围护结构热工参数对体育馆建筑能耗的影响

相贝

（陕西能源职业技术学院 建筑工程学院）

随着21 世纪经济的快速发展，能源紧张已然成为世界难题。建筑能耗以占总能源消耗的30%左右比例成为又一个“能耗大户”。建筑总量的不断增加，人们对建筑室内舒适度要求的不断提高，都将使得建筑能耗的比重越来越大。而公共建筑由于建筑面积大，使用人员密度大，温湿度要求严格，因此公共建筑单位面积的能耗量比其他建筑大，具有很大的节能潜力。2015 年，我国颁布施行《公共建筑节能设计标准》（GB50189－2015），强调实现2020 年公共建筑节能65%的目标。本文针对哈尔滨某高校体育馆建筑能耗展开研究，希望对以后的公共建筑节能设计以及节能改造提供参考。

1 建筑概况

1.1 基本信息

本建筑为哈尔滨某大学综合体育馆，该建筑主体地下一层，地上一层，总建筑面积为30278.79m2。其中体育馆建筑面积为21612.46m2，游泳馆建筑面积为8666.33m2（此次研究不包含游泳馆）。由篮球比赛馆、篮球训练馆、训练馆、多功能活动厅及体育馆附属用房等综合功能组成。

1.2 围护结构模型

体育馆外墙类型包括钢筋混凝土墙以及玻璃幕墙。钢筋混凝土外墙传热系数为0.47W/m2·K，玻璃幕墙采用钢化安全玻璃，传热系数为1.80W/m2·K。体育馆外窗采用双层中空塑钢窗，传热系数为2.61W/m2·K。体育馆外门采用节能外门，传热系数为3.02W/m2·K。体育馆屋面形式分别为钢筋混凝土屋面及钢网壳屋面，传热系数分别为0.51W/m2·K 和0.30W/m2·K。

2 气象资料及空调设计参数

2.1 气象资料

哈尔滨市在我国建筑气候分区中属于严寒地区A区。海拔142.3m。

表1 哈尔滨市气候信息

2.2 空调设计参数

体育馆各比赛场地及观众席均采用全空气系统，其他附属用房采用风机盘管加新风系统。

空调房间内的设计参数主要参考《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB 50736－2015)，同时考虑建筑类别属于体育中心比赛馆，所以同时参考《体育建筑设计规范》（JGJ 31－2003）和《公共建筑节能设计标准》（GB50189－2015）。表2 所列数据为比赛馆内具体的空调室内设计参数，同时符合上述三本规范要求。

表2 体育馆各房间室内设计参数

3 模拟结果及分析

3.1 外墙热工性能对建筑能耗的影响

建筑的外墙是围护结构的主体部分，也是影响建筑能耗的因素。而建筑外墙的构造也在随着建筑节能规范的要求不断发展。从传统的实心砖外墙，到之后的混凝土外墙，以及正在发展的复合型节能外墙，外墙的热工性能在不断提高。结合严寒地区的天气特点，研究490mm 厚砖墙，400mm 厚的陶粒混凝土墙以及复合节能外墙，对建筑能耗的影响。

由表3、表4 分析可知，随着外墙的传热系数从1.22W/m2·k 减小到0.38W/m2·k，体育馆冬天供暖能耗降低了22.34%，有显著减少趋势，这是因为墙体传热系数减小导致冬季体育馆向室外的热散失减少；但同时体育馆夏季空调制冷能耗增加了7.17%，有较大的增加趋势，这说明随着墙体传热系数减小，夏季夜间体育馆向室外的热散失减少，因此体育馆白天的冷负荷就会增加，从而引起空调能耗的增加。这部分增加的冷负荷大于由于白天外墙传热系数减小而减少的冷负荷，所以当外墙传热系数减小时，空调的制冷能耗有增大的趋势。

表3 三种外墙的热工性能统计

表4 三种外墙的建筑能耗统计

但综合全年空调及冷热源能耗，冬季热负荷的减少远远大于夏季冷负荷的增加，因此减小外墙的传热系数有利于体育馆全年建筑能耗的降低，并且全年节能率达到18.42%。

3.2 外窗热工性能对建筑能耗的影响

由于玻璃种类众多，而且热工性能差异比较大，结合哈尔滨建筑实际情况，将玻璃的传热系数变化范围设定为2.61～1.5W/m2·k。将玻璃传热系数作为变量，得到不同传热系数时体育馆的全年建筑能耗。并以体育馆外传实际传热系数作为基准，计算不同传热系数时，体育馆全年空调及冷热源能耗的节能率。

由表5 建筑能耗统计可知，当外窗玻璃的传热系数从2.61W/m2·k 减小到1.5W/m2·k，体育馆冬季的采暖能耗减少了14.75%，减少趋势显著；但体育馆的夏季制冷能耗却增加了10.78%。这是因为当外窗玻璃传热系数减小时，冬天房间热量通过玻璃向外散失就会减少，因此体育馆冬季的采暖能耗就会降低。在夏天白天，空调系统工作时，室内温度低于室外温度，当玻璃传热系数减小时，房间的得热量就会减少，空调能耗减小。但是在夜间空调系统停止工作，室内温度高于室外温度，当玻璃传热系数减小时，房间的散热量减小，空调冷负荷就会增加。综合比较，当玻璃传热系数减小时，夜间空调能耗的增大量大于白天空调能耗的减小量，因此总的夏季制冷能耗呈现上升趋势。

表5 外窗传热系数对建筑能耗的影响

但由于哈尔滨地区属于严寒地区，当玻璃传热系数减小时，冬季采暖能耗的降低值远远大于夏季空调制冷能耗的增加值。当外窗玻璃的传热系数从2.61W/m2·k减小到1.5W/m2·k，体育馆的全年空调及冷热源能耗减少了117.37×103kWh，节能率为8.37%。因此减小外窗玻璃的传热系数有利于体育馆建筑的节能。但同时应该注意，外窗的节能效果还与建筑本身的窗墙比有关，当窗墙比越大窗户相较于墙体对建筑能耗的影响就会越大。在此次体育馆中，由于窗户面积较小，因此相比于外墙，窗户的保温性能对体育馆的能耗影响较小。

3.3 屋面热工性能对建筑能耗的影响

屋面位于建筑物的顶部，是接受太阳辐射热量的主要部位。在夏季，屋面需要具有良好的隔热性能，阻止室外热量进入室内，以避免由于室内冷负荷增加引起的空调能耗增加。在冬季屋面应具有良好的保温性能，阻止室内热量向室外散失，以避免由于室内热负荷增加引起的建筑采暖能耗的增加。因此，屋面和外墙相同，应通过保温层的厚度，注重屋面的保温性能。因此通过改变保温层厚度，研究不同传热系数对于体育馆建筑能耗的影响，以确定屋面节能的合理措施。模拟结果如表6，以保温层厚度为0 时的各项能耗为基准计算节能率。

由表6 计算分析可知，当屋面保温层厚度由0mm 增加为80mm 时，屋面传热系数从1.87W/m2·k 减小到0.39W/m2·k，体育馆冬季的采暖能耗节能率达到2.22%，节能效果并不明显，而且体育馆夏季空调制冷能耗也有所减小，节能率为3.40%。与外墙保温对比分析可知，在冬季时，增大外墙的保温层厚度以及屋面的保温层厚度都可以减小冬季房间向室外的热量散失，但对于屋面来说，当保温层厚增加后，屋面在接受同等的太阳辐射时向室内的传热量降低，因此屋面保温对于体育馆建筑冬季采暖能耗的节能效果并不明显。在夏季时，由于传热系数的减小，白天室外热量向室内传热量减小，但是晚上体育馆向室外散热也会减少，因此夏季空调制冷负荷节能率也不是很明显。

表6 屋顶保温层厚度对建筑能耗的影响

随着屋面保温层厚度的增加，屋面传热系数不断减小，尽管对于冬夏的能耗影响都较小，但建筑总耗能也有节约35.24×103KWh，节能率达到2.51%。由以上分析可知，在哈尔滨地区屋面面积由于受到面积限制，以及太阳辐射的影响，屋顶保温性能对于体育馆的节能效果比较有限，而且远远低于外墙保温的节能效果。

4 结论

⑴当外墙传热系数从1.22W/m2·k 减小到0.38W/m2·k，全年空调及冷热源能耗节约18.42%。当外窗传热系数从2.61W/m2·k 减小到1.5W/m2·k，全年空调及冷热源能耗节约8.73%。当体育馆屋顶保温层厚度从0 增加到80mm，屋顶传热热阻从0.53m2·k/W 增加到2.56m2·k/W，全年空调及冷热源能耗节约2.5%。

⑵哈尔滨地区体育馆建筑外墙的保温措施对建筑能耗起到很大的影响。相比较而言，外窗玻璃、屋顶对于建筑能耗的影响较小。由于体育馆外门个数、面积都很小，本文未对外门做能耗分析。因此，在之后哈尔滨地区体育馆的设计以及节能改造工程中应充分考虑外墙、玻璃幕墙的热工性能以及保温措施，其次应考虑外窗的保温性能。