基于能耗分析的被動式建筑節(jié)能改造研究

杜小玉

棗莊職業(yè)學(xué)院,山東 棗莊 277000

0 引言

在全球能源資源日益緊缺、氣候變化日益嚴(yán)峻的背景下,建筑行業(yè)作為能源消耗的主要領(lǐng)域之一,面臨著巨大的節(jié)能壓力。被動式建筑節(jié)能通過優(yōu)化建筑本身的設(shè)計(jì)和構(gòu)造,注重利用自然資源,如太陽輻射、風(fēng)力等,最大限度地減少能源消耗,從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)[1-2]?；诖?本文對某高層住宅被動式建筑進(jìn)行能耗分析,研究被動式建筑節(jié)能改造策略,以有效降低建筑的能源消耗。

1 工程概況

某高層辦公建筑地上27層、地下3層,1樓大廳層高4.6 m,其他樓層高為2.9 m,地下1層為服務(wù)區(qū)域,地下2、3層為停車區(qū),地上27層為辦公區(qū)域,每層辦公區(qū)的空間規(guī)劃與分配因應(yīng)用而有所不同,一般包括辦公室、會議室、洽談區(qū)等功能,每層建筑面積達(dá)到919 m2,供熱面積為861 m2。建筑外立面采用玻璃幕墻和金屬板材,內(nèi)部設(shè)有絕緣材料和隔熱層,玻璃幕墻覆蓋大部分外墻表面,金屬板材用于一些特定區(qū)域,如檐口和窗戶周圍的裝飾,窗戶采用雙層夾膠中空玻璃窗戶。樓板結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土,屋頂采用混凝土平頂結(jié)構(gòu),屋面覆蓋一層防水材料。

2 能耗模擬分析

2.1 模型的構(gòu)建

采用Design Builder軟件建模。對建筑物室內(nèi)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,加熱覆蓋率設(shè)為99.6%,采用0.4%冷卻設(shè)計(jì)溫度。將建筑物的隔間、走廊、樓梯等未封閉內(nèi)墻分割為多個小區(qū)域,減少建筑模型的封閉區(qū)域,從而加快能耗模擬的計(jì)算速度,使模擬數(shù)據(jù)更接近建筑物的實(shí)際情況和內(nèi)部熱容量[3]。單個樓層模型如圖1所示。

圖1 樓層模型示意圖

2.2 能耗評價(jià)指標(biāo)

在能耗模擬中,采用能耗評價(jià)指標(biāo)對不同策略下的能源消耗情況進(jìn)行量化評價(jià),可以為節(jié)能改造提供決策依據(jù)。常用的能耗評價(jià)指標(biāo)主要有以下幾點(diǎn)[4-5]。

2.2.1 能源使用強(qiáng)度(energy use intensity,EUI)

能源使用強(qiáng)度是表示單位建筑面積能耗的指標(biāo),可以直觀地比較不同建筑的能源消耗水平。EUI值越低,表示單位面積內(nèi)的能源消耗越少,建筑節(jié)能程度越高。計(jì)算公式為:

(1)

式中:W為建筑總能耗,kW·h;A為建筑面積,m2。

2.2.2 能源成本(energy cost,EC)

能源成本是指建筑物在一定時(shí)期內(nèi)所消耗的能源所產(chǎn)生的費(fèi)用。能源成本考慮了能源消耗和能源價(jià)格之間的關(guān)系,是評估能源使用經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)之一。該指標(biāo)不僅能夠反映建筑的能源消耗水平,還可以評估不同節(jié)能改造策略對經(jīng)濟(jì)效益的影響。計(jì)算公式為:

寺廟園林最早出現(xiàn)于公元4世紀(jì)。東晉太元年間（公元376—396年），僧人慧遠(yuǎn)在廬山營造東林寺。據(jù)慧皎《高僧傳》：“卻負(fù)香爐之峰，傍帶瀑布之壑；仍石壘基，即松栽構(gòu)，清泉環(huán)階，白云滿室。復(fù)于寺內(nèi)別置禪林，森樹煙凝，石徑苔生?！边@便是在自然景觀環(huán)境中設(shè)置人工禪林的先驅(qū)。

EC=W×P

(2)

式中:P為能源價(jià)格;W為建筑總能耗,kW·h。

2.2.3 能源節(jié)約率(energy savings,ES)

能源節(jié)約率是用于衡量改造策略效果的重要指標(biāo)。它表示改造后能耗相對于基準(zhǔn)情況下的能耗減少百分比,能夠直觀反映改造帶來的能源效益。能源節(jié)約率的數(shù)值越高,改造策略的效果越好。計(jì)算公式為:

(3)

式中:W0為基準(zhǔn)能耗,kW·h;W′為改造能耗,kW·h。

上述能耗評價(jià)指標(biāo)可以從不同角度評估能耗情況和改造策略的效果。

2.3 能耗模擬結(jié)果分析

在改造前,該建筑年耗電量為520 788 kW·h,其夏季使用空調(diào)時(shí)的耗電量為209 425 kW·h。圖2為每月的耗電量變化情況。

圖2 每月空調(diào)耗電量模擬結(jié)果

圖3為每月建筑采暖能耗變化情況。由圖3可以看出,每年建筑的取暖能耗總共為2.09×106kW·h,取暖能耗主要集中在11月至次年3月,1月采暖能耗達(dá)到峰值586 645 kW·h。這表明,取暖能耗隨著季節(jié)變化,氣溫逐漸降低時(shí),室內(nèi)取暖需求增加,取暖能耗逐漸增加;而在非取暖季時(shí),取暖需求降至較低水平,因此取暖能耗為0。

圖3 每月取暖能耗模擬結(jié)果

節(jié)能改造前,該建筑每月運(yùn)行能耗情況如圖4所示。由圖4可知,不同月份的能耗水平存在差異,特別是在12月至次年2月,建筑運(yùn)行能耗明顯增加,這主要是由于取暖需求的增加。

圖4 每月建筑運(yùn)行能耗模擬結(jié)果

3 節(jié)能改造策略分析

在高層辦公建筑進(jìn)行節(jié)能改造之前,其年建筑運(yùn)行耗能高達(dá)2 537 372 kW·h,遠(yuǎn)超國家規(guī)定的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn),對該高層辦公建筑進(jìn)行節(jié)能改造已成當(dāng)務(wù)之急。本次改造主要從圍護(hù)結(jié)構(gòu)、外窗及遮陽等方面展開。

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造

圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為建筑的外墻、屋頂以及地面等部位,對能源消耗和室內(nèi)舒適性有重要影響。在本次節(jié)能改造中,采用真空保溫板作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。真空保溫板材中的真空層,能夠有效阻止熱傳導(dǎo),相比傳統(tǒng)保溫材料體積更小,能夠在相對較薄的結(jié)構(gòu)中保持良好的保溫性能,同時(shí)節(jié)省室內(nèi)空間[6]。將真空保溫板固定在建筑外墻和屋頂?shù)炔课?通過粘結(jié)、固定釘?shù)确绞桨惭b,真空保溫板安裝完成后,需要進(jìn)行密封處理,確保板材之間沒有縫隙,同時(shí)對真空保溫板進(jìn)行防火和防腐處理。

3.2 外窗改造

外窗是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中重要的部分,對室內(nèi)外熱傳遞和能耗有重要影響。本次外窗改造采用充氬雙層中空低輻射玻璃,它由內(nèi)、外2層玻璃組成,中空層厚度為16 mm,填充有氬氣,內(nèi)玻璃與中空層內(nèi)側(cè)接觸面涂覆低輻射涂層,低輻射涂層通常是一種金屬氧化膜,中空層之間采用高性能的聚合物材料進(jìn)行密封,玻璃邊框部分采用密封膠條封閉,確保玻璃與窗框之間連接緊密,防止氣體泄漏和濕氣進(jìn)入。

3.3 遮陽改造

在遮陽改造中,根據(jù)建筑的朝向、周圍環(huán)境、太陽軌跡以及節(jié)能目標(biāo)進(jìn)行綜合考慮,確定遮陽系統(tǒng)的類型和位置,遮陽系統(tǒng)常見的有:百葉簾、遮陽板、窗簾、窗棚等。在不同方向上根據(jù)光照角度和強(qiáng)度的變化采取針對性的遮陽措施,在不同季節(jié)調(diào)整遮陽板的角度,從而達(dá)到阻擋夏季陽光和保留冬季自然光線的目的。由于南面陽臺在冬季需要更多陽光,而北面、東面的外窗受到陽光輻射相對較少,因此對于南面陽臺、北面和東面的外窗,不設(shè)置外窗遮陽,同時(shí)也能保持充足的自然光照。

4 改造前后能耗對比分析

根據(jù)上文建立的能耗模型,設(shè)定室內(nèi)溫度為25 ℃,對改造前后的被動式建筑能耗進(jìn)行模擬,結(jié)果見圖5。

圖5 改造前后建筑各項(xiàng)能耗對比情況

由圖5可知,該被動式辦公建筑經(jīng)過節(jié)能改造,建筑運(yùn)行總能耗降低了1 764 779 kW·h,節(jié)能率達(dá)到77.23%。采暖能耗方面,改造后的建筑全年采暖能耗僅57 362 kW·h,節(jié)能率高達(dá)97.04%,表明改造后建筑的保溫性能得到了顯著提升。制冷和其他能耗方面,節(jié)能效果雖然不及采暖能耗明顯,但是節(jié)能率也在10%左右,表明改造后的建筑節(jié)能得到一定程度提升,但是效果不太明顯?？傮w而言,采暖能耗對建筑運(yùn)行總能耗影響較大,改造后的節(jié)能效果表現(xiàn)顯著,達(dá)到了預(yù)期的節(jié)能改造目標(biāo)。

本文對該被動式高層辦公建筑改造前后的成本進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益評價(jià),采用廣聯(lián)達(dá)造價(jià)軟件對成本進(jìn)行計(jì)算,得到改造前后建筑運(yùn)行能耗成本計(jì)算結(jié)果,如圖6所示。

圖6 建筑運(yùn)行能耗成本

由圖6可知,改造后,建筑運(yùn)行成本每年可以節(jié)約32萬元,幾乎全部為采暖節(jié)能改造后創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益,減少能源消耗的同時(shí)節(jié)約了大量資金,實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的效果。

5 結(jié)束語

被動式建筑節(jié)能改造需要綜合考慮建筑結(jié)構(gòu)、材料、氣候環(huán)境等多個因素,在實(shí)際應(yīng)用中,須根據(jù)具體情況進(jìn)行合理的調(diào)整和優(yōu)化。本文以某被動式建筑為例,探討了被動式建筑的能耗分析和節(jié)能改造,通過建立能耗模型,收集相關(guān)數(shù)據(jù)、實(shí)施能耗模擬,定量評估了建筑能耗特征及改造策略的效果。結(jié)果表明:通過外保溫、高性能窗戶、遮陽等綜合改造,建筑能耗得以顯著降低,同時(shí)提升了室內(nèi)舒適性。