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(xué)土木建筑學(xué)院，淮南 232001；②安徽省建筑設(shè)計(jì)研究院二院，合肥 230002）

0 引言

長期以來，緩解全球能源危機(jī)一直是各國不斷探尋的議題，新能源、新技術(shù)的應(yīng)用對未來國家的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。2020 年我國建筑全過程能耗總量為22.7 億tce 標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國能源消費(fèi)總量比重為45.5%[1]。其中在建筑運(yùn)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(shè)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(shè)計(jì)階段的冷熱負(fù)荷大小決定了空調(diào)系統(tǒng)的能耗建設(shè)初始投資[2]。因此為實(shí)現(xiàn)公共建筑節(jié)能，第一步需要精準(zhǔn)計(jì)算建筑的冷熱負(fù)荷，尤其是冷負(fù)荷。

目前，國內(nèi)許多學(xué)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(jìn)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(fù)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?yàn)橄臒岫涞貐^(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(shè)備用房，一、二層為商業(yè)區(qū)，第三層為高2.15m 的設(shè)備轉(zhuǎn)換層，三至十七層為重復(fù)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)。繪制好房間線后將每一層建立塊，并找到對位基點(diǎn)逐層累加，然后導(dǎo)出文件。在DEST-C（商業(yè)建筑模塊）軟件中打開cad 導(dǎo)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(shí)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(hù)結(jié)構(gòu)都需放在0 圖層中。在建模時(shí)，先建立基本模型到第四層，設(shè)置所需參數(shù)后，再將第四層樓層整體復(fù)制樓層。（圖1）

圖1 商業(yè)辦公樓三維建筑模型

2 參數(shù)設(shè)定

2.1 氣象參數(shù) 建筑采用系統(tǒng)本身設(shè)置，使用典型年作為標(biāo)準(zhǔn)。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(chǔ)建模完成后，設(shè)置建筑維護(hù)參數(shù)。本項(xiàng)目屬于商業(yè)綜合體，建筑形體復(fù)雜，因此針對不同的建筑用途，設(shè)置相應(yīng)的材料參數(shù)。參考《民用建筑熱工設(shè)計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

2.3 維護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù) 建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定。外墻采用外保溫為煤矸石空心磚加巖棉復(fù)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(shè)備作息時(shí)間均按不同房間功能設(shè)置。

3 建筑負(fù)荷模擬分析

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(xiàng)也是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分[3]?；贒EST 數(shù)據(jù)分析所選項(xiàng)目的全年累計(jì)冷、熱負(fù)荷指標(biāo)。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(fù)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(hù)結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(huì)增加冷暖氣系統(tǒng)的負(fù)荷。通過模擬計(jì)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(shí)全年最大冷負(fù)荷、全年最大熱負(fù)荷、尖峰冷負(fù)荷，尖峰熱負(fù)荷的模擬結(jié)果（圖2）。由圖2 可以看出。在只有窗墻比變化的基礎(chǔ)條件下，建筑全年累計(jì)冷負(fù)荷，建筑全年累計(jì)總負(fù)荷，建筑全年累計(jì)熱負(fù)荷都隨之改變，基本成線性增長。建筑全年累計(jì)冷負(fù)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(jié)果，建筑負(fù)荷大幅降低，降低約為14.3%。全年累計(jì)總負(fù)荷降低了10.6%。全年累計(jì)熱負(fù)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(huì)導(dǎo)致冷空氣通過窗戶進(jìn)入室內(nèi)，增加供暖系統(tǒng)的負(fù)荷。而在夏季，較大的窗戶會(huì)讓更多的太陽能照射進(jìn)室內(nèi)，增加空調(diào)系統(tǒng)的能耗。因此，窗墻比過大可能會(huì)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(jì)負(fù)荷

3.2 玻璃幕墻熱工性能對負(fù)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(biāo)，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(shí)驗(yàn)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(jì)算出結(jié)果。由圖3 可以看出，全年累計(jì)冷負(fù)荷、全年累計(jì)總負(fù)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(fù)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(qiáng)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(jìn)入，減少室內(nèi)的熱量積聚，降低空調(diào)負(fù)荷，能夠減少夏季的冷卻能耗，并且降低了建筑的最大冷負(fù)荷。在冬季，而遮陽系數(shù)只影響建筑的最大冷負(fù)荷，對建筑的最大熱負(fù)荷影響較小。

圖3 外窗不同遮陽系數(shù)下的全年累計(jì)負(fù)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(jì)熱負(fù)荷，建筑全年累計(jì)總負(fù)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(jì)熱負(fù)荷。這是一個(gè)非常高的數(shù)據(jù)了，而且全年總負(fù)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(yùn)行能耗。

圖4 外窗不同傳熱系數(shù)下的全年累計(jì)負(fù)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(xiàng)目模擬過程根據(jù)DEST 中外墻結(jié)構(gòu)，選取了傳熱系數(shù)0.3 到0.8 不同外墻結(jié)構(gòu)，在其余條件保持原數(shù)據(jù)的情況下，得出模擬結(jié)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(dòng)。當(dāng)傳熱系數(shù)為0.4 時(shí)，全年累計(jì)熱負(fù)荷最低為908945.91（kW·h），全年累積冷負(fù)荷最高為2089286.58（kW·h），全年累積冷負(fù)荷最低2998232.49（kW·h）。在傳熱系數(shù)0.3 到0.4 時(shí)，建筑總負(fù)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(shí)，建筑總負(fù)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(gè)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(jì)總負(fù)荷3056904.571（kW·h），幅度波動(dòng)較小，接近外墻傳熱系數(shù)影響下所能夠達(dá)到的最小負(fù)荷。

圖5 不同外墻的傳熱系數(shù)下的全年累計(jì)負(fù)荷

4 結(jié)語

本研究基于不同外圍護(hù)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(fù)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(jié)果的總結(jié)。①窗墻比對建筑負(fù)荷的影響：窗墻比的增加會(huì)導(dǎo)致建筑的全年累計(jì)冷負(fù)荷和全年累計(jì)總負(fù)荷的增加。較大的窗墻比可能會(huì)降低建筑的隔熱性能，增加供暖和冷卻的能耗。因此，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)仔細(xì)權(quán)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(fù)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(jìn)入室內(nèi)，減少冷卻負(fù)荷。較低的傳熱系數(shù)可以降低熱量傳遞，減少熱負(fù)荷。因此，在選擇玻璃幕墻時(shí)應(yīng)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(xiàng)目為例采用傳熱系數(shù)范圍0.3 至0.4 較為合適。為了實(shí)現(xiàn)公共建筑的節(jié)能目標(biāo)，設(shè)計(jì)階段應(yīng)該精確計(jì)算建筑的冷熱負(fù)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(shè)計(jì)可以顯著降低建筑能耗，幫助緩解全球能源危機(jī)。