夏熱冬冷地區(qū)公共建筑低能耗設(shè)計(jì)策略研究

李晶磊

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司常州分院）

0 引言

能源短缺問(wèn)題不僅是時(shí)代性的難題，也是人類共同面對(duì)的挑戰(zhàn)，利用可再生能源和節(jié)約資源成為緩解能源短缺問(wèn)題的有效途徑之一[1]。在我國(guó)，城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加劇使得人口大量向城市集聚，為解決市民的居住、娛樂(lè)、教育和商業(yè)等，修建了大量的建筑物，這些建筑為了提供舒適的居住環(huán)境，在運(yùn)行的過(guò)程中消耗了大量的能量應(yīng)用于建筑中的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、照明電力系統(tǒng)等。公共建筑作為人口流量大、人員活動(dòng)密集的場(chǎng)所，其能源消耗比普通的住宅建筑高約30%～50%，成為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的重點(diǎn)研究對(duì)象[2]。夏熱冬冷地區(qū)的公共建筑節(jié)能面臨著更多的能源消耗問(wèn)題，通過(guò)對(duì)夏熱冬冷地區(qū)公共建筑類項(xiàng)目案例的研究，結(jié)合主被動(dòng)低能耗設(shè)計(jì)策略，以及可再生能源的利用，進(jìn)一步挖掘公共建筑節(jié)能潛力，營(yíng)造綠色低碳、舒適健康的建筑活動(dòng)空間。

1 工程概況

某圖書館建筑位于華中地區(qū)城市中心，建筑面積為25020m2，平面形狀大致為矩形，立面較為規(guī)整，根據(jù)不同的功能的采光需求，開(kāi)窗面積有所區(qū)別。圖書館共有5 層，館內(nèi)設(shè)置有4 個(gè)閱覽書庫(kù)、4 個(gè)典藏書庫(kù)和3 個(gè)電子預(yù)覽室，還具備多功能報(bào)告廳、多媒體培訓(xùn)教室和研討室等多種形式的信息共享空間。圖書館建筑設(shè)計(jì)了空調(diào)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、不間斷供電系統(tǒng)、VPN系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。圖書館所在區(qū)域具有典型的夏季高溫、冬季濕冷的典型特征。全年月平均氣溫（干球溫度）呈現(xiàn)典型的拋物線特征，7 月份年月平均氣溫為全年的極大值，為30℃；11 月份至次年3 月份的月平均氣溫小于15℃，1 月份年月平均氣溫為全年的極小值，為5℃；1～11月份月平均相對(duì)濕度較為80%，12月份月平均相對(duì)濕度為60%；全年月平均太陽(yáng)總輻射也呈現(xiàn)典型的拋物線特征，7 月份月平均太陽(yáng)總輻射為全年的極大值，為550MJ/m2；11 月份至次年2 月份的月平均太陽(yáng)總輻射小于300MJ/m2，1 月份月平均太陽(yáng)總輻射為全年的極小值，為200℃。

2 低碳公共建筑主動(dòng)設(shè)計(jì)策略

公共建筑的熱消耗是以人體的熱舒適為根本，在綜合評(píng)價(jià)公共建筑室內(nèi)熱環(huán)境的舒適度方面，預(yù)測(cè)平均熱感覺(jué)指標(biāo)PMV 是最為重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。公共建筑冬季和夏季的熱環(huán)境參數(shù)中，能對(duì)預(yù)測(cè)平均熱感覺(jué)指標(biāo)PMV 產(chǎn)生最為顯著影響的指標(biāo)有2 個(gè)，分別是公共建筑內(nèi)空氣溫度和平均輻射溫度。因此在室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)的綜合調(diào)節(jié)中，控制這2 個(gè)指標(biāo)參數(shù)是對(duì)降低公共建筑能源消耗的關(guān)鍵。本研究以圖書館內(nèi)預(yù)測(cè)平均熱感覺(jué)指標(biāo)PMV 為控制目標(biāo)，分析夏季和冬季室內(nèi)平均輻射溫度與室內(nèi)空氣設(shè)定溫度的相互關(guān)系，夏季館內(nèi)相對(duì)濕度控制為56%，冬季館內(nèi)相對(duì)濕度控制為52%，得到分析結(jié)果如表1所示。

表1 公共建筑夏季和冬季室內(nèi)平均輻射溫度對(duì)室內(nèi)空氣設(shè)定溫度的影響

以人體熱舒適度的角度出發(fā)，分別從主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種方式來(lái)給出公共建筑低能耗設(shè)計(jì)策略。在公共建筑低能耗設(shè)計(jì)中，主要有建筑低能耗主動(dòng)式設(shè)計(jì)和建筑低能耗被動(dòng)式設(shè)計(jì)兩種方式[3]。

項(xiàng)目建筑低能耗主動(dòng)式設(shè)計(jì)策略主要采取的是通過(guò)優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)能效比的方式，可以參考《房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值和能源效率級(jí)別》[4]。表2 為不同能效比對(duì)建筑能耗的影響。從表2 中可以，在夏季，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)效能比固定的情況下，隨著室內(nèi)空氣溫度的升高，空調(diào)能耗呈明顯下降趨勢(shì)，且當(dāng)室內(nèi)空氣溫度不變，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)能效比進(jìn)行優(yōu)化提升后，空調(diào)的能耗也呈明顯下降趨勢(shì)；在冬季，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)效能比固定的情況下，隨著室內(nèi)空氣溫度的降低，空調(diào)能耗呈明顯下降趨勢(shì)，且當(dāng)室內(nèi)空氣溫度不變，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)能效比進(jìn)行優(yōu)化提升后，空調(diào)的能耗也呈明顯下降趨勢(shì)。

表2 公共建筑夏季和冬季設(shè)備系統(tǒng)能效比對(duì)室內(nèi)空氣溫度的設(shè)計(jì)策略

3 低碳公共建筑動(dòng)設(shè)計(jì)策略

項(xiàng)目建筑低能耗被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略主要以優(yōu)化建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化建筑外立面遮陽(yáng)，以及利用可再生能源這三個(gè)方式來(lái)綜合設(shè)計(jì)的。

策略一：通過(guò)優(yōu)化建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)合理降低建筑能耗。

表3 為不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能對(duì)建筑能耗的影響。從表3 中可以，在同一圍護(hù)結(jié)構(gòu)等級(jí)下，隨著室內(nèi)空氣溫度的增加，夏季空調(diào)能耗呈近線性降低，隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)等級(jí)的增加，夏季空調(diào)能耗也逐步降低；在同一圍護(hù)結(jié)構(gòu)等級(jí)下，隨著室內(nèi)空氣溫度的降低，冬季采暖能耗呈近線性降低，隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)等級(jí)的增加，冬季采暖能耗也逐步降低。

表3 公共建筑夏季和冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)室內(nèi)空氣溫度的設(shè)計(jì)策略

策略二：優(yōu)化外立面遮陽(yáng)來(lái)降低能耗。

考慮夏季針對(duì)圖書館中不同功能的房間，選用的遮陽(yáng)方式也有所區(qū)別[5]。閱覽室以及報(bào)告廳等功能，為了保證良好的采光，在立面上需要使用大面積的玻璃，那么能耗久相對(duì)較高。在夏季，需要有效的隔熱，為了有效的降低房間內(nèi)部的輻射溫度，在這些功能房間的南側(cè)立面可以采用水平外遮陽(yáng)的方式，有效遮蔽夏季高太陽(yáng)高度角的直射陽(yáng)光，在西側(cè)可以采用垂直的遮陽(yáng)方式，有效遮蔽低太陽(yáng)高度角的西曬時(shí)的直射陽(yáng)光，能效的降低室內(nèi)輻射溫度；而在冬季房間需要有足夠的采暖時(shí)，太陽(yáng)高度角也較低，陽(yáng)光可以直接從遮陽(yáng)板下方直接射入房間，提高房間熱輻射溫度。因此，通過(guò)合理的遮陽(yáng)板的優(yōu)化設(shè)計(jì)，夏季減少直射陽(yáng)光，降低室內(nèi)輻射溫度，冬季不影降直射陽(yáng)光，提高室內(nèi)輻射溫度，可以有效達(dá)到低降能耗的效果。

策略三：可再生能源的利用。

圖書館在地下50m 范圍內(nèi)埋設(shè)了冷熱棒作為室內(nèi)人環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用以調(diào)節(jié)室內(nèi)冬夏季節(jié)的室內(nèi)溫度，為研究圖書館建筑物的能耗效果，對(duì)室外環(huán)境溫度和室內(nèi)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，夏季監(jiān)測(cè)時(shí)間為7 月21 日～7 月26日，冬季監(jiān)測(cè)時(shí)間為3 月4 日～3 月8 日，如圖1、圖2 所示。夏季觀測(cè)期間室外環(huán)境溫度呈現(xiàn)規(guī)律性的波動(dòng)，其極端高溫為35℃，由于7 月23 日存在大氣降雨，因此溫度相對(duì)較低且變化較為平穩(wěn)，最低溫也為25℃，白天室外太陽(yáng)輻射強(qiáng)度也呈現(xiàn)規(guī)律性的波動(dòng)，極端太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為800W/m2；冬季觀測(cè)期間室外環(huán)境溫度呈現(xiàn)規(guī)律性的波動(dòng)，其極端高溫為12.2℃，出現(xiàn)在3 月7 日，對(duì)應(yīng)的極端太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為700W/m2。

圖1 圖書館夏季太陽(yáng)輻射和室外溫度測(cè)量結(jié)果

圖2 圖書館冬季太陽(yáng)輻射和室外溫度測(cè)量結(jié)果

圖3、圖4 分別為圖書館內(nèi)夏季和冬季的風(fēng)機(jī)盤管出口、風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)口、送風(fēng)口和室內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)變化情況。從圖3 中可以看出室內(nèi)溫度受到環(huán)境溫度的影響呈現(xiàn)起伏變化，但每日的室內(nèi)氣溫變化相對(duì)較小，不超過(guò)1.5℃。風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)出水溫度與室內(nèi)送風(fēng)溫度的變化規(guī)律大致相同，進(jìn)水溫度基本控制在24℃～26℃，進(jìn)出水溫度差與室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開(kāi)啟時(shí)間有關(guān)，時(shí)間越長(zhǎng)，其溫差逐步減小。從圖4 中可以看出室內(nèi)溫度受到環(huán)境溫度的影響變化幅度較大，溫度的變化范圍為10.5℃～16.5℃，風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)出水溫度與室內(nèi)送風(fēng)溫度的變化規(guī)律基本一致，進(jìn)水溫度基本控制在16.2℃～17.2℃，送風(fēng)溫度基本控制在15.4℃～16.5℃，起到了良好的室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)作用。

圖3 夏季室內(nèi)熱環(huán)境變化特征

圖4 冬季室內(nèi)熱環(huán)境變化特征

4 結(jié)論

以華中地區(qū)某博物館為研究對(duì)象，基于主動(dòng)式設(shè)計(jì)方法和被動(dòng)式設(shè)計(jì)方法對(duì)低能耗公共建筑的設(shè)計(jì)策略進(jìn)行研究，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

⑴在同一夏季空調(diào)系統(tǒng)能效比條件下，如果夏季室內(nèi)通風(fēng)效果較好，冬季熱輻射足夠，人體平均熱感指標(biāo)平穩(wěn)，那么夏季室內(nèi)空氣溫度設(shè)定可以略高，冬季室內(nèi)空氣溫度設(shè)定可以略低，從而降低能耗；在同一室內(nèi)空氣溫度設(shè)定，人體平均熱感指標(biāo)平穩(wěn)，增加空調(diào)能好效能比，能耗也逐步降低。

⑵其他常量不變的情況下，優(yōu)化建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的等級(jí)，能有效降低夏季空調(diào)及冬季采暖能耗。

⑶在需要大面積使用玻璃的功能房間，南側(cè)使用水平遮陽(yáng)，西側(cè)使用垂直遮陽(yáng)，能有效的降低夏季室內(nèi)輻射溫度并提升冬季室內(nèi)輻射溫度，起到降低能耗的效果。

⑷對(duì)室外環(huán)境溫度和室內(nèi)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)表明，采用圖書館在地下50m 范圍內(nèi)埋設(shè)了冷熱棒作為室內(nèi)人環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)，起到了良好的室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)作用，有效降低能耗。