小型办公建筑能耗特性的比较研究

1小型办公建筑能耗特性的比较研究邯郸职业技术学院魏一然王京邯郸建设银行滏东支行陈志宏摘要针对建筑面积在3000平米以下的小型办公建筑，根据建筑所处地域、功能、体形系数、朝向、窗墙面积比、遮阳、围护结构传热等因素，应用Dest-2和正交试验法，针对建筑使用能耗进行全方位、全生命周期的分析。其结果表明，建筑面积、建筑的正面朝向、室内温度、窗墙面积比、机器与照明热、窗玻材料、屋顶传热系数是影响建筑夏季冷负荷主要的因素，设计和控制好这些因素是实现建筑节能目标的重要手段，在建筑设计过程中要充分考虑以上因素对建筑能耗的影响。关键词小型办公建筑耗冷量耗热量建筑节能1引言目前，建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列，成为我国能源消耗的三大能耗大户。我国每年新建房屋约20亿平米，其中城市建筑约10亿平米，大型公共建筑占不到城镇建筑总量的4%。可见小型公共建筑的数量相当可观，研究以办公建筑为代表的小型公共建筑能耗，对建筑节能同样具有十分重要意义。2研究方法建立了基准层面积分别为500m2、700m2、900m2的建筑模型，在不同朝向、外遮阳、建筑形状比（正面长/侧面长）、外遮阳、室内设定温度、围护结构传热系数、窗墙面积比、室内散热、窗玻材料等影响建筑能耗的因素下，采用正交试验和DeST-2模拟分析软件，通过改变因素的水平，对建筑全年的得、失热量进行分析，找到了10个因素搭配的最佳水平，并分析不同的因素对建筑得、失热量影响的主次关系，建立得、失热量与主要因素的函数关系。3建筑模型的建立与输入条件选择3.1建筑模型按不同的基准层面积和形状比在Dest软件中构建办公建筑模型，图1为基准层面积700平米、形状比1：2的建筑，由于篇幅所限，文中其它建筑模型不再显示。3.2气象参数选择本文以河北省邯郸市为例。夏季平均室外气温29.9℃，夏季平均室外风速2.0m/s，冬季室外平均温度1℃。冬、夏季室外逐时气温参数依据当地气象部门提供的气象数据。23.3输入条件输入条件分固定参数和变化参数3.3.1固定参数的输入固定参数的取值主要参照现行相关国家及地方标准、设计规范以及实际工程的常规做法，考虑到试验结果的可比性，对不同形式的办公建筑采用了一致的输入参数，如：建筑层数、层高、外窗位置等，其取值见表1。其中选定办公室人员密度为0.2人/m2，新风量依据《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019—2003的规定，取30m3/h·人。表1固定参数建筑层数三层人员密度0.2人/m2空调面积比70%新风量30m3/h.人层高4.0m换气次数0.5次/h外窗位置正面设置空调时间7时～20时3.3.2变化参数及水平选取影响建筑能耗的变化条件和水平的参数选取见表2表2变化条件和水平的选取变化条件水平因素选取方案123A基准层面积500m2700m2900m2B正面朝向南北西C形状比1：12:13:1D外遮阳无遮阳1遮阳2E室内设定温度夏季24℃冬季20℃夏季26℃冬季20℃夏季28℃冬季20℃F外墙传热系数2.0W/m2·℃标准层18mm多孔砼70mm1.2W/m2·℃标准层18mm多孔砼150mm0.67W/m2·℃标准层18mm多孔砼300mmG正面窗墙面积比60%35%10%H机器热＋照明热10W/m230W/m250W/m2I窗玻材料6mm普通玻璃普通中空内张膜（单层）J屋顶传热系数0.54W/m2·℃标准层150mm苯板保温层70mm0.83W/m2·℃标准层150mm苯板保温层40mm1.77W/m2·℃标准层150mm苯板保温层10mm有关参数说明如下：①房间的性质定位为普通办公室，建筑内部发热量包括照明、家电和人体散热，计算时分别取3个水平。其作息时间按DeST默认值选取，见图2～图7；②夏季室内设定温度依据《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003中舒适性空调室内计算参数设定为3个水平：24℃、26℃、28℃。③建筑内部发热量（包括照明、家电和人体散热）：人员散热按单位面积人数0.2人/m2，人均发热量64W/人计算；机器热+照明热取10W/m2、30W/m2、50W/m2三个水平；④冬季室内设定温度均为20℃；3⑤建筑方位以该建筑长边正交线所指方向为正面朝向，由于试验模型的建筑面积、体形系数、形状比各不相同，为便于结果分析，本试验将整个建筑外表面的窗墙面积比与正面窗墙面积比设为相同；⑥外遮阳按DeST默认提供值，分别选为：无遮阳、遮阳1、遮阳2；见表3和图8；⑦窗户和墙体围护结构的做法及其传热系数详见表4～表7。⑧正交试验不考虑因素之间的交互作用；图2人员作息(工作日)00.20.40.60.811.21471013161922时间比率图3人员作息(休息日)00.050.10.150.20.251471013161922时间比率图4灯光作息(工作日)00.20.40.60.811.2147101316192225时间比率图5灯光作息(休息日)00.050.10.150.20.25147101316192225时间比率图6设备作息(工作日)00.20.40.60.811.21471013161922时间比率图7设备作息(休息日)00.050.10.150.20.251471013161922时间比率表3遮阳1、遮阳2参数取值表图8窗遮阳示意图abcdefgh1h2遮阳1100000.60.20.20遮阳2100000.80.30.204表4外墙主要材料及热工性能表外墙水平主要材料及厚度导热热阻m·℃/W传热系数W/(m2·℃)外墙11石灰砂浆12mm2加气混凝土300mm3石膏干抹灰6mm0.8140.2440.2330.67外墙21、3同外墙12加气混凝土150mm0.2441.2外墙31、3同外墙12加气混凝土70mm0.2442.0表5屋面主要材料及热工性能表屋面水平主要材料及厚度导热热阻m·℃/W传热系数W/(m2·℃)屋面11水泥砂浆20mm2水泥焦渣3钢筋混凝土板120mm4聚苯板保温层10mm0.930.871.5470.0471.77屋面21、2、3同屋面14聚苯板保温层40mm0.0470.83屋面31、2、3同屋面14聚苯板保温层70mm0.0470.54表6窗玻主要材料及热工性能表窗玻名称窗材类型mm传热系数W/(m2·℃)普通6mm单玻窗65.7普通中空（双层）6+9+63.1内张膜中空玻璃（单膜）6+6air+Pet（Low-e）6air+61.75表7建筑物围护结构主要材料及热工性能表类别板楼构件名称导热热阻m·℃/W传热系数W/(m2·℃)内墙24加气砖0.244楼梯间内墙37砖内墙0.6290.83楼地混凝土保温楼地1.5470.29楼板钢筋混凝土保温楼板1.8950.32门单层实体木制外门――2.3窗双层钢窗――--建筑物负荷计算使用清华大学空调实验室研制开发的建筑热环境设计模拟工具包DeST-2（Designer’sSimulationToolkits），对建筑得失热量进行全年逐时模拟分析；正交模拟试验的计算采用自行编制的正交实验数据处理软件并制定了10因素三水平的L81（310）81个正交实验表，进行正交模拟试验的计算。4办公建筑能耗试验结果与分析针对办公建筑的81个逐时冷负荷、逐时热负荷的计算数据，可以准确统计出全年建筑累计的耗冷量、耗热量。应用正交试验，对影响建筑的不同因素进行分析比较，得出能耗最小的建筑形式；找到建筑面积、朝向、形状比、外遮阳、外墙传热系数、窗墙面积比等多个变量与全年耗冷量、耗热量之间的定量关系和最佳建筑节能形式的方案，为建筑方案的优化设计提供有价值的参考数据。计算结果见图9、图10。4.1建筑面积对建筑能耗的影响图9可以明显看出，10因素中建筑面积与冷负荷的关系曲线斜率最大，说明不同的建筑面积对冷负荷的影响最为明显，随着建筑面积的增加，冷负荷急剧增加。图10为10个因素与耗热量指标之间的关系曲线。经二次回归分析可得到建筑面积与耗冷量的回归方程，从而得到建筑面积与能耗之间的关系，y1=-40344x12+979318x1+2×106（1）式中，x1—建筑面积m2y1—建筑年耗冷量kWh/year6000056000010600001560000206000025600003060000356000040600004560000150021002700南北西形状比1形状比2形状比3外遮阳无外遮阳1外遮阳2夏24℃、冬20℃夏26℃、冬20℃夏28℃、冬20℃外墙传热2.0外墙传热1.2外墙传热0.67窗墙比60%窗墙比35%窗墙比10%屋顶传热1.77机器照明30W/m²机器照明50W/m²6mm普通单玻普通中空内张膜(单)屋顶传热0.54屋顶传热0.83年耗冷量(KW•h/year)图9建筑年耗冷量与10因素关系曲线图6100110021003100410051006100150021002700南北西形状比1形状比2形状比3外遮阳无外遮阳1外遮阳2夏24℃、冬20℃夏26℃、冬20℃夏28℃、冬20℃外墙传热2.0外墙传热1.2外墙传热0.67窗墙比60%窗墙比35%窗墙比10%机器照明10W/m²机器照明30W/m²机器照明50W/m²6mm普通单玻普通中空内张膜(单)屋顶传热0.54屋顶传热0.83屋顶传热1.77年耗热量(MJ/year•m²)图10建筑年耗热量指标与10因素关系曲线图因此，建筑面积小的建筑物，虽然耗冷总量小，但单位面积耗冷量指标较大，从节能观点考虑并不能有效地节能；而建筑面积大的建筑，虽然耗冷总量大，但单位面积耗冷量指标较小。从这一观点出发，进行建筑设计时建筑物的建筑面积不宜太小。大体形建筑反而比较节能。4.2建筑朝向对夏、冬季能耗的影响图9～图10中给出了冬、夏季建筑的不同朝向与耗冷量、耗热量的关系对比。可以看出建筑的不同朝向对夏季耗冷量、冬季耗热量的影响是不同的。南向对全年建筑能耗的影响最小，西向对建筑能耗的影响最大，而北向居中。南、北朝向时，建筑冬、夏两季对8506863491853897395241410200040006000800010000南北西建筑能耗MJ/year•m2耗冷量耗热量图11建筑朝向与耗冷、热量对比建筑耗冷、耗热量的影响基本相同，西向稍高。这是因为建筑模型在建立时严格按照实际工程基本模式，以实际适用为基本原则，建筑的总体外形比较规则，南、北开窗基本对称，窗墙面积比又一致，造成太阳辐射热对整个建筑物的影响基本相同。该结果有效证明了寒冷地区如石家庄、邯郸、邢台、保定等地的建筑最佳朝向应为南北朝向。这种结果与《公共建筑节能设计标准2005-07-01》中的尽量避免东西向为正面朝向的建议相符，建筑的正面朝向设计尽量采用南北朝向。从图11中可以看出，夏季建筑年总耗冷量远远高出冬季耗热量。南向建筑夏季耗冷量高于冬季耗热量54.2%，北向高出54.2%，西向高出54.5%。无论任何朝向的建筑夏季7耗冷量均高出冬季耗热量的一半以上，建筑节能应充分考虑夏季冷耗的影响。③形状比对夏、冬季冷热负荷的影响建筑的形状比也是影响夏季建筑能耗的重要指标。从图9～图10可以看出，无论冬季还是夏季，形状比为1：2的建筑耗冷、耗热量均为最小，能耗最低；而形状比为1：1和1：3建筑能耗指标均高于形状比为1：2的建筑；④外遮阳对夏季冷负荷的影响DeST设置的遮阳1和遮阳2的做法见表3和图8。图9～图10显示出，无遮阳时夏季耗冷总量最高，遮阳2两项指标最小。由于遮阳1与不设遮阳的形式无显著的变化，夏季冷负荷总量两条曲线的斜率较小。窗的遮阳设计应有明显可以阻挡阳光的作用，否则与不设遮阳效果相同。⑤室内设计温度对夏季冷负荷的影响夏季室温设定温度为三个档次，24℃、26℃、28℃；冬季采用相同的室内设定温度20℃。夏季随着室内设定温度的降低，冷负荷急剧升高，直线斜率最大，夏季室内温度平均每升高1℃，全年将多增加耗冷量686.75MJ/m2·℃。因此适当的调整室内温度对建筑节能有显著影响。⑥外墙和屋顶传热系数对建筑耗冷量、耗热量的影响图12外墙传热系数与建筑能耗关系