建筑圍護結構熱工性能在建筑節(jié)能中的應用,公共建筑工程論文

建筑圍護結構熱工性能在建筑節(jié)能中的應用,公共建筑工程論文(綠色建筑評價標準〕〔GB/T50378-2006〕優(yōu)選項第5.2.16條規(guī)定：建筑設計總能耗低于國家批準或備案的節(jié)能標準規(guī)定值的80%.(公共建筑節(jié)能設計標準〕〔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)，華而不實大約20%~50%由外圍護構造傳熱所消耗〔夏熱冬暖地區(qū)大約20%,夏熱冬冷地區(qū)大約35%,嚴寒地區(qū)大約40%,嚴寒地區(qū)大約50%〕。關于夏熱冬暖地區(qū)的建筑節(jié)能研究，國內(nèi)學者已做了相當?shù)墓ぷ?。付祥釗?002〕、姬永洲〔2018〕從建筑圍護構造層面對夏熱冬暖地區(qū)的建筑節(jié)能技術做了全面分析和研究，指出該地區(qū)設計要注重通風、遮陽，圍護構造要注重外窗玻璃，這是節(jié)能的關鍵。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)氣候特點提出防曬墻和架空屋頂?shù)脑O計，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，提出了隔熱與遮陽并重的亞熱帶綠色建筑美學，并深切進入分析了各種綠色技術，指出了通風、遮陽、隔熱、防潮對該地區(qū)建筑的重要性。林憲德〔2018〕設計的臺灣綠色魔法學校通過開口設計、遮陽設計、屋頂花園實現(xiàn)節(jié)能16.5%,通過風扇通風、浮力通風再節(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行了動態(tài)模擬計算，結果表示清楚：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9.95%.上述諸多學者的研究成果表示清楚，通過改善圍護構造熱工性能實現(xiàn)建筑能耗的降低，夏熱冬暖地區(qū)的難度要遠高于其他地區(qū)。在標準執(zhí)行經(jīng)過中，大多數(shù)綠色建筑項目〔袁小宜，2018;鄭福居，2020;張磊，2020;余鴻高，2020〕的節(jié)能率綜合考慮圍護構造、照明、空調(diào)等設備的節(jié)能效果及可再生能源利用量的計算。(綠色建筑評價標準〕〔GB/T50378-2020〕〔下面簡稱新版標準〕中則明確針對建筑圍護構造熱工性能制定了評分規(guī)則，華而不實，評分項第5.2.3條規(guī)定：圍護構造熱工性能比國家現(xiàn)行相關建筑節(jié)能設計標準的規(guī)定提高幅度或者供暖空調(diào)全年計算負荷的降低幅度到達5%,得5分；到達10%,得10分。加分項第11.2.1條規(guī)定：圍護構造熱工性能比國家現(xiàn)行相關建筑節(jié)能設計標準的規(guī)定高20%或者供暖空調(diào)全年計算負荷降低幅度到達15%,得2分。夏熱冬暖地區(qū)圍護構造熱工性能的提高主要通過透明圍護構造的遮陽系數(shù)的降低，其前提是建筑節(jié)能設計的各項規(guī)定性指標均知足標準要求，這在實際工程中往往很難做到。而供暖空調(diào)全年計算負荷的降低程度可通過比擬計算得到，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)設計參數(shù)、空調(diào)供暖系統(tǒng)形式和設計的運行形式、系統(tǒng)設備參數(shù)等條件不變的情況下，計算設計建筑和參照建筑的負荷，并比擬差異。隨著新版標準的施行，有必要研究夏熱冬暖地區(qū)提高建筑圍護構造熱工性能對降低建筑能耗的節(jié)能潛力，以及實現(xiàn)建筑低能耗所需要采取的綜合措施。2圍護構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行節(jié)能計算，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,設計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)定性指標且與參照建筑一樣，室內(nèi)參數(shù)按(公共建筑節(jié)能設計標準〕〔GB50189-2005〕附錄B設置。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0.30、0.28、0.25分別對應參照建筑遮陽系數(shù)最小限值0.31降低5%、10%、20%后的值〔表1〕，采用斯維爾節(jié)能設計軟件20201212〔SP3〕版計算建筑能耗〔表2〕。由結果可知，當設計建筑綜合遮陽系數(shù)根據(jù)比參照建筑降低5%、10%、20%時，空調(diào)全年計算負荷降低幅度均小于5%,若根據(jù)新版標準的要求進行評價則均不能得分。遮陽系數(shù)為0.20時，空調(diào)負荷降低幅度達6.62%,僅知足新版標準5分檔的要求，而實際建筑外窗遮陽系數(shù)很難到達該水平。因此，該類建筑若要知足評分要求，宜使其在知足規(guī)定性指標的前提下根據(jù)外窗遮陽系數(shù)降低幅度進行評價。根據(jù)現(xiàn)行節(jié)能設計標準，將不同窗墻面積比情況下的遮陽系數(shù)提高5%、10%、20%〔表3〕。當窗墻面積比大于0.5時，若要顯著提高性能則意味著綜合遮陽系數(shù)基本上應小于0.30,實現(xiàn)起來具有一定的難度?？梢妼τ诖皦γ娣e比大的建筑，無論是提高圍護構造熱工性能，還是降低供暖空調(diào)全年計算負荷都有一定的困難。2.2圍護構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]到地域特點和技術的可行性，將屋頂傳熱系數(shù)K設為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)能設計標準〕〔GB50189-2005〕附錄B設置，詳細參數(shù)設置如表4所示。將計算結果根據(jù)新版標準規(guī)定的能耗降低幅度范圍進行歸類，得到知足標準要求時對應的屋頂傳熱系數(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)定性指標要求，若忽略熱工性能不合格的外挑樓板，則設計建筑在采用遮陽系數(shù)0.42時，圍護構造的熱工性能提高5%,采用0.40時提高10%,采用0.36時提高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準第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規(guī)定性指標的要求，否則按空調(diào)全年計算負荷降低幅度進行評價。根據(jù)圖1所示，降低5%相對容易實現(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，外窗設計一定的遮陽構件或選擇遮陽系數(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，需要在以上基礎上加大屋面和墻體保溫層厚度，十分需要進一步降低綜合遮陽系數(shù)。關于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，設計建筑的能耗較參照建筑降低15.05%,勉強到達新版標準第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)有技術都很難到達此熱工性能。當前夏熱冬暖地區(qū)的公共建筑一般都通過權衡判定完成建筑節(jié)能設計，規(guī)定性指標完全合格的幾乎沒有，華而不實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，因而設計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)，標準中按單一朝向窗墻面積比給出不同的要求，但實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)往往不能知足標準規(guī)定的1.5W/〔m2K〕的要求。對于窗墻面積比擬小的建筑，若要得到新版標準第5.2.3條的5分，建議選擇空調(diào)全年計算負荷降低幅度進行評價，若要得到10分，需要綜合考慮實際情況選取評價方式方法；若要