上海地區(qū)超低能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化探索

■ 趙 群 ZHAO Qun 李崢嶸 LI Zhengrong 蒿玉輝 HAO Yuhui

0 引言

隨著全球氣候變化及低碳發(fā)展概念的深入人心，一些國家提出了“超低能耗建筑”或類似概念的中長期發(fā)展目標(biāo)、技術(shù)路線等政策法規(guī)文件。被動(dòng)房、低能耗、超低能耗、零能耗建筑等一系列概念也隨之進(jìn)入探索實(shí)踐[1]。英國和瑞士提出零排放建筑，旨在利用可再生能源滿足建筑運(yùn)行的能源需求，實(shí)現(xiàn)化石燃料消耗為零的目標(biāo)；德國提出被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)，要求建筑每年的采暖能耗不超過15kWh/m2，建筑全年總能耗不超過120kWh/m2[2]；美國、日本等國家提出零能耗建筑，每年產(chǎn)生的能量和消耗的能量達(dá)到平衡，年一次能源消費(fèi)量收支為零[3]。我國的建筑節(jié)能工作亦經(jīng)歷了近30 年的發(fā)展，現(xiàn)階段建筑節(jié)能65%的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)正在普及，超低能耗建筑無疑已經(jīng)成為我國下一階段建筑節(jié)能工作關(guān)注的重點(diǎn)之一 。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能是降低建筑負(fù)荷和能耗的關(guān)鍵基礎(chǔ)，因此，各地超低能耗示范建筑都采用了較高的熱工性能。相較于北方寒冷地區(qū)和南方炎熱地區(qū)，夏熱冬冷地區(qū)建筑一直面臨冬夏矛盾的需求；同時(shí)，長期保留的空調(diào)系統(tǒng)間歇性運(yùn)行特征，也為該地區(qū)超低能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的確定帶來了困難。現(xiàn)有研究中，一般僅將圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能與建筑負(fù)荷或者能耗簡單關(guān)聯(lián)，研究負(fù)荷或者能耗最低的前提下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)的合理范圍。但是，由于系統(tǒng)間歇運(yùn)行特征，室內(nèi)空調(diào)熱擾規(guī)模、建筑空間設(shè)計(jì)因素等參數(shù)必將影響建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱過程，進(jìn)而影響建筑負(fù)荷和能耗大小。本文將以此為研究對象，通過模擬實(shí)驗(yàn)方法，探索它們之間的關(guān)聯(lián)性及其對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能選擇的影響。

1 夏熱冬冷地區(qū)既有超低能耗建筑熱工性能分析

為分析現(xiàn)有超低能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能水平，本文調(diào)研收集了夏熱冬冷地區(qū)11個(gè)超低能耗示范建筑的主要熱工性能信息（表1）。目前，夏熱冬冷地區(qū)的示范建筑多集中于公共建筑，屋頂及外墻傳熱系數(shù)在0.1～0.3W/（m2K）之間，外窗傳熱系數(shù)在0.8～1.2W/（m2K）之間，外窗太陽得熱系數(shù)（SHGC）在0.3～0.5之間，氣密性等級多在n±50=0.2次/h左右。

基于上述調(diào)研結(jié)果，本文以上海辦公建筑為對象，建立建筑模型，通過正交實(shí)驗(yàn)方法，探索室內(nèi)熱擾和建筑幾何尺寸對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能最優(yōu)解的影響。

2 模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型參數(shù)的確定

2.1.1 建筑空間設(shè)計(jì)因素

建筑空間設(shè)計(jì)因素包括建筑朝向、建筑布局形式、標(biāo)準(zhǔn)層面積、長寬比、層高等。本文調(diào)研了夏熱冬冷地區(qū)46棟獲得綠色建筑評級的多層辦公建筑，結(jié)果顯示：建筑朝向多為南向，建筑布局形式多為內(nèi)廊式，標(biāo)準(zhǔn)層面積、長寬比、層高3個(gè)因素的取值則有一定的差異。因此，本文選擇這3個(gè)因素分析建筑空間設(shè)計(jì)的影響，并基于調(diào)研結(jié)果，總結(jié)這3個(gè)因素的域值。其中，標(biāo)準(zhǔn)層面積集中在600～2 400m2之間，建筑層高在3.9～4.8m，建筑平面多為矩形，長寬比在1：1～4：1之間。其建筑模型如圖1所示，研究中各因素定量化取值結(jié)果見表2。

2.1.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)包括窗墻比、外墻傳熱系數(shù)、外窗傳熱系數(shù)、屋頂傳熱系數(shù)、氣密性、外窗太陽得熱系數(shù)（SHGC）。本文對這幾類因素的取值依據(jù)為：上限值取我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定值[4]，下限值取調(diào)研所得夏熱冬冷地區(qū)超低能耗示范建筑的現(xiàn)行值。以氣密性取值為例，目前我國對于超低能耗建筑的氣密性推薦指標(biāo)為n±50≤ 0.6次 /h[5]，夏熱冬冷地區(qū)已建超低能耗建筑氣密性可達(dá)到0.2次/h，因此氣密性的取值范圍為0.2～0.6次/h。

2.1.3 其它參數(shù)

本文氣象數(shù)據(jù)均取自文獻(xiàn)[6]。采用EnergyPlus 軟件作為負(fù)荷模擬工具，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度分別為冬季20℃、夏季26℃。為簡化分析建筑室內(nèi)熱擾對負(fù)荷的影響，統(tǒng)稱室內(nèi)各種負(fù)荷熱擾為“室內(nèi)發(fā)熱量”，取值范圍為0～30W/m2。

2.2 模擬工況的確定

本文的研究內(nèi)容分為兩部分：第一步對建筑空間設(shè)計(jì)因素進(jìn)行模擬，分析不同空間設(shè)計(jì)因素對建筑負(fù)荷的影響；第二步是在第一步工作的基礎(chǔ)上，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。因圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)因素較多，采用窮舉法的工作量非常巨大，實(shí)現(xiàn)難度較高，且本文目的是為了尋求較優(yōu)工況指導(dǎo)超低能耗建筑設(shè)計(jì)，因此采用正交試驗(yàn)法對圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)進(jìn)行分析。

2.2.1 窮舉法模擬建筑幾何尺寸

對3個(gè)建筑空間設(shè)計(jì)因素（長寬比、標(biāo)準(zhǔn)層面積和層高）各選取4個(gè)水平，進(jìn)行窮舉法分析，共計(jì)64個(gè)工況。在對空間設(shè)計(jì)因素進(jìn)行模擬分析時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱的工參數(shù)參考夏熱冬冷地區(qū)現(xiàn)存超低能耗建筑進(jìn)行取值，四個(gè)朝向的窗墻比皆取0.3，外墻傳熱系數(shù)為0.2W/（m2K），外窗傳熱系數(shù)為1.0W/（m2K），屋頂傳熱系數(shù)為0.2W/（m2K），氣密性取n±50=0.6次/h，且室內(nèi)暫不考慮熱源，即室內(nèi)發(fā)熱量為0W/m2。

表1 夏熱冬冷地區(qū)部分超低能耗示范建筑信息

2.2.2 正交試驗(yàn)法分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)最優(yōu)解

正交試驗(yàn)法是研究多因素多水平的一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備了“均勻分散、齊整可比”的特點(diǎn)。正交試驗(yàn)是分析因式設(shè)計(jì)的主要方法，是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[7]。本文需要考慮與圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的9個(gè)因素對建筑負(fù)荷的影響，若進(jìn)行全面模擬，則需進(jìn)行49次模擬，工作量巨大；而采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，則可大大減少模擬次數(shù)，同時(shí)也可得到合理正確的結(jié)論。本次模擬只考慮9個(gè)因素對各基礎(chǔ)建筑負(fù)荷的影響，不考慮因素間的交互作用，試驗(yàn)的因素和水平的選取如表4所示。選用 L32（49）正交表（表5），對于每一類基準(zhǔn)建筑只需設(shè)置32次模擬工況即可得出結(jié)論。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 建筑幾何參數(shù)對負(fù)荷的影響

正如前文假定，本部分分析中，暫不考慮室內(nèi)熱擾的影響。

由圖2可知，隨著標(biāo)準(zhǔn)層面積的增加，單位面積供暖空調(diào)負(fù)荷呈現(xiàn)大幅度降低。①當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)層面積增加至2 400m2時(shí)，與標(biāo)準(zhǔn)層面積為600m2時(shí)對比可得，供暖空調(diào)負(fù)荷降低率達(dá)到31%～33%；②當(dāng)建筑層高增加時(shí)，全年供暖空調(diào)負(fù)荷也在逐漸降低，當(dāng)層高從3.9m增加至4.8m時(shí)，供暖空調(diào)負(fù)荷降低率在23%～25%之間；③當(dāng)建筑長寬比增加時(shí)，供暖空調(diào)負(fù)荷呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，當(dāng)長寬比從1：1增加至4：1時(shí)，空調(diào)負(fù)荷增加率在4%～8%之間。按建筑空間設(shè)計(jì)因素對建筑供暖空調(diào)負(fù)荷影響程度進(jìn)行排序可得：標(biāo)準(zhǔn)層面積＞層高＞長寬比。

圖1 內(nèi)廊式辦公建筑

表2 建筑空間設(shè)計(jì)因素的取值

表3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的取值

表4 模擬工況因素和水平的選取

圖2 單位建筑面積空調(diào)負(fù)荷

根據(jù)模擬結(jié)果，相比其它兩因素，長寬比對于負(fù)荷影響程度較??；標(biāo)準(zhǔn)層面積是決定負(fù)荷水平的最關(guān)鍵因素；而對于每一種標(biāo)準(zhǔn)層面積，層高是決定其負(fù)荷強(qiáng)度的因素。

表5 正交試驗(yàn)法分析單位面積供暖空調(diào)負(fù)荷（室內(nèi)發(fā)熱量為0W/m2）

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)的影響

根據(jù)相關(guān)的研究結(jié)論，室內(nèi)熱源是影響建筑負(fù)荷的最顯著因素[8、9]。根據(jù)工程實(shí)際，本文兩個(gè)基礎(chǔ)建筑的室內(nèi)發(fā)熱量從0～30W/m2范圍內(nèi)取4個(gè)定量值，分別是0W/m2、10W/m2、20W/m2、30W/m2， 并對每一種室內(nèi)發(fā)熱量值按正交試驗(yàn)法進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析（表5～8）。

由表7和表8可知，對于全年供暖空調(diào)負(fù)荷，主要影響因素是氣密性和外窗太陽得熱系數(shù)（SHGC）。氣密性對建筑負(fù)荷的影響隨著室內(nèi)發(fā)熱量的增加呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，外窗太陽得熱系數(shù)（SHGC）則隨著室內(nèi)發(fā)熱量的增加呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。這是因?yàn)殡S著室內(nèi)發(fā)熱量的增加，因室內(nèi)熱源對冬季熱負(fù)荷的正作用及對夏季冷負(fù)荷的負(fù)作用，建筑冬季熱負(fù)荷所占全年負(fù)荷的比例逐漸降低，而滲透風(fēng)主要影響的是冬季熱負(fù)荷，因此，氣密性對全年負(fù)荷變化的作用效果逐漸降低。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)層面積增加時(shí)，氣密性對建筑負(fù)荷的影響作用亦在逐漸增加，當(dāng)建筑標(biāo)準(zhǔn)層面積為2 400m2時(shí)，無論在何種室內(nèi)熱源水平下，氣密性的影響作用已大于外窗太陽得熱系數(shù)的作用。

計(jì)算各因素在各水平下的綜合平均值（表5），判斷各因素水平變化對建筑負(fù)荷的影響趨勢，從而得出在不同工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案（表9）。在不同標(biāo)準(zhǔn)層面積和不同室內(nèi)發(fā)熱量水平下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)組合方案有所不同，各參數(shù)的取值并非越低越好。因此，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)嚴(yán)格建筑氣密性指標(biāo)，其余參數(shù)的取值應(yīng)結(jié)合建筑面積及室內(nèi)發(fā)熱量的取值進(jìn)行考慮。

4 結(jié)論

經(jīng)綜合分析建筑空間設(shè)計(jì)因素和圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)對建筑負(fù)荷的影響，我們得出以下結(jié)論：在不同的建筑空間設(shè)計(jì)因素、不同的室內(nèi)發(fā)熱量的條件下，節(jié)能優(yōu)化的重點(diǎn)因素不同，圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值并非越低越好。

（1）建筑空間設(shè)計(jì)因素特別是標(biāo)準(zhǔn)層面積、層高及建筑長寬比對超低能耗建筑的負(fù)荷有著不可忽視的影響。

（2）在系統(tǒng)間歇性運(yùn)行前提下，建筑氣密性和外窗SHGC是影響上海地區(qū)超低能耗建筑空調(diào)采暖負(fù)荷的關(guān)鍵因素；建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工參數(shù)設(shè)定應(yīng)該考慮建筑規(guī)模與室內(nèi)熱擾強(qiáng)度大小。

（3）本文的研究成果可以在建筑設(shè)計(jì)中找到圍護(hù)結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)節(jié)能方案，為夏熱冬冷地區(qū)超低能耗建筑的發(fā)展提供基礎(chǔ)。

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果的方差分析

表7 各因素對負(fù)荷變化的貢獻(xiàn)率（標(biāo)準(zhǔn)層面積600m2，層高4.5m，長寬比4:1）

表8 各因素對負(fù)荷變化的貢獻(xiàn)率（標(biāo)準(zhǔn)層面積2 400m2，層高4.5m，長寬比1:1）

表9 不同工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)最優(yōu)組合方案