辦公建筑圍護結構節能設計研究

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摘要：結合西安地區辦公建筑的現狀，分析該地區辦公建筑在圍護結構設計方面存在的問題，利用Designbuilder軟件模擬研究建筑窗墻比、外窗、外墻以及屋面的熱工性能對辦公建筑能耗的影響。在充分考慮西安地區氣候條件的基礎上，提出適宜的節能設計策略。

關鍵詞：西安地區；辦公建筑；外圍護結構：節能設計

隨著西安地區的經濟發展，本地區的建筑能耗已處于較高水平，且隨著使用者對建筑舒適度提出更高的要求，建筑能耗將會進一步增長。辦公建筑在當地建筑總量中占有相當大的比例，如能有效降低當地辦公建筑的能耗，將對減少西安地區建筑總能耗起到重要作用，有利于實現資源節約型社會，促進該地區的可持續發展。西安地區屬于寒冷地區，在辦公建筑總能耗中采暖及制冷能耗所占比例是最大的，具有很大的節能空間。采暖及制冷能耗與建筑外圍護結構的熱工性能具有密切聯系，這些都可以通過建筑設計來解決，屬于建筑設計研究的范疇。

1西安地區辦公建筑圍護結構現存問題

（1）窗墻比較大《公共建筑節能設計標準》（GB50189-2015）中規定，非嚴寒地區建筑各立面窗墻比均不宜大于0.70。從西安地區氣候特點的角度出發，較大的窗墻比有利于采光與通風，但對于采暖能耗是相對不利的，且就全年能耗而言，采暖制冷能耗遠大于照明能耗，因此，窗墻比還應進一步優化從而降低建筑能耗。（2）外窗玻璃熱工性能欠佳在建筑能耗中，有40%～50%左右的能耗是通過建筑的外圍護結構消耗的。其中外窗部分又是建筑外圍護結構中能耗損失的最薄弱環節，外窗在建筑外圍護結構中能耗損失比約為43%～66%。目前，西安地區辦公建筑的外窗多為普通單玻或中空玻璃，外窗整體熱工性能欠佳。（3）外墻熱工性能不佳外墻是辦公建筑外圍護結構中面積最大的部分，也是散熱較多的構件，外墻在建筑外圍護結構中能耗損失比約為41%～47%[1]。因此，在降低建筑能耗的研究中，應將改善建筑外墻的熱工性能作為重點。目前，西安地區辦公建筑很多采用了自保溫外墻，或者采用了外保溫外墻，但在構造上欠佳，因此熱工性能并不理想。（4）屋面熱工性能不佳屋面也是建筑外圍護結構中的一部分，對建筑制冷及采暖能耗有一定影響，也可以通過改善屋面熱工性能來實現一定程度上的節能。目前，西安地區辦公建筑屋面的屋面熱工性能還有待進一步提升。

2西安地區辦公建筑圍護結構節能優化研究

根據西安地區辦公建筑的現狀，選擇一棟8層典型辦公建筑作為基本建筑模型，該辦公建筑為鋼筋混凝土框架結構，內廊式“一”字型平面，南北朝向，體形系數為0.17，總建筑面積為5018.4m2，標準層面積697.3m2。該建筑的外窗為鋁合金斷橋加中空玻璃，南向窗墻比為0.45，北向窗墻比為0.25，東西向窗墻比均為0.18。外墻有保溫構造，外墻構造由外到內依次為20mm厚石灰砂漿、40mm厚聚苯乙烯泡沫板、160mm厚加氣混凝土、20mm厚石灰砂漿。設備功率、照明功率、人員密度的取值按照《公共建筑節能設計標準》（GB50189-2015）取值，利用Designbuilder軟件對基本建筑模型進行能耗模擬研究，探究各設計參數與能耗之間的關系。2.1窗墻比。窗墻比是指窗洞面積與建筑立面面積的比值，在建筑外圍護結構中，外窗的傳熱系數遠圖4　不同厚度屋面保溫材料與能耗的關系（圖片來源：作者自繪）大于外墻，單純從建筑節能的角度來講，應盡量減小開窗面積[2]。但外窗透明的特性可以使太陽輻射熱量直接進入室內，這使得南向外窗在冬季白天有可能成為得熱構件，而南向外窗在冬季夜晚又屬于失熱構件，故南向窗墻比的大小對于能耗的影響很難直接定性判斷，需要借助軟件進行模擬研究。因此，本文重點研究改變南向窗墻比對建筑能耗的影響。在其他參數均保持恒定的條件下，設置南向窗墻比從0.6減少到0.1，以南向窗墻比為0.6時的能耗指標為基準計算節能率。模擬結果如圖1所示。隨南向窗墻比由0.6減少到0.1，建筑采暖能耗降低了25.79%，雖然冬季白天通過外窗進入室內的太陽輻射熱量減少了，但同時通過外窗向室外流失的熱量也減少了，且流失熱量減少量大于太陽輻射熱的減少，故冬季采暖能耗總體有所降低。當南向窗墻比由0.6減少到0.1，制冷能耗降低了35%，這是因為外窗面積的減小，導致太陽輻射熱量減少了，且室外通過圍護結構向室內的傳熱量也減少了，二者皆導致室內冷負荷降低。因此，西安地區辦公建筑南向外窗在滿足采光和通風要求的前提下，窗墻比不宜過大，可以采用0.3～0.4的南向窗墻比。2.2外窗。外窗屬于透明圍護結構，傳熱系數較大，是建筑保溫隔熱的薄弱環節，選用合適的外窗玻璃，能夠有效改善建筑的保溫隔熱性能[3]。透過外窗引入合理的太陽輻射，能夠提高室內熱舒適水平，降低冬季采暖能耗。利用軟件對不同外窗玻璃材料進行能耗模擬研究，模擬結果如圖2所示。分析模擬結果可知，采用熱反射玻璃雖然可以獲得最低的夏季制冷能耗，但冬季采暖能耗卻有所增加，且冬季采暖能耗的增加量大于夏季制冷能耗減小量，導致全年采暖及制冷能耗反而增加。采用三層low-e玻璃后建筑全年采暖及制冷能耗減小幅度較大，降低約5.3%。從建筑節能的角度出發，西安地區應主要考慮玻璃的保溫性能，并選擇較大的遮陽系數，通過以上分析選擇三層low-e玻璃較為合適。2.3外墻。外墻屬于非透明圍護結構，外墻節能主要通過優化墻體的熱工性能來實現，即提升墻體的保溫隔熱性能，減少冬季室內熱量通過墻體向室外的散失，以及減少夏季通過墻體的得熱，進而減少一部分采暖及制冷能耗[4]。但同時，對于辦公建筑而言，夏季下班后空調系統停止使用，夜間辦公建筑的室內溫度將高于室外溫度，墻體傳熱系數減小將導致夏季夜間辦公建筑通過墻體向室外的散熱量減少，進而導致一部分熱量蓄存在墻體等重質結構中，第二天上班時空調系統需要處理的室內熱量將增加，隨之制冷能耗也會增加。因此，改善外墻的熱工性能，提升其保溫隔熱性能后，全年采暖及制冷能耗究竟會增加還是會降低需要進行模擬研究，進而確定適宜的外墻節能構造。模擬結果如圖3所示。西安地區冬季采暖能耗占全年總能耗比重較大，減小外墻的傳熱系數后，冬季采暖能耗的減小值遠大于夏季制冷能耗的增加值，因此建筑全年采暖及制冷能耗總體呈下降趨勢。因此，西安地區的外墻應注重提升保溫性能，較小的外墻傳熱系數有利于降低建筑全年能耗。綜合考慮造價、耐久性、施工條件等因素，選用聚苯乙烯泡沫保溫板作為外墻保溫材料較為合適，厚度可以為60mm。2.4屋面。屋面也屬于非透明圍護結構，同樣可以通過減小屋面傳熱系數，改善屋面的熱工性能來實現節能。提升屋頂的熱工性能，能夠減少冬季室內失熱量和夏季白天室內得熱量，但同時也會導致夏季夜間建筑向室外的散熱量減小，第二天上班時空調系統需要處理的室內熱量將增加。通過改變屋面外保溫層厚度及材料，探究改善屋面熱工性能對建筑能耗的影響，以便確定合理的屋面節能構造，模擬結果如圖4所示。由上圖可知，無論是采用擠塑聚苯乙烯保溫板作為保溫材料，還是采用聚苯乙烯泡沫保溫板作為保溫材料，改變保溫層的厚度，能耗下降并不明顯。主要原因在于，相比于外墻，屋面在外圍護結構中所占面積小于外墻，且冬季白天屋面能夠接受更多的太陽輻射熱量，屋內外側溫差較小，故提升屋面的保溫性能節能效果明顯小于外墻。夏季白天室外溫度高于室內，屋面隔熱性能增強，可以減小室內得熱量，有利于降低能耗。但隨著屋面傳熱系數的降低，夏季夜間建筑物向室外的散熱量也逐漸減小，白天空調系統啟動時需處理的室內余熱增加。由于屋面傳熱系數降低而減少的室內得熱量略大于由于夏季夜間散熱受阻而增加的室內熱量，因此夏季供冷能耗略有減少。提升屋頂的保溫隔熱性能，能夠略微降低建筑能耗，占建筑全年采暖及制冷能耗的1%。因此，綜合考慮造價等因素，西安地區可以采用60mm厚度的保溫屋面，但保溫性能的提升對于整棟建筑所降低的能耗量比較有限，遠低于外墻保溫的節能效果。

3結語

在對西安地區辦公建筑的窗墻比、外窗、外墻以及屋面熱工性能進行定量模擬研究的基礎上，結合西安地區的氣候條件，本文提出了具體的外圍護結構適宜性節能設計策略，可為該地區的節能設計提供一定參考。

作者:張博文 郭柳晨 單位:西安建筑科技大學建筑學院

參考文獻：

[1]張歡，李金洋，王津利等.辦公建筑圍護結構節能措施對空調能耗的影響及經濟性分析[J].暖通空調，2015，45(11)：5-9.

[2]董智慧，劉凡，龐俊香等.建筑窗墻比對辦公建筑冷(熱)負荷的影響分析[J].建筑節能，2008，36(205)：6-9.

[3]楊琳.關于辦公建筑圍護結構的節能設計探究[J].建設科技，2014，18：78-79.

[4]張瑩，付瑤.寒地辦公建筑在全生命周期下的節能措施[J].沈陽建筑大學學報，2014，16（2）：141-144.