上海地区超低能耗建筑围护结构优化探索

2019-05-20ZHAOQun李峥嵘LIZhengrong蒿玉辉HAOYuhui

住宅科技 2019年5期

■ 赵群 ZHAO Qun 李峥嵘 LI Zhengrong 蒿玉辉 HAO Yuhui

0 引言

随着全球气候变化及低碳发展概念的深入人心，一些国家提出了“超低能耗建筑”或类似概念的中长期发展目标、技术路线等政策法规文件。被动房、低能耗、超低能耗、零能耗建筑等一系列概念也随之进入探索实践[1]。英国和瑞士提出零排放建筑，旨在利用可再生能源满足建筑运行的能源需求，实现化石燃料消耗为零的目标；德国提出被动房标准，要求建筑每年的采暖能耗不超过15kWh/m2，建筑全年总能耗不超过120kWh/m2[2]；美国、日本等国家提出零能耗建筑，每年产生的能量和消耗的能量达到平衡，年一次能源消费量收支为零[3]。我国的建筑节能工作亦经历了近30 年的发展，现阶段建筑节能65%的设计标准正在普及，超低能耗建筑无疑已经成为我国下一阶段建筑节能工作关注的重点之一。

围护结构性能是降低建筑负荷和能耗的关键基础，因此，各地超低能耗示范建筑都采用了较高的热工性能。相较于北方寒冷地区和南方炎热地区，夏热冬冷地区建筑一直面临冬夏矛盾的需求；同时，长期保留的空调系统间歇性运行特征，也为该地区超低能耗建筑围护结构热工性能的确定带来了困难。现有研究中，一般仅将围护结构热工性能与建筑负荷或者能耗简单关联，研究负荷或者能耗最低的前提下，围护结构热工参数的合理范围。但是，由于系统间歇运行特征，室内空调热扰规模、建筑空间设计因素等参数必将影响建筑围护结构的传热过程，进而影响建筑负荷和能耗大小。本文将以此为研究对象，通过模拟实验方法，探索它们之间的关联性及其对建筑围护结构性能选择的影响。

1 夏热冬冷地区既有超低能耗建筑热工性能分析

为分析现有超低能耗建筑围护结构热工性能水平，本文调研收集了夏热冬冷地区11个超低能耗示范建筑的主要热工性能信息（表1）。目前，夏热冬冷地区的示范建筑多集中于公共建筑，屋顶及外墙传热系数在0.1～0.3W/（m2K）之间，外窗传热系数在0.8～1.2W/（m2K）之间，外窗太阳得热系数（SHGC）在0.3～0.5之间，气密性等级多在n±50=0.2次/h左右。

基于上述调研结果，本文以上海办公建筑为对象，建立建筑模型，通过正交实验方法，探索室内热扰和建筑几何尺寸对建筑围护结构热工性能最优解的影响。

2 模型实验设计

2.1 模型参数的确定

2.1.1 建筑空间设计因素

建筑空间设计因素包括建筑朝向、建筑布局形式、标准层面积、长宽比、层高等。本文调研了夏热冬冷地区46栋获得绿色建筑评级的多层办公建筑，结果显示：建筑朝向多为南向，建筑布局形式多为内廊式，标准层面积、长宽比、层高3个因素的取值则有一定的差异。因此，本文选择这3个因素分析建筑空间设计的影响，并基于调研结果，总结这3个因素的域值。其中，标准层面积集中在600～2 400m2之间，建筑层高在3.9～4.8m，建筑平面多为矩形，长宽比在1：1～4：1之间。其建筑模型如图1所示，研究中各因素定量化取值结果见表2。

2.1.2 围护结构设计参数

围护结构设计参数包括窗墙比、外墙传热系数、外窗传热系数、屋顶传热系数、气密性、外窗太阳得热系数（SHGC）。本文对这几类因素的取值依据为：上限值取我国现行标准中的规定值[4]，下限值取调研所得夏热冬冷地区超低能耗示范建筑的现行值。以气密性取值为例，目前我国对于超低能耗建筑的气密性推荐指标为n±50≤ 0.6次 /h[5]，夏热冬冷地区已建超低能耗建筑气密性可达到0.2次/h，因此气密性的取值范围为0.2～0.6次/h。

2.1.3 其它参数

本文气象数据均取自文献[6]。采用EnergyPlus 软件作为负荷模拟工具，室内设计温度分别为冬季20℃、夏季26℃。为简化分析建筑室内热扰对负荷的影响，统称室内各种负荷热扰为“室内发热量”，取值范围为0～30W/m2。

2.2 模拟工况的确定

本文的研究内容分为两部分：第一步对建筑空间设计因素进行模拟，分析不同空间设计因素对建筑负荷的影响；第二步是在第一步工作的基础上，对围护结构热工参数进行优化分析。因围护结构热工参数因素较多，采用穷举法的工作量非常巨大，实现难度较高，且本文目的是为了寻求较优工况指导超低能耗建筑设计，因此采用正交试验法对围护结构热工参数进行分析。

2.2.1 穷举法模拟建筑几何尺寸

对3个建筑空间设计因素（长宽比、标准层面积和层高）各选取4个水平，进行穷举法分析，共计64个工况。在对空间设计因素进行模拟分析时，围护结构热的工参数参考夏热冬冷地区现存超低能耗建筑进行取值，四个朝向的窗墙比皆取0.3，外墙传热系数为0.2W/（m2K），外窗传热系数为1.0W/（m2K），屋顶传热系数为0.2W/（m2K），气密性取n±50=0.6次/h，且室内暂不考虑热源，即室内发热量为0W/m2。

表1 夏热冬冷地区部分超低能耗示范建筑信息

2.2.2 正交试验法分析围护结构设计参数最优解

正交试验法是研究多因素多水平的一种试验设计方法。它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散、齐整可比”的特点。正交试验是分析因式设计的主要方法，是一种高效率、快速、经济的实验设计方法[7]。本文需要考虑与围护结构参数有关的9个因素对建筑负荷的影响，若进行全面模拟，则需进行49次模拟，工作量巨大；而采用正交试验设计，则可大大减少模拟次数，同时也可得到合理正确的结论。本次模拟只考虑9个因素对各基础建筑负荷的影响，不考虑因素间的交互作用，试验的因素和水平的选取如表4所示。选用 L32（49）正交表（表5），对于每一类基准建筑只需设置32次模拟工况即可得出结论。

3 实验结果分析

3.1 建筑几何参数对负荷的影响

正如前文假定，本部分分析中，暂不考虑室内热扰的影响。

由图2可知，随着标准层面积的增加，单位面积供暖空调负荷呈现大幅度降低。①当标准层面积增加至2 400m2时，与标准层面积为600m2时对比可得，供暖空调负荷降低率达到31%～33%；②当建筑层高增加时，全年供暖空调负荷也在逐渐降低，当层高从3.9m增加至4.8m时，供暖空调负荷降低率在23%～25%之间；③当建筑长宽比增加时，供暖空调负荷呈现逐渐增加的趋势，当长宽比从1：1增加至4：1时，空调负荷增加率在4%～8%之间。按建筑空间设计因素对建筑供暖空调负荷影响程度进行排序可得：标准层面积＞层高＞长宽比。

图1 内廊式办公建筑

表2 建筑空间设计因素的取值

表3 围护结构设计参数的取值

表4 模拟工况因素和水平的选取

图2 单位建筑面积空调负荷

根据模拟结果，相比其它两因素，长宽比对于负荷影响程度较小；标准层面积是决定负荷水平的最关键因素；而对于每一种标准层面积，层高是决定其负荷强度的因素。

表5 正交试验法分析单位面积供暖空调负荷（室内发热量为0W/m2）

3.2 围护结构热工参数的影响

根据相关的研究结论，室内热源是影响建筑负荷的最显著因素[8、9]。根据工程实际，本文两个基础建筑的室内发热量从0～30W/m2范围内取4个定量值，分别是0W/m2、10W/m2、20W/m2、30W/m2，并对每一种室内发热量值按正交试验法进行围护结构参数影响分析（表5～8）。

由表7和表8可知，对于全年供暖空调负荷，主要影响因素是气密性和外窗太阳得热系数（SHGC）。气密性对建筑负荷的影响随着室内发热量的增加呈现出逐渐降低的趋势，外窗太阳得热系数（SHGC）则随着室内发热量的增加呈现出逐渐增加的趋势。这是因为随着室内发热量的增加，因室内热源对冬季热负荷的正作用及对夏季冷负荷的负作用，建筑冬季热负荷所占全年负荷的比例逐渐降低，而渗透风主要影响的是冬季热负荷，因此，气密性对全年负荷变化的作用效果逐渐降低。当标准层面积增加时，气密性对建筑负荷的影响作用亦在逐渐增加，当建筑标准层面积为2 400m2时，无论在何种室内热源水平下，气密性的影响作用已大于外窗太阳得热系数的作用。

计算各因素在各水平下的综合平均值（表5），判断各因素水平变化对建筑负荷的影响趋势，从而得出在不同工况下围护结构设计参数最优设计方案（表9）。在不同标准层面积和不同室内发热量水平下，围护结构最优设计组合方案有所不同，各参数的取值并非越低越好。因此，在围护结构的设计过程中，应严格建筑气密性指标，其余参数的取值应结合建筑面积及室内发热量的取值进行考虑。