活動外遮陽在被動式超低能耗建筑中的節(jié)能效果研究

文/河北建研科技有限公司 杜 宇

河北省建筑科學(xué)研究院有限公司 郝翠彩

張家口市綠色建筑發(fā)展中心 李 波

1 被動式超低能耗建筑的特點

被動式超低能耗建筑（以下簡稱“被動房”）是指充分適用氣候特征和自然條件，通過被動式技術(shù)手段，采用保溫隔熱性能和氣密性能更好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，運用高效新風(fēng)熱回收技術(shù)，合理利用可再生能源，大幅降低建筑供暖供冷需求，用更少的能源消耗提供更舒適室內(nèi)環(huán)境的建筑。

“被動房”有以下5個特點。

1）外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱體系

建筑圍護(hù)體系由外墻、屋面、地面及外門窗組成，加強圍護(hù)體系的保溫性能是“被動房”建筑設(shè)計和建造中重要的技術(shù)措施。DB13（J）/T 8359-2020《被動式超低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）中要求建筑物屋面、外墻的傳熱系數(shù)K≤0.15W/(m2·K)，外門窗傳熱系數(shù)K≤1.00W/(m2·K)。正如人在冬季最直接的御寒手段是穿上保暖的衣物，而“被動房”充分發(fā)揮該原則，在考慮現(xiàn)有建筑材料性能和價格基礎(chǔ)上，為建筑“穿上最保暖的外套”。

2）無熱橋設(shè)計和施工

在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的阻熱性能明顯提高后，“熱橋”就成為影響圍護(hù)體系保溫效果的重要因素。“被動房”建筑應(yīng)盡量避免“熱橋”存在。

3）良好的建筑氣密性

基于“被動房”理念，建筑應(yīng)是不受室外環(huán)境干擾的獨立系統(tǒng)。因此，建筑的氣密性對于“被動房”極其重要，除了可降低熱量損失，還可控制室內(nèi)環(huán)境的濕度和保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)。在“被動房”建筑設(shè)計中，部分窗扇固定不可打開，部分可開啟，且窗扇在關(guān)閉時也需滿足很高的氣密性要求。“被動房”設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中有嚴(yán)格的指標(biāo)要求，即在建筑氣密性測試中，在室內(nèi)外50Pa壓力差的情況下，每小時的空氣滲透量不能超過建筑總?cè)莘e的60倍，即N50≤0.6h-1。

4）帶高效熱回收的新風(fēng)系統(tǒng)

當(dāng)建筑的氣密性大幅提高后，適宜的通風(fēng)換氣方式對“被動房”建筑尤為重要?，F(xiàn)有建筑中，開啟窗戶和門窗縫隙的滲透是實現(xiàn)建筑冬季換氣的常用方式，但損失大量的熱量。在“被動房”建筑中，換氣主要通過機械通風(fēng)的方式完成，將建筑排風(fēng)中的熱量回收，用以預(yù)熱室外的新鮮空氣并送入室內(nèi)是實現(xiàn)“被動房”節(jié)能目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一，被動房要求通風(fēng)系統(tǒng)的熱量回收率≥75%。目前歐洲使用的熱交換器的熱回收效率較高，達(dá)75%～90%，故傳統(tǒng)建筑在冬季通風(fēng)換氣損失的熱量在“被動房”建筑中很大程度上被避免。

5）合理利用可再生能源

從冷熱源方面講，在寒冷地區(qū)“被動房”應(yīng)優(yōu)先選擇空氣源熱泵，此外，應(yīng)合理利用當(dāng)?shù)貧夂?、地理?yōu)勢，充分利用太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉础?/p>

2 活動外遮陽

根據(jù)“被動房”特點可知，“被動房”是保溫隔熱性能優(yōu)良且建筑結(jié)構(gòu)本身幾乎“密不透風(fēng)”的建筑，故在圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱及滲透得熱帶來的冷需求較小情況下，外界環(huán)境因素中通過玻璃產(chǎn)生的太陽輻射得熱對建筑冷需求的影響更為突出。雖通過調(diào)整玻璃的SHGC（太陽得熱系數(shù)）可控制建筑的夏季冷需求，即玻璃的SHGC值越低，太陽得熱越少且夏季制冷需求就越小，但玻璃太陽得熱量的減少會導(dǎo)致冬季制熱需求明顯增大，故對于夏季制冷需求超標(biāo)的建筑，可調(diào)節(jié)的活動外遮陽為最優(yōu)解決方案。

活動外遮陽的形式多樣，總體可分為織物類遮陽和鋁合金百葉遮陽?？椢镱愅庹陉栔饕m用于低層建筑，鋁合金百葉遮陽更適用于高層建筑。鋁合金外卷簾是將鋁合金簾片活動連接，并通過驅(qū)動結(jié)構(gòu)實現(xiàn)其卷取收放的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)可靠且具有抗風(fēng)壓性能。該產(chǎn)品在我國局部地區(qū)有較大面積應(yīng)用的經(jīng)驗。

3 活動外遮陽對空調(diào)能耗的影響

以石家莊某被動式超低能耗居住建筑項目為例，利用DeST軟件對不同遮陽設(shè)置情況進(jìn)行模擬計算，分析遮陽對建筑的夏季制冷需求及空調(diào)能耗的影響。

3.1 建立研究模型

項目位于河北省石家莊市，屬于寒冷B區(qū)，該項目11號樓位于地塊西南角，南向及西向無其他建筑遮擋，因此選取11號樓這一夏季最不利建筑作為研究對象。

11號樓建筑類型為高層居住建筑，地上17層，地下1層，總建筑面積8979.33m2，南向窗墻比達(dá)0.40，DeST軟件中建立模型如圖1所示，其他關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 模型中關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置

圖1 DeST模型

模擬計算中采用的氣象參數(shù)為JGJ/T 346-2014《建筑節(jié)能氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中石家莊典型氣象年逐時氣象參數(shù)。

該項目空調(diào)系統(tǒng)采用超低溫變頻變風(fēng)量風(fēng)管機，其冷熱源為空氣源熱泵。新風(fēng)機的全熱回收效率≥70%，顯熱回收效率≥75%，通風(fēng)電力需求≤0.45W·h/m3，機組COP按照夏季2.7，冬季2.0計算。

年供暖、供冷需求計算起止日期按《標(biāo)準(zhǔn)》表8.1.6設(shè)置，供暖時間段為11月07日-3月30日，供冷時間段為5月19日-8月22日。

模型中的房間人員在室率、電器設(shè)備使用率、照明開啟率按照《標(biāo)準(zhǔn)》要求設(shè)置。

3.2 不同遮陽設(shè)置情況的對比分析

活動外遮陽效果對建筑節(jié)能的影響主要體現(xiàn)在夏季，故只分析夏季制冷需求及夏季空調(diào)能耗，本次模擬分析分為3種情況。

1）完全未設(shè)置遮陽 年制冷需求為27.21kW·h/m2，年空調(diào)制冷能耗為5.41kW·h/m2。

2）僅在南向陽臺外窗設(shè)遮陽 年制冷需求為21.87kW·h/m2，年空調(diào)制冷能耗為6.49kW·h/m2。

3）南向所有外窗均設(shè)遮陽 年制冷需求為14.44kW·h/m2，年空調(diào)制冷能耗為7.76kW·h/m2。

從模擬數(shù)據(jù)中可知，未采用遮陽時，制冷需求最高，無法滿足《標(biāo)準(zhǔn)》中年制冷需求≤22kW·h/m2的要求，當(dāng)僅在南向陽臺外窗設(shè)置遮陽時，制冷需求和空調(diào)能耗有所降低，當(dāng)南向所有外窗均設(shè)置活動遮陽時，制冷需求和空調(diào)能耗明顯下降。由此可知當(dāng)窗墻比（尤其是南向）較大時，活動外遮陽的節(jié)能效果明顯。

3.3 外遮陽設(shè)置策略

因活動外遮陽造價較高，考慮到性能化設(shè)計原則，該項目最終選擇僅在南向陽臺設(shè)置活動外遮陽的方案，在滿足標(biāo)準(zhǔn)中對制冷需求及一次能源總消耗要求的前提下，盡可能優(yōu)化成本。

在使用外遮陽時，百葉角度對制冷需求和空調(diào)能耗產(chǎn)生影響，隨著百葉角度增大，房間的制冷需求和空調(diào)能耗逐漸升高。隨著角度增大，進(jìn)入房間的太陽輻射增多，從而增加夏季空調(diào)能耗。但不代表角度越小越好，當(dāng)百葉角度為0°時，百葉完全閉合，將遮擋自然光。開啟角度過小影響房間的自然采光，故百葉控制角度除考慮降低能耗外，還應(yīng)充分考慮自然采光的需求。

4 結(jié)語

對于被動房超低能耗建筑來說，因其優(yōu)良的外保溫隔熱系統(tǒng)及良好的氣密性，建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱及滲透得熱小，因此太陽輻射得熱對夏季制冷空調(diào)能耗的影響更突出。通過模擬計算結(jié)果可知對于南北朝向且南向窗墻比較大的建筑，其夏季制冷能耗無法滿足《標(biāo)準(zhǔn)》要求時，在南向設(shè)置活動外遮陽能有效降低夏季制冷能耗，但考慮到活動外遮陽的造價和自然采光需求，在制定活動外遮陽策略時，可在滿足《標(biāo)準(zhǔn)》要求的同時，盡可能優(yōu)化成本，實現(xiàn)性能化設(shè)計，并在使用時合理控制百葉角度，在降低空調(diào)能耗的同時，保證室內(nèi)自然采光需求。