建筑模型不同材料外遮阳节能量对比研究

2019-09-09陈丽华张琴义吴伟东

安庆师范大学学报(自然科学版) 2019年3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）

建筑能耗是社会总能耗的重要组成部分，建筑节能对于缓解能源资源危机、解决社会发展矛盾具有重要作用[1]。据统计我国建筑运行能耗约占全社会总能耗的1/3[2]，政府非常重视建筑节能工作。建设部门已经制定了较为完备的建筑节能标准和规范体系，而节能计算也成为建筑设计工作中的必备环节[3]。采用合理的外遮阳可降低外窗太阳辐射形成的建筑空调负荷，是建筑节能的有效途径[4]。建筑节能是绿色建筑的重要指标，随着绿色建筑的发展，外遮阳的作用也越来越重要[5]。

国外有学者从采光、自控系统等角度对外遮阳进行研究，如Konstantoglou等[6]研究了建筑遮阳的动态操作与采光的关系，Kirintat等[7]系统研究了外遮阳的仿真建模。国内学者多以某地区建筑为例从能耗的角度对外遮阳进行研究，如肖先波等[8]以湖州和上海居住建筑为例，利用DeST能耗模拟软件分析水平遮阳板深度与建筑能耗之间的关系；楚洪亮等[9]以上海为居住建筑为例，通过软件模拟分析了南向遮阳设施对建筑能耗的影响；陶求华等[10]以厦门和上海办公建筑为例，利用Energy-plus软件模拟计算出北向房间外窗采用不同遮阳设施的全年建筑照明能耗和空调能耗，进而分析了北外窗遮阳的必要性及优化选择；向俊米等[11]以长沙市居住建筑为例，利用EcotectAnalysis软件模拟得出建筑外遮阳的最优组合方案；李雪等[12]以长沙地区住宅为例，利用Energy-plus软件对光伏遮阳、固定外遮阳、卷帘遮阳及水平百叶遮阳的节能效果进行模拟，并对其进行了综合能效研究；管玲俐等[13]以南京地区公共建筑为例，从建筑能耗和炫光的角度分析了百叶外遮阳在不同季节的最优开启度；刘国丹等[14]以青岛教学楼为例，采用EcotectAnalysis软件对教室南向外遮阳形式与建筑能耗的关系进行了研究；李运江等[15]以武汉地区建筑为例，采用PKPM节能软件分析了南向不同类型外遮阳对建筑全年能耗的影响；陈丽华等[16]以合肥地区建筑为例，运用节能软件模拟计算不同形式外遮阳建筑的能耗值，分析外遮阳形式与建筑节能之间的关系。国外学者从建筑能耗角度对外遮阳的研究较少，国内学者大多是从遮阳形式、设置朝向、遮阳尺寸等角度研究外遮阳与建筑能耗的关系。现有研究中很少从材料的角度对外遮阳与建筑能耗间关系进行研究。基于此，文章选取钢筋混凝土、玻璃钢、织物、金属和玻璃5种常用的外遮阳材料进行研究，以合肥地区公共建筑为研究对象，建立一栋理想的建筑模型，运用PKPM节能软件进行模拟计算。通过对比不同材料外遮阳建筑的能耗值和节能量，分析外遮阳材料与建筑节能之间的关系，为建筑外遮阳的设计与研究提供一定的理论参考。

1 模型的建立

为便于对外遮阳节能效果进行定量分析研究，建立了一个理想化的建筑模型，如图1所示。基本信息如下：地点位于合肥市，共3层，建筑总高12.90m，朝向正南，框架结构，体型系数0.24，建筑面积3 684.47 m2，建筑表面积 3 596.93m2，体积 14 839.37m3，外窗尺寸为4.8m（宽）×2.7m（高），窗墙面积比0.34，各朝向外窗太阳得热系数均为0.33。

为对比研究不同类型外遮阳建筑节能效果，将建筑模型的平面功能进行简化，省略相关辅助用房，仅保留主要办公用房，使建筑各方向的平面功能、外墙面积及窗墙面比均相等。建筑模型的主要保温隔热材料为石墨模塑聚苯板（SEPS），主要物理参数：密度为22 kg/m3，导热系数为0.033W/(m·K)，蓄热系数为0.32W/(m2·K)。

影响建筑能耗的主要围护构件的构造做法如下（从外到内）：

图1 建筑模型平面

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

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

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

《建筑遮阳工程技术规范》规定不同朝向遮阳设计的优先次序为西向、东向、南向[17]。合肥地区属于夏热冬冷气候区，外遮阳设于西向可减少西晒改善室内热环境。故为了对不同材料外遮阳建筑能耗值进行对比研究，在模拟计算时将外遮阳均设置在西向。另外，为了增加模拟计算数据的可比性，将不同形式遮阳板的同种参数设置相同。遮阳板具体参数设置如下：①水平遮阳：水平板深度1m、水平板角度90°；②垂直遮阳：垂直板深度1m、垂直板角度90°；③综合遮阳：水平板深度1m、水平板角度90°、垂直板深度1m、垂直板角度90°；④挡板遮阳：挡板高度1m、出挑长度1m。

2 分析方法

此次研究中建筑节能计算的主要依据是《合肥市公共建筑节能设计标准》。此标准是以《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015为基础，结合合肥地区的具体气候环境而设置，具有更严格的节能要求，一般公共建筑的节能率均要求达到65%以上。依据以上设计标准设定模拟计算主要参数[18]：夏季室内设计温度26℃，冬季室内设计温度20℃，人均使用面积10m2/人，照明功率9W/m2，电器设备功率15W/m2，新风量30m3/hp。文中采用全年能耗值和节能量两个指标对不同材料外遮阳的节能效果进行对比分析。

建筑的能耗值E包括供暖和空调两个方面，其计算公式[19]：E=EC+EH，式中，E为全年供暖和空调总耗电量，EC为全年空调耗电量，EH为全年供暖耗电量，单位均为kW·h/m2。

为了更直观地对比不同类型外遮阳的节能效果，采用节能量作为指标进行分析。此处建筑节能量定义的是将设置不同类型外遮阳后的能耗值与无外遮阳的能耗值做对比，其计算公式为

式中，WJ为建筑的全年总节能量，W为无外遮阳的建筑全年总耗电量，WZ为设外遮阳的建筑全年总耗电量，单位均为kW·h/m2。

建筑能耗模拟采用中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所开发的节能设计软件PKPM，此软件在全国建筑设计实践中被广泛采用，已成为节能审查的重要依据。因此，软件模拟可以提供较准确的节能数据。对设置不同材料外遮阳建筑的能耗值进行计算，并从3个方面对比分析各数据：（1）无外遮阳与各种材料外遮阳的建筑能耗值对比。（2）以无外遮阳全年能耗值为参照，对比分析各种遮阳形式下不同材料外遮阳的节能量。（3）对比同种遮阳形式下不同材料遮阳板之间节能量的最大差值，分析不同形式外遮阳间节能效果对材料的敏感性。

3 计算结果分析

3.1 能耗值对比分析

经模拟计算可得设置不同材料外遮阳建筑的全年能耗值，如表1所示。

表1 不同材料建筑外遮阳的全年能耗值/（kW·h）

由表1可见，无外遮阳建筑全年能耗值为142 346.64 kW·h，设置不同材料外遮阳建筑的全年总能耗均小于此值。因此，总体而言，设置不同材料的外遮阳均有利于建筑节能。然而，设置不同材料外遮阳建筑的节能效果不尽相同，需要进一步的研究。

补充说明：研究发现设置各类型外遮阳建筑的节能量相对于建筑全年能耗值而言，其数值很小。然而，一般建筑物设计使用年限为50年，重要的纪念性建筑为100年以上[20]。所以，从建筑的全寿命周期而言，此研究具有重要意义。

3.2 节能量对比分析

表1由（1）式计算可得各遮阳形式下不同材料外遮阳建筑的节能量，为便于对比分析，将其绘制成节能量柱状图，如图2所示。由图2可见，设置不同材料外遮阳建筑的节能量不同，钢筋混凝土材质遮阳板建筑节能量最大，之后依次为金属、玻璃钢、织物，玻璃材质外遮阳节能量最小。节能量越大说明建筑节能效果越好，据此可对不同材料外遮阳节能效果进行优劣排序。同种材料外遮阳在不同遮阳形式下的建筑节能量不同，下面对各材料遮阳板的节能效果进行对比分析。

（1）钢筋混凝土外遮阳：挡板式外遮阳建筑节能量最大，为1 471.61 kW·h，之后依次为综合式、水平式、垂直式。对比具体数据可知，综合式外遮阳节能量接近于水平式与垂直式外遮阳节能量之和，水平式外遮阳节能量相当于2倍多的垂直式外遮阳节能量。

（2）玻璃钢、织物、金属外遮阳：金属外遮阳节能量略小于钢筋混凝土外遮阳，玻璃钢外遮阳节能量基本为钢筋混凝土外遮阳节能量的一半，织物外遮阳节能量略小于玻璃钢外遮阳，此3种材料外遮阳节能数据的变化与钢筋混凝土外遮阳相似，不再赘述。

（3）玻璃外遮阳：此材料外遮阳建筑节能量数据变化与其他材料完全不同，综合式外遮阳节能量最大，超过其他三种遮阳形式之和，挡板式外遮阳节能量最小，水平式外遮阳节能量与垂直式相同。

钢筋混凝土和金属是不透光材料，玻璃钢、玻璃和织物基本属于透光材料。由图3可知，不透光材料外遮阳的节能量远大于透光材料，即不透光材料遮阳板更有利于建筑节能。进一步分析发现，各遮阳形式下不同材料遮阳板之间建筑节能量的最大差值不同，即钢筋混凝土外遮阳与玻璃外遮阳节能量的差值不同，不同外遮阳形式下建筑节能量最大差值见图3。

图2 各遮阳形式下不同材料外遮阳建筑节能量。

从图3可以看出，挡板式遮阳各材料间建筑节能量差值最大，为1 329.54 kW·h，之后依次为水平式、综合式，而垂直式外遮阳节能量的最大差值最小，为240.61 kW·h。若同种遮阳形式下不同材料外遮阳板建筑的节能量差值越大，则说明该遮阳形式的节能效果受材料的影响越大，即节能效果对材料的敏感度也越大，反之亦然。由上述分析得出：挡板式外遮阳的节能效果对材料的敏感度最大，其次是水平式遮阳和综合式遮阳，垂直式外遮阳的节能效果对材料的敏感度最小。