247廣州地區(qū)建筑遮陽與夜間通風(fēng)系統(tǒng)模擬分析與經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

/廣州地區(qū)建筑遮陽與夜間通風(fēng)系統(tǒng)模擬分析與經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系王旭輝高巖吳彥廷秦蓉吳如宏燕達(dá)摘要針對一棟位于廣州的典型商業(yè)建筑模型，用能耗模擬軟件DeST對其遮陽系統(tǒng)與夜間通風(fēng)系統(tǒng)的不同配備情況與運(yùn)行模式進(jìn)行模擬分析，從節(jié)能性及經(jīng)濟(jì)性方面分析比較10種方案。結(jié)果說明：遮陽和夜間通風(fēng)能有效減小建筑負(fù)荷，減少空調(diào)系統(tǒng)初投資和運(yùn)行費(fèi)；在10種方案中，綜合應(yīng)用帶控制的內(nèi)遮陽和夜間通風(fēng)的方案具有最正確經(jīng)濟(jì)性。關(guān)鍵詞遮陽夜間通風(fēng)經(jīng)濟(jì)性1引言隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速開展和人們對建筑環(huán)境要求的不斷提高，用于實(shí)現(xiàn)建筑室內(nèi)環(huán)境調(diào)控的空調(diào)能耗不斷提高，降低空調(diào)能耗、實(shí)現(xiàn)健康可持續(xù)的開展，成為了建筑物與空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中亟待解決的重要問題。與窗戶結(jié)合的遮陽系統(tǒng)可以有效的減少進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射得熱量，降低空調(diào)能耗；而夜間通風(fēng)能夠有效利用夜間室外冷量，通過建筑物蓄冷降低白天空調(diào)負(fù)荷峰值。如能針對以上兩者采用適當(dāng)?shù)目刂品桨?，它們都是非常有效的?jié)能措施，將能在降低空調(diào)能耗方面發(fā)揮巨大成效。為考察遮陽系統(tǒng)與夜間通風(fēng)的不同運(yùn)行模式對建筑能耗的影響，本文將利用計(jì)算機(jī)模擬分析工具，針對采用了法國尚飛（SOMFY）公司的遮陽控制系統(tǒng)和夜間通風(fēng)窗控制系統(tǒng)的廣州地區(qū)典型商用建筑，從節(jié)能性及經(jīng)濟(jì)性方面分析比較不同的遮陽與夜間通風(fēng)方案，以提出節(jié)能而經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方案。2模擬方案利用模擬軟件對建筑進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，能夠準(zhǔn)確地再現(xiàn)建筑物復(fù)雜的熱過程，對輔助建筑設(shè)計(jì)具有重要的意義。本文應(yīng)用的模擬軟件為清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系開發(fā)的DeST軟件[1]，該軟件支持各種建筑物與環(huán)境控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬分析，其計(jì)算準(zhǔn)確性已得到全面驗(yàn)證[2]。為更好地考察建筑遮陽與夜間通風(fēng)的不同方案的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)性，本文選擇廣州作為建筑所在地，采用廣州典型氣象年逐時(shí)數(shù)據(jù)[3]對一典型商用建筑模型進(jìn)行模擬。針對不同遮陽方式、夜間通風(fēng)方式，本文設(shè)計(jì)了10種典型組合方案進(jìn)行模擬分析。2.1建筑模型本文采用的建筑模型是一棟位于廣州的典型商業(yè)建筑，其立體圖和平面圖如圖1、2所示，該建筑長40m，寬35m，南北朝向，共有8層，總建筑面積11200m2。整個(gè)建筑包括電梯間、走廊、衛(wèi)生間等構(gòu)成的建筑核心筒區(qū)域以及周邊辦公室區(qū)域，建筑中的每個(gè)房間都可以設(shè)置遮陽控制裝置和夜間通風(fēng)控制裝置。圖1建筑模型三維立體圖圖2建筑模型平面圖建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1和表2：表1建筑墻體、屋面和樓板參數(shù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)名稱圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料傳熱系數(shù)W/(m2K)外墻24磚墻+聚苯板內(nèi)保溫0.564內(nèi)墻陶粒混凝土＋水泥砂漿1.515屋面加氣混凝土保溫屋面0.812樓板鋼筋混凝土樓板3.055表2 建筑外窗參數(shù)外窗結(jié)構(gòu)6mm玻璃+9mm空氣層+6mm玻璃中空雙層玻璃窗傳熱系數(shù)W/(m2K)3.1遮陽系數(shù)SC0.67太陽得熱系數(shù)SHGC0.583建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)如表3：表3 建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)房間類型夏季冬季溫度（℃）相對濕度（%）溫度（℃）相對濕度（%）辦公室24～26≤6020～22≥50空房間18～26≤6018～26≥35走廊20～28≤6520～28≥552.2遮陽與夜間通風(fēng)方案本文所模擬的10種遮陽與夜間通風(fēng)組合方案如表4所示：表4遮陽與夜間通風(fēng)的10種組合方案方案遮陽裝置外遮陽百葉角度內(nèi)遮陽卷簾夜間通風(fēng)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(nèi)遮陽卷簾－0％100％無方案5內(nèi)遮陽卷簾－0％50％無方案6內(nèi)遮陽卷簾－0％100％固定換氣次數(shù)：2次/小時(shí)方案7內(nèi)遮陽卷簾－0％遮陽控制系統(tǒng)，控制室內(nèi)自然采光照度到300Lx無方案8內(nèi)遮陽卷簾－0％遮陽控制系統(tǒng)，控制室內(nèi)自然采光照度到300Lx固定換氣次數(shù)：2次/小時(shí)方案9內(nèi)遮陽卷簾－0％遮陽控制系統(tǒng)，控制室內(nèi)自然采光照度到300Lx(房間無人且空調(diào)系統(tǒng)未關(guān)閉時(shí)：100%)無方案10內(nèi)遮陽卷簾－0％遮陽控制系統(tǒng)，控制室內(nèi)自然采光照度到300Lx(房間無人且空調(diào)系統(tǒng)未關(guān)閉時(shí)：100%)固定換氣次數(shù)：2次/小時(shí)注：遮陽率指遮陽裝置的使用比率，100%表示全部使用。外遮陽百葉角度指百葉與水平面的夾角。各方案間的比較關(guān)系如圖3所示，具體解釋如下：方案1沒有采取遮陽及通風(fēng)措施，作為與其它方案比較的基準(zhǔn)案例；方案2和方案3分別代表配備不同角度的外遮陽百葉但沒有控制系統(tǒng)的情況，用于表達(dá)采用外遮陽措施的效果；方案4和方案5分別代表配備不同遮陽率的內(nèi)遮陽卷簾但沒有控制系統(tǒng)的情況，用于表達(dá)采用內(nèi)遮陽措施的效果；方案6是在方案4的基礎(chǔ)上增加了通風(fēng)窗控制系統(tǒng)；方案7用于模擬設(shè)有遮陽控制系統(tǒng)，通過控制室內(nèi)自然采光照度到300Lx，自動(dòng)調(diào)整室內(nèi)遮陽裝置的開啟率的工況；方案8是在方案7的基礎(chǔ)上再增加通風(fēng)窗控制系統(tǒng)；方案9用于模擬遮陽控制系統(tǒng)與房間內(nèi)部監(jiān)測系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制的工作模式（當(dāng)房間內(nèi)部監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到房間無人并且空調(diào)系統(tǒng)沒有關(guān)閉時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制模式，并維持室內(nèi)溫度處于一定的舒適范圍，故將室內(nèi)空調(diào)設(shè)定溫度提高2℃，例如有人時(shí)的工作時(shí)間空調(diào)設(shè)定溫度為26℃，而無人時(shí)為28℃）；方案10是在方案9的基礎(chǔ)上增加通風(fēng)窗控制系統(tǒng)。圖3 十種方案之間的比較關(guān)系3模擬結(jié)果分析3.1建筑負(fù)荷比較考察以上10種方案對建筑負(fù)荷的影響，各方案的全年累計(jì)耗冷耗熱量如圖4，冷熱負(fù)荷峰值如圖5：圖4各方案建筑全年累計(jì)耗冷耗熱量比較圖5各方案建筑全年冷熱負(fù)荷峰值比較由圖4和圖5可見，在廣州冷負(fù)荷遠(yuǎn)大于熱負(fù)荷，因此冷負(fù)荷是影響全年能耗的主要因素。遮陽設(shè)備對于尖峰負(fù)荷的影響比較明顯，各種設(shè)置了遮陽的方案的最大冷負(fù)荷均比沒有設(shè)置遮陽的方案1低；從方案5、7、9的比較可見，遮陽時(shí)間越長（9>7>5），全年累計(jì)冷負(fù)荷以及冷負(fù)荷的峰值就越小，其中遮陽時(shí)間最長的方案9比起無遮陽的方案1全年累計(jì)耗冷量降低了12％。對于夜間通風(fēng)的效果，分別比較方案4和6、7和8、9和10，每一組都采用了相同的遮陽形式和控制策略，而后者均參加了夜間通風(fēng)?？梢钥吹絽⒓右归g通風(fēng)之后，全年累計(jì)耗冷量分別降低了6.7％、2.1％和2.0％，可見在廣州由于晝夜溫差較小，夜間通風(fēng)的效果并不十清楚顯。3.2照度比較考察不同的遮陽控制方式下室內(nèi)照度情況。以方案5和方案7為例，兩者全年累計(jì)能耗以及冷負(fù)荷峰值相差不多，方案5的遮陽使用率保持50％不變，而方案7則根據(jù)室內(nèi)照度來調(diào)控遮陽設(shè)備。圖6和圖7分別是方案5和方案7在6月29日及9月2日，西南向房間的逐時(shí)室內(nèi)自然采光照度。圖66月29日兩方案室內(nèi)逐時(shí)照度比較圖79月2日兩方案室內(nèi)逐時(shí)照度比較通過以上兩圖的比較可見，方案5由于不對遮陽設(shè)備進(jìn)行控制，室內(nèi)照度隨時(shí)間變化較大，而且在很多時(shí)刻低于300Lx，為維持室內(nèi)照度，可能導(dǎo)致照明電耗增加；而方案7則能夠充分利用自然光滿足室內(nèi)照度需求，維持較為穩(wěn)定的室內(nèi)照度環(huán)境，從而減小照明用電消耗。可見，采用適宜的遮陽控制方案，有利于改善室內(nèi)照度環(huán)境和減小照明電耗。3.3經(jīng)濟(jì)性分析要考察某一節(jié)能措施的經(jīng)濟(jì)性，必須在初投資和運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算上將該措施所帶來的影響全部考慮進(jìn)去，不管是遮陽還是夜間通風(fēng)，由于改變了建筑負(fù)荷，勢必會(huì)對整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的選型和運(yùn)行帶來影響，從而改變暖通空調(diào)系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用，因此下文進(jìn)行遮陽和夜間通風(fēng)的經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)，初投資和運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算都將涵蓋整個(gè)暖通空調(diào)系統(tǒng)。初投資的計(jì)算除了包括暖通空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備、材料的購置費(fèi)，暖通空調(diào)系統(tǒng)施工的人工費(fèi)、機(jī)械費(fèi)、材料費(fèi)等，還需要按照《北京市建設(shè)工程概算定額》[4]的要求，計(jì)算系統(tǒng)工程的其它直接費(fèi)、施工臨時(shí)設(shè)施費(fèi)、現(xiàn)場經(jīng)費(fèi)、企業(yè)管理費(fèi)、利潤、稅金等。本文的暖通空調(diào)系統(tǒng)初投資按下面的公式，根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品價(jià)格計(jì)算：暖通空調(diào)系統(tǒng)總投資=直接費(fèi)＋其它直接費(fèi)＋臨時(shí)設(shè)施費(fèi)＋現(xiàn)場管理費(fèi)＋企業(yè)管理費(fèi)＋利潤＋稅金。3.3.1經(jīng)濟(jì)性分析參數(shù)的設(shè)定由于本文涉及的內(nèi)容只是對一假設(shè)的建筑分析其遮陽設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，建筑所采用何種空調(diào)系統(tǒng)等信息無法確定，所以，在計(jì)算空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用時(shí)假設(shè)采用常規(guī)電制冷的方式，假定冷機(jī)綜合COP為3.0，根據(jù)計(jì)算的耗冷量對冷機(jī)電耗進(jìn)行折算，電價(jià)按照商業(yè)用電的綜合電價(jià)計(jì)入；假設(shè)采暖采用燃?xì)忮仩t，采暖運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算采用將熱負(fù)荷折算到標(biāo)準(zhǔn)燃?xì)饬康姆椒ǎ細(xì)鈨r(jià)格按照市政燃?xì)馐召M(fèi)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)入。詳細(xì)經(jīng)濟(jì)性參數(shù)設(shè)定如表5：表5 與暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)相關(guān)的經(jīng)濟(jì)性參數(shù)空調(diào)系統(tǒng)綜合COP電價(jià)(￥/kWh)熱值(kcal/Nm3)燃?xì)忮仩t效率燃?xì)鈨r(jià)格(￥/Nm3)3.00.883740.842.0根據(jù)SOMFY公司提供的資料[5]，遮陽設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性參數(shù)如表6：表6SOMFY遮陽設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性參數(shù)外遮陽百葉內(nèi)遮陽卷簾自控窗通風(fēng)自控系統(tǒng)（包括人工費(fèi)）單位元/平米窗面積元/平米窗面積元元/套價(jià)格1,5004002,000272,500注：電動(dòng)窗的大小、開啟方式變化較大，每個(gè)開窗機(jī)能控制的開窗面積很難確定，本文采用的方案是每個(gè)房間設(shè)置兩個(gè)電動(dòng)開窗機(jī)；外遮陽百葉和內(nèi)遮陽卷簾的初投資按照建筑四個(gè)立面均遮陽計(jì)算（窗面積3672m2）。3.3.2各方案的初投資和運(yùn)行費(fèi)用按照上述方法和參數(shù)計(jì)算各種方案的初投資和運(yùn)行費(fèi)如表7：表7 各方案初投資和運(yùn)行費(fèi)采暖能耗(kWh/年)空調(diào)能耗(kWh/年)照明運(yùn)行費(fèi)(萬元/年)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)(萬元/年)遮陽設(shè)備初投資(萬元)空調(diào)系統(tǒng)初投資(萬元)空調(diào)系統(tǒng)和照明總運(yùn)行費(fèi)(萬元/年)遮陽設(shè)備和空調(diào)系統(tǒng)總初投資(萬元)方案11259922.553.10285.675.6285.6方案22360231.739.1367.2273.870.8641.0方案31408327.748.5367.2312.676.2679.8方案41261029.845.7128.5226.475.5354.9方案51260126.149.4128.5259.275.5387.7方案61264729.842.6147.7227.472.4375.1方案71259922.547.7153.5239.870.2393.3方案81261422.546.7172.7240.869.2413.5方案91260019.746.8153.5237.366.5390.9方案101261719.745.9172.7238.465.6411.13.3.3外遮陽百葉的經(jīng)濟(jì)性方案2和3使用了外遮陽百葉，比較它們與方案1的初投資和運(yùn)行費(fèi)，并計(jì)算投資回收期，如表8：

表8 外遮陽百葉的經(jīng)濟(jì)性分析方案照明運(yùn)行費(fèi)(萬元/年)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)(萬元/年)遮陽設(shè)備和空調(diào)系統(tǒng)總初投資(萬元)投資回收期（年）方案122.553.1285.6-方案2（與方案1比較）31.7(+9.2)39.1(-14)641.0(+355.4)74方案3（與方案1比較）27.7(+5.2)48.5(-4.6)679.8(+394.2)n/an/a表示該方案運(yùn)行費(fèi)大于或等于被比較的基準(zhǔn)方案，投資回收期為無限大，下同在安裝了外遮陽百葉（無控制裝置）的情況下，相對于方案1，空調(diào)、采暖費(fèi)用有所降低，但照明電耗卻有所增加。但比較突出的是，由于外遮陽百葉的初投資過大，甚至大大超過空調(diào)系統(tǒng)的初投資，從而造成采用外遮陽百葉的方案從經(jīng)濟(jì)性上來講是不合理的。3.3.4內(nèi)遮陽卷簾（無自控）的經(jīng)濟(jì)性方案4和5使用了不帶自控的內(nèi)遮陽卷簾，比較它們與方案1的初投資和運(yùn)行費(fèi)，并計(jì)算投資回收期，如表9：表9 內(nèi)遮陽卷簾的經(jīng)濟(jì)性分析方案照明運(yùn)行費(fèi)(萬元/年)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)(萬元/年)遮陽設(shè)備和空調(diào)系統(tǒng)總初投資(萬元)投資回收期（年）方案122.553.1285.6-方案4（與方案1比較）29.8(+7.3)45.7(-7.4)354.9(+69.3)n/a方案5（與方案1比較）26.1(+3.6)49.4(-3.7)387.7(+102.1)n/a相對于無任何遮陽措施的方案，在加設(shè)了內(nèi)遮陽卷簾后，室內(nèi)光環(huán)境得到改善，但卷簾的初投資較高，并且在沒有室內(nèi)照度控制的條件下，始終處于固定位置內(nèi)遮陽卷簾會(huì)帶來照明電耗的增高。因此雖然其帶來局部空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用的減少，但總運(yùn)行費(fèi)與無任何遮陽措施的方案幾乎相等，其總體經(jīng)濟(jì)性較差。3.3.5遮陽控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性根據(jù)前文分析，雖然由于初投資過高而經(jīng)濟(jì)性不佳，但遮陽設(shè)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(shè)備（內(nèi)遮陽卷簾）以后配備遮陽控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。方案7和9均采用了帶自控的內(nèi)遮陽卷簾，比較它們與不帶自控的方案4的初投資和運(yùn)行費(fèi)，并計(jì)算投資回收期，如表10：表10遮陽自控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析方案照明運(yùn)行費(fèi)(萬元/年)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)(萬元/年)遮陽設(shè)備和空調(diào)系統(tǒng)總初投資(萬元)投資回收期（年）方案429.845.7354.9-方案7（與方案4比較）22.5(-7.3)47.7(+2)393.3(+38.4)7方案9（與方案4比較）19.7(-10.1)46.8(+1.1)390.9(+35.9)4在不考慮內(nèi)遮陽卷簾的初投資影響后，具有遮陽控制裝置的遮陽系統(tǒng)雖然在空調(diào)、采暖費(fèi)用上相對于方案4有所增加，但照明電耗都有所降低，其結(jié)果是包括照明及空調(diào)、采暖運(yùn)行費(fèi)用的整體運(yùn)行費(fèi)用降低。遮陽控制系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)回收期。這說明，如果建筑方案決定采納遮陽卷簾的遮陽形式后，使用遮陽控制系統(tǒng)對遮陽系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性是有利的。3.3.6通風(fēng)窗的經(jīng)濟(jì)性方案7和8、方案9和10分別為是否采用夜間通風(fēng)的比照方案，分別比較它們的初投資和運(yùn)行費(fèi)，計(jì)算采用通風(fēng)窗的方案（8和10）的經(jīng)濟(jì)性，如表11：表11通風(fēng)窗的經(jīng)濟(jì)性分析方案空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)(萬元/年)遮陽設(shè)備和空調(diào)系統(tǒng)總初投資(萬元)投資回收期（年）方案747.7393.320方案8(與方案7比較)46.7(-1)413.5(+20.2)方案946.8390.923方案10(與方案9比較)45.9(-0.9)411.1(+20.3)采用通風(fēng)窗后總初投資有二十多萬的增加，但使用通風(fēng)窗使建筑在夏季夜間通風(fēng)能節(jié)省大約一萬元左右的空調(diào)、采暖運(yùn)行費(fèi)用，所以對于方案7和方案9，使用通風(fēng)窗的靜態(tài)經(jīng)濟(jì)回收期大約為20年和23年。4結(jié)論綜合以上模擬分析結(jié)果，得到以下5點(diǎn)結(jié)論：遮陽設(shè)備能夠有效減小冷負(fù)荷，采用遮陽設(shè)備的方案，其空調(diào)系統(tǒng)和照明設(shè)備的總運(yùn)行費(fèi)用比不用遮陽設(shè)備的方案少7%~13%（方案7~10與方案1比較）。遮陽設(shè)備能夠極大改善室內(nèi)光環(huán)境，防止室內(nèi)照度過高而產(chǎn)生眩光，但同時(shí)也增加了維持室內(nèi)照度所需的照明能耗。應(yīng)用了自控系統(tǒng)的遮陽設(shè)備能夠使室內(nèi)照度的改變更加均勻。當(dāng)室內(nèi)照度偏高的時(shí)候，遮陽設(shè)備關(guān)閉以減少進(jìn)入室內(nèi)的自然光；當(dāng)室內(nèi)照度偏低的時(shí)候，遮陽設(shè)備翻開以更多地利用自然光進(jìn)行照明。帶自控的遮陽設(shè)備能減小空調(diào)系