寒冷地區(qū)多目標因子被動式保溫建筑節(jié)能改造設計

黃汝廣

(賀州學院 應用技術學院，廣西 賀州 542800)

被動式保溫設計是指采用被動的方法，利用太陽能輻射等可再生能源，合理設計建造保溫材料和通風手段[1-3]，最大限度發(fā)揮建筑本身的優(yōu)勢，減少非再生能源的消耗。被動式保溫設計的目標是在滿足居住舒適性的同時，以最低的造價達到最小的不可再生能源取暖消耗。

雖然被動式采暖技術的設計理念符合現(xiàn)代建筑節(jié)能減排的要求，但在實踐過程中也存在一些不足之處[4-6]。首先，保溫材料的使用在降低冬季建筑散熱的同時也為夏季室內防暑降溫帶來了不便，對于我國大部分季風性氣候地區(qū)并不適用；其次，被動式建筑在前期建造中特殊材料的使用成本過高，建筑結構的經(jīng)濟性需要較長的運營時間才能顯現(xiàn)；最后，被動式采暖技術是由德國工程師率先提出，應用到我國建筑設計過程中缺少對國情的考慮[7]。

基于以上不足，本文以多目標優(yōu)化方法對寒冷地區(qū)被動式保溫設計進行了優(yōu)化研究，對寒冷地區(qū)的既有建筑進行了保溫改造，采用灰度區(qū)間關聯(lián)算法對改造效果進行了評價分析。

1 被動式保溫系統(tǒng)改造方案設計

1.1 原有建筑概況

原有建筑是位于河北省石家莊市的普通鋼筋混凝土高層住宅，樓層總高度86 m，層高3 m，該住宅樓南北朝向。本文選取了位于10層的某住戶為研究對象，對其進行被動式保溫改造。受發(fā)展條件限制，原有結構的建筑節(jié)能標準較低，為河北省《居住建筑節(jié)能設計標準(節(jié)能75%)》(DB13(J)185—2015)，其圍護結構參數(shù)見表1。

表1 圍護結構參數(shù)

1.2 改造方案

建筑結構被動式改造的關鍵是按照被動式建筑標準，嚴格選取保溫材料進行被動式設計，充分發(fā)揮結構自身的熱學性能，降低不可再生能源消耗。因此，本文的改造重點在于圍護結構性能和結構整體氣密性。按照德國被動式建筑標準，圍護結構外墻和屋頂傳熱系數(shù)不高于0.15 W/(m2·K)，窗戶安裝狀態(tài)下的傳熱系數(shù)不高于0.85 W/(m2·K)[8-10]。根據(jù)該標準，改造后圍護結構參數(shù)見表2。

表2 改造后圍護結構參數(shù)

建筑物的氣密性是影響其保溫性能的重要參數(shù)之一[11-12]，良好的氣密性既可阻隔外部冷空氣進入室內，又可降低空氣流動帶來的風吹感，增強舒適性。建筑物的氣密性改造從整體和局部2方面出發(fā)，整體氣密性設計是從結構整體保溫性能出發(fā)，采用不間斷的氣密性材料，利用材料的連續(xù)性阻隔空氣的內外流動。氣密性連續(xù)設計如圖1所示。

圖1 氣密性連續(xù)設計

氣密性提升的另一個措施是采用氣密性良好的構件[13]，從建筑整體性而言，門窗是氣密性薄弱的構件，因此采用了PHI認證的被動式保溫門窗，該門窗安裝如圖2所示。該門窗結構采用較厚的框體，采用較長的流體路徑確保氣密性，結合氣密性連續(xù)設計，增強建筑的保溫性能。

圖2 門窗安裝

2 多目標因子評價方法與步驟

2.1 多目標因子

多目標因子是指對評價結果的影響因素不止一個，而是由多個互相關聯(lián)的因素對評價結果均有不同程度的影響，評價體系和方法的建立要權衡各個因素所占比重，在充分考慮各個因素的影響下對目標主體進行客觀評價[14]。被動式保溫系統(tǒng)的性能需采用科學的評價體系按照量化標準進行評判，實際工程應用中，建筑的性能是多樣性的。因此，其評價目標也不是單一的，對同一建筑的評價結果也不是唯一的，對于被動式保溫建筑而言，其評價適用于多目標因子評價方法。

考慮到被動式保溫建筑實際使用中的節(jié)能性、熱舒適性、生態(tài)性與經(jīng)濟性是比較突出的建設矛盾，因此本文選取節(jié)能性、熱舒適性、生態(tài)性與經(jīng)濟性為評價依據(jù)。

2.2 灰色區(qū)間關聯(lián)決策算法

灰色系統(tǒng)是信息標識的一種方法，因為信息系統(tǒng)的不確定性而對信息進行標識，以凸顯信息背后的變異性?；疑珔^(qū)間是指將處于某些數(shù)值區(qū)間互相有關聯(lián)的信息利用方向向量的方法方案評比，按照優(yōu)劣順序對不同方案進行排序[15]。其計算公式見式(1)：

(1)

式中，xij為其計算因子；xj為該因子的控制值；rij為評價值；λ為分辨系數(shù)。

灰度區(qū)間關聯(lián)決策算法本質上是對不同灰度區(qū)間的因子進行關聯(lián)迭代以求得最優(yōu)解，其迭代過程如圖3所示。圖3中，三角形為灰度區(qū)間變量取值，區(qū)間范圍被限制在橢圓形區(qū)域內，利用式(1)計算其灰度關聯(lián)，其計算結果為圖3中圓形，利用該灰色區(qū)間關聯(lián)迭代算法能在有限范圍內取得最優(yōu)解。

圖3 迭代過程

3 改造效果及評價

按照以上改造方案對該住宅結構進行了被動式保溫改造，按照圍護結構保溫性能和能源消耗情況對其進行測試分析。對圍護結構進行保溫性能測試時，要使內外溫差大于10 ℃。因此，在2019年1月2—7日按照《居住建筑節(jié)能檢測標準》(JGJ/T 132—2009)對其保溫性能進行了測試分析。室外測點安裝如圖4所示。

圖4 墻外測點安裝

保溫性能測試的衡量標準是溫度的變化，對于室內外對應的測點，以30 min為測量步距，對其溫度變化進行了測試。測試結果見表3。

表3 測試結果對比

通過表3可以發(fā)現(xiàn)，窗框和窗玻璃實測傳熱系數(shù)均小于設計值，表明經(jīng)PHI認證的窗戶和窗框滿足設計要求。對于墻體結構而言，不同位置的實測值和設計值差異較大，窗上墻體高于設計值23.00%，窗下墻體高于設計值15.30%，這種差異產(chǎn)生可能是施工隊伍專業(yè)水平不高，施工質量欠佳。

1月份處于供暖季節(jié)，為了研究房間的取暖效果，采用空調和新風機組進行室內采暖，室內溫度控制標準為20 ℃，研究了室內外溫度以及空調和新風機組功率、耗電量情況，測試結果如圖5所示。

由圖5可知，空調每日耗電量16～41 kWh，其耗電量與室外溫度有密切關系，當室外溫度降低后，室內采暖需求增加，空調能耗增加。在統(tǒng)計時間范圍內，空調日耗電量為0.393 kWh/m2。新風機組在室外溫度低于0 ℃時耗能較高，平均為5.1 kWh/d，其余時間平均能耗1.2 kWh/d。從空調和新風機組的能耗來看，改造后建筑能耗符合《居住建筑節(jié)能檢測標準》(JGJ/T 132—2009)的要求。

圖5 室內外溫度、耗電量測試結果

按照多目標因子灰色區(qū)間關聯(lián)決策算法,以改造建筑的能源消耗、保溫性能和氣密性為灰度變量,對其改造效果進行了評價分析。采用式(1)的計算方法將變量以矩陣形式呈現(xiàn)，按照分辨系數(shù)取值0.5得到了式(2)所示的矩陣。

(2)

該改造方案按照能源消耗、保溫性能和氣密性灰度關聯(lián)的評價取值為0.91，說明改造效果較為理想。

4 結語

被動式保溫住房利用自身的保溫及合理的取暖機制降低了煤炭等不可再生能源的消耗。以石家莊某住宅建筑為例，按照被動式保溫建筑標準對其進行了保溫和氣密性改造，降低了建筑圍護結構的傳熱系數(shù)。通過整體氣密性材料鋪設和窗框局部改造的方法提高了建筑的氣密性；采用灰度區(qū)間關聯(lián)算法，以能耗、保溫性和氣密性為灰度變量對其改造效果進行了計算評價，結果表明改造效果較為理想。