西安某建筑办公楼围护结构优化设计

赵红军 陈思海 刘农一

0 引言

在我国能源消耗中，建筑用能占全国总能耗的30%左右，已接近发达国家水平(其建筑用能占全社会能源消费量1/3左右)。近几年我国每年城乡新建房屋的建筑面积达20亿m2，但在同等气候条件下，我国同类型的建筑物消耗的采暖能源比西欧或北美的要多100%甚至更多，且远不能达到欧美等国家建筑的舒适程度。究其原因可能是，在我国过去十多年的大规模建筑热潮中，能源利用效率低的建筑设计、建材产品以及传统的建筑方式仍然被广泛使用。

建筑造型及外围护结构的特性对建筑物能耗有决定性的影响，但是由于建筑复杂性和各种能耗因素的相互影响制约，很难简单的判断一个设计方案的优劣。本文利用DeST软件对西安地区一厂房办公楼在不同围护材料的能耗做了模拟计算，并对影响建筑能耗的因素进行了分析，得出了西安地区建筑能耗随围护结构变化的规律，为西安地区建筑围护结构材料的选用提供了一定的参考依据。

1 DeST 软件介绍[1]

本文利用DeST软件进行计算分析，该软件是建筑热环境及HVAC系统模拟的软件平台。DeST主要适用于下面的问题领域:

1)建筑热特性研究，包括:住宅室温估算、新型围护结构的影响、通风影响等。

2)空调系统设计的问题，包括:基于全年逐时模拟的建筑能耗及温度指标估算、系统形式与分区、变风量系统分析、新风利用、不同AHU(Air Handler Units，组合式空调机组)类型比较;空气处理设备的校核、冷冻站设计等。

2 建筑概况及模拟方案

2.1 建筑概况

本文的研究对象为西安市某厂房及办公建筑，总建筑面积为1852 m2，其中空调面积 1610 m2，建筑总高度为 13.4 m，地上3 层，第1层 ～3 层的层高分别为5.0 m，4.5 m 和3.9 m，主要有生产厂房、控制室、会议室、办公室等功能用房。

2.2 空调系统及设计参数

模拟中设置一层空调全部采用全空气定风量系统，定新风比，有热回收装置。二层及三层主要为办公室和会议室，故设置为新风+风机盘管系统。制冷机组采用螺杆式冷水机组+冷却塔形式，整体能效比取为3.5;冬季供暖采用燃气锅炉，锅炉效率为80%。

室内主要设计参数取值见表1。

表1 室内空调、采暖设计参数

工作时间按早上8:00～17:00计算，周末休息，具体如图1所示[2]。

图1 各类负荷逐时使用系数

2.3 模型建立及模拟方案确定

本文研究的方法主要是变参数法，在外墙、窗、遮阳等这些围护结构中，保持其他围护结构不变的情况下改变其中一种或多种制定节能方案。外围护结构节能方案主要包括墙体材料及保温、玻璃材料、遮阳措施三个方面，墙体的传热系数见表2，玻璃的传热系数见表3，具体模拟方案见表4。

3 计算结果及分析

在对不同的外围护结构方案进行模拟计算后得到了不同方案情况下的全年累计耗冷量和耗热量及其节能效率列表，具体结果见表5。

表2 所用建筑外墙传热系数

表3 模拟中所用玻璃参数

表4 模拟方案列表

表5 不同模拟方案下节能效果列表

3.1 外墙体及保温对能耗影响分析

墙体是建筑围护结构中传热面积最大的一部分，它对整个建筑能耗有决定性的影响作用。与国外相比，我国的单位建筑能耗是同等气候条件下发达国家的3倍，因而节能潜力巨大。本文方案2、方案4、方案5、方案7对不同的外墙材料进行了模拟。模拟结果表明:通过改变墙体材料增加墙体热阻，能有效降低能耗。其中方案7由于其墙体的导热系数很小，节能效果明显，耗热量和耗冷量节能率分别能达到11.6%和7.1%。

方案8通过增加保温层，有效的改变了墙体传热系数，降低了建筑能耗。方案8选用混凝土墙+200 mm聚苯板保温外墙进行模拟，相比方案1其全年累计耗热量节能效率达到14.6%，全年累计耗冷量节能效率达到9.2%，其节能效果十分明显。对于寒冷地区，国家建设部已经开始要求建筑设计应满足保温要求，同时倡导和鼓励使用建筑外墙保温。聚苯板是当前使用较多的保温材料。

3.2 外窗玻璃对能耗影响分析

文中分析了三种不同外窗玻璃对建筑能耗的影响，从表5可以看出，方案2采用了保温性能好的双层玻璃和方案3采用了Low-e膜玻璃，其导热系数远小于普通单层玻璃，全年累计耗热量节能效率分别达到10.5%和11.4%，全年累计耗冷量节能效率分别达到4.4%和6.5%，其节能效果十分明显。对于西安地区，玻璃材料对耗热量的影响要大于耗冷量的影响，因而在寒冷地区更应该注意提高玻璃材料的热阻，以降低冬季耗热量。

3.3 外遮阳对能耗影响分析

外遮阳措施也是建筑节能的重要环节。在模拟方案中，方案6采用了外遮阳。从表5中结果可以看出，虽然方案6采用遮阳后夏季的全年累计耗冷量有所降低，但是幅度不大，只有2.4%，而冬季全年累计耗热量却有小幅度的增加，为－1.8%。究其原因可能是采用外遮阳后夏季能够减少一部分太阳光直射进入建筑内部，减少冷负荷。但是在冬季，由于外遮阳的存在，同样使得阳光不能直射进入建筑内部，导致了累计冷负荷的增加。可见建筑外遮阳主要影响的是夏季冷负荷，所以在寒冷地区由于冬季热负荷占主要地位，同时建筑外墙保温效果比较好时，可以不考虑外遮阳。如果因为窗墙比太大，夏季的冷负荷也很大，需考虑外遮阳时，最好在室内窗户上设置窗帘，或者使用移动式遮阳系统，可以根据冬夏不同季节和天气调节遮阳。

4 结语

本文利用建筑能耗模拟软件DeST对西安某办公建筑不同围护结构进行了建筑能耗分析，通过对比8组不同方案，得到主要结论如下:

1)外墙保温对建筑能耗有直接影响，且对采暖热负荷影响明显高于空调冷负荷，同时随着外墙热阻的增加，负荷减少的幅度趋于平缓。2)窗体材料对建筑能耗有很大的影响，采用传热系数小的玻璃将有显著的节能效果。3)对寒冷地区，外遮阳对建筑能耗影响不大，可以不采用。

[1]清华大学建筑技术科学系DeST开发小组.DeST用户使用手册[Z].2004:9.

[2]王沣浩，王东洋，罗昔联.既有建筑围护结构能耗模拟及节能分析[J].建筑科学，2010，23(2):22-26.

[3]王新花.建筑外围护结构常用节能技术措施[J].山西建筑，2010，36(17):223-224.