建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能在建筑節(jié)能中的應(yīng)用,公共建筑工程論文

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能在建筑節(jié)能中的應(yīng)用,公共建筑工程論文(綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)〕〔GB/T50378-2006〕優(yōu)選項(xiàng)第5.2.16條規(guī)定：建筑設(shè)計(jì)總能耗低于國家批準(zhǔn)或備案的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的80%.(公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)〕〔GB50189-2005〕中指出：在公共建筑〔十分是大型商場、高檔旅館酒店、高檔辦公樓等〕的全年能耗中，大約50%~60%消耗于空調(diào)制冷與采暖系統(tǒng)，華而不實(shí)大約20%~50%由外圍護(hù)構(gòu)造傳熱所消耗〔夏熱冬暖地區(qū)大約20%,夏熱冬冷地區(qū)大約35%,嚴(yán)寒地區(qū)大約40%,嚴(yán)寒地區(qū)大約50%〕。關(guān)于夏熱冬暖地區(qū)的建筑節(jié)能研究，國內(nèi)學(xué)者已做了相當(dāng)?shù)墓ぷ?。付祥釗?002〕、姬永洲〔2018〕從建筑圍護(hù)構(gòu)造層面對夏熱冬暖地區(qū)的建筑節(jié)能技術(shù)做了全面分析和研究，指出該地區(qū)設(shè)計(jì)要注重通風(fēng)、遮陽，圍護(hù)構(gòu)造要注重外窗玻璃，這是節(jié)能的關(guān)鍵。籍存德等〔2006〕分析了夏熱冬暖地區(qū)辦公建筑的耗能現(xiàn)在狀況，并根據(jù)氣候特點(diǎn)提出防曬墻和架空屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)，遮陽板的形式和選擇及各朝向的玻璃優(yōu)化等符合夏熱冬暖地區(qū)的節(jié)能措施。林憲德〔2003〕根據(jù)臺灣的氣候特點(diǎn)，提出了隔熱與遮陽并重的亞熱帶綠色建筑美學(xué)，并深切進(jìn)入分析了各種綠色技術(shù)，指出了通風(fēng)、遮陽、隔熱、防潮對該地區(qū)建筑的重要性。林憲德〔2018〕設(shè)計(jì)的臺灣綠色魔法學(xué)校通過開口設(shè)計(jì)、遮陽設(shè)計(jì)、屋頂花園實(shí)現(xiàn)節(jié)能16.5%,通過風(fēng)扇通風(fēng)、浮力通風(fēng)再節(jié)能10.6%.趙立華等〔2008〕對廣州地區(qū)某窗墻面積比擬大的公共建筑進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，結(jié)果表示清楚：降低外窗的遮陽系數(shù)、外墻和屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)對減少建筑全年空調(diào)能耗和最大空調(diào)冷負(fù)荷有利，但降低窗的傳熱系數(shù)對減少建筑全年空調(diào)能耗和最大空調(diào)冷負(fù)荷不利。遮陽系數(shù)較小、傳熱系數(shù)較大的窗和傳熱系數(shù)較小的墻、屋頂組合起來節(jié)能效果最好，節(jié)能率到達(dá)9.95%.上述諸多學(xué)者的研究成果表示清楚，通過改善圍護(hù)構(gòu)造熱工性能實(shí)現(xiàn)建筑能耗的降低，夏熱冬暖地區(qū)的難度要遠(yuǎn)高于其他地區(qū)。在標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行經(jīng)過中，大多數(shù)綠色建筑項(xiàng)目〔袁小宜，2018;鄭福居，2020;張磊，2020;余鴻高，2020〕的節(jié)能率綜合考慮圍護(hù)構(gòu)造、照明、空調(diào)等設(shè)備的節(jié)能效果及可再生能源利用量的計(jì)算。(綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)〕〔GB/T50378-2020〕〔下面簡稱新版標(biāo)準(zhǔn)〕中則明確針對建筑圍護(hù)構(gòu)造熱工性能制定了評分規(guī)則，華而不實(shí)，評分項(xiàng)第5.2.3條規(guī)定：圍護(hù)構(gòu)造熱工性能比國家現(xiàn)行相關(guān)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定提高幅度或者供暖空調(diào)全年計(jì)算負(fù)荷的降低幅度到達(dá)5%,得5分；到達(dá)10%,得10分。加分項(xiàng)第11.2.1條規(guī)定：圍護(hù)構(gòu)造熱工性能比國家現(xiàn)行相關(guān)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定高20%或者供暖空調(diào)全年計(jì)算負(fù)荷降低幅度到達(dá)15%,得2分。夏熱冬暖地區(qū)圍護(hù)構(gòu)造熱工性能的提高主要通過透明圍護(hù)構(gòu)造的遮陽系數(shù)的降低，其前提是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的各項(xiàng)規(guī)定性指標(biāo)均知足標(biāo)準(zhǔn)要求，這在實(shí)際工程中往往很難做到。而供暖空調(diào)全年計(jì)算負(fù)荷的降低程度可通過比擬計(jì)算得到，在建筑外形、內(nèi)部功能分區(qū)、氣象參數(shù)、建筑的室內(nèi)供暖空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)、空調(diào)供暖系統(tǒng)形式和設(shè)計(jì)的運(yùn)行形式、系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)等條件不變的情況下，計(jì)算設(shè)計(jì)建筑和參照建筑的負(fù)荷，并比擬差異。隨著新版標(biāo)準(zhǔn)的施行，有必要研究夏熱冬暖地區(qū)提高建筑圍護(hù)構(gòu)造熱工性能對降低建筑能耗的節(jié)能潛力，以及實(shí)現(xiàn)建筑低能耗所需要采取的綜合措施。2圍護(hù)構(gòu)造熱工性能對建筑能耗的影響分析建筑屋頂傳熱系數(shù)、外墻傳熱系數(shù)、窗墻面積比、外窗遮陽系數(shù)、綜合遮陽系數(shù)都會對建筑能耗產(chǎn)生不同程度的影響。外窗的遮陽系數(shù)對夏熱冬暖地區(qū)建筑空調(diào)能耗的影響最大，尤其是大窗墻面積比的高層公共建筑，而外墻、屋面熱工性能對建筑能耗的影響很小。本文算例一對大窗墻面積比的高層公共建筑的能耗進(jìn)行了分析，算例二選取多層、小窗墻面積比的公共建筑，綜合分析墻體、屋面、外窗的熱工性能對建筑能耗的影響。2.1外窗遮陽系數(shù)對建筑能耗的影響算例一選取某窗墻面積比擬大的高層建筑進(jìn)行節(jié)能計(jì)算，分析外窗遮陽系數(shù)降低對能耗的影響。建筑體形系數(shù)為0.17,設(shè)計(jì)建筑除挑空樓板的傳熱系數(shù)外，屋面、外墻和窗的傳熱系數(shù)均知足規(guī)定性指標(biāo)且與參照建筑一樣，室內(nèi)參數(shù)按(公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)〕〔GB50189-2005〕附錄B設(shè)置。各朝向綜合遮陽系數(shù)取值依次為0.31、0.30、0.28、0.25、0.20,華而不實(shí)0.30、0.28、0.25分別對應(yīng)參照建筑遮陽系數(shù)最小限值0.31降低5%、10%、20%后的值〔表1〕，采用斯維爾節(jié)能設(shè)計(jì)軟件20201212〔SP3〕版計(jì)算建筑能耗〔表2〕。由結(jié)果可知，當(dāng)設(shè)計(jì)建筑綜合遮陽系數(shù)根據(jù)比參照建筑降低5%、10%、20%時(shí)，空調(diào)全年計(jì)算負(fù)荷降低幅度均小于5%,若根據(jù)新版標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行評價(jià)則均不能得分。遮陽系數(shù)為0.20時(shí)，空調(diào)負(fù)荷降低幅度達(dá)6.62%,僅知足新版標(biāo)準(zhǔn)5分檔的要求，而實(shí)際建筑外窗遮陽系數(shù)很難到達(dá)該水平。因此，該類建筑若要知足評分要求，宜使其在知足規(guī)定性指標(biāo)的前提下根據(jù)外窗遮陽系數(shù)降低幅度進(jìn)行評價(jià)。根據(jù)現(xiàn)行節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將不同窗墻面積比情況下的遮陽系數(shù)提高5%、10%、20%〔表3〕。當(dāng)窗墻面積比大于0.5時(shí)，若要顯著提高性能則意味著綜合遮陽系數(shù)基本上應(yīng)小于0.30,實(shí)現(xiàn)起來具有一定的難度?？梢妼τ诖皦γ娣e比大的建筑，無論是提高圍護(hù)構(gòu)造熱工性能，還是降低供暖空調(diào)全年計(jì)算負(fù)荷都有一定的困難。2.2圍護(hù)構(gòu)造熱工性能對建筑能耗的綜合影響算例二為某窗墻面積比擬小的公共建筑，體形系數(shù)為0.38,外挑樓板傳熱系數(shù)K為3.84,不知足規(guī)定性指標(biāo)的要求。王歡等〔2018〕發(fā)現(xiàn)該地區(qū)建筑外窗傳熱系數(shù)對空調(diào)能耗影響較小，因此僅分析屋頂傳熱系數(shù)、外墻傳熱系數(shù)、綜合遮陽系數(shù)變化對其全年能耗的影響?？紤]到地域特點(diǎn)和技術(shù)的可行性，將屋頂傳熱系數(shù)K設(shè)為0.9、0.7、0.5W/〔m2K〕共3種工況，記為A1~A3;外墻傳熱系數(shù)K設(shè)為1.5、1.3、1.1、0.9、0.7W/〔m2K〕共5種工況，記為B1~B5;綜合遮陽系數(shù)設(shè)為0.6、0.5、0.4、0.3、0.2共5種工況，記為C1~C5.上述所有工況組合得到75種不同的方式，外墻外表太陽輻射吸收系數(shù)取0.65,屋面太陽輻射吸收系數(shù)取0.75,室內(nèi)參數(shù)按(公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)〕〔GB50189-2005〕附錄B設(shè)置，詳細(xì)參數(shù)設(shè)置如表4所示。將計(jì)算結(jié)果根據(jù)新版標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的能耗降低幅度范圍進(jìn)行歸類，得到知足標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)對應(yīng)的屋頂傳熱系數(shù)、外墻傳熱系數(shù)和綜合遮陽系數(shù)的組合方式〔圖1〕。建筑的外墻、屋面、外窗的傳熱系數(shù)均知足規(guī)定性指標(biāo)要求，若忽略熱工性能不合格的外挑樓板，則設(shè)計(jì)建筑在采用遮陽系數(shù)0.42時(shí)，圍護(hù)構(gòu)造的熱工性能提高5%,采用0.40時(shí)提高10%,采用0.36時(shí)提高20%.因此，對于小窗墻面積比的建筑，通過降低外窗遮陽系數(shù)能夠比擬容易獲得新版標(biāo)準(zhǔn)第5.2.3條的10分，甚至于第11.2.1條的2分加分，但前提是要知足各項(xiàng)規(guī)定性指標(biāo)的要求，否則按空調(diào)全年計(jì)算負(fù)荷降低幅度進(jìn)行評價(jià)。根據(jù)圖1所示，降低5%相對容易實(shí)現(xiàn)，優(yōu)先推薦A1B1C3組合，屋頂采用常規(guī)鋼筋混凝土+保溫層構(gòu)造，外墻采用自保溫砌塊輔以較薄保溫層或選擇太陽輻射吸收系數(shù)較小的飾面材料，外窗設(shè)計(jì)一定的遮陽構(gòu)件或選擇遮陽系數(shù)較小的玻璃即可知足，而挑空樓板仍然能夠不做保溫處理。若要降低10%,優(yōu)先推薦A1B3C4組合，需要在以上基礎(chǔ)上加大屋面和墻體保溫層厚度，十分需要進(jìn)一步降低綜合遮陽系數(shù)。關(guān)于A1B1C5方案，雖外墻屋面可不采用過厚保溫層，但遮陽系數(shù)過小的玻璃通常具有較低的可見光透射比，影響室內(nèi)采光質(zhì)量。若要降低15%,則僅有A3B5C5方案，設(shè)計(jì)建筑的能耗較參照建筑降低15.05%,勉強(qiáng)到達(dá)新版標(biāo)準(zhǔn)第11.2.1條的要求，可得2分加分。但夏熱冬暖地區(qū)的建筑屋面、外墻、外窗的現(xiàn)有技術(shù)都很難到達(dá)此熱工性能。當(dāng)前夏熱冬暖地區(qū)的公共建筑一般都通過權(quán)衡判定完成建筑節(jié)能設(shè)計(jì)，規(guī)定性指標(biāo)完全合格的幾乎沒有，華而不實(shí)最普遍的是底面接觸室外空氣的架空或外挑樓板，按規(guī)范要求需要做保溫處理，但這部分不會遭到太陽直接照射，一般面積也較小，因而設(shè)計(jì)中往往不做保溫處理；其次是外窗的遮陽系數(shù)和傳熱系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)中按單一朝向窗墻面積比給出不同的要求，但實(shí)際建筑中往往同一棟建筑采用同樣的外窗，部分朝向性能提高而部分朝向不合格的情況普遍存在；另外，外墻傳熱系數(shù)不合格，夏熱冬暖地區(qū)普遍采用200mm厚加氣混凝土墻體，考慮鋼筋混凝土剪力墻、梁、柱的熱橋影響，其傳熱系數(shù)往往不能知足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.5W/〔m2K〕的要求。對于窗墻面積比擬小的建筑，若要得到新版標(biāo)準(zhǔn)第5.2.3條的5分，建議選擇空調(diào)全年計(jì)算負(fù)荷降低幅度進(jìn)行評價(jià)，若要得到10分，需要綜合考慮實(shí)際情況選取評價(jià)方式方法；若要