合肥地区建筑外遮阳节能效果对比研究

2019-04-13曹稳陈丽华张琴义吴伟东

安徽建筑大学学报 2019年6期

曹稳，陈丽华，张琴义，吴伟东

(1.安徽科技学院建筑学院，安徽蚌埠 233100；2.合肥工业大学建筑与艺术学院，安徽合肥 230009；3.安徽科技学院管理学院，安徽蚌埠 233100)

0 引言

建筑物在整个生命周期内的每个阶段均有能源消耗。随着人们对生活质量要求的提高，建筑运营阶段的能耗越来越大。据统计我国建筑运行能耗约占社会总能耗的1/3[1]。政府对建筑节能工作更加重视，节能设计与计算已成为建筑设计阶段的重要环节[2]。外遮阳对建筑能耗具有重要影响，建筑一半以上的能源消耗是由外门窗造成的[3]，良好的遮阳设施可以节约25%左右的空调用电[4]。合理的设置建筑外遮阳可以具有较好的节能效果。

国外已有学者对建筑外遮阳进行相关研究，如Kirintat等[5]对建筑外遮阳仿真建模做了系统的研究；Konstantoglou等[6]对建筑采光与遮阳动态操作进行了研究。国内学者多以某一地区建筑为例对外遮阳进行研究，如肖先波等[7]以上海和湖州地区为例，研究建筑能耗与水平遮阳板深度之间关系；李运江等[8]以武汉地区为例，采用PKPM节能设计软件分析了南向遮阳与建筑能耗的关系；陶求华等[9]以上海和厦门为例，采用Energyplus软件分析了外遮阳对建筑北向房间采光和太阳辐射得热的影响；李雪等[10]以长沙地区住宅建筑为例，采用Energyplus能耗软件对传统遮阳系统做了综合能效研究。向俊米等[11]以长沙地区为例，采用Ecotect软件模拟计算得出该地区居住建筑外遮阳的最优组合方案。

国外对建筑外遮阳研究大多从自控系统、采光等角度进行，从建筑能耗角度的研究较少。国内主要研究长沙、武汉、上海等地区建筑外遮阳对能耗的影响，很少有学者从能耗角度对合肥地区建筑外遮阳进行系统的研究。因此，本文以合肥地区公共建筑为例，选择水平式、垂直式、综合式、挡板式四种固定式外遮阳为研究对象。通过对不同尺寸和不同朝向外遮阳的建筑能耗值进行对比分析，总结合肥地区建筑外遮阳的节能效果，为该地区建筑外遮阳的设置与理论研究提供参考。

1 模型的建立

本文首先建立建筑模型作为研究载体(图1)。为便于研究，对建筑进行简化处理，仅保留主要办公空间，各朝向的功能和窗墙比均相等。模型具体信息如下：地点为合肥(东经 116 °41 ′～117 °58 ′，北纬 30 °57 ′～32 °32 ′)，建筑平面为边长 36 m 正方形，内天井12.00 m×12.00 m，三层框架结构，层高 4.20 m，建筑面积 3684.47 m2，建筑体积为14839.37 m3，建筑表面积为 3596.93 m2，体形系数为 0.24，外窗尺寸均为 4.8 m(宽)×2.7 m(高)。

在模型中影响建筑能耗的主要外围护结构有外墙、屋顶和外窗，其具体构造做法及传热系数如下(从内到外)：

(1)外墙：水泥砂浆(20 mm)、石墨模塑聚苯板保温层(20 mm)、煤矸石多孔砖(200 mm)、石墨模塑聚苯板保温层(30 mm)、水泥砂浆(20 mm)，传热系数为 0.64 W/(m2·K)。

(2)屋面：水泥砂浆(20 mm)、钢筋混凝土(100 mm)、轻集料混凝土找坡(最薄30 mm)、石墨模塑聚苯板保温层(80 mm)、水泥砂浆(20 mm)、SBS改性沥青防水卷材(5 mm)、水泥砂浆(20 mm)，传热系数为 0.44 W/(m2·K)。

(3)外窗：Low-E塑框中空玻璃窗(6 mm+12A+6 mm)，传热系数 2.00 W/(m2·K)。

不同形式的外遮阳构造方式不同，故参数的设置也不尽相同。本文研究外遮阳主要构造参数对建筑节能的影响，故为了使不同形式外遮阳的节能数据具有可比性，在模拟计算时将不同形式外遮阳的次要参数设置尽量相同或设为常用数值：外遮阳板均采用钢筋混凝土材质；水平式、垂直式、综合式遮阳板与墙身角度均设为90°；挡板式遮阳板宽5.0 m，挡板出挑0.9 m。

图1 建筑模型平面

2 节能分析方法

本文利用PKPM节能软件对建筑进行能耗模拟计算，该软件在我国设计实践中被广泛应用，已成为建筑节能设计审查的主要依据。建筑外遮阳的节能效果对比分析主要采用以下2种方法：

(1)将不同尺寸和不同朝向外遮阳的建筑能耗值列入同一表中，进行对比分析。

(2)以无外遮阳全年能耗值为参照，运用公式计算出不同尺寸和不同朝向外遮阳的全年节能量，并绘制出相应的分析图进行深入分析。

本次节能计算主要依据是文献[12]，该文献规定建筑室内设计温度夏季为26℃，冬季为20℃，公建节能率一般要求65%以上，其节能指标相对国标而言更加严格。规范规定建筑全年的能耗值是夏季空调和冬季供暖耗电量之和，其计算公式[13]：

式中E—全年供暖和空调总耗电量(kW·h/m2)；

EC—全年空调耗电量(kW·h/m2)；

EH—全年供暖耗电量(kW·h/m2)。

文中采用节能量作为节能效果主要指标。建筑节能量是指设置外遮阳的建筑全年能耗值比无外遮阳时节约的能耗值，其计算公式(2)：

式中WJ—全年总节能量(kW·h/m2)；

W—无外遮阳全年总耗电量(kW·h/m2)；

WZ—设外遮阳全年总耗电量(kW·h/m2)。

3 计算结果分析

建筑外遮阳对能耗的影响因素主要有遮阳板尺寸、遮阳形式及遮阳设置朝向。因此，下文从2个方面对其进行对比分析：

(1)对不同尺寸外遮阳板建筑的能耗值进行对比，分析外遮阳板尺寸与建筑能耗间的关系；同时，通过对比各遮阳形式下建筑节能量随遮阳板尺寸的变化来研究不同形式外遮阳板的节能效果对尺寸的敏感度。

(2)对设置不同朝向外遮阳建筑的能耗值进行对比，分析不同朝向外遮阳的建筑节能效果及同一朝向设置不同形式外遮阳的节能效果。

3.1 不同尺寸对比分析

合肥是夏热冬冷气候区的典型城市，外遮阳设于西向可以节约建筑能耗，还可改善室内热环境[14]。因此，为了对不同尺寸外遮阳板进行对比研究，将外遮阳板均设在建筑西向。经模拟计算可得不同尺寸外遮阳建筑全年能耗值，见表1。

表1由公式(1)和(2)计算可得，建筑无外遮阳时的全年总能耗为142 346.64 kW·h，而设置不同尺寸外遮阳后的全年能耗值均小于此值。故总体而言，在合肥地区设置外遮阳有利于建筑的节能。然而不同尺寸的外遮阳节能效果不同，因此需要进一步的研究。经计算可得不同尺寸外遮阳板的节能量，绘制各遮阳形式下不同尺寸外遮阳板的建筑节能量线状图，见图2。

由图2可知，随着遮阳板尺寸的增加建筑节能量在增大，即外遮阳板尺寸越大越有利于建筑节能。不同形式外遮阳板节能量随尺寸变化不尽相同，挡板式外遮阳线状图整体斜率最大，之后是综合式、水平式，而垂直式外遮阳整体斜率最小。建筑节能量随尺寸变化的整体斜率越大说明其对尺寸越敏感，故挡板式外遮阳节能效果对尺寸最敏感，之后依次为综合式、水平式、垂直式。进一步分析发现，挡板式和垂直式外遮阳节能量线状图的斜率基本不变，而综合式和水平式线状图的斜率随尺寸的增大在不断变小。节能量随尺寸变化线的斜率不断变小说明其节能效率在降低。因此，随着遮阳板尺寸的增大，综合式和水平式外遮阳的节能效率不断降低，而挡板式和垂直式外遮阳的节能效率基本不变。

表1 不同尺寸外遮阳建筑全年空调和供暖能/(k W·h)

图2 不同尺寸外遮阳建筑总节能量

图3 水平式外遮阳建筑节能量

3.2 不同朝向对比分析

文献[15]中规定建筑物的东向、西向和南向外窗应采取遮阳措施，在北回归线以南的地区必要时对北向外窗进行遮阳设置。而合肥位于北回归线以北，故在对比不同朝向外遮阳节能效果时，仅选择西、东、南三个方向进行研究。在模拟计算时将各类型外遮阳板的主要构造尺寸均设为1.0 m，以利于对比研究。经计算可得不同朝向外遮阳建筑的全年能耗值，见表2。

由表2可知，设置不同朝向外遮阳板的建筑全年能耗值均小于无外遮阳的全年总能耗。因此，在合肥地区外遮阳设在各方向时均有利于建筑节能。然而不同朝向外遮阳的节能效果不同，需进一步的研究。表2经公式(1)和(2)计算可得不同朝向外遮阳板的节能量，绘制各遮阳形式下不同朝向外遮阳建筑的节能量，见图3。

由图3～图6可知，水平式、垂直式、综合式外遮阳设在东向时建筑节能量最大，之后依次为西向、南向。挡板式外遮阳设在西向时建筑节能量最大，之后依次为东向、南向。建筑节能量越大节能效果越好，故在东向和西向设置外遮阳最有利于建筑节能。另外，对比不同形式外遮阳的节能量可以发现，同一方向上设置不同形式外遮阳时建筑的节能量不同。东向和西向设置挡板外遮阳时建筑节能量最大，南向设置综合式外遮阳时建筑节能量最大。