金國輝， 趙茜健

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

呼包鄂地區(qū)住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能潛力的DeST正交模擬

金國輝， 趙茜健

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源問題日益加重，建筑節(jié)能已經(jīng)成為重中之重?？紤]呼包鄂地區(qū)豐富的太陽能資源，以降低住宅建筑本體能耗為目的，將住宅建筑系統(tǒng)能耗作為研究對(duì)象。建立呼包鄂地區(qū)典型城市一棟6層住宅建筑模型，利用清華大學(xué)開發(fā)的DeST軟件動(dòng)態(tài)模擬窗戶、外墻、窗墻比、屋頂對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的負(fù)荷變化，模擬出16個(gè)正交試驗(yàn)結(jié)果。通過對(duì)建筑能耗的模擬分析，研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式對(duì)建筑能耗的影響變化，分析得出每個(gè)因素影響建筑能耗的顯著性程度，找出圍護(hù)結(jié)構(gòu)最佳水平的優(yōu)化方案。最后建議呼包鄂地區(qū)住宅建筑節(jié)能要加強(qiáng)保溫厚度、控制窗墻比大小、選用傳熱系數(shù)較低的節(jié)能窗戶從而降低能耗，節(jié)約能源。

DeST軟件； 圍護(hù)結(jié)構(gòu)； 住宅建筑； 正交試驗(yàn)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國建筑相關(guān)能耗已占社會(huì)總能耗的約46%，其中通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗能量占建筑能耗的約40%[1]。建筑行業(yè)的快速發(fā)展，也必然引起地球資源的匱乏。在建筑初級(jí)規(guī)劃階段分析建筑設(shè)計(jì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)單因素對(duì)建筑負(fù)荷的影響，從而確定最佳建筑節(jié)能方案，是建筑本體節(jié)能的關(guān)鍵[2]。以往學(xué)者僅就單因素進(jìn)行能耗影響分析，本文是在計(jì)算機(jī)模擬的基礎(chǔ)上，通過對(duì)多因素耦合分析，最大程度降低能耗。改善呼包鄂地區(qū)低能耗住宅建筑熱環(huán)境，提高采暖的能源利用效率，降低住宅建筑的能源消耗，是目前節(jié)能建筑研究面臨的問題。本文對(duì)呼包鄂地區(qū)某一典型住宅建筑進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能潛力的分析，運(yùn)用DeST軟件對(duì)多因素耦合下的方案進(jìn)行優(yōu)選得出適合本地的圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能形式。

1 低能耗住宅建筑節(jié)能理論分析

(1)外窗系統(tǒng)作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要部分，解決了建筑本體對(duì)采光和通風(fēng)的需求，是室內(nèi)與室外換熱的主要部位。外窗系統(tǒng)從影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷的角度主要有窗框材料，玻璃材料，窗墻比，窗戶朝向等。經(jīng)過折算，外窗損失的能耗量大約占到建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總能耗量的40%～50%[3]。其中，窗框材料的選用會(huì)影響玻璃窗的整體性能，從目前市場(chǎng)上使用的窗框材料來看，塑鋼窗和鋁合金系列窗被廣泛用于住宅建筑中。玻璃材料占窗戶系統(tǒng)的70%以上，其傳熱系數(shù)直接決定了建筑能耗量的大小。根據(jù)建筑熱工分區(qū)及其設(shè)計(jì)要求，在呼包鄂地區(qū)窗墻比的大小在冬季對(duì)建筑熱負(fù)荷的影響是雙向的，窗墻比會(huì)影響由于室內(nèi)空間太陽輻射的熱量而引起室內(nèi)外熱交換的改變[4]。此外，窗戶朝向也會(huì)引起太陽輻射熱量的不同，因此會(huì)影響住宅建筑能耗的不同[5]。

(2)外墻占圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積中最大部分，約占圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗的43%[6]。在呼包鄂地區(qū)，外墻保溫技術(shù)是保障低能耗住宅建筑的有效措施，外墻保溫隔熱性能的優(yōu)劣對(duì)建筑整體的能耗也起到了決定性作用。墻體外保溫材料可以有效解決冷熱橋的問題，降低建筑能耗的同時(shí)也抵擋紫外線照射和雨水侵蝕，延長了建筑主體的使用壽命[7]。

(3)屋頂占整體建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的比例要小于外墻和窗戶部分，約占圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗的12%[6]，但屋面的熱工性能對(duì)頂層房間的室內(nèi)熱能耗起到了至關(guān)重要的作用。倒置式屋面保溫與傳統(tǒng)式屋面保溫相比，明顯熱保護(hù)功能較好，有效發(fā)揮了保護(hù)層的作用，降低了屋頂在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的負(fù)荷[8]。

研究建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式對(duì)低能耗住宅建筑的影響，應(yīng)結(jié)合呼包鄂地區(qū)的具體情況來考慮外墻、窗戶和屋頂對(duì)建筑熱能耗的影響。

2 建筑模擬分析

2.1 建筑模型

呼包鄂地區(qū)位于嚴(yán)寒C區(qū)，夏季短冬季長。夏季白天太陽輻射充足，整體涼爽，持續(xù)68 d左右。冬季寒冷干燥，持續(xù)158 d左右[9]。

本文選取呼和浩特地區(qū)一梯兩戶六層住宅建筑為研究模擬對(duì)象。建筑面積為1107 m2，總高18 m，正南北朝向。模型室內(nèi)熱擾模式的設(shè)定按照文獻(xiàn)[4]的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。東西向窗墻比為0.1，換氣次數(shù)為0.5次/h，供暖期為10月15日至次年4月15日。模型平面如圖1。

圖1 建筑模型平面

2.1.1 建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造方式

該建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造方式如表1。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造方式

2.1.2 室內(nèi)熱擾規(guī)定

客廳和臥室照明最大發(fā)熱量為5 W/m2,客廳設(shè)備最大發(fā)熱量為9.3 W/m2，餐廳及廚房設(shè)備最大發(fā)熱量為48.2 W/m2。室內(nèi)熱擾參數(shù)作息按照呼和浩特地區(qū)普通居民的作息時(shí)間調(diào)整。

2.2 模擬不同水平圍護(hù)結(jié)構(gòu)的組合方案

圍護(hù)結(jié)構(gòu)中外墻、屋頂、內(nèi)墻、樓板和窗戶不同部位在保溫傳熱過程中發(fā)揮著不同的作用，其中外墻和窗戶占了圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積的60%以上[10]。因此選取主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)指標(biāo)：玻璃類型I、南窗墻比II、北窗墻比III、屋頂保溫厚度IV、外墻保溫聚苯板厚度V。根據(jù)JGJ 26-2010《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定要求，各因素取4個(gè)水平，運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)法研究，如表2、3所示。

表2 各因素水平取值

表3 玻璃類型及傳熱系數(shù)

根據(jù)上述水平取值表本文運(yùn)用L16(45)型的正交實(shí)驗(yàn)表來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，各個(gè)因素之間的影響作用不予考慮。利用DeST軟件模擬每種方案的采暖熱能耗，正交實(shí)驗(yàn)表及模擬數(shù)據(jù)見表4。

表4 正交實(shí)驗(yàn)表及模擬數(shù)據(jù)

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)能耗影響分析及最優(yōu)組合方案的確定

對(duì)16個(gè)方案中的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行正交分析，按照因素不同，把每一個(gè)因素不同水平的模擬結(jié)果分別相加，得到各個(gè)水平的和，即表5中的K1、K2、K3、K4，根據(jù)算出的K1、K2、K3、K4，利用式(1)計(jì)算出均值及其平方值(K1)2、(K2)2、(K3)2、(K4)2，利用式(2)計(jì)算出K1、K2、K3、K4的級(jí)差值。公式如下：

(1)

RI=max{KI1，KI2，KI3，KI4}-min{KI1，KI2，KI3，KI4}

RII=max{KII1，KII2，KII3，KII4}-min{KII1，KII2，KII3，KII4}

RIII=max{KIII1，KIII2，KIII3，KIII4}-min{KIII1，KIII2，KIII3，KIII4}

RIV=max{KIV1，KIV2，KIV3，KIV4}-min{KIV1，KIV2，KIV3，KIV4}

RV=max{KV1，KV2，KV3，KV4}-min{KV1，KV2，KV3，KV4}

(2)

表5表明，各因素的極差值不同，說明每個(gè)因素的水平變化對(duì)住宅建筑低能耗作用不同。極差數(shù)值偏大，原因是此因素水平的變化對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的作用越明顯，極差值小的一列因素是各個(gè)因素水平的變化中對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作用最小的，即顯著性最弱，所以對(duì)于本實(shí)驗(yàn)有：R1>R5>R3>R4>R2。

因此，各因素對(duì)住宅建筑能耗影響的主次順序?yàn)椋篒、V、III、IV、II。

由以上極差確定的各因素的主次順序可知，在內(nèi)蒙古嚴(yán)寒地區(qū)住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要因素中，對(duì)低能耗住宅建筑影響最大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)因素是窗戶玻璃材料，其次是外墻的保溫厚度，最后是窗墻比和屋頂保溫厚度。

挑選因素的優(yōu)化水平與所制定的指標(biāo)有關(guān)，本文所討論的是建筑采暖能耗的問題，故指標(biāo)越小表示建筑能耗越小，即消耗的煤炭量越小，越節(jié)能。因此，選取指標(biāo)水平小的作為最優(yōu)方案。由k1I>k3I>k4I>k2I，k3II>k4II>k1II>k2II，k3III>k4III>k1III>k2III，k4IV>k2IV>k3IV>k1IV，k1V>k2V>k3V>k4V可知，本次實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)方案為：I2II2III2IV1V4。

最優(yōu)方案為：玻璃材料為普通中空玻璃，南向窗墻比為0.4，北向窗墻比為0.2，墻體外保溫材料采用100 mm XPS聚苯板，屋面保溫材料采用50 mm XPS保溫板。分析結(jié)果可知，不考慮經(jīng)濟(jì)合理?xiàng)l件，達(dá)到低能耗住宅建筑有以下措施：跟單層和low-e玻璃相比，中空玻璃的保溫效果較好，應(yīng)采用中空玻璃；南向窗戶面積應(yīng)增大，北向窗戶面積應(yīng)減??；外墻和屋面保溫厚度應(yīng)增大。

表5 正交模擬結(jié)果分析表

4 結(jié) 論

經(jīng)正交實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果可知，通過外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中5個(gè)主要因素對(duì)熱負(fù)荷影響的比較，確定了窗戶材料影響最大，其次是墻體保溫厚度，最后是窗墻比及屋頂保溫厚度。得到的最優(yōu)水平方案是玻璃材料采用普通中空玻璃，南向窗墻比為0.4，北向窗墻比為0.2，外墻保溫材料為100 mm XPS，屋面保溫材料為50 mm XPS。因此，在呼包鄂地區(qū)住宅建筑節(jié)能要加強(qiáng)保溫厚度；控制窗墻比大??；應(yīng)選用傳熱系數(shù)較低的節(jié)能窗戶，從而降低能耗，節(jié)約能源。

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Orthogonal Simulation of the Potential Energy Saving of Residential Buildings Palisade Structure in Hubaoe Region Based on DeST

JINGuo-hui,ZHAOXi-jian

(School of Civil Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China)

With the rapid development of social building energy saving has become a top priority in the energy issue. Considering the abundant solar energy resources in the region, reducing the overall energy consumption of residential building for the purpose, this paper puts the energy consumption of residential building system as the research object. It sets up a model of typical city’s six floors residential building in Inner Mongolia region, and dynamically simulats windows, walls, ratio of window to wall, roof on building palisade structure of load change by using DeST software developed by tsinghua university. Finally, it simulated sixteen orthogonal experiment results. Through the simulation of building energy consumption, studying the effect of the retaining structure to building energy consumption and orthogonal experiment analysis of the degree of each factor on the significance of building energy consumption, it finds the best level of palisade structure optimization scheme. Finally it is suggested to strengthen the insulation thickness, selection of control window wall than size, low heat transfer coefficient of energy-saving windows so as to reduce the energy consumption of residential building energy conservation in the region.

DeST software; palisade structure; residential building; orthogonal experiment

2016-01-06

2016-04-27

金國輝(1965-)，男，內(nèi)蒙古烏拉將中旗人，教授，碩士，研究方向?yàn)橥聊竟こ探ㄔ炫c管理(Email:jinguohuiba@163.com)

內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金(2014MS0535；2016MS0516)；國家自然科學(xué)基金(51668051)

TU241.7

A

2095-0985(2016)06-0063-04