建筑表面輻射特性對(duì)居住建筑能耗的影響研究

高 飛

建筑表面輻射特性對(duì)居住建筑能耗的影響研究

高 飛

（四川省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 成都 610000）

選取成都、會(huì)理兩地，針對(duì)居住建筑在不同外立面條件下，對(duì)建筑能耗展開相關(guān)模擬計(jì)算，研究外立面吸收系數(shù)對(duì)建筑能耗影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，（1）建筑外墻飾面材料的不同對(duì)建筑能耗的影響較屋面更為顯著；（2）若建筑僅考慮空調(diào)，則兩地建筑飾面材料宜選用吸收系數(shù)較小的，若建筑同時(shí)考慮空調(diào)及采暖，在會(huì)理地區(qū)外墻不宜選取輻射系數(shù)大于0.7的材料，成都地區(qū)可不作考慮；（3）屋面飾面材料選取對(duì)建筑該部分能耗影響較小，兩地都可適當(dāng)放寬，研究結(jié)果可為該類建筑工程設(shè)計(jì)及街道立面改造提供參考。

吸收系數(shù)；室內(nèi)熱環(huán)境；建筑能耗；節(jié)能率

0 引言

建筑外立面設(shè)計(jì)目的不僅僅是為了營造建筑與環(huán)境的和諧關(guān)系，從目前的建筑外立面設(shè)計(jì)技術(shù)手段看，裝飾效果、裝飾材料選擇又從某種程度上制約著節(jié)能的效果。建筑外立面所用涂料或瓷磚等，吸收系數(shù)差異較大[1,2]。要節(jié)約能源除了減少大量的耗能設(shè)備使用外，分地區(qū)合理規(guī)范外立面設(shè)計(jì)，是必不可少的技術(shù)手段。

外墻飾面材料對(duì)建筑節(jié)能的影響主要存在于太陽輻射和長波輻射傳熱。在較為常見的兩類建筑——辦公及居住中，兩者在使用時(shí)間段上存在明顯不同，辦公建筑多為工作日每天7:00～18:00，居住建筑22:00～6:00（次日）。研究中更多結(jié)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度與太陽輻射的關(guān)系來進(jìn)行建筑表面吸收系數(shù)對(duì)建筑熱環(huán)境或空調(diào)能耗的研究[3,4]。針對(duì)居住建筑的用能行為，文獻(xiàn)[5,6]已對(duì)外立面吸收系數(shù)對(duì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境的影響進(jìn)行研究。上述研究中并未針對(duì)氣候特點(diǎn)差異性及建筑能耗進(jìn)行相關(guān)深入，其次結(jié)合建筑空調(diào)采暖使用具體情況及建筑不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)研究較少。

本文針對(duì)上述情況，分別就一居住建筑在成都、會(huì)理兩種氣候條件下展開研究，分析屋面及外墻表面吸收系數(shù)對(duì)建筑空調(diào)采暖耗能的影響，從而可為該類地區(qū)居住建筑外立面節(jié)能設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

本文選取某居住建筑作為研究對(duì)象，分析不同工況下建筑門窗氣密性對(duì)建筑能耗的影響。建筑坐北朝南，房間功能主要為臥室、書房等，每層2戶，共6層，首層3.5m，頂層3.3m，其余樓層層高為3.1m，建筑總高度19.35m，建筑總面積為2103.56m2，建筑體積6064.98m3，建筑體形系數(shù)為0.50。建筑立面如圖1所示。

圖1 建筑北側(cè)立面圖

1.2 研究條件

圖2 室外月平均溫度對(duì)比

通過對(duì)DesT中氣象數(shù)據(jù)庫中不同城鎮(zhèn)的分析，選取了成都、會(huì)理作為建筑不同工程地點(diǎn)。圖2給出了2個(gè)城鎮(zhèn)室外月平均溫度變化。從圖中可以看出，兩地室外溫度均表現(xiàn)為在夏季明顯低于成都，同時(shí)冬季高于成都，冬夏兩季溫度差異性明顯，會(huì)理月平均溫度較為溫和。

建筑負(fù)荷計(jì)算中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分詳細(xì)構(gòu)造見表1，為了簡化計(jì)算，忽略了一些對(duì)傳熱系數(shù)影響不大的材料層，如保護(hù)層、防護(hù)水層等。屋面、外墻吸收系數(shù)參考GB 50176-2016中不同構(gòu)造的飾面材料表面吸收系數(shù)，外墻取值范圍為0.1～0.9；屋面為0.4～0.9。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)物性參數(shù)表

1.3 研究方法

建筑物外表面得熱包括太陽輻射熱量、長波輻射換熱量和對(duì)流換熱量。單位面積上的到的熱量為：

本文采用DesT-h，按照?qǐng)D1的建筑和確定的圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料建立模型進(jìn)行模擬計(jì)算，建筑主臥室、次臥室、書房為空調(diào)房間，其他空間不作考慮，室溫上下限分別為26℃，18℃，建筑主臥室、次臥室房間內(nèi)空調(diào)啟動(dòng)時(shí)間主要為20:00～7:00（次日），書房為17:00～23:00，空調(diào)啟動(dòng)溫度上限統(tǒng)一為29℃，下限為16℃，空調(diào)在室溫26℃～29℃及16℃～18℃的區(qū)間處于開啟狀態(tài)，空調(diào)間歇運(yùn)行。分別設(shè)定不同功能房間內(nèi)擾（照明、設(shè)備及人員）。通風(fēng)換氣次數(shù)取0.5次/h，不考慮新風(fēng)，建筑墻體兩側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)按默認(rèn)設(shè)置。圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面太陽輻射系數(shù)統(tǒng)一為0.55，無遮陽措施，計(jì)算過程考慮天空背景輻射，天空背景輻射換熱系數(shù)統(tǒng)一取為5.20W/m2，建筑表面黑度統(tǒng)一取為0.85。

通過式（3）可得出外墻或屋頂表面飾面材料不同條件下，空調(diào)、采暖耗能的節(jié)能率，通過該值大小來表示飾面材料改變所導(dǎo)致的影響狀況。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)居住建筑外墻及屋面吸收系數(shù)進(jìn)行分項(xiàng)研究，為使各部分影響規(guī)律有更好顯示，經(jīng)過比較，從而定出在分析主要因素影響規(guī)律時(shí)，次要因素的合理取值。

圖3 外墻吸收系數(shù)對(duì)建筑耗熱（冷）量的影響

圖3給出了在會(huì)理地區(qū)，建筑屋頂飾面材料吸收系數(shù)取0.4，改變外墻飾面材料，建筑全年耗熱（冷）量的計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出，隨著吸收系數(shù)的增加，建筑全年耗熱量逐漸減小，全年耗冷量逐漸增加；對(duì)比耗熱量及耗冷量隨外墻吸收系數(shù)的變化趨勢(shì)，耗冷量增加幅度明顯大于耗熱量。即對(duì)會(huì)理地區(qū)，居住建筑外墻飾面材料吸收系數(shù)越大，建筑全年采暖能耗將減小，空調(diào)能耗將明顯增加。

圖4 屋面吸收系數(shù)對(duì)建筑耗熱（冷）量的影響

圖4給出了在會(huì)理地區(qū)，建筑外墻飾面材料吸收系數(shù)取0.1，改變外墻飾面材料，建筑全年耗熱（冷）量的計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出，屋面吸收系數(shù)由0.4增加到0.9，建筑全年耗熱量呈減小、耗冷量呈增加趨勢(shì)；對(duì)比耗熱量及耗冷量的變化可知，在吸收系數(shù)變化相同條件下，兩者變化的絕對(duì)值基本相等；經(jīng)計(jì)算屋面吸收系數(shù)每增加0.1，建筑全年耗熱量變化75kWh，耗冷量變化52kWh，兩者變化遠(yuǎn)小于圖3耗熱量及耗冷量絕對(duì)值的變化。

圖5 外墻吸收系數(shù)對(duì)建筑耗熱（冷）量的影響

圖5給出了在成都地區(qū)，改變外墻吸收系數(shù)，建筑全年耗熱量及耗冷量的變化。從圖中可以看出，隨著吸收系數(shù)的增加，建筑耗熱量與耗冷量的變化與在會(huì)理地區(qū)存在共性規(guī)律，即對(duì)相同居住建筑在考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面飾面材料時(shí)，其全年空調(diào)、采暖能耗在不同背景城市的變化規(guī)律是相近的；但耗熱量與耗冷量的變化遠(yuǎn)沒有在會(huì)理地區(qū)明顯，兩地所變現(xiàn)出的差異性顯著，即在會(huì)理地區(qū)，居住建筑外墻飾面材料的選擇對(duì)建筑耗熱量及耗冷量的影響將比成都地區(qū)更大。

圖6 屋面吸收系數(shù)對(duì)建筑耗熱（冷）量的影響

圖6給出了在成都地區(qū)，改變屋面吸收系數(shù)，建筑耗熱量及耗冷量的變化。從圖中可以看出，增加屋面吸收系數(shù)，建筑全年耗熱量及耗冷量基本保持不變，即對(duì)成都地區(qū)居住建筑，屋面飾面材料對(duì)建筑空調(diào)、采暖部分能耗影響較小，在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中，可根據(jù)項(xiàng)目需求靈活采用。

利用式（3）分別就會(huì)理及成都兩個(gè)不同城市間，計(jì)算建筑屋面飾面材料吸收系數(shù)取0.4時(shí)，外墻由0.1逐級(jí)增加到0.9過程，建筑不同部分耗能情況的節(jié)能率，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 外墻吸收系數(shù)對(duì)建筑耗能的影響

由圖7可知，在會(huì)理地區(qū)，外墻飾面材料吸收系數(shù)增加，建筑全年耗熱量呈明顯減小，最大可減小40%，另一方面建筑全年耗冷量將呈明顯增加，最大可增加1.08倍，增加趨勢(shì)明顯高于耗熱量的變化，綜合該地區(qū)建筑外墻飾面材料對(duì)兩部分耗能的影響，當(dāng)吸收系數(shù)由0.1增加到0.9時(shí)，其建筑全年總的耗能將呈增加趨勢(shì)，對(duì)于吸收系數(shù)在0.7～0.9的區(qū)間內(nèi)尤為明顯，最大可增加18%；對(duì)于成都地區(qū)，外墻飾面材料吸收系數(shù)由0.1增加到0.9，建筑全年耗熱量變化較小，最大僅為5%，而全年耗冷量呈明顯增加趨勢(shì)，最大可達(dá)到30%，綜合兩部分耗能的變化，總的耗能變化最大為7%。因此，綜合上述結(jié)果可知，對(duì)于會(huì)理地區(qū)，若建筑全年僅空調(diào)時(shí)，外墻應(yīng)盡量采用吸收系數(shù)較小的飾面材料，若建筑同時(shí)兼顧夏季空調(diào)、冬季采暖時(shí)，則外墻宜在吸收系數(shù)在0.1～0.7的飾面材料，此時(shí)建筑全年總能耗變化在7%以內(nèi)；對(duì)于成都地區(qū)，若建筑僅考慮夏季空調(diào)，則飾面材料應(yīng)選盡可能小的飾面材料，若同時(shí)兼顧夏季與冬季時(shí)，材料可適當(dāng)放寬。

圖8 屋面吸收系數(shù)對(duì)建筑耗能的影響

圖8給出了屋面采用不同飾面材料時(shí)，建筑不同部分耗能變化情況。從圖中可以看出，（1）在會(huì)理地區(qū)，居住建筑屋面采用吸收系數(shù)較大的飾面材料，建筑全年耗熱量及耗冷量均呈增加趨勢(shì)，兩者逐級(jí)增加幅度相近，從而總的耗能隨飾面材料吸收系數(shù)變化較小最大僅為2%；在成都地區(qū)，屋面飾面材料變化，建筑全年耗熱量基本保持不變，而耗冷量有所增加，但總的耗能變化較小，最大僅為1%；（2）對(duì)比成都和會(huì)理，可以看出屋面飾面材料吸收系數(shù)對(duì)建筑在會(huì)理各耗能的影響較成都地區(qū)顯著，當(dāng)飾面材料吸收系數(shù)大于0.7時(shí)，空調(diào)及采暖耗能節(jié)能率將大于5%。因此，對(duì)于成都、會(huì)理地區(qū)，屋面飾面材料的選取可適當(dāng)放寬；在會(huì)理地區(qū)，若建筑僅考慮了夏季空調(diào)，則飾面材料可適當(dāng)在較低值中選取。

3 討論

表2 建筑外墻各立面相關(guān)參數(shù)

圖9 不同吸收系數(shù)條件下自然室溫變化

圖9給出了5月25日，該日為第20周星期五。室內(nèi)熱源主要由當(dāng)天19:00進(jìn)入，次日7:00離開。在會(huì)理地區(qū)，改變外墻表面吸收系數(shù)，西南側(cè)中間層臥室房間自然室溫的變化。從圖中可以看出，外墻表面吸收系數(shù)增加，房間內(nèi)的氣溫將會(huì)上升，吸收系數(shù)每增加0.2，氣溫逐時(shí)值將上升0.37℃，吸收系數(shù)由0.1增加到0.9時(shí)，氣溫最大增加1.79℃，該溫度變化超出人的忍受程度；當(dāng)建筑外墻表面吸收系數(shù)為0.1時(shí)，空調(diào)處于待機(jī)狀態(tài)，而隨著吸收系數(shù)增加，空調(diào)啟動(dòng)時(shí)間將逐漸增加，直至全天處于運(yùn)行狀態(tài)。因此可知，將外墻吸收系數(shù)控制在一定限值下，將會(huì)使得空調(diào)運(yùn)行時(shí)間縮短，空調(diào)能耗也將進(jìn)一步下降。

表3給出了會(huì)理地區(qū)西南側(cè)中間層臥室房間自然室溫分布與外墻表面吸收系數(shù)的關(guān)系。由表中數(shù)據(jù)可知，外墻表面吸收系數(shù)增加，自然室溫小于16℃與在16～29℃區(qū)間的小時(shí)數(shù)都呈減少趨勢(shì)，而大于29℃的明顯增加，這就直接反映了建筑外墻表面吸收系數(shù)增加，對(duì)應(yīng)房間空調(diào)運(yùn)行時(shí)間的增長，同時(shí)制熱時(shí)間減少，制冷時(shí)間增長，對(duì)應(yīng)房間耗熱量減小，耗冷量增加，而耗冷量增加明顯高于耗熱量，房間總耗能將明顯增加。

表3 臥室全年自然室溫統(tǒng)計(jì)表（h）

4 結(jié)論

（1）對(duì)于居住建筑外立面（外墻、屋頂）飾面材料的選擇，在會(huì)理及成都兩地有著共性規(guī)律，即吸收系數(shù)增加，建筑全年耗熱量將減小，耗冷量將增加；外墻吸收系數(shù)變化對(duì)建筑空調(diào)、采暖耗能影響大于屋頂。

（2）針對(duì)居住建筑同時(shí)考慮采暖和空調(diào)時(shí)，在會(huì)理及成都地區(qū)，屋面飾面材料選擇上可不做限制；在會(huì)理地區(qū)，若建筑僅考慮空調(diào)，飾面材料宜在較小值中考慮。

（3）針對(duì)外墻飾面材料的選擇上，對(duì)于會(huì)理地區(qū)，若建筑僅考慮空調(diào)，外墻應(yīng)盡可能采用吸收系數(shù)較低的飾面材料，而對(duì)于兩種都考慮的建筑，則飾面材料的選擇應(yīng)在0.7以下；對(duì)于成都地區(qū)，若建筑僅考慮空調(diào)，則外墻應(yīng)盡可能采用吸收系數(shù)較低的飾面材料，若同時(shí)考慮空調(diào)及采暖，則外墻飾面材料選擇上受限較小。

[1] GB 50176-2016,民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2016.

[2] 李英,王玉卓.外墻飾面材料熱工性能參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究[C].2010年建筑環(huán)境科學(xué)與技術(shù)國際學(xué)術(shù)會(huì)議,2010.

[3] 劉葆華,唐鳴放.夏熱冬冷地區(qū)外墻反射隔熱能效研究[J].建筑節(jié)能,2007,(10):17-20.

[4] 張小英.高層建筑非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)太陽輻射的計(jì)算[J].建筑節(jié)能,2008,(9):37-40.

[5] 彭小云,陶貴.外表面吸收系數(shù)對(duì)農(nóng)宅室內(nèi)熱環(huán)境影響的模擬研究[J].建筑節(jié)能,2017,45(1):44-47,61.

[6] 劉葆華,唐鳴放.夏熱冬冷地區(qū)外墻反射隔熱能效研究[J].建筑節(jié)能,2007,(10):17-20.

[7] 簡毅文,江億.住宅室內(nèi)熱環(huán)境模擬計(jì)算中的問題分析[J].暖通空調(diào),2007,(7):96-101.

Study on the Influence of Building Surface Radiation Characteristics on Residential Building Energy Consumption

Gao Fei

( Sichuan provincial architectural design and research institute Co., Ltd, Chengdu, 610000 )

Chengdu and Huili are selected to carry out relevant simulation calculation for building energy consumption under different facade conditions of residential buildings, so as to study the influence rule of facade absorption coefficient on building energy consumption. the result of research shows that, (1) the influence of exterior wall finishing materials on building energy consumption is more significant than that of roof; (2) If only air conditioning is considered in the building, the materials with low absorption coefficient should be selected for the building decoration. If air conditioning and heating are considered in the building at the same time, materials with radiation coefficient greater than 0.7 should not be selected for the external wall in the Huili area, and it is not considered in Chengdu area; (3) The selection of roofing finishing materials has little influence on the energy consumption of this part of the building, and it can be relaxed in both places. The research results can provide reference for the design of this kind of building engineering and street facade reconstruction.

absorption coefficient; indoor thermal environment; building energy consumption; economy energy rates

1671-6612（2021）03-347-05

TU111.4

A

）簡介：高 飛（1993.10-），男，碩士研究生，助理工程師，E-mail：1135472415@qq.com

2020-09-27