建筑外围护结构的节能设计与优化

李红锋，王珂奇

(1.亳州职业技术学院 建筑工程系，安徽 亳州 236800；2.安徽建筑大学 土木工程学院，合肥 230601)

由于严寒区域在我国的占地面积较广，其建筑节能效果一直是建筑行业施工单位和研究院所共同关注的课题[1]，包括已有节能改造以及建筑的设计与施工方案等。在建筑节能的设计与优化过程中，外围护结构是重中之重，这主要是因为外围护结构是实现节能的关键[2]，在建筑节能标准与要求不断提升的背景下，对建筑外围护结构进行设计与优化是值得研究的课题[3]，然而实际工程改造测试周期长、成本高，而采用模拟的方法不仅可以有效得出节能效果参数[4-5]，还具有模拟便捷、成本低等特点，而目前国内在建筑外围护节能效果模拟与应用方面的研究报道较少[6]。本文基于严寒地区建筑外围护结构的应用现状，对外围护结构中的各项参数进行了优化模拟，结果将有助于外围护结构的节能设计与改造。

1 建筑外围护结构

1.1 基本特征

本文选取严寒地区具有代表性的外围护结构作为研究对象，该建筑为6层多层住宅，总高为17.8 m、层高3.2 m，结构形式为砖混结构、朝向为南北向。

外围护结构主要包括墙体、隔墙、屋面和外窗，其中墙体部分由混合砂浆、多孔砖、保温层和抗裂砂浆等组成，屋面由防水层、找平层、保温层、找平层、珍珠岩找平层、屋面板和混合砂浆组成，外窗由南(6+13+6玻璃窗)、北(6+13+6推拉窗)和东西(6+13+6平开窗)外窗组成，且所有玻璃都为中空浮法玻璃。

1.2 能耗模拟

采用Design Builder软件对严寒地区建筑外围护结构的能耗进行模拟[7-9]，软件操作界面如图1所示。能耗模拟共分为8组(包含对照组、X组、Y组、Z组、X+Y组、X+Z组、Y+Z组、X+Y+Z组)，模拟参数以选区的典型建筑作为参照，包括墙体、隔墙、屋面和外窗等几个部分。屋面保温层(150 mm)和墙体保温层(180 mm)厚度作为参数X，窗玻璃作为参数Y，窗墙比作为参数Z(南0.6、北0.3)，参照典型建筑的遮阳方式，模拟中均采用卷窗遮阳。

图1 严寒地区建筑外围护结构的能耗模拟软件操作界面

采用Design Builder软件对严寒地区建筑外围护结构的能耗进行模拟过程中，需要单独考虑各外围护结构的基本参数[10-12]，以更好地实现节能设计优化。严寒地区建筑外围护结构中的墙体、隔墙、屋面和外窗部分的工程实际应用和软件模拟应用参数如表1～4所示[13-16]，都分别考虑了实际工程和软件模拟中的应用情况。

1)墙体。严寒地区建筑外围护结构中墙体的应用参数如表1所示，其中实际工程和软件模拟中的传热系数分别为0.581 W·m-2·K-1和0.555 W·m-2·K-1。

表1 严寒地区建筑外围护结构中墙体的应用参数

2)隔墙。严寒地区建筑外围护结构中隔墙的应用参数如表2所示，其中实际工程和软件模拟中的传热系数分别为0.534 W·m-2·K-1和0.537 W·m-2·K-1。

表2 严寒地区建筑外围护结构中隔墙的应用参数

3)屋面。严寒地区建筑外围护结构中墙体的应用参数如表3所示，其中实际工程和软件模拟中的传热系数分别为0.431 W·m-2·K-1和0.399 W·m-2·K-1。

表3 严寒地区建筑外围护结构中屋面的应用参数

4)外窗。严寒地区建筑外围护结构中墙体的应用参数见表4。

表4 严寒地区建筑外围护结构中外窗的应用参数

2 结果与分析

图2为严寒地区建筑外围护结构中不同组别的耗能量分析结果，分别列出了采暖模式、制冷模式和采暖+制冷模式下的耗能量。在采暖模式下，相较于对照组(第1组)，第2～8组的能耗都相对有所降低；在单一方式下，第4组的能耗降低不如第2和第3组；在2种组合方式下，能耗降低最大的是第5组，其次为第7组；3种组合方式下，第8组的能耗降低最大，为采暖模式下能耗最低的。在制冷模式下，第2、第3和第5组都可以起到一定的降低能耗作用，而第4组、第6、第7和第8组反而使得能耗增加。从采暖+制冷模式下，能耗降低效果最好的是第8组，其次为第5组，而能耗降低消耗较差的是第2组，但是整体而言，组合效果都要优于对照组。

图2 严寒地区建筑外围护结构中不同组别的耗能量

表5为严寒地区建筑外围护结构的能耗分析结果，分别列出了采暖、制冷、采暖+制冷模式下的单位面积能耗和递减量。可见，8组措施下的能耗变化趋势与图2保持一致。即在采暖模式下，能耗降低效果从大至小顺序为：8>5>7>6>3>2>4>1；制冷模式下，能耗降低效果从大至小顺序为：5>3>2>1>6>8>7>4；采暖+制冷模式下，能耗降低效果从大至小顺序为：8>5>7>6>3>2>4>1。由此可见，在对严寒地区建筑外围结构进行优化设计过程中，单一方式下窗户的传热效果对采暖能耗的影响远大于窗墙比，2种组合方式下墙体、屋面和窗户的传热系数对能耗的降低效果要优于增大窗墙比；虽然为了增加制冷效果可以增加窗墙比，但是对采暖效果影响较大。整体而言，从采暖模式和采暖+制冷模式角度出发，第8组方案的能耗最低，可以取得最好的节能效果。

表5 严寒地区建筑外围护结构的能耗分析结果

根据上述模拟结果可知，要想对既有严寒地区建筑外围护结构进行优化以提升节能效果，采取单一方式和2种组合方式的效果不如X+Y+Z模式，为了综合提升严寒地区建筑外围结构的节能效果[17]，需要对外窗、墙体、屋面等机构进行整体优化设计，以最大限度降低能耗，具体节能设计优化方案如表6所示。

表6 严寒地区建筑外围护结构的节能设计优化

3 结论

1)在采暖+制冷模式下，能耗降低效果最好的是第8组，其次为第5组，而能耗降低消耗较差的是第2组，但是整体而言，组合效果都要优于对照组。

2)在采暖模式下，能耗降低效果从大至小顺序为：8>5>7>6>3>2>4>1；制冷模式下，能耗降低效果从大至小顺序为：5>3>2>1>6>8>7>4；采暖+制冷模式下，能耗降低效果从大至小顺序为：8>5>7>6>3>2>4>1。

3)采取单一方式和2种组合方式的效果不如X+Y+Z模式，为了综合提升严寒地区建筑外围结构的节能效果，提出了严寒地区外围护结构的节能设计方案。