严寒地区建筑本体设计参数与采暖空调能耗的定量关系

摘要:将影响建筑能耗的设计参数分为体型设计参数和热工设计参数,体型设计参数的代表变量为平 面尺寸、建筑高度、窗墙比和朝向,热工设计参数的代表变量为屋顶、外墙、外窗传热系数。 通过建立 寒冷地区办公建筑的建筑模型,对以上变量确定变化范围及步长,进行全工况的全年动态能耗模拟。 通过单变量敏感性分析,得到以上变量对能耗的影响,并定量表述其与能耗的关系。

引言

当前,世界能源问题突出,建筑节能引起众多 关注。 建筑能耗包括采暖空调能耗、照明能耗、设 备能耗等,其中采暖空调能耗占总能耗的 30% ~ 50% [1] ,是建筑的主要耗能环节,也是建筑节能的 主要对象。 采暖空调系统的节能涉及众多方面,包 括建筑体型、围护结构、采暖空调系统的设计及运 行管理、可再生能源及新材料的应用等。 当前节能 工作的研究重点放在各项节能技术及措施的应用, 忽视了建筑本体节能的设计[2] 。 良好的建筑本体 设计,可以充分利用天然条件,避免复杂节能技术 的堆砌,从根本上实现建筑节能。

我国的建筑设计领域对于建筑节能的要求仅 体现在初步设计阶段,如规范规定体型系数、窗墙比、传热系数、遮阳系数等的限值[3 - 5] ,在方案设计 和施工图设计阶段并没有具体要求。 因此,有必要 对建筑本体设计参数进行研究,以期在建筑设计的 同时进行节能设计,实现真正意义上的建筑艺术和 技术的融合。 文中通过分析,得出影响能耗的建筑 本体参数,包括建筑体型参数和热工参数,并定量 分析了这些参数与建筑能耗的关系。

1 建筑本体设计参数与能耗关系的模拟方案

建筑体型设计参数指建筑的体量和平面,包括 体型系数、建筑造型、平面形状、窗墙比等参数。 建 筑外围护结构是建筑的主体,文中选取屋顶传热系 数、外墙传热系数、外窗传热系数作为建筑热工设 计参数。

取常见的几种平面形式进行分析,包括正方 形、长方形、L 形、H 形和 U 形。 固定平面面积为 1600m2 ,几种建筑平面尺寸如图 1 所示。 标准层 层高为 3． 5m,层数分别为 3、6、9、12、15。 窗墙比为 0． 2 ~0． 7,步长为0． 1。 朝向分为南北向和东西向。

以位于以沈阳为代表的寒冷地区的办公建筑 为例,采用 Design Builder 软件进行建筑能耗动态 模拟[6] ,以建筑体型设计参数和建筑热工设计参 数为输入变量,得到采暖空调能耗。 模型建筑冬季 采暖室内设计温度为 18℃,热源为集中燃气锅炉, 效率为 0． 8。 夏季室内空调控制温度为 26℃,相对 湿度为 60% ,采用中央空调集中冷水机组,COP 为 3． 0。

在分析建筑体型设计参数与能耗的关系时,选 定模型建筑的热工特性参数为定值。 根据《公共 建筑节能设计标准》 中对寒冷地区 B 的围护结构 传热系数的限定[7] ,设置模型建筑的屋面、外墙、 外窗传热系数分别为0． 35W / ( m2·K) 、0． 45W / (m2·K)、2． 2W/ (m2·K)。 在分析建筑热工设计参数与能耗的关系时,首先确定模型建筑。 不考虑 朝向对能耗的影响,因而建立正方形的模型建筑, 15 层,窗墙比为 0． 4。 以 0． 1W/ (m2·K)为屋顶和 外墙传热系数的步长,以 0． 2W/ (m2·K)为外窗传 热系数的步长。 在模拟建筑能耗时,还需要输入室 内人员、照明和设备的基本信息及使用情况,由于 文中研究内容并不涉及内部因素,因此采用 Design Builder 对办公建筑的默认设定,人员密度为 0． 11 人/ m2 ,照明和设备功率密度分别为 5W/ m2 和 11． 89W/ m2 。

2 模拟结果分析

2． 1 建筑体型设计参数与能耗的关系

2. 1. 1 建筑平面形状

根据基准建筑,改变平面形状后,分别模拟其 全年采暖空调能耗,结果如图 2 所示。

只改变平面形状,不改变建筑平面面积和建筑 面积时,长方形、L 形的采暖能耗和空调能耗均大 于正方形产生的采暖能耗和空调能耗,采暖空调总 能耗超出的幅度分别为 19． 79% 、10． 82% 。 H 形 和 U 形产生的采暖能耗均大于正方形产生的采暖 能耗,超出的幅度分别为 30． 03% 和 5． 64% ,然而 产生的空调能耗均小于正方形产生的空调能耗,减 小的幅度分别为 0． 28% 和 15． 65% 。 H 形平面减 少的空调能耗很小,最终采暖空调总能耗均超出正 方形产生的采暖空调能耗,超出程度为 20． 17% 。 U 形 产 生 的 空 调 能 耗 降 低 很 大, 降 低 幅 度 为 1． 29% ,相当于 0． 71kWh / ( m2·a)。 上述分析发 现,建筑平面越对称,越接近于圆形,其采暖空调能 耗越小。 且受风场、室外光环境等的影响,U 形建 筑能更好的利用自然通风和自然采光,因而推荐 U 形 或回字形建筑。

投稿会员：芳华