王慧麗(上海市建筑科學(xué)研究院有限公司, 上海 201108)
我國正處于城市化快速發(fā)展時期,每年新增建筑面積約20 億 m2,2020 年我國建筑面積預(yù)計將達(dá)到約 700 億 m2,逐步形成世界上最大的建筑市場[1]?;诖吮尘?,普及建筑節(jié)能設(shè)計無疑將會為我國的節(jié)能減排工作做出重要貢獻(xiàn)。夏熱冬冷地區(qū)地域廣袤,具有獨(dú)特的熱工性能,因此在進(jìn)行建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計時不僅要注重保溫性能,還需注重隔熱性能[2]。本文以夏熱冬冷氣候區(qū)中的典型地區(qū)—上海為例,基于斯維爾節(jié)能設(shè)計軟件,以典型某高層住宅建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)為案例,從外墻、屋面、外窗等方面分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同熱工參數(shù)對高層居住建筑能耗的影響,確定合理的圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計組合方案。以期在滿足室內(nèi)人員舒適性前提下,降低建筑實際能耗。
斯維爾節(jié)能設(shè)計軟件 BECS 2016 是一套為建筑節(jié)能提供分析計算功能的軟件系統(tǒng),構(gòu)建于 AutoCAD 平臺之上,適于全國各地的居住建筑和公共建筑節(jié)能審查和能耗評估。軟件采用三維建模,并可以直接利用主流建筑設(shè)計軟件的圖形文件,避免重復(fù)錄入,因此能夠大大提高設(shè)計圖紙節(jié)能審查的效率。
建模過程如下所示:① 空間劃分;② 建樓層框;③每標(biāo)準(zhǔn)層分別創(chuàng)建墻、窗、柱等圍護(hù)結(jié)構(gòu);④ 進(jìn)行重疊檢查、柱墻檢查、模型檢查、墻基檢查;⑤ 搜索房間;⑥ 模型觀察,檢查樓層是否閉合;⑦ 設(shè)置項目基本信息,選擇計算標(biāo)準(zhǔn),建筑朝向;⑧ 設(shè)置各房間類型;⑨ 設(shè)置工程材料;⑩ 計算建筑負(fù)荷。
選取基準(zhǔn)建筑為上海市某高層住宅樓,總建筑面積 7 696.70 m2,建筑高度 60.6 m。其中:建筑地上19 層,建筑面積 7 255.22 m2;地下 2 層,建筑面積441.48 m2。
基于斯維爾節(jié)能設(shè)計軟件,建立典型高層居住建筑模型,依據(jù) JGJ 134—2010 《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》,設(shè)置基準(zhǔn)建筑相關(guān)信息及參數(shù)。
設(shè)置圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)見表 1,其中主要設(shè)置參數(shù)包括屋面、外墻、分戶墻、樓板、隔墻等傳熱系數(shù),以及外窗綜合傳熱系數(shù)、綜合遮陽系數(shù)等。
表 1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要參數(shù)表
設(shè)置參數(shù)完畢,則可運(yùn)行軟件。對該建筑模型進(jìn)行計算,得出了設(shè)置不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)后對應(yīng)的建筑能耗。下文分析了該高層居住建筑外墻、屋面、外窗在選取不同的關(guān)鍵參數(shù)值時,建筑能耗的相應(yīng)變化情況,以期獲得圍護(hù)結(jié)構(gòu)最佳的組合設(shè)計方案。
設(shè)置基準(zhǔn)建筑模型,保持屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 1.0 W/(m2·K)、外窗綜合傳熱系數(shù) 3.2 W/(m2·K)、外窗綜合遮陽系數(shù)Sw為 0.87。在其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的前提下,通過改變外墻保溫材料的厚度,來研究外墻熱工性能敏感性。建筑能耗與外墻綜合傳熱系數(shù)間的關(guān)系如表 2 及圖 1 所示。
表 2 外墻傳熱系數(shù)取值
圖 1 外墻熱工性能敏感性
通過分析可知,保持屋面、外窗等基礎(chǔ)性能參數(shù)不變時,隨著保溫材料厚度增大,外墻傳熱系數(shù)呈減小趨勢,且供冷、供熱能耗均呈減少趨勢。單位面積空調(diào)采暖年耗電量減小幅度依次為 1.60 kWh/m2、1.09 kWh/m2、1.21 kWh/m2、1.48 kWh/m2、1.64 kWh/m2。減小幅度基本保持穩(wěn)定,說明外墻保溫材料厚度增加,傳熱系數(shù)減小時,對于高層住宅的整體節(jié)能效果相對明顯。
設(shè)置基準(zhǔn)建筑模型,保持外墻傳熱系數(shù)為 1.5 W/(m2·K)、外窗綜合傳熱系數(shù) 3.2 W/(m2·K)、外窗綜合遮陽系數(shù)Sw為 0.87。在其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的前提下,通過改變屋面保溫材料的厚度,來研究屋面熱工性能敏感性。建筑能耗與屋面綜合傳熱系數(shù)間的關(guān)系如表 3 及圖 2 所示。
表 3 屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取值
圖 2 屋面熱工性能敏感性
通過分析可知,保持外墻、外窗等基礎(chǔ)性能參數(shù)不變時,隨著保溫材料厚度增大,屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)呈減小趨勢,且供冷、供熱能耗均呈減少趨勢。單位面積空調(diào)采暖年耗電量減小幅度依次為 0.14 kWh/m2、0.16 kWh/m2、0.14 kWh/m2、0.16 kWh/m2。減小幅度基本保持穩(wěn)定,但相對于外墻,對建筑能耗的影響較小,說明屋面保溫材料厚度增加,傳熱系數(shù)減小時,對于高層住宅的整體能耗有影響,但影響較不明顯。
設(shè)置基準(zhǔn)建筑模型,保持外墻傳熱系數(shù)為 1.5 W/(m2·K)、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 1.0 W/(m2·K)。在其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的前提下,選取不同傳熱系數(shù)、綜合遮陽系數(shù)的 8組外窗,研究外窗保溫性能敏感性。
建筑能耗與外窗性能參數(shù)間的關(guān)系如表 4 及圖 3 所示。
表 4 外窗傳熱系數(shù)、綜合遮陽系數(shù)取值
圖 3 外窗保溫性能敏感性
經(jīng)分析可知,不同于上述外墻、屋面的建筑能耗呈現(xiàn)直線下降趨勢,外窗性能參數(shù)與建筑空調(diào)采暖能耗間呈現(xiàn)波動關(guān)系。當(dāng)外窗傳熱系數(shù)及綜合遮陽系數(shù)從組合 1“3.3+0.9”變化至組合 5“3.0+0.7”時,空調(diào)供暖能耗隨著外窗傳熱系數(shù)及綜合遮陽系數(shù)的減小而波動。這主要是由于當(dāng)綜合遮陽系數(shù)降低時,遮陽性能顯著,影響冬季室內(nèi)采光,空調(diào)耗電量雖略有下降,但采暖耗電量上升,波動幅度依次為 0.05 kWh/m2、-0.23 kWh/m2、0.22 kWh/m2、0.12 kWh/m2。從組合 5“3.0+0.7”變化至組合 8“2.2+0.4”時,建筑能耗呈現(xiàn)下降趨勢。這主要是由于外窗傳熱系數(shù)及綜合遮陽系數(shù)減小,導(dǎo)致空調(diào)耗電量降低,其降低幅度超過采暖耗電量上升幅度,單位面積空調(diào)采暖年耗電量減小幅度依次為 0.07 kWh/m2、0.35 kWh/m2。
在實際建筑設(shè)計過程中,不會出現(xiàn)單獨(dú)設(shè)計或分開設(shè)計外墻、屋面及外窗的熱工性能的情況,必然是同時設(shè)計三者。因此本文選取三種組合,觀察哪一組為最佳組合。組合1 為屋面采用最優(yōu)性能,外墻與外窗采用普通性能;組合 2為外墻采用最優(yōu)性能,屋面與外窗采用普通性能;組合 3 為外窗采用最優(yōu)性能,外墻與屋面采用普通性能。具體參數(shù)取值見表 5。
表 5 不同組合下的單位空調(diào)供暖能耗
通過斯維爾節(jié)能設(shè)計軟件的模擬結(jié)果可以看出,組合 2單位面積空調(diào)采暖年耗電量最少,僅為 40.41 kWh/m2,相比組合 1 和組合 3 的能耗分別減少了 4.7% 和 9.6%,因此可確定組合 2 為最佳方案。
本文通過探討典型夏熱冬冷地區(qū)—上海某高層居住建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外墻、屋面及外窗的參數(shù)變化對建筑能耗的影響,得出如下結(jié)論。
(1)夏熱冬冷地區(qū)高層住宅建筑能耗的影響因素探討分析可知,各因素對建筑能耗的影響程度依次為:外墻>屋面>外窗。
(2)通過利用斯維爾節(jié)能設(shè)計軟件進(jìn)行模擬,提出一套適合于夏熱冬冷地區(qū)高層住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)的設(shè)計方案:即外墻傳熱系數(shù) 0.6 W/m2·K、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)0.6 W/m2·K、外窗綜合傳熱系數(shù) 2.7 W/m2·K、綜合遮陽系數(shù) 0.6。