圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)對體育館建筑能耗的影響

相貝

（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院）

隨著21 世紀(jì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源緊張已然成為世界難題。建筑能耗以占總能源消耗的30%左右比例成為又一個“能耗大戶”。建筑總量的不斷增加，人們對建筑室內(nèi)舒適度要求的不斷提高，都將使得建筑能耗的比重越來越大。而公共建筑由于建筑面積大，使用人員密度大，溫濕度要求嚴(yán)格，因此公共建筑單位面積的能耗量比其他建筑大，具有很大的節(jié)能潛力。2015 年，我國頒布施行《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189－2015），強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)2020 年公共建筑節(jié)能65%的目標(biāo)。本文針對哈爾濱某高校體育館建筑能耗展開研究，希望對以后的公共建筑節(jié)能設(shè)計以及節(jié)能改造提供參考。

1 建筑概況

1.1 基本信息

本建筑為哈爾濱某大學(xué)綜合體育館，該建筑主體地下一層，地上一層，總建筑面積為30278.79m2。其中體育館建筑面積為21612.46m2，游泳館建筑面積為8666.33m2（此次研究不包含游泳館）。由籃球比賽館、籃球訓(xùn)練館、訓(xùn)練館、多功能活動廳及體育館附屬用房等綜合功能組成。

1.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型

體育館外墻類型包括鋼筋混凝土墻以及玻璃幕墻。鋼筋混凝土外墻傳熱系數(shù)為0.47W/m2·K，玻璃幕墻采用鋼化安全玻璃，傳熱系數(shù)為1.80W/m2·K。體育館外窗采用雙層中空塑鋼窗，傳熱系數(shù)為2.61W/m2·K。體育館外門采用節(jié)能外門，傳熱系數(shù)為3.02W/m2·K。體育館屋面形式分別為鋼筋混凝土屋面及鋼網(wǎng)殼屋面，傳熱系數(shù)分別為0.51W/m2·K 和0.30W/m2·K。

2 氣象資料及空調(diào)設(shè)計參數(shù)

2.1 氣象資料

哈爾濱市在我國建筑氣候分區(qū)中屬于嚴(yán)寒地區(qū)A區(qū)。海拔142.3m。

表1 哈爾濱市氣候信息

2.2 空調(diào)設(shè)計參數(shù)

體育館各比賽場地及觀眾席均采用全空氣系統(tǒng)，其他附屬用房采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)。

空調(diào)房間內(nèi)的設(shè)計參數(shù)主要參考《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB 50736－2015)，同時考慮建筑類別屬于體育中心比賽館，所以同時參考《體育建筑設(shè)計規(guī)范》（JGJ 31－2003）和《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189－2015）。表2 所列數(shù)據(jù)為比賽館內(nèi)具體的空調(diào)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)，同時符合上述三本規(guī)范要求。

表2 體育館各房間室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 外墻熱工性能對建筑能耗的影響

建筑的外墻是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主體部分，也是影響建筑能耗的因素。而建筑外墻的構(gòu)造也在隨著建筑節(jié)能規(guī)范的要求不斷發(fā)展。從傳統(tǒng)的實(shí)心磚外墻，到之后的混凝土外墻，以及正在發(fā)展的復(fù)合型節(jié)能外墻，外墻的熱工性能在不斷提高。結(jié)合嚴(yán)寒地區(qū)的天氣特點(diǎn)，研究490mm 厚磚墻，400mm 厚的陶粒混凝土墻以及復(fù)合節(jié)能外墻，對建筑能耗的影響。

由表3、表4 分析可知，隨著外墻的傳熱系數(shù)從1.22W/m2·k 減小到0.38W/m2·k，體育館冬天供暖能耗降低了22.34%，有顯著減少趨勢，這是因?yàn)閴w傳熱系數(shù)減小導(dǎo)致冬季體育館向室外的熱散失減少；但同時體育館夏季空調(diào)制冷能耗增加了7.17%，有較大的增加趨勢，這說明隨著墻體傳熱系數(shù)減小，夏季夜間體育館向室外的熱散失減少，因此體育館白天的冷負(fù)荷就會增加，從而引起空調(diào)能耗的增加。這部分增加的冷負(fù)荷大于由于白天外墻傳熱系數(shù)減小而減少的冷負(fù)荷，所以當(dāng)外墻傳熱系數(shù)減小時，空調(diào)的制冷能耗有增大的趨勢。

表3 三種外墻的熱工性能統(tǒng)計

表4 三種外墻的建筑能耗統(tǒng)計

但綜合全年空調(diào)及冷熱源能耗，冬季熱負(fù)荷的減少遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于夏季冷負(fù)荷的增加，因此減小外墻的傳熱系數(shù)有利于體育館全年建筑能耗的降低，并且全年節(jié)能率達(dá)到18.42%。

3.2 外窗熱工性能對建筑能耗的影響

由于玻璃種類眾多，而且熱工性能差異比較大，結(jié)合哈爾濱建筑實(shí)際情況，將玻璃的傳熱系數(shù)變化范圍設(shè)定為2.61～1.5W/m2·k。將玻璃傳熱系數(shù)作為變量，得到不同傳熱系數(shù)時體育館的全年建筑能耗。并以體育館外傳實(shí)際傳熱系數(shù)作為基準(zhǔn)，計算不同傳熱系數(shù)時，體育館全年空調(diào)及冷熱源能耗的節(jié)能率。

由表5 建筑能耗統(tǒng)計可知，當(dāng)外窗玻璃的傳熱系數(shù)從2.61W/m2·k 減小到1.5W/m2·k，體育館冬季的采暖能耗減少了14.75%，減少趨勢顯著；但體育館的夏季制冷能耗卻增加了10.78%。這是因?yàn)楫?dāng)外窗玻璃傳熱系數(shù)減小時，冬天房間熱量通過玻璃向外散失就會減少，因此體育館冬季的采暖能耗就會降低。在夏天白天，空調(diào)系統(tǒng)工作時，室內(nèi)溫度低于室外溫度，當(dāng)玻璃傳熱系數(shù)減小時，房間的得熱量就會減少，空調(diào)能耗減小。但是在夜間空調(diào)系統(tǒng)停止工作，室內(nèi)溫度高于室外溫度，當(dāng)玻璃傳熱系數(shù)減小時，房間的散熱量減小，空調(diào)冷負(fù)荷就會增加。綜合比較，當(dāng)玻璃傳熱系數(shù)減小時，夜間空調(diào)能耗的增大量大于白天空調(diào)能耗的減小量，因此總的夏季制冷能耗呈現(xiàn)上升趨勢。

表5 外窗傳熱系數(shù)對建筑能耗的影響

但由于哈爾濱地區(qū)屬于嚴(yán)寒地區(qū)，當(dāng)玻璃傳熱系數(shù)減小時，冬季采暖能耗的降低值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于夏季空調(diào)制冷能耗的增加值。當(dāng)外窗玻璃的傳熱系數(shù)從2.61W/m2·k減小到1.5W/m2·k，體育館的全年空調(diào)及冷熱源能耗減少了117.37×103kWh，節(jié)能率為8.37%。因此減小外窗玻璃的傳熱系數(shù)有利于體育館建筑的節(jié)能。但同時應(yīng)該注意，外窗的節(jié)能效果還與建筑本身的窗墻比有關(guān)，當(dāng)窗墻比越大窗戶相較于墻體對建筑能耗的影響就會越大。在此次體育館中，由于窗戶面積較小，因此相比于外墻，窗戶的保溫性能對體育館的能耗影響較小。

3.3 屋面熱工性能對建筑能耗的影響

屋面位于建筑物的頂部，是接受太陽輻射熱量的主要部位。在夏季，屋面需要具有良好的隔熱性能，阻止室外熱量進(jìn)入室內(nèi)，以避免由于室內(nèi)冷負(fù)荷增加引起的空調(diào)能耗增加。在冬季屋面應(yīng)具有良好的保溫性能，阻止室內(nèi)熱量向室外散失，以避免由于室內(nèi)熱負(fù)荷增加引起的建筑采暖能耗的增加。因此，屋面和外墻相同，應(yīng)通過保溫層的厚度，注重屋面的保溫性能。因此通過改變保溫層厚度，研究不同傳熱系數(shù)對于體育館建筑能耗的影響，以確定屋面節(jié)能的合理措施。模擬結(jié)果如表6，以保溫層厚度為0 時的各項(xiàng)能耗為基準(zhǔn)計算節(jié)能率。

由表6 計算分析可知，當(dāng)屋面保溫層厚度由0mm 增加為80mm 時，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)從1.87W/m2·k 減小到0.39W/m2·k，體育館冬季的采暖能耗節(jié)能率達(dá)到2.22%，節(jié)能效果并不明顯，而且體育館夏季空調(diào)制冷能耗也有所減小，節(jié)能率為3.40%。與外墻保溫對比分析可知，在冬季時，增大外墻的保溫層厚度以及屋面的保溫層厚度都可以減小冬季房間向室外的熱量散失，但對于屋面來說，當(dāng)保溫層厚增加后，屋面在接受同等的太陽輻射時向室內(nèi)的傳熱量降低，因此屋面保溫對于體育館建筑冬季采暖能耗的節(jié)能效果并不明顯。在夏季時，由于傳熱系數(shù)的減小，白天室外熱量向室內(nèi)傳熱量減小，但是晚上體育館向室外散熱也會減少，因此夏季空調(diào)制冷負(fù)荷節(jié)能率也不是很明顯。

表6 屋頂保溫層厚度對建筑能耗的影響

隨著屋面保溫層厚度的增加，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)不斷減小，盡管對于冬夏的能耗影響都較小，但建筑總耗能也有節(jié)約35.24×103KWh，節(jié)能率達(dá)到2.51%。由以上分析可知，在哈爾濱地區(qū)屋面面積由于受到面積限制，以及太陽輻射的影響，屋頂保溫性能對于體育館的節(jié)能效果比較有限，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于外墻保溫的節(jié)能效果。

4 結(jié)論

⑴當(dāng)外墻傳熱系數(shù)從1.22W/m2·k 減小到0.38W/m2·k，全年空調(diào)及冷熱源能耗節(jié)約18.42%。當(dāng)外窗傳熱系數(shù)從2.61W/m2·k 減小到1.5W/m2·k，全年空調(diào)及冷熱源能耗節(jié)約8.73%。當(dāng)體育館屋頂保溫層厚度從0 增加到80mm，屋頂傳熱熱阻從0.53m2·k/W 增加到2.56m2·k/W，全年空調(diào)及冷熱源能耗節(jié)約2.5%。

⑵哈爾濱地區(qū)體育館建筑外墻的保溫措施對建筑能耗起到很大的影響。相比較而言，外窗玻璃、屋頂對于建筑能耗的影響較小。由于體育館外門個數(shù)、面積都很小，本文未對外門做能耗分析。因此，在之后哈爾濱地區(qū)體育館的設(shè)計以及節(jié)能改造工程中應(yīng)充分考慮外墻、玻璃幕墻的熱工性能以及保溫措施，其次應(yīng)考慮外窗的保溫性能。