夏热冬冷地区办公建筑节能的数字分析和设计策略.doc

夏热冬冷地区办公建筑节能的数字分析和设计策略本文出自: 能源世界网 作者: 梅子红了 点击率: 2441摘要：通过研究夏热冬冷地区办公建筑围护结构各部件对建筑耗电量的影响，以计算机模拟得出的各项参数，分析了影响建筑节能指标的围护结构各部件，如墙体、窗户、玻璃、遮阳、屋顶以及空调和采暖设备等，详尽的分析了不同部件对建筑节能的影响，并提出该地区的建筑围护结构的设计策略。为夏热冬冷地区办公建筑的节能设计和既有办公建筑的节能改造提出数字化依据。关键词：建筑节能夏热冬冷地区办公建筑 数字分析Energy Saving Analysis and Design Strategies for Office Building in Hot Summer and Cold Winter ZoneABSTRACTAccording to thepower consumption study and simulation results of difference parts for the office building in the summer-hot and winter-cold zone, this paper analyzes the energy saving effects of every part to the building, such as walls, windows, glasses, roof, HVAC and so on. Discuss the energy saving performance of building apart in detail. Some influenced parameters are reached and some directed tactics are given for building energy saving design and reconstruction in the summer-hot and winter-cold zone.KEYWORDSEnergy Saving，Summer-hot and winter-cold zone，Office building，Digital analysis以下内容需要回复才能看到一、引 言我国建筑节能的任务是：在保证使用功能、建筑质量和室内环境符合小康目标的前提下，采取各种有效的节能技术与管理措施，降低新建房屋单位建筑面积的能耗。同时，对既有的建筑物进行有计划的节能改造，达到提高使用的热舒适性、节约能源和改善环境的目的。 在夏热冬冷地区的建筑设计和既有建筑的节能改造工作中，对建筑节能和建筑性能的要求更为突出。当代信息技术与环境技术设备的发展使得对建筑性能进行参数化设计和数字化精确调控成为可能。在方案阶段对整个建筑的能源消耗和生态效应有一个准确的估算，最大限度减少不可再生能源的消耗，真正实现绿色建筑设计中的节能降耗指标，对建筑物的围护结构的设计进行优化，合理地安排并组织建筑与其他相关环境因素之间的联系，是夏热冬冷地区建筑节能设计和既有建筑改造设计的关键步骤。利用建筑的体型和对围护结构的选用或改造，是建筑节能最为关键的一步。在围护结构的设计上，进行节能设计或改造的数字化分析是本文的出发点。运用此手段，从而研究夏热冬冷地区建筑围护结构节能性能，提出在建筑设计或节能改造中可实施的节能设计策略。考虑到不同地区地理位置和气候条件的差异性，本文所研究的建筑围护结构节能，主要研究太阳辐射对建筑的影响，在文章结尾中，列出围护结构节能设计的基本结论，但各地区应根据具体地理位置和实际情况，修正其节能参数。二、办公建筑模型以及数字计算条件 建筑概况：该办公建筑为地上8层的普通标准型板式建筑，结构为框架结构，总占地面积70045 m2，建筑面积561700 m2，结构上采用240mm厚的承重墙和120mm厚的隔墙，外墙采用240mm厚的复合材料。所处地理位置：武汉市，东经1141229，北纬304701。建筑的基本参数：窗墙比：0213（北）；0085（东）；0379（南）；0085（西）。建筑体形系数：0226。室外气象计算参数采用武汉典型年的气象报告，由武汉市气象局提供。采暖和空调使用时，室内换气次数为10次/h。室内照明得热为每平方米每天4w，室内设备得热平均强度为6w/ m2。办公建筑的内部得热在冬季可以减小采暖负荷，在夏季则增大空调负荷。在计算时将内部得热分为照明和其它设备两类来考虑。采暖和制冷设备系统为分体空调，均以电力为能源，制冷性能系数EER为27，采暖制热性能系数COP28，这主要是考虑普通空调器国家标准规定的最低能效比。由于夏热冬冷地区室内采暖、空调设备的配置实际上能够控制的主要是建筑围护结构，所以在计算中适当降低设备的额定能效比对建筑实际达到节能50的目标是有利的。在计算中取空调的最低能效比，有利于突出建筑围护结构在建筑节能中的作用。办公室室内计算温度，冬季为18；夏季为26。没有按照公共建筑节能标准冬季20，夏季25的标准计算，是考虑到国家在倡导在夏季温度调高1度的建议。故按照居住建筑节能的温度做计算。这样做并不影响以下的结果，因为都是采用相对值的百分比来陈述结果。本例采用空调和采暖耗电量作为评价指标。作为一个普通办公楼建筑，白天工作，晚上休息。房间内的设备的使用周期与办公时间相同。办公室具体的使用周期如下：周一至周五工作，周六、周日以及节假日休息，工作时间为每天上午8：00下午6：00，照明设备、空调设备和其他设备的运行时间也一样。在决定这些热工数据时，考虑了满足冬、夏两季的要求。墙体采用平均传热系数，即按面积加权法求得外墙的传热系数，同时考虑了围护结构周边的混凝土梁、柱等热桥的影响。模拟计算程序为DOE2PLUS，输出结果以输出报告中的大楼空调系统各个月份的总耗电量为依据，并作为节能标准的衡量标准参数。三、影响节能指标的围护结构部件数字分析1耗电量百分比总体分析（以夏季为例）由于DOEPLUS程序的限制，以及我国的夏、冬两季的两个温度标准与DOEPLUS程序所设计的全年保持室内只有一个空调温度不同，故采暖周期和空调周期的耗电量分析必须分周期进行讨论。现以夏季6、7、8月为主要计算周期，同时把5月和9月的数据也列出作为参考。以下数据为该建筑的比较参数，基础数据为240mm砖复合墙体。其它数据为围护结构采用节能措施后，相对240墙的耗电量的百分比（见表1、表2）分别为：1)外墙加4080mm厚聚苯板；根据计算结果显示，采用40mm（传热系数为065 W/ m2K）的聚苯板与80mm（传热系数为034 W/ m2K）聚苯板的效果相差很小，所以只列出增加40mm厚聚苯板的结果；2)墙和屋顶加80mm厚聚苯板；3)窗户上固定遮阳，外挑尺寸的设计参数，可以在武汉市59月份完全遮挡太阳光照射进室内；4)所有的窗户都换LOW-E玻璃，玻璃传热系数为30 W/ m2K；5)所有的窗户都换LOW-E玻璃，玻璃传热系数为15 W/ m2K；6)所有窗户都只换普通中空玻璃窗, 玻璃传热系数为34 W/ m2K；7)既用遮阳，又用LOW-E玻璃，玻璃传热系数为30 W/ m2K（为方便分析，将遮阳功能从LOW-E玻璃窗的功能中单独剥离出来，作为两项节能措施）；8)既用窗外百叶活动遮阳，又用LOW-E玻璃，玻璃传热系数为30 W/ m2K；9)墙体加聚苯板，聚苯板传热系数为034 W/ m2K，窗户换LOW-E玻璃，玻璃传热系数为30 W/ m2K；10)窗户改为普通中空玻璃窗，然后采取所有的上述节能措施；11)窗户改为LOW-E中空玻璃窗，然后采取所有的上述节能措施。月份240mm墙墙加聚苯板墙和屋顶加聚苯板窗户上固定遮阳LOW-E玻璃K=30 W/m2KLOW-E玻璃K=15 W/m2K五月100%1001%993%972959%953%六月100%986%979%972960%952%七月100%972%965%971958%950%八月100%964%958%971958%950%九月100%966%959%971958%951%表1 总体情况表月份普通中空玻璃采用固定遮阳和LOW-E玻璃窗外百叶活动遮阳加LOW-E玻璃墙体聚苯板加LOW-E玻璃全部措施（普通中空玻璃）全部措施（LOW-E玻璃）五月986%956%953%952%962%946%六月987%956%952%937%947%932%七月986%954%950%923%933%918%八月986%953%950%916%925%910%九月986%954%950%918%928%912%表2 总体情况表（续）2 耗电量百分比总体分析图2结果分析按以上数据，将240mm墙设定为100，再根据耗电百分比的均值，得到节能效果的排列为（从节能效果最差到最好排序）：采用措施节能效果所有窗户都只换普通中空玻璃窗9864%外墙加聚苯板9719%窗户上固定遮阳9712%墙和屋顶加聚苯板9650%所有的窗户都换LOW-E玻璃9580%既用遮阳，又用LOW-E玻璃9542%既用窗外百叶活动遮阳，又用LOW-E玻璃9507%窗户改为普通中空玻璃窗，然后采取所有的节能措施9328%墙体加聚苯板，窗户换LOW-E玻璃9234%窗户改为LOW-E中空玻璃窗，然后采取所有的上述节能措施9176%表3 节能效果排序表由于所有结果都是在使用空调的条件下得出，所以，以下结论都要考虑在使用空调的环境条件下。1)窗换普通中空玻璃窗，只能起到较小的节能效果，节能的效果只是表现在空调环境改善上；2)夏天5个月（实际上主要考虑6、7、8月，5月和9月列出是为了比较，下同），单独墙体改进（隔热加保温）一个月至多可以节约2434的耗电量。若将屋顶也做改进，一个月则可以节约至多354耗电量。整个夏天，单独改进墙体可以节约用电量35左右。3)单独作用的固定南向窗户上的遮阳板可以每月节约3的耗电量，整个夏天，单独增加固定遮阳板可以节约用电量3左右。4)所以，根据2和3条，外墙加聚苯板和窗户上有固定遮阳的效果基本一样，但按性价比考虑，遮阳要大大优于外墙加聚苯板；相比较遮阳而言，经济性（性价比）应是遮阳比大楼全外墙加聚苯板要高。5)夏天单独作用的所有窗户（整栋大楼）上玻璃采用LOW-E玻璃可以每月节约45的耗电量，整个夏天，单独改进窗玻璃可以节约用电量5左右。夏天，LOW-E玻璃的传热系数的变化对节能效果影响在1以内，但普通中空玻璃窗和LOW-E玻璃窗两者的价格差肯定比这大得多。但在冬天，LOW-E玻璃的传热系数低的效果就比高的节能效果要提高许多。故选择时，要注意LOW-E玻璃窗的性价比，根据实际情况选择合适的玻璃窗。6)夏天，南向窗加遮阳与所有窗户（整栋大楼）上玻璃采用LOW-E玻璃可以每月节约45左右的耗电量，整个夏天，南向窗加遮阳与所有窗户（整栋大楼）上玻璃采用LOW-E玻璃可以节约用电量45左右。这里有两种遮阳方式，一种是固定在窗户上方，作为建筑部件的遮阳，一种是窗外百叶遮阳。百叶遮阳在这里的关闭时间为，上班时间关闭，下班时间开启。根据计算，窗外百叶遮阳效果略好于建筑部件的遮阳，可以达到节约用电量56左右，但实际上，窗外百叶遮阳是要靠人控制或机械电气控制，结果要根据性价比具体分析。7)若只考虑夏天，夏热冬冷地区的办公楼的窗户可只采用遮阳或换LOW-E玻璃窗其中一种方式，基本能满足同一节能要求，节能效果相差13%左右，但两种措施都采取，也只能达到采用其中换LOW-E玻璃窗的节能效果。这个结论的前提条件是玻璃窗的密闭条件要达到要求。8)夏天，大楼外墙体，包括屋顶都加聚苯板和所有窗户（整栋大楼）上玻璃窗都采用LOW-E玻璃最多每月可以节约89的耗电量，整个夏天，大楼外墙体，包括屋顶加聚苯板和所有窗户（整栋大楼）上玻璃采用LOW-E玻璃可以节约用电量8左右。9)夏天采取上述所有措施，比第8条还多采取一个遮阳措施，最多每月可以节约89的耗电量，整个夏天，可以节约用电量9左右。当然，所有的措施都采用，效果肯定最好，但与只改进墙体、窗的效果差不多，也就是没有把遮阳用上。10)将第9条的采用所有窗户（整栋大楼）上玻璃采用LOW-E玻璃的措施改为采用普通中空玻璃窗，节能效果也还不错，但前提条件是围护结构其他部分以及遮阳的措施一定要采取，否则就会使得节能效果差（可参见第1条的结论）。四建筑全年情况数字分析由气象数据可以分析得知，按国家标准中度日数概念，以及有可能达到采暖标准温度18和空调温度26的实际情况，采暖周期为4个月（11月、12月、1月和2月）；空调周期也是4个月（6月、7月、8月和9月）。其余月份在温度调节上没有耗费能源。那么，各取相对的4个月的耗电量相对本周期总耗电量的百分比，见下表：月份未采取节能措施耗电量相对本耗电周期百分比采取节能措施耗电量相对本耗电周期百分比采取节能措施前后的耗电量百分比11月31.40%22.70%39.68%12月25.26%19.04%41.32%1月21.80%40.98%103.09%2月21.55%17.26%43.93%采暖周期总耗电量100%100%6月24.28%24.64%92.99%7月25.23%25.25%91.67%8月25.74%25.51%90.81%9月24.76%24.60%90.98%空调周期总耗电量100%100%全年总耗电量100%74.31%74.31%表4 全年情况分析表本例中，建筑围护结构在没有进行节能处理的情况下，采暖周期4个月占全年用电量的47，空调周期4个月占全年用电量的53，基本上两个周期各占一半的能量耗费；采用节能措施后，采暖周期4个月占全年用电量的347（由于上述数据中，有一个数据偏差较大，尽管我们在总结时进行了处理，但数据还是原样列出），空调周期4个月占全年用电量的653。这表明在夏热冬冷地区，围护结构的节能改造可以使得采暖周期的耗电量下降较大，而空调周期的耗电量改善有限。本例围护结构的改造使得采暖周期平均节约用电46，空调周期平均节约用电9。据此计算，相比较240mm砖墙未进行围护结构节能改造的办公建筑，全年节约257的耗电量，但这并不是相对国家公共建筑节能标准的节能比率。这就是在既有建筑上采取措施能够节约能量（电能）的基本数据。按照国家公共建筑节能设计标准计算，将该建筑改为“基准建筑（Baseline）”，外墙K值为15 W/ m2K，外窗改为64 W/ m2K后，该例本身已节能78；若将基准建筑室内与室外空气交换的程度增大，即减小玻璃窗的密闭程度，该例本身已可节能12。尽管在“基准建筑”上进行围护结构节能改造和在本例所述建筑上进行相同节能改造的结果并不是呈线性比例的，但作为基本全年总评估，采用线性计算还是可行的。故综上所述，相比较“基准建筑”，本例采取节能措施后，全年节约1（10.07）(10.257) 10030%的耗电量。而基准建筑减小玻璃窗的密闭程度，该例本身则可全年节约35的耗电量。该建筑要达到国家节能标准，剩下的节能要求，就要靠提高的空调机的效率，通风的效率，照明的效率和其他耗能设备的效率了。五、办公建筑设计和改造措施的分析按照上述结果分析，在夏热冬冷地区，在不采用设备进行温度调节的3月，4月，5月和10月，可依靠通风以及风扇等小电气设备来调温，在需调温周期，过大的通风会增加耗能程度。在此，办公建筑的办公时段，没有考虑自然通风，而采用新风系统供新鲜空气。若要考虑建筑自然通风状况，可采用CFD（计算流体动力学）模拟方法进行评估。办公建筑的办公时段的新风机的耗能分析，以及照明和其他电气设备的耗能将在其他文章里再讨论。其他影响建筑节能的因素，如建筑朝向、建筑是否靠近水体、绿地影响等，也不在此讨论。夏热冬冷地区的办公建筑节能设计或改造，宜先从玻璃窗改造方面考虑措施。首先，玻璃窗的密闭程度应该提高，玻璃窗的密封程度，可以影响到全年的节能效率46（计算结果没有列出，但在上文讨论与“基准建筑”的比较时，列出了该值的部分讨论）。其次，玻璃窗的改造。在现有玻璃窗内、外再加一层玻璃窗，相当于普通中空玻璃的节能效果，即可增加玻璃窗的密闭性，也可改善节能效果。若原窗密闭性较好，则增加遮阳措施效果更好，若密闭性不好，则先解决窗的密闭性。窗的玻璃改造有两种，即是否采用LOWE玻璃。但无论采用那种，窗的遮阳系数要低，而普通中空玻璃一定要采取遮阳措施，LOWE玻璃窗一定要选遮阳系数合适的产品。在夏热冬冷地区，夏天要把太阳辐射挡在室外，冬天则需要将太阳辐射引入室内，且还是越多越好，用以提高室内温度和增加自然采光。由于LOWE玻璃窗不具备这种两面性，所以，本地区应该在设计中可充分考虑采用遮阳措施。窗外百叶遮阳或活动式遮阳需靠人或机械、电气调节，风吹雨打又容易损坏，有一定的局限性，但优点也是明显的，冬、夏两季都能很好满足要求。建筑的固定遮阳夏天没有问题，但遮阳板设计不好，会部分影响冬天的太阳辐射照进室内，更谈不上利用冬天太阳辐