基于PBEC的公共建筑外圍護(hù)系統(tǒng)能耗分析

李萍，林舟

（福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，福建 福州350003）

《福建省 “十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》中提出新建居住和公共建筑的設(shè)計(jì)和施工中嚴(yán)格執(zhí)行節(jié)能50%的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)［1］，為了達(dá)到節(jié)能要求，首先要考慮的是外圍護(hù)系統(tǒng)方案的選擇，其熱工性能是決定建筑能否節(jié)能的基礎(chǔ)。下面，筆者采用節(jié)能軟件PBEC分析了在夏熱冬暖地區(qū)某公共建筑外圍護(hù)系統(tǒng)選擇屋面擠塑聚苯板（XPS）的厚度、加氣混凝土砌塊的厚度、窗戶材料及外窗有無遮陽等措施對(duì)節(jié)能率的貢獻(xiàn)。

1 工程概況

福州市某交流中心大廈，地下1層，地面以上層數(shù)為7層。層高：地下一層4.4 m；一層4.4 m；二層4.2 m；三層以上均為3.0 m。朝向南偏東11°。該建筑客房多數(shù)房間是朝西，主要原因在于：一是受到地塊紅線的限制；二是西向面向?yàn)觚埥?，觀景效果好。

東向窗墻比為0.126；南向窗墻比為0.355；西向窗墻比為0.358；北向窗墻比為0.253。采用鋁合金框，熱反射中空玻璃（5＋6A＋5）傳熱系數(shù)K值為3.4 W／（m2·K），遮陽系數(shù)SC為0.45。

1）外墻類型（從外至內(nèi)）：外墻淺色面磚或涂料＋水泥砂漿（20mm）＋蒸壓加氣混凝土（200mm）＋水泥砂漿（20mm）＋內(nèi)墻涂料。

2）屋面類型（從上而下）：水泥砂漿（20mm）＋細(xì)石混凝土（40mm）＋擠塑聚苯乙烯泡沫板（30mm）＋水泥砂漿（20mm）＋鋼筋混凝土（100mm）。

3）地面類型（從上而下）：水泥砂漿（20mm）＋細(xì)石混凝土（40mm）＋加氣混凝土保溫砌塊（200mm）＋混凝土墊層（60mm）。

2 計(jì)算思路

PBEC軟件采用DOE－2的計(jì)算內(nèi)核，根據(jù) 《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189－2005），并結(jié)合各地的地方標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，在設(shè)計(jì)階段對(duì)建筑能耗進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬評(píng)估，計(jì)算出設(shè)計(jì)建筑和參照建筑的耗能量，完成公共建筑外圍護(hù)系統(tǒng)的節(jié)能檢查，得出是否滿足 《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求的結(jié)論。

軟件把墻體和房間分別當(dāng)作線性的熱力系統(tǒng)，通過輸入每小時(shí)的氣象數(shù)據(jù)，建筑外圍護(hù)系統(tǒng)的使用（包括人員，設(shè)備，照明條件）、空調(diào)系統(tǒng)、操作條件和空調(diào)冷熱源選擇等信息，對(duì)建筑物進(jìn)行全年8760h的逐時(shí)能耗分析計(jì)算，模擬計(jì)算出建筑物全年采暖及空調(diào)耗電量［2］。

3 計(jì)算模型

建筑數(shù)據(jù)的獲取方法是通過PBEC軟件，利用建筑軟件APM產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，將DWG圖轉(zhuǎn)換成建筑數(shù)據(jù)。在讀取數(shù)據(jù)的過程中，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)識(shí)別各種構(gòu)件，但仍會(huì)產(chǎn)生偏差，需經(jīng)過設(shè)計(jì)人員的修改調(diào)整，確保建立封閉的立體模型。南向三層以上外挑陽臺(tái)以水平遮陽措施輸入。該公共建筑的三維模型如圖1所示。

圖1 公共建筑的三維模型

3.1 外圍護(hù)系統(tǒng)參數(shù)

該公共建筑實(shí)際建筑外圍護(hù)系統(tǒng)的熱物理參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)際建筑外圍護(hù)系統(tǒng)的熱物理參數(shù)表

3.2 室內(nèi)計(jì)算參數(shù)設(shè)置

福州屬于夏熱冬暖的地區(qū)，夏季悶熱，冬季較冷，建筑要考慮夏季空調(diào)兼顧冬季采暖。

建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)是以采暖和空調(diào)能耗為最終標(biāo)準(zhǔn)，空調(diào)面積占總建筑面積的比例對(duì)最終能耗量的計(jì)算結(jié)果有很大影響。設(shè)計(jì)人員在操作軟件過程中，要根據(jù)房間的功能情況做出標(biāo)識(shí)，以便軟件正確計(jì)算。根據(jù) 《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》夏熱冬暖地區(qū)室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)如表2［3］所示。

表2 室內(nèi)環(huán)境節(jié)能設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

4 建筑能耗分析

在建筑外圍護(hù)系統(tǒng)的傳熱過程中主要有以下3種基本傳熱方式。

第1種是對(duì)流傳熱，即外圍護(hù)系統(tǒng)內(nèi)外表面與周圍空氣間的對(duì)流傳熱，其表面與周圍空氣溫差越大，對(duì)流交換熱量就越大，對(duì)流換熱過程所交換熱量與空氣和外圍護(hù)系統(tǒng)表面溫差成正比，即：

式中，qc為對(duì)流換熱強(qiáng)度，W／m2；αc為對(duì)流換熱系數(shù)，W／（m2·℃）；θ為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度，℃；t為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)周圍空氣溫度，℃。

第2種是固體導(dǎo)熱，在外圍護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生，遵守傅里葉導(dǎo)熱基本定律，即在單位時(shí)間內(nèi)，通過單位截面積的導(dǎo)熱量與溫度梯度成正比，其比例系數(shù)λ叫做材料的熱導(dǎo)率，W／（m·K）。對(duì)于單層勻質(zhì)平壁在一維穩(wěn)定傳熱時(shí)的傳熱量為：

式中，d為材料層（平壁）的厚度，m；θi、θe為平壁內(nèi)、外表面溫度，℃。

第3種是輻射傳熱，外圍護(hù)系統(tǒng)兩表面間的輻射傳熱量及其表面與周圍其他表面間的輻射傳熱［4］。對(duì)于夏熱冬暖地區(qū)而言，冬季要減少室內(nèi)的熱量損失，保持室內(nèi)較為舒適的溫度；夏季要防止室外的熱輻射進(jìn)入室內(nèi)，使室內(nèi)保持較為涼爽的環(huán)境。外圍護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能處理就是要選擇較小導(dǎo)熱系數(shù)和較大蓄熱系數(shù)的材料，降低外圍護(hù)系統(tǒng)表面與周圍空氣間的對(duì)流傳熱及周圍其他表面間的輻射傳熱，以同時(shí)滿足保溫和隔熱的需要。

所有設(shè)計(jì)建筑是否達(dá)到節(jié)能50%的要求，需要有一個(gè) “基準(zhǔn)建筑”與之做比較。所謂 “基準(zhǔn)建筑”是指選擇體型系數(shù)、建筑層數(shù)、朝向和窗墻比等在某一地區(qū)具有代表性的住宅建筑，以此作為基準(zhǔn)，將建筑物耗熱量控制指標(biāo)分解為各項(xiàng)外圍護(hù)系統(tǒng)傳熱系數(shù)限制，以便從總體上控制該地區(qū)公共建筑能耗［3］?！盎鶞?zhǔn)建筑”的空調(diào)和采暖能耗為100%，只要設(shè)計(jì)建筑能耗與 “基準(zhǔn)建筑”之比小于或等于50%，就可以評(píng)定該建筑符合節(jié)能要求。

參照建筑是與實(shí)際設(shè)計(jì)的建筑相比，參照建筑除了在實(shí)際設(shè)計(jì)建筑不滿足 《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的一些重要規(guī)定處做調(diào)整外，其他方面均相同。參照建筑在外圍護(hù)系統(tǒng)的各個(gè)方面均符合節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。參照建筑是設(shè)計(jì)建筑進(jìn)行權(quán)衡判斷的基礎(chǔ)。參照建筑與基準(zhǔn)建筑相比，達(dá)到節(jié)能50%的要求。

為得到不同節(jié)能措施對(duì)節(jié)能率的貢獻(xiàn)情況，通過PBEC進(jìn)行能耗分析，設(shè)定計(jì)算模式，把實(shí)際建筑作為模式1，其他模式只改變一個(gè)參數(shù)，其余條件均與實(shí)際建筑一致，共有11種計(jì)算模式。

4.1 改變屋面節(jié)能參數(shù)的建筑能耗和節(jié)能率

表3列出了改變屋面節(jié)能參數(shù)的建筑能耗和節(jié)能率。

表3 屋面節(jié)能參數(shù)變化結(jié)果匯總

在夏熱冬暖地區(qū)，夏季太陽輻射強(qiáng)度很高，屋面接受太陽輻射的幾率最大，它承擔(dān)著節(jié)能與改善頂層房間熱環(huán)境2個(gè)任務(wù)。與實(shí)際設(shè)計(jì)建筑相比，屋面聚苯板乙烯泡沫保溫層的厚度對(duì)采暖能耗的影響比較大，空調(diào)能耗影響比較小，兩者相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。在模式2（擠塑聚苯板厚為20mm）條件下，與實(shí)際設(shè)計(jì)建筑相比，節(jié)能率降低0.64%。在模式3（擠塑聚苯板厚為40mm）條件下，與實(shí)際設(shè)計(jì)建筑相比，節(jié)能率提高0.38%。在模式4（擠塑聚苯板厚為50mm）條件下，與實(shí)際設(shè)計(jì)建筑相比，節(jié)能率提高0.64%。

4.2 改變外墻節(jié)能參數(shù)的建筑能耗和節(jié)能率

表4列出了改變外墻節(jié)能參數(shù)的建筑能耗和節(jié)能率。

表4 外墻節(jié)能參數(shù)變化結(jié)果

墻體是構(gòu)成建筑的主要構(gòu)件之一，在建筑節(jié)能中占了非常重要的位置。特別是外墻，是建筑物內(nèi)環(huán)境與外界自然環(huán)境進(jìn)行能量交流的重要通道之一，因此墻體熱工性能的好壞對(duì)整個(gè)建筑的能耗有重要的影響［5］。與節(jié)能率為50%的參照建筑相比，在模式5（加氣混凝土砌塊厚度為100mm）條件下，節(jié)能率降低1.07%。在模式6（加氣混凝土砌塊厚度為150mm）條件下，節(jié)能率降低0.28%。在模式7（加氣混凝土砌塊厚度為250mm）條件下，節(jié)能率提高0.58%。在模式8（加氣混凝土砌塊厚度為300mm）條件下，節(jié)能率提高0.85%。但墻體厚度的增加對(duì)節(jié)能的貢獻(xiàn)并不呈線性特征，隨著墻體厚度的增加，建筑采暖能耗、空調(diào)能耗和總能耗都隨之降低，但幅度越來越小，對(duì)節(jié)能率提高的貢獻(xiàn)率也越來越小，且厚度增加采暖能耗的影響比空調(diào)能耗大。對(duì)于夏熱冬暖地區(qū)，主要在于夏季防暑，空調(diào)能耗要求比采暖能耗要求更高。因此單純以增加加氣混凝土砌塊厚度的做法來提高節(jié)能效果，對(duì)于夏熱冬暖地區(qū)是不足的。

4.3 改變外窗節(jié)能參數(shù)的建筑能耗和節(jié)能率。

表5列出了改變外窗節(jié)能參數(shù)的建筑能耗和節(jié)能率。

表5 外窗節(jié)能參數(shù)變化計(jì)算結(jié)果

建筑外門窗（包括玻璃幕墻、采光頂）由于以透明材料為主要面層，太陽輻射可直接透過面層導(dǎo)致室內(nèi)直接輻射得熱，不同于其他非透明墻體以熱傳導(dǎo)為主的方式傳熱，熱工性能比非透明墻體要差很多。與節(jié)能率為50%的參照建筑相比，在模式9（鋁合金框普通單層玻璃）條件下，節(jié)能率降低6.02%；在模式10（鋁合金框普通中空玻璃）條件下，節(jié)能率降低2.51%；在模式11（實(shí)際建筑無遮陽）條件下，節(jié)能率降低0.85%。

窗戶材質(zhì)的改變對(duì)建筑節(jié)能的影響是非常顯著的，主要原因在于公共建筑的窗墻比較大，夏熱冬暖地區(qū)夏季太陽強(qiáng)烈，加上外門窗有大面積的透明部分，直接獲得太陽輻射能量巨大，導(dǎo)致建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能下降。因此選擇熱工性能良好的外窗是關(guān)鍵。在夏熱冬暖地區(qū)采取遮陽措施還是有必要的，但其影響遠(yuǎn)沒有窗戶自身熱工性能改善來的重要。

5 結(jié)論

1）公共建筑外圍護(hù)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)不是簡單將保溫隔熱材料進(jìn)行堆積，合理保溫系統(tǒng)的選擇很重要。實(shí)際建筑所進(jìn)行的節(jié)能措施能夠滿足節(jié)能50%的要求。

2）屋面保溫材料聚苯乙烯泡沫板（XPS）厚度的增加，對(duì)采暖能耗的降低比空調(diào)能耗的降低敏感，對(duì)建筑節(jié)能率提高是也有效的。

3）加氣混凝土砌塊作為外墻圍護(hù)系統(tǒng)，相比參照建筑，墻體厚度的增加對(duì)節(jié)能率的提高并不顯著，且不呈線性。

4）外窗是外圍護(hù)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，外窗本身熱工性能的好壞對(duì)建筑的節(jié)能率影響非常顯著。在夏熱冬暖地區(qū)的北區(qū)，外窗有無遮陽，對(duì)建筑節(jié)能率是有影響的。同時(shí)相比外窗材料改變下對(duì)節(jié)能率的影響，遮陽效果的影響要弱得多。因此在進(jìn)行外窗節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，要優(yōu)先考慮熱工性能優(yōu)良的窗型。

［1］福建省人民政府，福建省 “十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案（閩政 〔2011〕95號(hào)）［Z］.

［2］于美靜，王宏偉.建筑節(jié)能計(jì)算機(jī)模擬軟件的研究 ［J］.區(qū)域供熱，2007（3）：69－72.

［3］GB 50189－200，公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) ［S］.

［4］朱盈豹.公共節(jié)能建筑耗熱量指標(biāo)探討 ［J］.墻體革新與建筑節(jié)能，2006（5）：37－39.

［5］吳成東，李新輝.建筑節(jié)能技術(shù)及其發(fā)展 ［J］.智能建筑與城市信息，2005（10）：83－87.