某公共建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)建筑負(fù)荷的影響研究

貢 達(dá)，朱華德，黃 澎（鎮(zhèn)江綠建工程咨詢有限公司， 江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人民生活水平的提高，能源與環(huán)境矛盾日益加重。目前全國(guó)建筑全壽命周期能耗總量約 21.47 億 tce，占全國(guó)能源消費(fèi)總量的 46.5%，建筑運(yùn)營(yíng)階段消耗能源約 10 億 tce，占全國(guó)能源消費(fèi)總量 21.7%。因此降低建筑能源消耗能夠有效緩解國(guó)內(nèi)能源緊缺、改善人民環(huán)境促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。為了降低建筑能源消耗，可以通過對(duì)建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能保溫做法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少建筑負(fù)荷。同時(shí)國(guó)家層面也大力推進(jìn)發(fā)展綠色建筑、近零能耗建筑，切實(shí)降低建筑能耗，提高人民生活環(huán)境。

GB T 50378—2019《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》于 2019 年 8月 1 號(hào)開始實(shí)施。新標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)于 2014 版標(biāo)準(zhǔn)要求有較大幅度的提高，其中將圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的提高比例或建筑負(fù)荷降低比例納入了星級(jí)評(píng)價(jià)的前置條件。要求一星、二星、三星級(jí)綠色建筑項(xiàng)目外墻、屋面的傳熱系數(shù)及外窗的傳熱系數(shù)和太陽(yáng)得熱系數(shù)（公共建筑）比國(guó)標(biāo)提高比例分別達(dá)到 5%、10%、20%，或建筑負(fù)荷降低比例分別達(dá)到 5%、10%、15%。由于 GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能要求較高，在常規(guī)設(shè)計(jì)中普遍達(dá)不到外墻、屋面、外窗的熱工性能同時(shí)比國(guó)標(biāo)提高 5% 以上。由于建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)建筑運(yùn)營(yíng)期的能耗也起到重要作用，因此本文著重研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)與建筑負(fù)荷的關(guān)系以及各外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)變化對(duì)建筑負(fù)荷的影響。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于江蘇省鎮(zhèn)江市，為學(xué)校的教學(xué)樓。項(xiàng)目體型系數(shù) 0.28，地上建筑面積為 15 831.31 m2，窗墻比東向0.08、西向 0.09、南向 0.24、北向 0.32。屋面采用 70 mm擠塑聚苯板，傳熱系數(shù)為 0.46 W/(m2·K)；外墻采用 55 mm石墨復(fù)合保溫板，傳熱系數(shù)為 0.7 W/(m2·K)；外窗傳熱系數(shù)為 2.5 W/(m2·K)，太陽(yáng)得熱系數(shù)為 0.44。本文采用 PKPM軟件對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行建模，并進(jìn)行建筑負(fù)荷模擬。

2 模擬參數(shù)設(shè)置

項(xiàng)目模擬時(shí)設(shè)計(jì)建筑與參照建筑對(duì)比，獲得設(shè)計(jì)建筑負(fù)荷相對(duì)參照建筑負(fù)荷降低的比例。參照建筑的形狀、大小、朝向、窗墻面積比和使用功能與設(shè)計(jì)建筑完全一致，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)也滿足相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)建筑與參照建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)及提高幅度具體如表1 所示。由表1 可以看出項(xiàng)目外墻、屋面的傳熱系數(shù)與外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)相對(duì)參照建筑提高的幅度都＞5%，但是由于北向外窗的傳熱系數(shù)及外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)提高幅度＜5%，因此本項(xiàng)目無法滿足綠建新標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的要求。針對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體提高幅度較大，但有部分外圍護(hù)結(jié)構(gòu)提高幅度不滿足要求時(shí)，可采用 PKPM 軟件對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行負(fù)荷模擬，針對(duì)建筑整體建筑負(fù)荷進(jìn)行判斷。PKPM 建筑負(fù)荷模擬時(shí)建筑負(fù)荷僅考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身不同的熱工性能對(duì)其影響，并不考慮室內(nèi)暖通設(shè)備及其他。

表1 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)提高幅度

3 建筑負(fù)荷分析

設(shè)計(jì)建筑各構(gòu)件負(fù)荷比例以及各構(gòu)件負(fù)荷分布圖如圖1 、圖2 所示。由圖1、圖2 可知，影響建筑負(fù)荷的因素主要有外墻、屋面、外窗、內(nèi)圍護(hù)以及地面。其中外墻對(duì)建筑負(fù)荷的影響最大，為 279.650 MWh，占比 39.56%；其次為外窗 199.795 MWh，占比 28.26%；屋面 85.065 MWh占 12.03%；內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu) 96.955 MWh，占 13.71%；地面45.455 MWh，占 6.43%。

圖1 設(shè)計(jì)建筑各構(gòu)件負(fù)荷比例

圖2 設(shè)計(jì)建筑各構(gòu)件負(fù)荷分布圖

教學(xué)樓項(xiàng)目外墻面積為 10 983.06 m2，外窗面積為3 040.43 m2，屋面建筑面積為 3 881.98 m2。外墻單位面積負(fù)荷 25.46 kW/m2，外窗單位面積負(fù)荷 65.71 kW/m2，屋面單位面積負(fù)荷 21.91 kW/m2。外墻的總負(fù)荷最大，為 279.65 MWh。外窗的單位面積負(fù)荷最大，外窗面積是外墻面積的27.68%，但負(fù)荷占比是外墻的 71.44%，單位面積負(fù)荷是外墻的 2.58 倍。外窗的單位負(fù)荷要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外墻單位面積負(fù)荷，如果建筑的窗墻比變大，外窗對(duì)負(fù)荷的影響會(huì)更加明顯，因此針對(duì)窗墻比較大的建筑，外窗的優(yōu)化設(shè)計(jì)會(huì)比外墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)更加重要。屋面的面積為外墻面積的 35.35%，屋面負(fù)荷占比為外墻負(fù)荷的 30.21%，同時(shí)兩者單位面積負(fù)荷也相近，可以看出屋面與外墻的負(fù)荷與面積呈正相關(guān)，且影響相近。

設(shè)計(jì)建筑全年負(fù)荷 706.90 MWh，參照建筑全年負(fù)荷 772.87 MWh，單位面積負(fù)荷分別為 44.65 kWh/m2、48.82 kWh/m2，建筑負(fù)荷降低比例為 8.54%。根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的對(duì)比，提升幅度＜5%，達(dá)不到一星級(jí)綠色建筑的要求，而根據(jù)全年建筑負(fù)荷計(jì)算，建筑負(fù)荷降低幅度已達(dá)到 5%，可以滿足一星級(jí)綠建建筑的要求。因此對(duì)于部分外圍護(hù)結(jié)構(gòu)提高幅度較高，而部分部位不滿足時(shí)可采用全年負(fù)荷降低幅度來進(jìn)行權(quán)衡。

4 各外圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)建筑全年負(fù)荷的影響

本文通過改變外墻、屋面、外窗傳熱系數(shù)及外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)，采用 PKPM 軟件模擬設(shè)計(jì)建筑相對(duì)參照建筑的建筑負(fù)荷降低比例，整個(gè)研究過程中參照建筑的熱工參數(shù)及建筑負(fù)荷保持不變。外墻、屋面通過改變其保溫層厚度從而改變其傳熱系數(shù)，同時(shí)在模擬時(shí)，每次只改變單一外圍護(hù)參數(shù)，其他外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)保持不變。

4.1 外墻傳熱系數(shù)對(duì)建筑負(fù)荷的影響

外墻傳熱系數(shù)隨保溫層厚度的變化如圖3 所示，由圖3可知，隨著保溫層厚度的增加，傳熱系數(shù)逐漸下降且下降幅度不斷變小。保溫層厚度從 35 mm 到 40 mm，傳熱系數(shù)從0.92 W/(m2·K)下降到 0.86 W/(m2·K)，下降 0.06 W/(m2·K)。而從 60 mm 到 65 mm，傳熱系數(shù)下降 0.03 W/(m2·K)，降低幅度減少 50%。因此可以知隨著保溫層厚度的增加，對(duì)傳熱系數(shù)的影響也在逐漸減少。

圖3 外墻傳熱系數(shù)

外墻傳熱系數(shù)與建筑負(fù)荷的影響如圖4 所示。屋面保溫層根據(jù)常規(guī)設(shè)計(jì)厚度分別選用 60 mm、70 mm、80 mm，外窗傳熱系數(shù) 2.5 W/(m2·K)，太陽(yáng)得熱系數(shù) 0.44 時(shí)，設(shè)計(jì)建筑比參造建筑建筑負(fù)荷降低比例與外墻保溫材料厚度的關(guān)系。從圖中可以看出隨著保溫層厚度的增加，降低比例都有所增加。當(dāng)屋面為 70 mm 時(shí)，隨著外墻保溫層從 35 mm 增加到 65 mm，負(fù)荷降低比例從 －5.21% 提高到 13.29%，增加 18.50 個(gè)百分點(diǎn)。當(dāng)屋面為 60 mm 與 80 mm 時(shí)，建筑負(fù)荷分別增加了 18.70 與 18.36 個(gè)百分點(diǎn)。同時(shí)從圖4 中也可以看出不同屋面保溫層厚度，三條負(fù)荷降低比例曲線變化趨勢(shì)完全一致，可以得出外墻傳熱系數(shù)對(duì)建筑負(fù)荷降低比例變化的影響與屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)無關(guān)。根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，屋面保溫層厚度為 70 mm 時(shí)，當(dāng)外墻保溫層厚度從 35 mm增加到 40 mm，幅度增長(zhǎng)最快，增長(zhǎng)幅度在 5.01 個(gè)百分比。其次是由 45 mm 增加到 50 mm，增長(zhǎng)了 3.83 個(gè)百分比。而由 60 mm 增加到 65 mm 時(shí)，增長(zhǎng)最少，為 1.58 個(gè)百分點(diǎn)。由于外墻保溫層厚度普遍在 30～45 mm，因此在同類型建筑外墻保溫層厚度在 35 mm 或 45 mm 時(shí)，可優(yōu)先考慮增加外墻保溫層厚度。

圖4 外墻傳熱系數(shù)與建筑負(fù)荷的影響

4.2 屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對(duì)建筑負(fù)荷的影響

屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨保溫層厚度的變化如圖5 所示。從圖5 中可以看出，隨著屋面保溫層厚度的增加，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨之下降。在 60 mm 增加到 65 mm 時(shí)屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)下降 0.04 W/(m2·K)，從 75 mm 到 80 mm 時(shí)傳熱系數(shù)下降0.02 W/(m2·K)。與外墻傳熱系數(shù)相似，也隨保溫層厚度的增加，對(duì)傳熱系數(shù)的影響逐漸變小。

圖5 屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對(duì)建筑負(fù)荷的影響如圖6 所示。由圖6 可知，外墻保溫層厚度為 45 mm、50 mm、55 mm，外窗傳熱系數(shù) 2.5 W/(m2·K)，太陽(yáng)得熱系數(shù) 0.44 時(shí)，設(shè)計(jì)建筑比參造建筑建筑負(fù)荷降低比例與屋面保溫層厚度的關(guān)系。從圖6 中可以看出當(dāng)外墻為 45 mm、50 mm、55 mm 時(shí)，隨著屋面保溫層厚度由 60 mm 增加到 85 mm，建筑負(fù)荷降低比例分別增加了 4.13、4.04 以及 4.01 個(gè)百分點(diǎn)。不同外墻傳熱系數(shù)下，建筑負(fù)荷降低比例變化曲線基本一致，即屋面保溫材料變化對(duì)建筑負(fù)荷的影響與外墻傳熱系數(shù)無關(guān)。當(dāng)外墻保溫材料厚度為 55 mm 時(shí)，屋面保溫材料從 60 mm 增加到 65 mm，建筑負(fù)荷降低比例增加最大，為 1.16 個(gè)百分比。從 75 mm 到 80 mm 時(shí)，建筑負(fù)荷降低比例增加最小，為 0.48 個(gè)百分比。

圖6 屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對(duì)建筑負(fù)荷的影響

4.3 外窗對(duì)建筑負(fù)荷的影響

外窗傳熱系數(shù)對(duì)建筑負(fù)荷的影響如圖7 所示，外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)對(duì)建筑負(fù)荷的影響如圖8 所示。圖7 中保持太陽(yáng)得熱系數(shù)為 0.44，即外墻、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)與參考建筑保持一致。當(dāng)外窗傳熱系數(shù)為 2.1 W/（m2·K）時(shí)，建筑負(fù)荷降低比例達(dá)到 4.12%，隨著傳熱系數(shù)每增加0.1 W/（m2·K），建筑負(fù)荷降低比例減少約 0.5 個(gè)百分點(diǎn)。當(dāng)公共建筑窗墻比較小時(shí)，節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于外窗的傳熱系數(shù)要求不高，因此當(dāng)外窗選用高性能窗戶時(shí)，即使其他外圍護(hù)結(jié)構(gòu)與節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)持平，也能明顯降低建筑負(fù)荷。圖8 中外窗傳熱系數(shù)保持為 2.5 W/（m2·K），當(dāng)太陽(yáng)得熱系數(shù)為 0.24時(shí)，建筑負(fù)荷降低比例為 4.69%，隨著太陽(yáng)得熱系數(shù)每增加0.05，建筑負(fù)荷降低比例減少 0.61～0.74 個(gè)百分點(diǎn)。其中太陽(yáng)得熱系數(shù)從 0.44 變?yōu)?0.49 時(shí)，建筑負(fù)荷降低比例減少最多，為 0.74 個(gè)百分點(diǎn)。從 0.29 變?yōu)?0.34 時(shí)，建筑負(fù)荷降低比例減少最少，為 0.61 個(gè)百分點(diǎn)?？梢钥闯鐾獯暗奶?yáng)得熱系數(shù)每變化 0.05 比外窗傳熱系數(shù)變化 0.1 W/（m2·K）對(duì)建筑負(fù)荷的影響還要大。

圖7 外窗傳熱系數(shù)對(duì)建筑負(fù)荷的影響

圖8 外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)對(duì)建筑負(fù)荷的影響

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過對(duì)鎮(zhèn)江某新建學(xué)校全年建筑負(fù)荷進(jìn)行建模分析，并通過改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)，分析各參數(shù)對(duì)建筑負(fù)荷的影響。結(jié)合對(duì)模型研究，總結(jié)以下內(nèi)容。

（1）對(duì)于有星級(jí)要求的綠色建筑在設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)部分熱工性能提高幅度不滿足要求且部分提高幅度較高時(shí)，可采用全年負(fù)荷降低比例來進(jìn)行權(quán)衡。

（2）外墻對(duì)建筑負(fù)荷的影響最大，為 279.65 MWh，占比 39.56%。外窗的單位面積負(fù)荷最大，為外墻的 2.58倍，屋面的 3 倍。

（3）建筑在節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注外窗的熱工性能。同時(shí)外窗的太陽(yáng)得熱系數(shù)對(duì)建筑負(fù)荷的影響也不容忽視。

（4）在圍護(hù)結(jié)構(gòu)各影響因素中，外墻保溫層厚度的變化對(duì)建筑負(fù)荷的影響最大，因此當(dāng)建筑負(fù)荷不滿足提高比例時(shí)可優(yōu)先對(duì)外墻保溫層厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)。