某居住建筑外围护结构对建筑能耗的影响研究

雷舒尧 陈振乾

东南大学能源与环境学院

0 引言

我国正处在城镇化快速发展的时期，随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，能源和环境的矛盾日益突出，建筑能耗总量和能耗强度上行压力不断加大[1]。过去30 年里，我国建筑节能工作取得了很大进展，并进一步向国际看齐，将低能耗建筑，超低能耗建筑，近零能耗建筑乃至（净）零能耗建筑这一系列建筑发展理念，定为未来建筑节能的发展方向。

为了尽可能地降低建筑能源需求，需要通过优化外围护结构热工性能，来减少围护结构与外界环境之间的热传递，从而实现建筑整体负荷的降低。而外围护结构影响建筑能耗的主要热工部件包括外墙，屋面和外窗，因此本文以南京地区某典型高层居住建筑为例，运用EnergyPlus 软件，模拟分析外墙，屋面和外窗的传热系数以及外窗太阳得热系数这四项参数对建筑物全年整体和分项能耗的影响。

1 模型建立

1.1 建筑模型信息

本文选用的居住建筑模型位于南京市，是典型的夏热冬冷地区之一。建筑物地上28 层，地下1 层，总高度96.05 m，总建筑面积13037.48 m2，体型系数0.26，建筑各朝向窗墙比为：东向0.05，南向0.51，西向0.07，北向0.36，该建筑建筑物标准层平面布局如图1 所示。本文拟采用SketchUp 软件对目标建筑进行建模，并通过OpenStudio 软件对模型进行建筑信息赋予，计算模型如图2 所示。OpenStudio 软件内核即EnergyPlus，EnergyPlus 建筑能耗模拟软件是由美国能源部与劳伦斯伯克利实验室共同开发的，其吸收了DOE-2 和BLAST 等软件的优点，在其算法及功能上都有较大的优势[2]。

图1 建筑标准层平面图

图2 OpenStudio 计算模型示意图

1.2 模拟参数设置

以建筑围护结构本身的设计参数作为基准参数，如表1 所示。设定建筑室内空调区域夏季温度为26 ℃、湿度为60%，冬季温度为20 ℃，主要房间的室内新风量为30 m3/(h·人)。人均占地面积为32 m2，人员在室率、照明时刻表、设备使用率等参照国家《近零能耗建筑技术标准》[1]。

表1 建筑围护结构热工性能设计参数

2 材料参量对建筑能耗的影响

本文选取了外墙传热系数，屋面传热系数，外窗传热系数和外窗SHGC 这四项材料参量，来模拟采用不同热工参数的材料时的建筑全年运行能耗情况，并量化分析各变量对建筑能耗总值和分项能耗的的影响，以此来研究各材料参数对于建筑能耗的影响程度以及其在设定阈值范围内的节能潜力。

2.1 外墙传热系数对建筑能耗的影响

根据《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》[3]，体型系数≤0.4 的建筑外墙传热系数应不大于1.0 W/(m2·K)，根据国家《近零能耗建筑技术标准》[1]，外墙传热系数应在0.15≤K≤0.40 W/(m2·K)区间内，综合上述标准中的规定，并结合实际建造成本，确定模拟外墙传热系数的阈值范围为0.2～0.6 W/(m2·K)，并设定模拟步长为0.05。不同外墙传热系数下的年建筑总能耗，年制冷能耗和年供暖能耗折线图如图3 所示。

图3 不同外墙传热系数能耗折线图

在模拟范围内，随着外墙传热系数的增加，供暖能耗、建筑总能耗都随之增大，而制冷能耗稍有降低。这是因为随着建筑围护结构保温性能的提高，室内热量更难散失，室内照明、设备、人员的散热量可储存在房间中，墙体蓄热量较高，导致了冷负荷的增加和热负荷的减少。

将不同外墙传热系数下的单位面积年制冷能耗、单位面积年供暖能耗和单位面积建筑总能耗进行线性拟合，可得出：

1）单位面积年制冷能耗与外墙传热系数的函数关系为：y=-10.13x+78.84，R2=0.98051

2）单位面积年供暖能耗与外墙传热系数的函数关系为：y=28.09x+12.12，R2=0.99921

3）单位面积年总能耗与外墙传热系数的函数关系为：y=17.96x+151.81，R2=0.99721

其中，上述三个公式中，y 表示相应的单位面积能耗值（建筑制冷能耗、建筑供暖能耗及建筑总能耗），x表示不同的外墙传热系数。

节能贡献率可定义为，将各个设计参量分别通过敏感性分析得出的实际能耗值与基准模型的能耗值的比值，以此来反映不同设计参量对于建筑节能效果的量化影响程度[4]。其计算方法如下：

其中，ECR 即为节能贡献率（Energy-saving Contribution Ratio），Qn为某一优化参量变化之后的建筑能耗值，Q0为基准模型能耗值。

将上述分项能耗模拟结果与基准模型作对比，可计算出不同外墙传热系数的节能贡献率，并绘制出折线图如图4 所示。

图4 不同外墙传热系数的分项能耗节能贡献率

可见，外墙传热系数对该建筑模型的供暖能耗影响最为显著。在0.2～0.6 W/(m2·K)的区间内，外墙传热系数对供暖能耗的节能贡献率的变化范围为-2.47%～37.37%，对制冷能耗的节能贡献率的变化范围为-5.25%～0.42%，对建筑总能耗的节能贡献率变化范围为-0.24%～4.13%。

因此，相对于基准模型（外墙传热系数为0.58 W/(m2·K)），外墙传热系数对该建筑模型的节能潜力为4.13%。

2.2 屋面传热系数对建筑能耗的影响

综合《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》[3]及《近零能耗建筑技术标准》[1]中对屋面传热系数的规定，并结合实际建造成本，确定模拟屋面传热系数的阈值范围为0.1～0.5 W/ (m2·K)，并设定模拟步长为0.05。不同屋面传热系数下的年建筑总能耗、制冷能耗和供暖能耗折线图如图5 所示。

随着屋面传热系数的增大，供暖能耗略有增加，而制冷能耗略有降低。总体而言，建筑总能耗随着屋面传热系数增大而增加，但增幅很小。这主要是因为该建筑体型系数较小，屋面面积占总外表面积的比例很小，因此屋面的热传递量对建筑负荷的影响是很有限的。

图5 不同屋面传热系数能耗折线图

将不同屋面传热系数下的单位面积年制冷能耗，单位面积年供暖能耗和单位面积建筑总能耗进行线性拟合，可得出：

1）单位面积年制冷能耗与屋面传热系数的函数关系为：y=-0.30x+73.12，R2=0.96456

2）单位面积年供暖能耗与屋面传热系数的函数关系为：y=2.32x+27.69，R2=0.99995

3）单位面积年总能耗与屋面传热系数的函数关系为：y=2.02x+161.66，R2=0.99891

将上述分项能耗模拟结果与基准模型作对比，可计算出不同屋面传热系数的节能贡献率，并绘制出节能贡献率的折线图，如图6 所示。屋面传热系数对供暖能耗影响最为显著。在0.1～0.5 W/(m2·K)的区间内，屋面传热系数对供暖能耗的节能贡献率的变化范围为-1.92%～1.34%，对制冷能耗的节能贡献率的变化范围为0.11%～0.30%，对建筑总能耗的节能贡献率的变化范围为-0.20%～0.28%。

图6 不同屋面传热系数的分项能耗节能贡献率

因此，相对于基准模型（屋面传热系数为0.34 W/(m2·K)），屋面传热系数对该建筑模型的节能潜力为0.28%。

2.3 外窗传热系数对建筑能耗的影响

综合《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》[3]及《近零能耗建筑技术标准》[1]中对外窗传热系数的规定，并结合实际建造成本，确定模拟屋面传热系数的阈值范围为1.0 W/(m2·K)-1.4 W/(m2·K)，并设定模拟步长为0.05。不同外窗传热系数下的年建筑总能耗，年制冷能耗和年供暖能耗折线图如图7 所示。

图7 不同外窗传热系数能耗折线图

由于基准模型所选取的外窗热工性能（传热系数为1.31 W/(m2·K)）已经远远超出近零能耗建筑的硬性标准，因此，在有限的优化范围内，随着外窗传热系数的减小，外窗保温性能提高，室内热量不易散失，热负荷也随之减小，而冷负荷则随之增大，建筑总能耗略微减小。

将不同外窗传热系数下的单位面积年制冷能耗，单位面积年供暖能耗和单位面积建筑总能耗进行线性拟合，可得出：

1）单位面积年制冷能耗与外窗传热系数的函数关系为：y=-10.77x+87.21，R2=0.99003

2）单位面积年供暖能耗与外窗传热系数的函数关系为：y=14.42x+9.50，R2=0.99634

3）单位面积年总能耗与外窗传热系数的函数关系为：y=3.65x+157.56，R2=0.99414

将上述分项能耗模拟结果与基准模型作对比，可计算出不同外窗热系数的节能贡献率，并绘制出节能贡献率的折线图如图8 所示。

图8 不同外窗传热系数的分项能耗节能贡献率

在1.0～1.4 W/(m2·K)的模拟阈值区间内，外窗传热系数对供暖能耗的节能贡献率的变化范围为-4.44%～16.06%，对制冷能耗的节能贡献率的变化范围为-4.76%～1.18%，对建筑总能耗的节能贡献率的变化范围为-0.24%～0.65%。

因此，相对于基准模型（外窗传热系数为1.31 W/(m2·K)），外窗传热系数对该建筑模型的节能潜力为0.65%。

2.4 外窗太阳得热系数对建筑能耗的影响

根据《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》[3]和《近零能耗建筑技术标准》[1]中对外窗SHGC 值的规定，并结合实际建造成本，确定模拟SHGC 值的阈值范围为0.2～0.6，并设定模拟步长为0.05。外窗不同SHGC 值下的年建筑总能耗，年制冷能耗和年供暖能耗折线图如图9 所示。

图9 不同外窗SHGC 值能耗折线图

随着外窗SHGC 值的增大，窗户的隔热性能减弱，通过外窗进入室内的太阳辐射得热量增加，因此冷负荷随之增大，而热负荷则随之降低。冷负荷增幅更加明显，所以建筑总负荷也随外窗SHGC 值的增加而增大。

将不同外窗SHGC 值的单位面积年制冷能耗、单位面积年供暖能耗和单位面积建筑总能耗进行线性拟合，可得出：

1）单位面积年制冷能耗与外窗SHGC 值的函数关系为：y=118.03x2+8.20x+38.27，R2=0.98333

2）单位面积年供暖能耗与外窗SHGC 值的函数关系为：y=32.79x2-58.87x+50.03，R2=0.99379

3）单位面积年建筑总能耗与外窗SHGC 值的函数关系为：y=150.82x2-50.67x+149.15，R2=0.97596

将上述分项能耗模拟结果与基准模型作对比，可计算出不同屋面传热系数的节能贡献率，并绘制出节能贡献率的折线图如图10 所示。

外窗太阳得热系数在0.3～0.6 的区间内时，供暖能耗的节能贡献率的变化范围为-41.00%～7.12%，制冷能耗的节能贡献率的变化范围为-19.79%～41.50%，建筑总能耗的节能贡献率的变化范围为-7.68%～11.56%。

图10 不同外窗SHGC 值的分项能耗节能贡献率

因此，相对于基准模型（外窗SHGC 值为0.52），外窗SHGC 值对该建筑模型的节能潜力为11.56%。

可以看出，外窗太阳得热系数对建筑节能而言是一项非常重要的指标，尽管减小外窗的传热系数和太阳得热系数均可获得建筑节能的效果，但减小外窗太阳得热系数的节能效果更加明显，因此夏热冬冷地区居住建筑应更加注重建筑外窗的隔热性能。

3 总结

本文通过对南京市某高层居住建筑的全年运行能耗进行建模分析，比较了不同围护结构热工参数下的建筑分项能耗，并总结了四类材料参量在给定阈值范围内的节能潜力贡献率。结合本文的研究内容，对结论的总结如下：

1）外窗太阳得热系数的节能潜力最大，外墙传热系数次之。因此，从建筑节能的角度考虑，应尽量采用传热系数较低的外墙材料和较低SHGC 值的外窗。

2）南京地区居住建筑在节能设计时应更注重外窗的隔热性能。

3）本文仅从能耗角度对外围护结构热工性能的影响进行了理论模拟和分析，而工程实践中需要考虑经济性问题，因此未来可引入经济成本进行综合分析。