夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑節(jié)能的數(shù)字分析和設(shè)計(jì)策略

1、夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑節(jié)能的數(shù)字分析和設(shè)計(jì)策略本文出自: 能源世界網(wǎng) 作者: 梅子紅了 點(diǎn)擊率: 2441摘要：通過研究夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部件對建筑耗電量的影響，以計(jì)算機(jī)模擬得出的各項(xiàng)參數(shù)，分析了影響建筑節(jié)能指標(biāo)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部件，如墻體、窗戶、玻璃、遮陽、屋頂以及空調(diào)和采暖設(shè)備等，詳盡的分析了不同部件對建筑節(jié)能的影響，并提出該地區(qū)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)策略。為夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)和既有辦公建筑的節(jié)能改造提出數(shù)字化依據(jù)。關(guān)鍵詞：建筑節(jié)能夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑 數(shù)字分析Energy Saving Analysis and Design Strategies for Office B

2、uilding in Hot Summer and Cold Winter ZoneABSTRACTAccording to thepower consumption study and simulation results of difference parts for the office building in the summer-hot and winter-cold zone, this paper analyzes the energy saving effects of every part to the building, such as walls, windows, gl

3、asses, roof, HVAC and so on. Discuss the energy saving performance of building apart in detail. Some influenced parameters are reached and some directed tactics are given for building energy saving design and reconstruction in the summer-hot and winter-cold zone.KEYWORDSEnergy Saving，Summer-hot and

4、winter-cold zone，Office building，Digital analysis以下內(nèi)容需要回復(fù)才能看到一、引 言  我國建筑節(jié)能的任務(wù)是：在保證使用功能、建筑質(zhì)量和室內(nèi)環(huán)境符合小康目標(biāo)的前提下，采取各種有效的節(jié)能技術(shù)與管理措施，降低新建房屋單位建筑面積的能耗。同時(shí)，對既有的建筑物進(jìn)行有計(jì)劃的節(jié)能改造，達(dá)到提高使用的熱舒適性、節(jié)約能源和改善環(huán)境的目的。   在夏熱冬冷地區(qū)的建筑設(shè)計(jì)和既有建筑的節(jié)能改造工作中，對建筑節(jié)能和建筑性能的要求更為突出。當(dāng)代信息技術(shù)與環(huán)境技術(shù)設(shè)備的發(fā)展使得對建筑性能進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和數(shù)字化精確調(diào)控成為可能。在方案階

5、段對整個(gè)建筑的能源消耗和生態(tài)效應(yīng)有一個(gè)準(zhǔn)確的估算，最大限度減少不可再生能源的消耗，真正實(shí)現(xiàn)綠色建筑設(shè)計(jì)中的節(jié)能降耗指標(biāo)，對建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，合理地安排并組織建筑與其他相關(guān)環(huán)境因素之間的聯(lián)系，是夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)和既有建筑改造設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟。利用建筑的體型和對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選用或改造，是建筑節(jié)能最為關(guān)鍵的一步。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)或改造的數(shù)字化分析是本文的出發(fā)點(diǎn)。運(yùn)用此手段，從而研究夏熱冬冷地區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能性能，提出在建筑設(shè)計(jì)或節(jié)能改造中可實(shí)施的節(jié)能設(shè)計(jì)策略?？紤]到不同地區(qū)地理位置和氣候條件的差異性，本文所研究的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能，主要研究太陽輻射對建筑的影響，在文

6、章結(jié)尾中，列出圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)的基本結(jié)論，但各地區(qū)應(yīng)根據(jù)具體地理位置和實(shí)際情況，修正其節(jié)能參數(shù)。二、辦公建筑模型以及數(shù)字計(jì)算條件 建筑概況：該辦公建筑為地上8層的普通標(biāo)準(zhǔn)型板式建筑，結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)，總占地面積70045 m2，建筑面積561700 m2，結(jié)構(gòu)上采用240mm厚的承重墻和120mm厚的隔墻，外墻采用240mm厚的復(fù)合材料。所處地理位置：武漢市，東經(jīng)114°1229，北緯30°4701。建筑的基本參數(shù)：窗墻比：0213（北）；0085（東）；0379（南）；0085（西）。建筑體形系數(shù)：0226。室外氣象計(jì)算參數(shù)采用武漢典型年的氣象報(bào)告，由武漢市氣象局提供。采暖

7、和空調(diào)使用時(shí)，室內(nèi)換氣次數(shù)為10次/h。室內(nèi)照明得熱為每平方米每天4w，室內(nèi)設(shè)備得熱平均強(qiáng)度為6w/ m2。辦公建筑的內(nèi)部得熱在冬季可以減小采暖負(fù)荷，在夏季則增大空調(diào)負(fù)荷。在計(jì)算時(shí)將內(nèi)部得熱分為照明和其它設(shè)備兩類來考慮。采暖和制冷設(shè)備系統(tǒng)為分體空調(diào)，均以電力為能源，制冷性能系數(shù)EER為27，采暖制熱性能系數(shù)COP28，這主要是考慮普通空調(diào)器國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低能效比。由于夏熱冬冷地區(qū)室內(nèi)采暖、空調(diào)設(shè)備的配置實(shí)際上能夠控制的主要是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，所以在計(jì)算中適當(dāng)降低設(shè)備的額定能效比對建筑實(shí)際達(dá)到節(jié)能50的目標(biāo)是有利的。在計(jì)算中取空調(diào)的最低能效比，有利于突出建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在建筑節(jié)能中的作用。辦公室室內(nèi)計(jì)

8、算溫度，冬季為18；夏季為26。沒有按照公共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)冬季20，夏季25的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，是考慮到國家在倡導(dǎo)在夏季溫度調(diào)高1度的建議。故按照居住建筑節(jié)能的溫度做計(jì)算。這樣做并不影響以下的結(jié)果，因?yàn)槎际遣捎孟鄬χ档陌俜直葋黻愂鼋Y(jié)果。本例采用空調(diào)和采暖耗電量作為評價(jià)指標(biāo)。作為一個(gè)普通辦公樓建筑，白天工作，晚上休息。房間內(nèi)的設(shè)備的使用周期與辦公時(shí)間相同。辦公室具體的使用周期如下：周一至周五工作，周六、周日以及節(jié)假日休息，工作時(shí)間為每天上午8：00下午6：00，照明設(shè)備、空調(diào)設(shè)備和其他設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間也一樣。在決定這些熱工數(shù)據(jù)時(shí)，考慮了滿足冬、夏兩季的要求。墻體采用平均傳熱系數(shù)，即按面積加權(quán)法求得外墻的傳熱

9、系數(shù)，同時(shí)考慮了圍護(hù)結(jié)構(gòu)周邊的混凝土梁、柱等熱橋的影響。模擬計(jì)算程序?yàn)镈OE2PLUS，輸出結(jié)果以輸出報(bào)告中的大樓空調(diào)系統(tǒng)各個(gè)月份的總耗電量為依據(jù)，并作為節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的衡量標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。三、影響節(jié)能指標(biāo)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)部件數(shù)字分析1耗電量百分比總體分析（以夏季為例）由于DOEPLUS程序的限制，以及我國的夏、冬兩季的兩個(gè)溫度標(biāo)準(zhǔn)與DOEPLUS程序所設(shè)計(jì)的全年保持室內(nèi)只有一個(gè)空調(diào)溫度不同，故采暖周期和空調(diào)周期的耗電量分析必須分周期進(jìn)行討論?，F(xiàn)以夏季6、7、8月為主要計(jì)算周期，同時(shí)把5月和9月的數(shù)據(jù)也列出作為參考。以下數(shù)據(jù)為該建筑的比較參數(shù)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為240mm磚復(fù)合墻體。其它數(shù)據(jù)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用節(jié)能措施后，相

10、對240墻的耗電量的百分比（見表1、表2）分別為：1)外墻加4080mm厚聚苯板；根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，采用40mm（傳熱系數(shù)為065 W/ m2·K）的聚苯板與80mm（傳熱系數(shù)為034 W/ m2·K）聚苯板的效果相差很小，所以只列出增加40mm厚聚苯板的結(jié)果；2)墻和屋頂加80mm厚聚苯板；3)窗戶上固定遮陽，外挑尺寸的設(shè)計(jì)參數(shù)，可以在武漢市59月份完全遮擋太陽光照射進(jìn)室內(nèi)；4)所有的窗戶都換LOW-E玻璃，玻璃傳熱系數(shù)為30 W/ m2·K；5)所有的窗戶都換LOW-E玻璃，玻璃傳熱系數(shù)為15 W/ m2·K；6)所有窗戶都只換普通中空玻璃窗, 玻璃

11、傳熱系數(shù)為34 W/ m2·K；7)既用遮陽，又用LOW-E玻璃，玻璃傳熱系數(shù)為30 W/ m2·K（為方便分析，將遮陽功能從LOW-E玻璃窗的功能中單獨(dú)剝離出來，作為兩項(xiàng)節(jié)能措施）；8)既用窗外百葉活動(dòng)遮陽，又用LOW-E玻璃，玻璃傳熱系數(shù)為30 W/ m2·K；9)墻體加聚苯板，聚苯板傳熱系數(shù)為034 W/ m2·K，窗戶換LOW-E玻璃，玻璃傳熱系數(shù)為30 W/ m2·K；10)窗戶改為普通中空玻璃窗，然后采取所有的上述節(jié)能措施；11)窗戶改為LOW-E中空玻璃窗，然后采取所有的上述節(jié)能措施。月份240mm墻墻加聚苯板墻和屋頂加聚苯板窗戶

12、上固定遮陽LOW-E玻璃K=30 W/m2KLOW-E玻璃K=15 W/m2K五月100%1001%993%972959%953%六月100%986%979%972960%952%七月100%972%965%971958%950%八月100%964%958%971958%950%九月100%966%959%971958%951%表1 總體情況表月份普通中空玻璃采用固定遮陽和LOW-E玻璃窗外百葉活動(dòng)遮陽加LOW-E玻璃墻體聚苯板加LOW-E玻璃全部措施（普通中空玻璃）全部措施（LOW-E玻璃）五月986%956%953%952%962%946%六月987%956%952%937%947%932

13、%七月986%954%950%923%933%918%八月986%953%950%916%925%910%九月986%954%950%918%928%912%表2 總體情況表（續(xù)）2 耗電量百分比總體分析圖2結(jié)果分析按以上數(shù)據(jù)，將240mm墻設(shè)定為100，再根據(jù)耗電百分比的均值，得到節(jié)能效果的排列為（從節(jié)能效果最差到最好排序）：采用措施節(jié)能效果所有窗戶都只換普通中空玻璃窗9864%外墻加聚苯板9719%窗戶上固定遮陽9712%墻和屋頂加聚苯板9650%所有的窗戶都換LOW-E玻璃9580%既用遮陽，又用LOW-E玻璃9542%既用窗外百葉活動(dòng)遮陽，又用LOW-E玻璃9507%窗戶改為普通中空玻

14、璃窗，然后采取所有的節(jié)能措施9328%墻體加聚苯板，窗戶換LOW-E玻璃9234%窗戶改為LOW-E中空玻璃窗，然后采取所有的上述節(jié)能措施9176%表3 節(jié)能效果排序表由于所有結(jié)果都是在使用空調(diào)的條件下得出，所以，以下結(jié)論都要考慮在使用空調(diào)的環(huán)境條件下。1)窗換普通中空玻璃窗，只能起到較小的節(jié)能效果，節(jié)能的效果只是表現(xiàn)在空調(diào)環(huán)境改善上；2)夏天5個(gè)月（實(shí)際上主要考慮6、7、8月，5月和9月列出是為了比較，下同），單獨(dú)墻體改進(jìn)（隔熱加保溫）一個(gè)月至多可以節(jié)約2434的耗電量。若將屋頂也做改進(jìn)，一個(gè)月則可以節(jié)約至多354耗電量。整個(gè)夏天，單獨(dú)改進(jìn)墻體可以節(jié)約用電量35左右。3)單獨(dú)作用的固定南向窗

15、戶上的遮陽板可以每月節(jié)約3的耗電量，整個(gè)夏天，單獨(dú)增加固定遮陽板可以節(jié)約用電量3左右。4)所以，根據(jù)2和3條，外墻加聚苯板和窗戶上有固定遮陽的效果基本一樣，但按性價(jià)比考慮，遮陽要大大優(yōu)于外墻加聚苯板；相比較遮陽而言，經(jīng)濟(jì)性（性價(jià)比）應(yīng)是遮陽比大樓全外墻加聚苯板要高。5)夏天單獨(dú)作用的所有窗戶（整棟大樓）上玻璃采用LOW-E玻璃可以每月節(jié)約45的耗電量，整個(gè)夏天，單獨(dú)改進(jìn)窗玻璃可以節(jié)約用電量5左右。夏天，LOW-E玻璃的傳熱系數(shù)的變化對節(jié)能效果影響在1以內(nèi)，但普通中空玻璃窗和LOW-E玻璃窗兩者的價(jià)格差肯定比這大得多。但在冬天，LOW-E玻璃的傳熱系數(shù)低的效果就比高的節(jié)能效果要提高許多。故選擇時(shí)

16、，要注意LOW-E玻璃窗的性價(jià)比，根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的玻璃窗。6)夏天，南向窗加遮陽與所有窗戶（整棟大樓）上玻璃采用LOW-E玻璃可以每月節(jié)約45左右的耗電量，整個(gè)夏天，南向窗加遮陽與所有窗戶（整棟大樓）上玻璃采用LOW-E玻璃可以節(jié)約用電量45左右。這里有兩種遮陽方式，一種是固定在窗戶上方，作為建筑部件的遮陽，一種是窗外百葉遮陽。百葉遮陽在這里的關(guān)閉時(shí)間為，上班時(shí)間關(guān)閉，下班時(shí)間開啟。根據(jù)計(jì)算，窗外百葉遮陽效果略好于建筑部件的遮陽，可以達(dá)到節(jié)約用電量56左右，但實(shí)際上，窗外百葉遮陽是要靠人控制或機(jī)械電氣控制，結(jié)果要根據(jù)性價(jià)比具體分析。7)若只考慮夏天，夏熱冬冷地區(qū)的辦公樓的窗戶可只采用遮陽

17、或換LOW-E玻璃窗其中一種方式，基本能滿足同一節(jié)能要求，節(jié)能效果相差13%左右，但兩種措施都采取，也只能達(dá)到采用其中換LOW-E玻璃窗的節(jié)能效果。這個(gè)結(jié)論的前提條件是玻璃窗的密閉條件要達(dá)到要求。8)夏天，大樓外墻體，包括屋頂都加聚苯板和所有窗戶（整棟大樓）上玻璃窗都采用LOW-E玻璃最多每月可以節(jié)約89的耗電量，整個(gè)夏天，大樓外墻體，包括屋頂加聚苯板和所有窗戶（整棟大樓）上玻璃采用LOW-E玻璃可以節(jié)約用電量8左右。9)夏天采取上述所有措施，比第8條還多采取一個(gè)遮陽措施，最多每月可以節(jié)約89的耗電量，整個(gè)夏天，可以節(jié)約用電量9左右。當(dāng)然，所有的措施都采用，效果肯定最好，但與只改進(jìn)墻體、窗的效

18、果差不多，也就是沒有把遮陽用上。10)將第9條的采用所有窗戶（整棟大樓）上玻璃采用LOW-E玻璃的措施改為采用普通中空玻璃窗，節(jié)能效果也還不錯(cuò)，但前提條件是圍護(hù)結(jié)構(gòu)其他部分以及遮陽的措施一定要采取，否則就會使得節(jié)能效果差（可參見第1條的結(jié)論）。四建筑全年情況數(shù)字分析由氣象數(shù)據(jù)可以分析得知，按國家標(biāo)準(zhǔn)中度日數(shù)概念，以及有可能達(dá)到采暖標(biāo)準(zhǔn)溫度18和空調(diào)溫度26的實(shí)際情況，采暖周期為4個(gè)月（11月、12月、1月和2月）；空調(diào)周期也是4個(gè)月（6月、7月、8月和9月）。其余月份在溫度調(diào)節(jié)上沒有耗費(fèi)能源。那么，各取相對的4個(gè)月的耗電量相對本周期總耗電量的百分比，見下表：月份未采取節(jié)能措施耗電量相對本耗電周

19、期百分比采取節(jié)能措施耗電量相對本耗電周期百分比采取節(jié)能措施前后的耗電量百分比11月31.40%22.70%39.68%12月25.26%19.04%41.32%1月21.80%40.98%103.09%2月21.55%17.26%43.93%采暖周期總耗電量100%100%6月24.28%24.64%92.99%7月25.23%25.25%91.67%8月25.74%25.51%90.81%9月24.76%24.60%90.98%空調(diào)周期總耗電量100%100%全年總耗電量100%74.31%74.31%表4 全年情況分析表本例中，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在沒有進(jìn)行節(jié)能處理的情況下，采暖周期4個(gè)月占全年用

20、電量的47，空調(diào)周期4個(gè)月占全年用電量的53，基本上兩個(gè)周期各占一半的能量耗費(fèi)；采用節(jié)能措施后，采暖周期4個(gè)月占全年用電量的347（由于上述數(shù)據(jù)中，有一個(gè)數(shù)據(jù)偏差較大，盡管我們在總結(jié)時(shí)進(jìn)行了處理，但數(shù)據(jù)還是原樣列出），空調(diào)周期4個(gè)月占全年用電量的653。這表明在夏熱冬冷地區(qū)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造可以使得采暖周期的耗電量下降較大，而空調(diào)周期的耗電量改善有限。本例圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改造使得采暖周期平均節(jié)約用電46，空調(diào)周期平均節(jié)約用電9。據(jù)此計(jì)算，相比較240mm磚墻未進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造的辦公建筑，全年節(jié)約257的耗電量，但這并不是相對國家公共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)能比率。這就是在既有建筑上采取措施能夠節(jié)約能量

21、（電能）的基本數(shù)據(jù)。按照國家公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，將該建筑改為“基準(zhǔn)建筑（Baseline）”，外墻K值為15 W/ m2·K，外窗改為64 W/ m2·K后，該例本身已節(jié)能78；若將基準(zhǔn)建筑室內(nèi)與室外空氣交換的程度增大，即減小玻璃窗的密閉程度，該例本身已可節(jié)能12。盡管在“基準(zhǔn)建筑”上進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造和在本例所述建筑上進(jìn)行相同節(jié)能改造的結(jié)果并不是呈線性比例的，但作為基本全年總評估，采用線性計(jì)算還是可行的。故綜上所述，相比較“基準(zhǔn)建筑”，本例采取節(jié)能措施后，全年節(jié)約1（10.07）×(10.257) ×10030%的耗電量。而基準(zhǔn)建筑減小玻璃窗的

22、密閉程度，該例本身則可全年節(jié)約35的耗電量。該建筑要達(dá)到國家節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，剩下的節(jié)能要求，就要靠提高的空調(diào)機(jī)的效率，通風(fēng)的效率，照明的效率和其他耗能設(shè)備的效率了。五、辦公建筑設(shè)計(jì)和改造措施的分析按照上述結(jié)果分析，在夏熱冬冷地區(qū)，在不采用設(shè)備進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)的3月，4月，5月和10月，可依靠通風(fēng)以及風(fēng)扇等小電氣設(shè)備來調(diào)溫，在需調(diào)溫周期，過大的通風(fēng)會增加耗能程度。在此，辦公建筑的辦公時(shí)段，沒有考慮自然通風(fēng)，而采用新風(fēng)系統(tǒng)供新鮮空氣。若要考慮建筑自然通風(fēng)狀況，可采用CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）模擬方法進(jìn)行評估。辦公建筑的辦公時(shí)段的新風(fēng)機(jī)的耗能分析，以及照明和其他電氣設(shè)備的耗能將在其他文章里再討論。其他影響建筑節(jié)

23、能的因素，如建筑朝向、建筑是否靠近水體、綠地影響等，也不在此討論。夏熱冬冷地區(qū)的辦公建筑節(jié)能設(shè)計(jì)或改造，宜先從玻璃窗改造方面考慮措施。首先，玻璃窗的密閉程度應(yīng)該提高，玻璃窗的密封程度，可以影響到全年的節(jié)能效率46（計(jì)算結(jié)果沒有列出，但在上文討論與“基準(zhǔn)建筑”的比較時(shí)，列出了該值的部分討論）。其次，玻璃窗的改造。在現(xiàn)有玻璃窗內(nèi)、外再加一層玻璃窗，相當(dāng)于普通中空玻璃的節(jié)能效果，即可增加玻璃窗的密閉性，也可改善節(jié)能效果。若原窗密閉性較好，則增加遮陽措施效果更好，若密閉性不好，則先解決窗的密閉性。窗的玻璃改造有兩種，即是否采用LOWE玻璃。但無論采用那種，窗的遮陽系數(shù)要低，而普通中空玻璃一定要采取遮陽措施，LOWE玻璃窗一定要選遮陽系數(shù)合適的產(chǎn)品。在夏熱冬冷地區(qū)，夏天要把太陽輻射擋在室外，冬天則需要將太陽輻射引入室內(nèi)，且還是越多越好，用以提高室內(nèi)溫度和增加自然采光。由于LOWE玻璃窗不具備這種兩面性，所以，本地區(qū)應(yīng)該在設(shè)計(jì)中可充分考慮采用遮陽措施。窗外百葉遮陽或活動(dòng)式遮陽需靠人或機(jī)械、電氣調(diào)節(jié)，風(fēng)吹雨打又容易損壞，有一定的局限性，但優(yōu)點(diǎn)也是明顯的，冬、夏兩季都能很好滿足要求。建筑的固定遮陽夏天沒有問題，但遮陽板設(shè)計(jì)不好，會部分影響冬天的太陽輻射照進(jìn)室內(nèi)，更談不上利用冬天太陽