基于DEST 的公共建筑能耗模擬
——以阜陽某商業(yè)辦公樓為例

李浩 LI Hao；楊翠萍 YANG Cui-ping；葉鵬 YE Peng；黃啟 HUANG Qi

（①安徽理工大學土木建筑學院，淮南 232001；②安徽省建筑設計研究院二院，合肥 230002）

0 引言

長期以來，緩解全球能源危機一直是各國不斷探尋的議題，新能源、新技術的應用對未來國家的發(fā)展起到至關重要的作用。2020 年我國建筑全過程能耗總量為22.7 億tce 標準煤，占全國能源消費總量比重為45.5%[1]。其中在建筑運行階段中公共建筑能耗占各類型建筑的40%。隨著國家不斷發(fā)展，公共建筑能耗也是亟待解決的問題之一。就現(xiàn)階段狀況來看，公共建筑能耗主要能耗為辦公設備能耗、照明能耗，以及空調(diào)系統(tǒng)能耗?？照{(diào)系統(tǒng)是影響建筑能耗最顯著的因素，而建筑設計階段的冷熱負荷大小決定了空調(diào)系統(tǒng)的能耗建設初始投資[2]。因此為實現(xiàn)公共建筑節(jié)能，第一步需要精準計算建筑的冷熱負荷，尤其是冷負荷。

目前，國內(nèi)許多學者對公共建筑能耗有不同的研究。本文以阜陽某公共建筑為例，使用DEST 軟件對其進行全年建筑能耗模擬分析，采用控制變量法研究不同因素對建筑負荷的影響。

1 DEST 能耗模型建立

1.1 建筑概況 該建筑位于安徽省阜陽市，所處氣候為夏熱冬冷地區(qū)，屬于商業(yè)辦公綜合樓。建筑層數(shù)共18層，地上17 層、地下1 層。建筑總高度93.650m，建筑總面積35703.55m2，空調(diào)面積15725.84m2。地下一層為地下車庫及設備用房，一、二層為商業(yè)區(qū)，第三層為高2.15m 的設備轉換層，三至十七層為重復單元單元的辦公層。

1.2 基本建模 首先用CAD 軟件依據(jù)建筑圖紙描繪出建筑的房間分割線，每層分別建立一個圖層，用不同顏色區(qū)分，由于四到十七層樓層圖紙相同，只需以第四層為標準。繪制好房間線后將每一層建立塊，并找到對位基點逐層累加，然后導出文件。在DEST-C（商業(yè)建筑模塊）軟件中打開cad 導出的文件，新建建筑，新建樓層（控制樓層高度），打開建筑圖層在第一層繪制時只顯示第一層的建筑房間分割線，以此類推。需要注意，DEST 中繪制的墻體，門窗等維護結構都需放在0 圖層中。在建模時，先建立基本模型到第四層，設置所需參數(shù)后，再將第四層樓層整體復制樓層。（圖1）

圖1 商業(yè)辦公樓三維建筑模型

2 參數(shù)設定

2.1 氣象參數(shù) 建筑采用系統(tǒng)本身設置，使用典型年作為標準。在DEST 軟件中得到表1 所示城市氣象參數(shù)表。

2.2 保溫材料參數(shù) 基礎建模完成后，設置建筑維護參數(shù)。本項目屬于商業(yè)綜合體，建筑形體復雜，因此針對不同的建筑用途，設置相應的材料參數(shù)。參考《民用建筑熱工設計規(guī)范》得出各保溫材料熱工參數(shù)見表2。

表2 保溫材料熱工參數(shù)

表3 圍護結構熱工參數(shù)

2.3 維護結構參數(shù) 建筑維護結構參數(shù)設定。外墻采用外保溫為煤矸石空心磚加巖棉復合板，內(nèi)墻采用煤矸石空心磚，層間樓板采用上保溫，分商業(yè)和辦公。分別使用玻璃棉，巖棉板兩種保溫隔熱板。挑空樓板采用下保溫為巖棉板保溫加鋼筋混凝土。屋頂采用擠塑聚苯乙烯塑料泡沫板加鋼筋混凝土。窗戶為lowe 中空玻璃。對于室內(nèi)的熱擾因素和人員，燈光，設備作息時間均按不同房間功能設置。

3 建筑負荷模擬分析

建筑圍護結構的熱工性能對建筑的能耗影響很大，尤其是外墻、外窗及屋頂最為顯著，這三項也是圍護結構的重要組成部分[3]?；贒EST 數(shù)據(jù)分析所選項目的全年累計冷、熱負荷指標。采用單一變量法對這些因素分別分析。

3.1 不同窗墻比對建筑負荷的影響 窗戶是影響建筑能耗的重要因素。建筑外窗是建筑圍護結構中最大的熱橋，也是能量損失最大的部位之一[4]。窗墻比的大小取決于建筑的設計需求和功能。對于商業(yè)建筑，較大的窗墻比可以提供更多的自然光線和景色，使室內(nèi)空間更加明亮和開放。較大的窗戶可以幫助減少人工照明的使用，但也會增加冷暖氣系統(tǒng)的負荷。通過模擬計算分別整理出窗墻比為0.4、0.5、0.6、0.7（考慮由于東西向限值，最大取值只能賦予0.6）時全年最大冷負荷、全年最大熱負荷、尖峰冷負荷，尖峰熱負荷的模擬結果（圖2）。由圖2 可以看出。在只有窗墻比變化的基礎條件下，建筑全年累計冷負荷，建筑全年累計總負荷，建筑全年累計熱負荷都隨之改變，基本成線性增長。建筑全年累計冷負荷受建筑窗墻比影響較大，對比窗墻比0.4 與窗墻比0.7 模擬結果，建筑負荷大幅降低，降低約為14.3%。全年累計總負荷降低了10.6%。全年累計熱負荷相對影響較小。窗戶通常比外墻的隔熱能力較低，容易造成熱量的傳遞。在冬季，較大的窗戶可能會導致冷空氣通過窗戶進入室內(nèi)，增加供暖系統(tǒng)的負荷。而在夏季，較大的窗戶會讓更多的太陽能照射進室內(nèi)，增加空調(diào)系統(tǒng)的能耗。因此，窗墻比過大可能會影響建筑的隔熱性能，增加供暖和冷卻的能耗。

圖2 不同窗墻比下全年累計負荷

3.2 玻璃幕墻熱工性能對負荷的影響 玻璃幕墻作為一種符號化的建筑語言，一直被廣泛用于公共建筑外窗。玻璃幕墻的熱工參數(shù)能夠大幅影響建筑的能耗。本文建筑模型中，建筑外窗采用玻璃幕墻形式，以玻璃幕墻的遮陽系數(shù)，傳熱系數(shù)分別為單一變量來分析對建筑能耗的影響。

3.2.1 遮陽系數(shù) 玻璃遮陽系數(shù)是評估玻璃窗戶遮陽能力的指標，它表示玻璃能有效阻擋陽光熱量的能力。玻璃遮陽系數(shù)越高，表示玻璃窗戶在遮擋陽光熱量方面的效果越好。玻璃遮陽系數(shù)的大小對建筑能耗有著重要的影響建筑。實驗中，其他熱工參數(shù)保持不變，參數(shù)只調(diào)整玻璃幕墻的遮陽系數(shù)為0.2、0.3、0.4、0.5 四組數(shù)據(jù)，模擬計算出結果。由圖3 可以看出，全年累計冷負荷、全年累計總負荷隨著遮陽系數(shù)增大而增大，增幅分別為17.4%、5%。建筑熱負荷對遮陽系數(shù)增大而遞減，降幅為17.3%。由于在夏熱冬冷地區(qū)，夏季炎熱，陽光輻射強烈。選擇具有較高的遮陽系數(shù)的玻璃可以有效阻擋陽光熱量的進入，減少室內(nèi)的熱量積聚，降低空調(diào)負荷，能夠減少夏季的冷卻能耗，并且降低了建筑的最大冷負荷。在冬季，而遮陽系數(shù)只影響建筑的最大冷負荷，對建筑的最大熱負荷影響較小。

圖3 外窗不同遮陽系數(shù)下的全年累計負荷

3.2.2 傳熱系數(shù) 采用控制變量法，傳熱系數(shù)選擇為1.5、2、2.5、3、3.5、4。如圖4 可知，窗戶的傳熱系數(shù)對建筑全年累計熱負荷，建筑全年累計總負荷影響較大。對比傳熱系數(shù)0.15 與傳熱系數(shù)0.4 的模擬數(shù)據(jù)，傳熱系數(shù)1.5 的玻璃外窗比傳熱系數(shù)4.0 的外窗能降低33.7%的全年累計熱負荷。這是一個非常高的數(shù)據(jù)了，而且全年總負荷也能夠降低9.7%。因此建筑外窗的傳熱系數(shù)在滿足其他條件的情況下，選擇較低的傳熱系數(shù)，能夠大幅降低建筑的運行能耗。

圖4 外窗不同傳熱系數(shù)下的全年累計負荷

3.3 外墻傳熱系數(shù)對建筑能耗的影響 為研究建筑外墻傳熱系數(shù)不同對建筑能耗的影響，項目模擬過程根據(jù)DEST 中外墻結構，選取了傳熱系數(shù)0.3 到0.8 不同外墻結構，在其余條件保持原數(shù)據(jù)的情況下，得出模擬結果。如圖5 可知。建筑能耗隨著傳熱系數(shù)的增加產(chǎn)生波動。當傳熱系數(shù)為0.4 時，全年累計熱負荷最低為908945.91（kW·h），全年累積冷負荷最高為2089286.58（kW·h），全年累積冷負荷最低2998232.49（kW·h）。在傳熱系數(shù)0.3 到0.4 時，建筑總負荷隨著傳熱系數(shù)增大而減小。在傳熱系數(shù)0.5 到0.8 時，建筑總負荷隨著傳熱系數(shù)增大而增加。因此對于建筑外墻傳熱系數(shù)選擇并非傳熱系數(shù)越小越好，需要考慮多個因素來確定傳熱系數(shù)的最合適范圍。此數(shù)據(jù)對比原數(shù)據(jù)全年累計總負荷3056904.571（kW·h），幅度波動較小，接近外墻傳熱系數(shù)影響下所能夠達到的最小負荷。

圖5 不同外墻的傳熱系數(shù)下的全年累計負荷

4 結語

本研究基于不同外圍護皆有參數(shù)的變化，選取窗墻比，外窗的傳熱系數(shù)，遮陽系數(shù)與外墻的傳熱系數(shù)作為單一變量，探究其對建筑負荷的影響，以及在原方案尋求更加節(jié)能的方法，以下是對結果的總結。①窗墻比對建筑負荷的影響：窗墻比的增加會導致建筑的全年累計冷負荷和全年累計總負荷的增加。較大的窗墻比可能會降低建筑的隔熱性能，增加供暖和冷卻的能耗。因此，在設計過程中應仔細權衡自然采光和建筑能效之間的平衡。②玻璃幕墻的熱工性能對負荷的影響：玻璃幕墻的遮陽系數(shù)和傳熱系數(shù)對建筑能耗有顯著影響。較高的遮陽系數(shù)可以減少夏季的陽光熱量進入室內(nèi)，減少冷卻負荷。較低的傳熱系數(shù)可以降低熱量傳遞，減少熱負荷。因此，在選擇玻璃幕墻時應優(yōu)先考慮具有較高的遮陽系數(shù)和較低的傳熱系數(shù)的材料。③外墻傳熱系數(shù)對建筑能耗的影響：傳熱系數(shù)較低的外墻可以提供較好的隔熱性能和節(jié)能效果。以文章項目為例采用傳熱系數(shù)范圍0.3 至0.4 較為合適。為了實現(xiàn)公共建筑的節(jié)能目標，設計階段應該精確計算建筑的冷熱負荷，并考慮合理的窗墻比、玻璃幕墻遮陽系數(shù)和傳熱系數(shù)以及外墻的傳熱系數(shù)來降低能耗，提高能源效率。這些因素的優(yōu)化設計可以顯著降低建筑能耗，幫助緩解全球能源危機。