基于DEST 的公共建筑能耗模拟——以阜阳某商业办公楼为例

李浩 LI Hao；杨翠萍 YANG Cui-ping；叶鹏 YE Peng；黄启 HUANG Qi

（①安徽理工大学土木建筑学院，淮南 232001；②安徽省建筑设计研究院二院，合肥 230002）

0 引言

长期以来，缓解全球能源危机一直是各国不断探寻的议题，新能源、新技术的应用对未来国家的发展起到至关重要的作用。2020 年我国建筑全过程能耗总量为22.7 亿tce 标准煤，占全国能源消费总量比重为45.5%[1]。其中在建筑运行阶段中公共建筑能耗占各类型建筑的40%。随着国家不断发展，公共建筑能耗也是亟待解决的问题之一。就现阶段状况来看，公共建筑能耗主要能耗为办公设备能耗、照明能耗，以及空调系统能耗。空调系统是影响建筑能耗最显著的因素，而建筑设计阶段的冷热负荷大小决定了空调系统的能耗建设初始投资[2]。因此为实现公共建筑节能，第一步需要精准计算建筑的冷热负荷，尤其是冷负荷。

目前，国内许多学者对公共建筑能耗有不同的研究。本文以阜阳某公共建筑为例，使用DEST 软件对其进行全年建筑能耗模拟分析，采用控制变量法研究不同因素对建筑负荷的影响。

1 DEST 能耗模型建立

1.1 建筑概况 该建筑位于安徽省阜阳市，所处气候为夏热冬冷地区，属于商业办公综合楼。建筑层数共18层，地上17 层、地下1 层。建筑总高度93.650m，建筑总面积35703.55m2，空调面积15725.84m2。地下一层为地下车库及设备用房，一、二层为商业区，第三层为高2.15m 的设备转换层，三至十七层为重复单元单元的办公层。

1.2 基本建模 首先用CAD 软件依据建筑图纸描绘出建筑的房间分割线，每层分别建立一个图层，用不同颜色区分，由于四到十七层楼层图纸相同，只需以第四层为标准。绘制好房间线后将每一层建立块，并找到对位基点逐层累加，然后导出文件。在DEST-C（商业建筑模块）软件中打开cad 导出的文件，新建建筑，新建楼层（控制楼层高度），打开建筑图层在第一层绘制时只显示第一层的建筑房间分割线，以此类推。需要注意，DEST 中绘制的墙体，门窗等维护结构都需放在0 图层中。在建模时，先建立基本模型到第四层，设置所需参数后，再将第四层楼层整体复制楼层。（图1）

图1 商业办公楼三维建筑模型

2 参数设定

2.1 气象参数 建筑采用系统本身设置，使用典型年作为标准。在DEST 软件中得到表1 所示城市气象参数表。

2.2 保温材料参数 基础建模完成后，设置建筑维护参数。本项目属于商业综合体，建筑形体复杂，因此针对不同的建筑用途，设置相应的材料参数。参考《民用建筑热工设计规范》得出各保温材料热工参数见表2。

表2 保温材料热工参数

表3 围护结构热工参数

2.3 维护结构参数 建筑维护结构参数设定。外墙采用外保温为煤矸石空心砖加岩棉复合板，内墙采用煤矸石空心砖，层间楼板采用上保温，分商业和办公。分别使用玻璃棉，岩棉板两种保温隔热板。挑空楼板采用下保温为岩棉板保温加钢筋混凝土。屋顶采用挤塑聚苯乙烯塑料泡沫板加钢筋混凝土。窗户为lowe 中空玻璃。对于室内的热扰因素和人员，灯光，设备作息时间均按不同房间功能设置。

3 建筑负荷模拟分析

建筑围护结构的热工性能对建筑的能耗影响很大，尤其是外墙、外窗及屋顶最为显著，这三项也是围护结构的重要组成部分[3]。基于DEST 数据分析所选项目的全年累计冷、热负荷指标。采用单一变量法对这些因素分别分析。

3.1 不同窗墙比对建筑负荷的影响 窗户是影响建筑能耗的重要因素。建筑外窗是建筑围护结构中最大的热桥，也是能量损失最大的部位之一[4]。窗墙比的大小取决于建筑的设计需求和功能。对于商业建筑，较大的窗墙比可以提供更多的自然光线和景色，使室内空间更加明亮和开放。较大的窗户可以帮助减少人工照明的使用，但也会增加冷暖气系统的负荷。通过模拟计算分别整理出窗墙比为0.4、0.5、0.6、0.7（考虑由于东西向限值，最大取值只能赋予0.6）时全年最大冷负荷、全年最大热负荷、尖峰冷负荷，尖峰热负荷的模拟结果（图2）。由图2 可以看出。在只有窗墙比变化的基础条件下，建筑全年累计冷负荷，建筑全年累计总负荷，建筑全年累计热负荷都随之改变，基本成线性增长。建筑全年累计冷负荷受建筑窗墙比影响较大，对比窗墙比0.4 与窗墙比0.7 模拟结果，建筑负荷大幅降低，降低约为14.3%。全年累计总负荷降低了10.6%。全年累计热负荷相对影响较小。窗户通常比外墙的隔热能力较低，容易造成热量的传递。在冬季，较大的窗户可能会导致冷空气通过窗户进入室内，增加供暖系统的负荷。而在夏季，较大的窗户会让更多的太阳能照射进室内，增加空调系统的能耗。因此，窗墙比过大可能会影响建筑的隔热性能，增加供暖和冷却的能耗。

图2 不同窗墙比下全年累计负荷

3.2 玻璃幕墙热工性能对负荷的影响 玻璃幕墙作为一种符号化的建筑语言，一直被广泛用于公共建筑外窗。玻璃幕墙的热工参数能够大幅影响建筑的能耗。本文建筑模型中，建筑外窗采用玻璃幕墙形式，以玻璃幕墙的遮阳系数，传热系数分别为单一变量来分析对建筑能耗的影响。

3.2.1 遮阳系数 玻璃遮阳系数是评估玻璃窗户遮阳能力的指标，它表示玻璃能有效阻挡阳光热量的能力。玻璃遮阳系数越高，表示玻璃窗户在遮挡阳光热量方面的效果越好。玻璃遮阳系数的大小对建筑能耗有着重要的影响建筑。实验中，其他热工参数保持不变，参数只调整玻璃幕墙的遮阳系数为0.2、0.3、0.4、0.5 四组数据，模拟计算出结果。由图3 可以看出，全年累计冷负荷、全年累计总负荷随着遮阳系数增大而增大，增幅分别为17.4%、5%。建筑热负荷对遮阳系数增大而递减，降幅为17.3%。由于在夏热冬冷地区，夏季炎热，阳光辐射强烈。选择具有较高的遮阳系数的玻璃可以有效阻挡阳光热量的进入，减少室内的热量积聚，降低空调负荷，能够减少夏季的冷却能耗，并且降低了建筑的最大冷负荷。在冬季，而遮阳系数只影响建筑的最大冷负荷，对建筑的最大热负荷影响较小。

图3 外窗不同遮阳系数下的全年累计负荷

3.2.2 传热系数 采用控制变量法，传热系数选择为1.5、2、2.5、3、3.5、4。如图4 可知，窗户的传热系数对建筑全年累计热负荷，建筑全年累计总负荷影响较大。对比传热系数0.15 与传热系数0.4 的模拟数据，传热系数1.5 的玻璃外窗比传热系数4.0 的外窗能降低33.7%的全年累计热负荷。这是一个非常高的数据了，而且全年总负荷也能够降低9.7%。因此建筑外窗的传热系数在满足其他条件的情况下，选择较低的传热系数，能够大幅降低建筑的运行能耗。

图4 外窗不同传热系数下的全年累计负荷

3.3 外墙传热系数对建筑能耗的影响 为研究建筑外墙传热系数不同对建筑能耗的影响，项目模拟过程根据DEST 中外墙结构，选取了传热系数0.3 到0.8 不同外墙结构，在其余条件保持原数据的情况下，得出模拟结果。如图5 可知。建筑能耗随着传热系数的增加产生波动。当传热系数为0.4 时，全年累计热负荷最低为908945.91（kW·h），全年累积冷负荷最高为2089286.58（kW·h），全年累积冷负荷最低2998232.49（kW·h）。在传热系数0.3 到0.4 时，建筑总负荷随着传热系数增大而减小。在传热系数0.5 到0.8 时，建筑总负荷随着传热系数增大而增加。因此对于建筑外墙传热系数选择并非传热系数越小越好，需要考虑多个因素来确定传热系数的最合适范围。此数据对比原数据全年累计总负荷3056904.571（kW·h），幅度波动较小，接近外墙传热系数影响下所能够达到的最小负荷。

图5 不同外墙的传热系数下的全年累计负荷

4 结语

本研究基于不同外围护皆有参数的变化，选取窗墙比，外窗的传热系数，遮阳系数与外墙的传热系数作为单一变量，探究其对建筑负荷的影响，以及在原方案寻求更加节能的方法，以下是对结果的总结。①窗墙比对建筑负荷的影响：窗墙比的增加会导致建筑的全年累计冷负荷和全年累计总负荷的增加。较大的窗墙比可能会降低建筑的隔热性能，增加供暖和冷却的能耗。因此，在设计过程中应仔细权衡自然采光和建筑能效之间的平衡。②玻璃幕墙的热工性能对负荷的影响：玻璃幕墙的遮阳系数和传热系数对建筑能耗有显著影响。较高的遮阳系数可以减少夏季的阳光热量进入室内，减少冷却负荷。较低的传热系数可以降低热量传递，减少热负荷。因此，在选择玻璃幕墙时应优先考虑具有较高的遮阳系数和较低的传热系数的材料。③外墙传热系数对建筑能耗的影响：传热系数较低的外墙可以提供较好的隔热性能和节能效果。以文章项目为例采用传热系数范围0.3 至0.4 较为合适。为了实现公共建筑的节能目标，设计阶段应该精确计算建筑的冷热负荷，并考虑合理的窗墙比、玻璃幕墙遮阳系数和传热系数以及外墙的传热系数来降低能耗，提高能源效率。这些因素的优化设计可以显著降低建筑能耗，帮助缓解全球能源危机。