，來模擬采用不同熱工參數(shù)的材料時的建筑全年運(yùn)行能耗情況，并量化分析各變量對建筑能耗總值和分項能耗的的影響，以此來研究各材料參數(shù)對于建筑能耗的影響程度以及其在設(shè)定閾值范圍內(nèi)的節(jié)能潛力。

2.1 外墻傳熱系數(shù)對建筑能耗的影響

根據(jù)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[3]，體型系數(shù)≤0.4 的建筑外墻傳熱系數(shù)應(yīng)不大于1.0 W/(m2·K)，根據(jù)國家《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]，外墻傳熱系數(shù)應(yīng)在0.15≤K≤0.40 W/(m2·K)區(qū)間內(nèi)，綜合上述標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，并結(jié)合實際建造成本，確定模擬外墻傳熱系數(shù)的閾值范圍為0.2～0.6 W/(m2·K)，并設(shè)定模擬步長為0.05。不同外墻傳熱系數(shù)下的年建筑總能耗，年制冷能耗和年供暖能耗折線圖如圖3 所示。

圖3 不同外墻傳熱系數(shù)能耗折線圖

在模擬范圍內(nèi)，隨著外墻傳熱系數(shù)的增加，供暖能耗、建筑總能耗都隨之增大，而制冷能耗稍有降低。這是因為隨著建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的提高，室內(nèi)熱量更難散失，室內(nèi)照明、設(shè)備、人員的散熱量可儲存在房間中，墻體蓄熱量較高，導(dǎo)致了冷負(fù)荷的增加和熱負(fù)荷的減少。

將不同外墻傳熱系數(shù)下的單位面積年制冷能耗、單位面積年供暖能耗和單位面積建筑總能耗進(jìn)行線性擬合，可得出：

1）單位面積年制冷能耗與外墻傳熱系數(shù)的函數(shù)關(guān)系為：y=-10.13x+78.84，R2=0.98051

2）單位面積年供暖能耗與外墻傳熱系數(shù)的函數(shù)關(guān)系為：y=28.09x+12.12，R2=0.99921

3）單位面積年總能耗與外墻傳熱系數(shù)的函數(shù)關(guān)系為：y=17.96x+151.81，R2=0.99721

其中，上述三個公式中，y 表示相應(yīng)的單位面積能耗值（建筑制冷能耗、建筑供暖能耗及建筑總能耗），x表示不同的外墻傳熱系數(shù)。

節(jié)能貢獻(xiàn)率可定義為，將各個設(shè)計參量分別通過敏感性分析得出的實際能耗值與基準(zhǔn)模型的能耗值的比值，以此來反映不同設(shè)計參量對于建筑節(jié)能效果的量化影響程度[4]。其計算方法如下：

其中，ECR 即為節(jié)能貢獻(xiàn)率（Energy-saving Contribution Ratio），Qn為某一優(yōu)化參量變化之后的建筑能耗值，Q0為基準(zhǔn)模型能耗值。

將上述分項能耗模擬結(jié)果與基準(zhǔn)模型作對比，可計算出不同外墻傳熱系數(shù)的節(jié)能貢獻(xiàn)率，并繪制出折線圖如圖4 所示。

圖4 不同外墻傳熱系數(shù)的分項能耗節(jié)能貢獻(xiàn)率

可見，外墻傳熱系數(shù)對該建筑模型的供暖能耗影響最為顯著。在0.2～0.6 W/(m2·K)的區(qū)間內(nèi)，外墻傳熱系數(shù)對供暖能耗的節(jié)能貢獻(xiàn)率的變化范圍為-2.47%～37.37%，對制冷能耗的節(jié)能貢獻(xiàn)率的變化范圍為-5.25%～0.42%，對建筑總能耗的節(jié)能貢獻(xiàn)率變化范圍為-0.24%～4.13%。

因此，相對于基準(zhǔn)模型（外墻傳熱系數(shù)為0.58 W/(m2·K)），外墻傳熱系數(shù)對該建筑模型的節(jié)能潛力為4.13%。

2.2 屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對建筑能耗的影響

綜合《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[3]及《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]中對屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的規(guī)定，并結(jié)合實際建造成本，確定模擬屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的閾值范圍為0.1～0.5 W/ (m2·K)，并設(shè)定模擬步長為0.05。不同屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)下的年建筑總能耗、制冷能耗和供暖能耗折線圖如圖5 所示。

隨著屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的增大，供暖能耗略有增加，而制冷能耗略有降低。總體而言，建筑總能耗隨著屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大而增加，但增幅很小。這主要是因為該建筑體型系數(shù)較小，屋面面積占總外表面積的比例很小，因此屋面的熱傳遞量對建筑負(fù)荷的影響是很有限的。

圖5 不同屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)能耗折線圖

將不同屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)下的單位面積年制冷能耗，單位面積年供暖能耗和單位面積建筑總能耗進(jìn)行線性擬合，可得出：

1）單位面積年制冷能耗與屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的函數(shù)關(guān)系為：y=-0.30x+73.12，R2=0.96456

2）單位面積年供暖能耗與屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的函數(shù)關(guān)系為：y=2.32x+27.69，R2=0.99995

3）單位面積年總能耗與屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的函數(shù)關(guān)系為：y=2.02x+161.66，R2=0.99891

將上述分項能耗模擬結(jié)果與基準(zhǔn)模型作對比，可計算出不同屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的節(jié)能貢獻(xiàn)率，并繪制出節(jié)能貢獻(xiàn)率的折線圖，如圖6 所示。屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對供暖能耗影響最為顯著。在0.1～0.5 W/(m2·K)的區(qū)間內(nèi)，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對供暖能耗的節(jié)能貢獻(xiàn)率的變化范圍為-1.92%～1.34%，對制冷能耗的節(jié)能貢獻(xiàn)率的變化范圍為0.11%～0.30%，對建筑總能耗的節(jié)能貢獻(xiàn)率的變化范圍為-0.20%～0.28%。

圖6 不同屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的分項能耗節(jié)能貢獻(xiàn)率

因此，相對于基準(zhǔn)模型（屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.34 W/(m2·K)），屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對該建筑模型的節(jié)能潛力為0.28%。

2.3 外窗傳熱系數(shù)對建筑能耗的影響

綜合《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[3]及《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]中對外窗傳熱系數(shù)的規(guī)定，并結(jié)合實際建造成本，確定模擬屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的閾值范圍為1.0 W/(m2·K)-1.4 W/(m2·K)，并設(shè)定模擬步長為0.05。不同外窗傳熱系數(shù)下的年建筑總能耗，年制冷能耗和年供暖能耗折線圖如圖7 所示。

圖7 不同外窗傳熱系數(shù)能耗折線圖

由于基準(zhǔn)模型所選取的外窗熱工性能（傳熱系數(shù)為1.31 W/(m2·K)）已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出近零能耗建筑的硬性標(biāo)準(zhǔn)，因此，在有限的優(yōu)化范圍內(nèi)，隨著外窗傳熱系數(shù)的減小，外窗保溫性能提高，室內(nèi)熱量不易散失，熱負(fù)荷也隨之減小，而冷負(fù)荷則隨之增大，建筑總能耗略微減小。

將不同外窗傳熱系數(shù)下的單位面積年制冷能耗，單位面積年供暖能耗和單位面積建筑總能耗進(jìn)行線性擬合，可得出：

1）單位面積年制冷能耗與外窗傳熱系數(shù)的函數(shù)關(guān)系為：y=-10.77x+87.21，R2=0.99003

2）單位面積年供暖能耗與外窗傳熱系數(shù)的函數(shù)關(guān)系為：y=14.42x+9.50，R2=0.99634

3）單位面積年總能耗與外窗傳熱系數(shù)的函數(shù)關(guān)系為：y=3.65x+157.56，R2=0.99414

將上述分項能耗模擬結(jié)果與基準(zhǔn)模型作對比，可計算出不同外窗熱系數(shù)的節(jié)能貢獻(xiàn)率，并繪制出節(jié)能貢獻(xiàn)率的折線圖如圖8 所示。

圖8 不同外窗傳熱系數(shù)的分項能耗節(jié)能貢獻(xiàn)率

在1.0～1.4 W/(m2·K)的模擬閾值區(qū)間內(nèi)，外窗傳熱系數(shù)對供暖能耗的節(jié)能貢獻(xiàn)率的變化范圍為-4.44%～16.06%，對制冷能耗的節(jié)能貢獻(xiàn)率的變化范圍為-4.76%～1.18%，對建筑總能耗的節(jié)能貢獻(xiàn)率的變化范圍為-0.24%～0.65%。

因此，相對于基準(zhǔn)模型（外窗傳熱系數(shù)為1.31 W/(m2·K)），外窗傳熱系數(shù)對該建筑模型的節(jié)能潛力為0.65%。

2.4 外窗太陽得熱系數(shù)對建筑能耗的影響

根據(jù)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[3]和《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]中對外窗SHGC 值的規(guī)定，并結(jié)合實際建造成本，確定模擬SHGC 值的閾值范圍為0.2～0.6，并設(shè)定模擬步長為0.05。外窗不同SHGC 值下的年建筑總能耗，年制冷能耗和年供暖能耗折線圖如圖9 所示。

圖9 不同外窗SHGC 值能耗折線圖

隨著外窗SHGC 值的增大，窗戶的隔熱性能減弱，通過外窗進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射得熱量增加，因此冷負(fù)荷隨之增大，而熱負(fù)荷則隨之降低。冷負(fù)荷增幅更加明顯，所以建筑總負(fù)荷也隨外窗SHGC 值的增加而增大。

將不同外窗SHGC 值的單位面積年制冷能耗、單位面積年供暖能耗和單位面積建筑總能耗進(jìn)行線性擬合，可得出：

1）單位面積年制冷能耗與外窗SHGC 值的函數(shù)關(guān)系為：y=118.03x2+8.20x+38.27，R2=0.98333

2）單位面積年供暖能耗與外窗SHGC 值的函數(shù)關(guān)系為：y=32.79x2-58.87x+50.03，R2=0.99379

3）單位面積年建筑總能耗與外窗SHGC 值的函數(shù)關(guān)系為：y=150.82x2-50.67x+149.15，R2=0.97596

將上述分項能耗模擬結(jié)果與基準(zhǔn)模型作對比，可計算出不同屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的節(jié)能貢獻(xiàn)率，并繪制出節(jié)能貢獻(xiàn)率的折線圖如圖10 所示。

外窗太陽得熱系數(shù)在0.3～0.6 的區(qū)間內(nèi)時，供暖能耗的節(jié)能貢獻(xiàn)率的變化范圍為-41.00%～7.12%，制冷能耗的節(jié)能貢獻(xiàn)率的變化范圍為-19.79%～41.50%，建筑總能耗的節(jié)能貢獻(xiàn)率的變化范圍為-7.68%～11.56%。

圖10 不同外窗SHGC 值的分項能耗節(jié)能貢獻(xiàn)率

因此，相對于基準(zhǔn)模型（外窗SHGC 值為0.52），外窗SHGC 值對該建筑模型的節(jié)能潛力為11.56%。

可以看出，外窗太陽得熱系數(shù)對建筑節(jié)能而言是一項非常重要的指標(biāo)，盡管減小外窗的傳熱系數(shù)和太陽得熱系數(shù)均可獲得建筑節(jié)能的效果，但減小外窗太陽得熱系數(shù)的節(jié)能效果更加明顯，因此夏熱冬冷地區(qū)居住建筑應(yīng)更加注重建筑外窗的隔熱性能。

3 總結(jié)

本文通過對南京市某高層居住建筑的全年運(yùn)行能耗進(jìn)行建模分析，比較了不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)下的建筑分項能耗，并總結(jié)了四類材料參量在給定閾值范圍內(nèi)的節(jié)能潛力貢獻(xiàn)率。結(jié)合本文的研究內(nèi)容，對結(jié)論的總結(jié)如下：

1）外窗太陽得熱系數(shù)的節(jié)能潛力最大，外墻傳熱系數(shù)次之。因此，從建筑節(jié)能的角度考慮，應(yīng)盡量采用傳熱系數(shù)較低的外墻材料和較低SHGC 值的外窗。

2）南京地區(qū)居住建筑在節(jié)能設(shè)計時應(yīng)更注重外窗的隔熱性能。

3）本文僅從能耗角度對外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的影響進(jìn)行了理論模擬和分析，而工程實踐中需要考慮經(jīng)濟(jì)性問題，因此未來可引入經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行綜合分析。