247廣州地區(qū)建筑遮陽與夜間通風系統(tǒng)模擬分析與經濟性評價

1、第18頁廣州地區(qū)建筑遮遮陽與夜間通通風系統(tǒng)模擬分析與經濟濟性評價清華大學建筑技技術科學系 王旭輝 高巖 吳彥彥廷 秦蓉 吳如宏 燕燕達摘要 針對一一棟位于廣州州的典型商業(yè)業(yè)建筑模型，用用能耗模擬軟軟件DeSTT對其遮陽系系統(tǒng)與夜間通通風系統(tǒng)的不不同配備情況況與運行模式式進行模擬分分析，從節(jié)能能性及經濟性性方面分析比比較10種方方案。結果表表明：遮陽和和夜間通風能能有效減小建建筑負荷，減減少空調系統(tǒng)統(tǒng)初投資和運運行費；在110種方案中中，綜合應用用帶控制的內內遮陽和夜間間通風的方案案具有最佳經經濟性。關鍵詞 遮陽陽 夜間通通風 經濟濟性1 引言隨著我國經濟的的飛速發(fā)展和和人們對建筑筑環(huán)境要求的的

2、不斷提高，用用于實現建筑筑室內環(huán)境調調控的空調能能耗不斷提高高，降低空調調能耗、實現現健康可持續(xù)續(xù)的發(fā)展，成成為了建筑物物與空調系統(tǒng)統(tǒng)設計中亟待待解決的重要要問題。與窗戶結合的遮遮陽系統(tǒng)可以以有效的減少少進入室內的的太陽輻射得得熱量，降低低空調能耗；而夜間通風風能夠有效利利用夜間室外外冷量，通過過建筑物蓄冷冷降低白天空空調負荷峰值值。如能針對對以上兩者采用用適當的控制制方案，它們都都是非常有效的的節(jié)能措施，將能在降低空調能耗方面發(fā)揮巨大功效。為考察遮陽系統(tǒng)統(tǒng)與夜間通風風的不同運行行模式對建筑筑能耗的影響響，本文將利用計計算機模擬分分析工具，針針對采用了法國尚尚飛（SOMFY）公司司的遮陽控制系

3、系統(tǒng)和夜間通風窗窗控制系統(tǒng)的的廣州地區(qū)典典型商用建筑筑，從節(jié)能性性及經濟性方方面分析比較較不同的遮陽陽與夜間通風風方案，以提提出節(jié)能而經經濟的運行方方案。2 模擬方案利用模擬軟件對對建筑進行動動態(tài)模擬，能能夠準確地再再現建筑物復復雜的熱過程程，對輔助建筑設計計具有重要的的意義。本文文應用的模擬擬軟件為清華華大學建筑技技術科學系開開發(fā)的DeSST軟件11，該軟件支持持各種建筑物物與環(huán)境控制制系統(tǒng)的動態(tài)態(tài)模擬分析，其計算準確性已得到全面驗證2。為更好地考察建建筑遮陽與夜夜間通風的不不同方案的節(jié)節(jié)能效果和經經濟性，本文文選擇廣州作作為建筑所在在地，采用廣廣州典型氣象象年逐時數據據3對一典型商用用建筑

4、模型進進行模擬。針針對不同遮陽陽方式、夜間間通風方式，本本文設計了110種典型組組合方案進行行模擬分析。2.1 建筑模模型本文采用的建筑筑模型是一棟棟位于廣州的的典型商業(yè)建建筑，其立體體圖和平面圖圖如圖1、22所示，該建建筑長40mm，寬35m，南北北朝向，共有有8層，總建建筑面積111200m2。整個建筑筑包括電梯間、走走廊、衛(wèi)生間間等構成的建建筑核心筒區(qū)區(qū)域以及周邊邊辦公室區(qū)域域，建筑中的的每個房間都都可以設置遮遮陽控制裝置置和夜間通風風控制裝置。圖1 建筑模型型三維立體圖圖圖2 建筑模型型平面圖建筑的圍護結構構參數見表11和表2：表1 建筑墻墻體、屋面和和樓板參數圍護結構名稱圍護結構材料

5、傳熱系數W/(m2 K)外墻24磚墻+聚苯苯板內保溫0.564內墻陶?；炷了嗌皾{1.515屋面加氣混凝土保溫溫屋面0.812樓板鋼筋混凝土樓板板3.055表2 建筑筑外窗參數外窗結構6mm玻璃+99mm空氣層層+6mm玻璃中空雙層玻璃窗窗傳熱系數 W/(m2 K)3.1遮陽系數SC0.67太陽得熱系數SSHGC0.583建筑室內設計參參數如表3：表3 建筑筑室內設計參參數房間類型夏季冬季溫度（）相對濕度（%）溫度（）相對濕度（%）辦公室242660202250空房間182660182635走廊2028652028552.2 遮陽與與夜間通風方方案本文所模擬的110種遮陽與與夜間通風組組合

6、方案如表表4所示：表4 遮陽與與夜間通風的的10種組合合方案方案遮陽裝置外遮陽百葉角度度內遮陽卷簾夜間通風冬季遮陽率夏季遮陽率方案1無方案2外遮陽百葉90方案3外遮陽百葉45方案4內遮陽卷簾0100無方案5內遮陽卷簾050無方案6內遮陽卷簾0100固定換氣次數：2次/小時時方案7內遮陽卷簾0遮陽控制系統(tǒng)，控控制室內自然然采光照度到到300Lxx無方案8內遮陽卷簾0遮陽控制系統(tǒng)，控控制室內自然然采光照度到到300Lxx固定換氣次數：2次/小時時方案9內遮陽卷簾0遮陽控制系統(tǒng)，控控制室內自然然采光照度到到300Lxx (房間無無人且空調系系統(tǒng)未關閉時時：100%)無方案10內遮陽卷簾0遮陽控制系統(tǒng)

7、，控控制室內自然然采光照度到到300Lxx (房間無無人且空調系系統(tǒng)未關閉時時：100%)固定換氣次數：2次/小時時注：遮陽率指遮遮陽裝置的使使用比率，1100%表示示全部使用。外遮陽百葉角度指百葉與水平面的夾角。各方案間的比較較關系如圖33所示，具體體解釋如下：方案1沒有采取取遮陽及通風風措施，作為為與其它方案案比較的基準準案例；方案2和方案33分別代表配配備不同角度度的外遮陽百葉但沒沒有控制系統(tǒng)統(tǒng)的情況，用用于體現采用用外遮陽措施施的效果；方案4和方案55分別代表配配備不同遮陽陽率的內遮陽陽卷簾但沒有控控制系統(tǒng)的情情況，用于體體現采用內遮遮陽措施的效效果；方案6是在方案案4的基礎上上增加了

8、通風風窗控制系統(tǒng)統(tǒng)；方案7用于模擬擬設有遮陽控控制系統(tǒng)，通通過控制室內內自然采光照照度到3000Lx，自動動調整室內遮遮陽裝置的開開啟率的工況況；方案8是在方案案7的基礎上上再增加通風風窗控制系統(tǒng)統(tǒng)；方案9用于模擬擬遮陽控制系系統(tǒng)與房間內內部監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)的聯(lián)動控制制的工作模式式（當房間內內部監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)監(jiān)測到房間間無人并且空空調系統(tǒng)沒有有關閉時，為為了實現節(jié)能能控制模式，并并維持室內溫溫度處于一定定的舒適范圍圍，故將室內內空調設定溫溫度提高2，例如有人人時的工作時時間空調設定定溫度為266，而無人時時為28）；方案10是在方方案9的基礎礎上增加通風風窗控制系統(tǒng)統(tǒng)。圖3 十種方方案之間的比比較關系3

9、 模擬結果分分析3.1 建筑負負荷比較考察以上10種種方案對建筑筑負荷的影響響，各方案的的全年累計耗耗冷耗熱量如圖4，冷熱負荷荷峰值如圖55：圖4 各方案建建筑全年累計計耗冷耗熱量量比較圖5 各方案建建筑全年冷熱熱負荷峰值比比較由圖4和圖5可可見，在廣州州冷負荷遠大大于熱負荷，因因此冷負荷是是影響全年能能耗的主要因因素。遮陽設設備對于尖峰峰負荷的影響響比較明顯，各各種設置了遮遮陽的方案的的最大冷負荷荷均比沒有設設置遮陽的方方案1低；從方案55、7、9的的比較可見，遮遮陽時間越長長（975），全年年累計冷負荷荷以及冷負荷荷的峰值就越越小，其中遮遮陽時間最長長的方案9比比起無遮陽的的方案1全年年累

10、計耗冷量量降低了122。對于夜間通風的的效果，分別別比較方案44和6、7和8、9和10，每一組組都采用了相相同的遮陽形形式和控制策策略，而后者者均加入了夜夜間通風?？梢钥吹郊蛹尤胍归g通風風之后，全年年累計耗冷量量分別降低了了6.7、22.1和22.0，可可見在廣州由由于晝夜溫差差較小，夜間通風的的效果并不十十分明顯。3.2 照度比比較考察不同的遮陽陽控制方式下下室內照度情情況。以方案案5和方案77為例，兩者者全年累計能能耗以及冷負負荷峰值相差差不多，方案案5的遮陽使使用率保持550不變，而而方案7則根根據室內照度度來調控遮陽陽設備。圖66和圖7分別是方案案5和方案77在6月299日及9月2日，

11、西南向房房間的逐時室室內自然采光光照度。圖6 6月229日兩方案案室內逐時照照度比較圖7 9月22日兩方案室室內逐時照度度比較通過以上兩圖的的比較可見，方方案5由于不不對遮陽設備備進行控制，室室內照度隨時時間變化較大大，而且在很很多時刻低于于300Lxx，為維持室內照照度，可能導導致照明電耗耗增加；而方案案7則能夠充充分利用自然然光滿足室內內照度需求，維維持較為穩(wěn)定定的室內照度度環(huán)境，從而而減小照明用電消耗?？梢?，采用合適適的遮陽控制制方案，有利利于改善室內內照度環(huán)境和和減小照明電電耗。3.3 經濟性性分析要考察某一節(jié)能能措施的經濟濟性，必須在在初投資和運運行費用的計計算上將該措措施所帶來的的

12、影響全部考考慮進去，不不論是遮陽還還是夜間通風風，由于改變變了建筑負荷荷，勢必會對對整個空調系系統(tǒng)的選型和和運行帶來影影響，從而改改變暖通空調調系統(tǒng)的初投投資和運行費費用，因此下下文進行遮陽陽和夜間通風風的經濟性分分析時，初投投資和運行費費用的計算都都將涵蓋整個個暖通空調系系統(tǒng)。初投資的計算除除了包括暖通通空調系統(tǒng)主主要設備、材材料的購置費費，暖通空調系系統(tǒng)施工的人人工費、機械械費、材料費費等，還需要要按照北京京市建設工程程概算定額4的要求，計算系統(tǒng)工程的其它直接費、施工臨時設施費、現場經費、企業(yè)管理費、利潤、稅金等。本文的暖通空調系統(tǒng)初投資按下面的公式，根據實際產品價格計算：暖通空調系統(tǒng)總總

13、投資=直接接費其它直直接費臨時時設施費現現場管理費企業(yè)管理費費利潤稅稅金。3.3.1 經經濟性分析參參數的設定由于本文涉及的的內容只是對對一假設的建建筑分析其遮遮陽設備的經經濟性，建筑筑所采用何種種空調系統(tǒng)等等信息無法確確定，所以，在在計算空調運運行費用時假假設采用常規(guī)電制制冷的方式，假定冷機綜合COP為3.0，根據計算的耗冷量對冷機電耗進行折算，電價按照商業(yè)用電的綜合電價計入；假設采暖采用燃氣鍋爐，采暖運行費用的計算采用將熱負荷折算到標準燃氣量的方法，燃氣價格按照市政燃氣收費標準計入。詳細經濟性參數設定如表5：表5 與暖暖通空調系統(tǒng)統(tǒng)運行費相關關的經濟性參參數空調系統(tǒng)綜合CCOP電價 (￥/

14、kWh)熱值(kcal/NNm3)燃氣鍋爐效率燃氣價格 (￥/Nm33)3.00.883740.842.0根據SOMFYY公司提供的的資料5，遮陽設備備的經濟性參參數如表6：表6 SOMMFY遮陽設設備的經濟性性參數外遮陽百葉內遮陽卷簾自控窗通風自控系統(tǒng)（包括人工費）單位元/平米窗面積積元/平米窗面積積元元/套價格1, 5004002, 000272, 5000注：電動窗的大大小、開啟方方式變化較大大，每個開窗窗機能控制的的開窗面積很很難確定，本本文采用的方案案是每個房間間設置兩個電電動開窗機；外遮陽百葉葉和內遮陽卷卷簾的初投資資按照建筑四四個立面均遮遮陽計算（窗窗面積36772m2）。3.3

15、.2 各各方案的初投投資和運行費費用按照上述方法和和參數計算各各種方案的初初投資和運行行費如表7：表7各方案案初投資和運運行費采暖能耗 (kkWh/年)空調能耗 (kkWh/年)照明運行費(萬萬元/年)空調系統(tǒng)運行費費(萬元/年)遮陽設備初投資資(萬元)空調系統(tǒng)初投資資(萬元)空調系統(tǒng)和照明明總運行費(萬元/年)遮陽設備和空調調系統(tǒng)總初投投資(萬元)方案1125992308826622.553.10285.675.6285.6方案2236021687633331.739.1367.2273.870.8641.0方案3140832108448827.748.5367.2312.676.2679.

16、8方案4126101984776629.845.7128.5226.475.5354.9方案5126012145962226.149.4128.5259.275.5387.7方案6126471852064429.842.6147.7227.472.4375.1方案7125992073663322.547.7153.5239.870.2393.3方案8126142030127722.546.7172.7240.869.2413.5方案9126002034773319.746.8153.5237.366.5390.9方案10126171993295519.745.9172.7238.465.641

17、1.13.3.3 外外遮陽百葉的的經濟性方案2和3使用用了外遮陽百百葉，比較它它們與方案11的初投資和和運行費，并并計算投資回回收期，如表表8：表8 外遮陽陽百葉的經濟濟性分析方案照明運行費(萬萬元/年)空調系統(tǒng)運行費費(萬元/年)遮陽設備和空調調系統(tǒng)總初投投資(萬元)投資回收期（年年）方案122.553.1285.6-方案2（與方案1比較較）31.7(+99.2)39.1(-114)641.0 (+355.4)74方案3（與方案1比較較）27.7(+55.2)48.5 (-4.6)679.8 (+394.2)n/a n/a表示該方案運行費大于或等于被比較的基準方案，投資回收期為無限大，下同在

18、安裝了外遮陽陽百葉（無控控制裝置）的的情況下，相相對于方案11，空調、采采暖費用有所所降低，但照照明電耗卻有有所增加。但但比較突出的的是，由于外外遮陽百葉的的初投資過大大，甚至大大大超過空調系系統(tǒng)的初投資資，從而造成成采用外遮陽陽百葉的方案案從經濟性上上來講是不合合理的。3.3.4 內內遮陽卷簾（無無自控）的經經濟性方案4和5使用用了不帶自控控的內遮陽卷卷簾，比較它它們與方案11的初投資和和運行費，并并計算投資回回收期，如表表9：表9 內遮陽陽卷簾的經濟濟性分析方案照明運行費(萬萬元/年)空調系統(tǒng)運行費費(萬元/年)遮陽設備和空調調系統(tǒng)總初投投資(萬元)投資回收期（年年）方案122.553.1

19、285.6-方案4（與方案1比較較）29.8(+77.3)45.7(-77.4)354.9(+69.3)n/a方案5（與方案1比較較）26.1(+33.6)49.4(-33.7)387.7(+102.11)n/a相對于無任何遮遮陽措施的方方案，在加設設了內遮陽卷卷簾后，室內內光環(huán)境得到到改善，但卷卷簾的初投資資較高，并且且在沒有室內內照度控制的的條件下，始始終處于固定定位置內遮陽陽卷簾會帶來來照明電耗的的增高。因此雖然其其帶來部分空空調運行費用用的減少，但但總運行費與與無任何遮陽陽措施的方案案幾乎相等，其總體經濟性較差。3.3.5 遮遮陽控制系統(tǒng)統(tǒng)的經濟性根據前文分析，雖然由于初投資過高而經濟

20、性不佳，但遮陽設備所帶來的光環(huán)境的改善以及給使用者帶來的舒適性，使其成為一種必要。下面分析在采用了遮陽設備（內遮陽卷簾）以后配備遮陽控制系統(tǒng)的經濟性。方案7和9均采采用了帶自控控的內遮陽卷卷簾，比較它它們與不帶自自控的方案44的初投資和和運行費，并并計算投資回回收期，如表表10：表10 遮陽自自控系統(tǒng)的經經濟性分析方案照明運行費(萬萬元/年)空調系統(tǒng)運行費費(萬元/年)遮陽設備和空調調系統(tǒng)總初投投資(萬元)投資回收期（年年）方案429.845.7354.9-方案7（與方案4比較較）22.5(-77.3)47.7(+22)393.3(+38.4)7方案9（與方案4比較較）19.7(-110.1)

21、46.8(+11.1)390.9(+35.9)4在不考慮內遮陽陽卷簾的初投投資影響后，具具有遮陽控制制裝置的遮陽陽系統(tǒng)雖然在在空調、采暖暖費用上相對對于方案4有有所增加，但但照明電耗都都有所降低，其其結果是包括括照明及空調調、采暖運行行費用的整體體運行費用降降低。遮陽控控制系統(tǒng)具有有良好的靜態(tài)態(tài)回收期。這這表明，如果果建筑方案決決定采納遮陽陽卷簾的遮陽陽形式后，使使用遮陽控制制系統(tǒng)對遮陽陽系統(tǒng)的經濟濟性是有利的的。3.3.6通風風窗的經濟性性方案7和8、方方案9和100分別為是否否采用夜間通通風的對比方方案，分別比比較它們的初初投資和運行行費，計算采采用通風窗的的方案（8和和10）的經經濟性，

22、如表表11：表11 通風窗窗的經濟性分分析方案空調系統(tǒng)運行費費(萬元/年)遮陽設備和空調調系統(tǒng)總初投投資(萬元)投資回收期（年年）方案747.7393.320方案8(與方案7比較較)46.7(-11)413.5(+20.2)方案946.8390.923方案10(與方案9比較較)45.9(-00.9)411.1(+20.3)采用通風窗后總總初投資有二二十多萬的增增加，但使用用通風窗使建建筑在夏季夜夜間通風能節(jié)節(jié)省大約一萬萬元左右的空空調、采暖運運行費用，所所以對于方案案7和方案99，使用通風風窗的靜態(tài)經經濟回收期大大約為20年年和23年。4 結論綜合以上模擬分分析結果，得得到以下5點結論論：遮陽設備能夠有有效減小冷負負荷，采用遮遮陽設備的方方案，其空調調系統(tǒng)和照明明設備的總運運行費用比不不用遮陽設備備的方案少77%13%（方案710與方案案1比較）。遮陽設備能夠極極大改善室內內光環(huán)境，避避免室內照度度過高而產生生眩光，但同同時也增加了了維持室內照照度所需的照照明能耗。應用了自控系統(tǒng)統(tǒng)的遮陽設備備能夠使室內內照度的改變變更加均勻。當當室內照度偏偏高的時候，遮遮陽設備關閉閉以減少進入入室內的自然然光；當室內內照度偏低的的時候，遮陽陽設備打開以以更多地利用用自然光進行行照明。帶自自控的遮陽設設備能減小空空調系統(tǒng)和照照明系統(tǒng)的能能耗，并