夏熱冬冷地區(qū)裝配式低能耗住宅能耗模擬及節(jié)能優(yōu)化研究①

王 興

(福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建 南平 353000)

0 引 言

近年來(lái),全社會(huì)中的能耗占比中建筑能耗占據(jù)的比重越來(lái)越高[1]。其中,公共建筑的能耗強(qiáng)度最大,特別是一些夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑,該類(lèi)建筑通常安裝了供暖降溫設(shè)備,其能耗強(qiáng)度也是遠(yuǎn)超其他地區(qū)[2]。雖然夏熱冬冷地區(qū)受地區(qū)限制,一年四季建筑的能耗巨大,但是利用率卻非常低[3]。有鑒于此,解決我國(guó)住宅建筑的高能耗和低能效的問(wèn)題,已經(jīng)成為了相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。由于住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料使用與建筑朝向等原因,以往由于技術(shù)材料上的限制,使得住宅建筑用能長(zhǎng)期處于一種粗放式管理狀態(tài)[4]。隨著科技的發(fā)展,裝配式低能耗技術(shù)材料逐漸開(kāi)始被廣泛應(yīng)用,有效的指導(dǎo)了建筑節(jié)能方向,并使資源利用率進(jìn)一步得到了提升[5]。因此,以裝配式低能耗結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)模型,進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化探究,旨在改善當(dāng)?shù)鼐用窬幼l件并為類(lèi)似的研究課題提供一定的參考。

1 裝配式低能耗住宅的能耗模擬與節(jié)能優(yōu)化研究方法

1.1 促進(jìn)裝配式節(jié)能優(yōu)化的研究方法與技術(shù)

分別以裝配式能耗模擬與節(jié)能優(yōu)化為主題各自展開(kāi)討論。建筑住宅的節(jié)能與多方面的因素有關(guān),研究主要討論外墻、窗以及門(mén)窗與墻體之間的連接對(duì)裝配式住宅節(jié)能的影響[6]。其中墻體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 預(yù)制空氣間層的保溫墻體設(shè)計(jì)圖

圖1中墻體內(nèi)部預(yù)制混凝土層厚度為60mm,墻體外部預(yù)制混凝土層厚度則為180mm。這樣設(shè)計(jì)是為了保證外部墻體比內(nèi)部墻體厚以預(yù)防保暖時(shí),暖氣流失[7-8]。而空氣間層厚度為40mm,帶孔塑料袋厚度為20mm。研究設(shè)計(jì)墻體線性傳導(dǎo)熱量的系數(shù)計(jì)算見(jiàn)式(1)。

(1)

式(1)中,Km表示住宅墻體傳熱系數(shù)的平均值,K表示住宅墻體主斷面對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù),ψj表示住宅墻體上第j個(gè)結(jié)構(gòu)性熱橋的線傳熱系數(shù),lj表示計(jì)算長(zhǎng)度,A代表每一個(gè)單位墻體所含面積[9]。研究擬設(shè)計(jì)外保溫窗簾,提升房屋居住的舒適度。窗簾設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖2 保溫窗簾盒設(shè)計(jì)圖

圖2中窗簾盒分為平板式與垂直式保溫設(shè)計(jì)。圖(a)是在窗臺(tái)板內(nèi)添加保溫板設(shè)計(jì),并利用條形袋裝條在保溫板層中組合成W形簾體,加入能夠通過(guò)加熱實(shí)現(xiàn)發(fā)泡的保溫材料。建造過(guò)程中在窗簾內(nèi)側(cè)進(jìn)行鋁薄膜的包扎設(shè)計(jì),加強(qiáng)室內(nèi)的保溫效果,防止暖氣的流失與熱的傳遞。圖(b)中在保溫卷簾盒中隱藏設(shè)計(jì)有升降器安裝在窗戶(hù)上頂,過(guò)程中需要對(duì)窗簾進(jìn)行升降時(shí),操作完成后不需要人工便可以自動(dòng)化的回位控制。設(shè)計(jì)中保溫窗簾通過(guò)使用棉布提高保溫系數(shù),可以保證室內(nèi)的溫度變化較小,以便實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。為了減小墻體與窗簾口連接處縫隙的存在而影響保溫效果,對(duì)二者的連接也進(jìn)行設(shè)計(jì),連接構(gòu)造見(jiàn)圖3。

圖3 輕質(zhì)蒸汽加壓板外墻體與窗口的連接構(gòu)造設(shè)計(jì)圖

在圖3中,采用輕質(zhì)蒸汽加壓混凝土修建外墻體,在外墻體上預(yù)留門(mén)與窗的卡槽孔,并將門(mén)窗的連接點(diǎn)與預(yù)留的門(mén)窗卡槽孔采用焊接進(jìn)行連接。使用不會(huì)因?yàn)槭軣岫紵募訜岚l(fā)泡劑填充其中的縫隙,所有加熱板與所有鋼結(jié)構(gòu)的材料梁柱的縫隙均為重點(diǎn),全部滿(mǎn)足密封、防火、防水以及裝配要求進(jìn)行建造。

1.2 低能耗住宅能耗模擬設(shè)計(jì)方法

對(duì)于裝配式低能耗建筑而言,建筑墻體是耗能最高的。對(duì)于裝配式低能耗住宅墻體整個(gè)生命周期的能耗情況計(jì)算方式見(jiàn)式(2)。

E=E1+E2+E3+E4+E5

(2)

式(2)中,E表示裝配式低能耗住宅墻體整個(gè)生命周期的總能耗,E1表示準(zhǔn)備建材時(shí)期,E2表示建造住宅時(shí)期,E3表示住宅使用時(shí)期,E4表示住宅拆除時(shí)期,E5則表示墻體報(bào)廢處理時(shí)期。利用revit軟件來(lái)建設(shè)合理的建筑信息模型,不僅可以使建模效率提高,還可以更好的掌控模擬的結(jié)果。研究首先對(duì)模型進(jìn)行不同精細(xì)度模型的劃分,并將所構(gòu)建模型進(jìn)行命名,分為A,B,C,D四種類(lèi)型。在體型系數(shù)方面而言,四種模型的體形系數(shù)與窗地比等特征相同,見(jiàn)表1。

表1 能耗模擬對(duì)應(yīng)模型的精細(xì)度的劃分表

由表1可知,4種模型的體型系數(shù)在差異中不同類(lèi)型按照順序遞進(jìn),A類(lèi)模型僅有外圍護(hù)結(jié)構(gòu),而B(niǎo)類(lèi),C類(lèi),D類(lèi)模型均在結(jié)錢(qián)模型基礎(chǔ)上分別添加了樓板、內(nèi)部隔墻以及功能區(qū)的設(shè)定。對(duì)應(yīng)的4種模型便有不同的功能,分別反映所有模型不同的建模進(jìn)度。A,B,C三種模型根據(jù)功能的不同來(lái)設(shè)置模型的能耗模擬,D模型則將房間進(jìn)行主次的劃分,加上溫度的設(shè)定。接著基于revit軟件建立相應(yīng)的部件參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù),也可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中直接選擇合適的應(yīng)用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)構(gòu)建參數(shù)的目的。住宅模型構(gòu)造參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 住宅模型構(gòu)造參數(shù)表

表2中,屋面、外墻、樓板、內(nèi)墻以及玻璃的構(gòu)造大多由鋼筋混凝體與黏土空心磚構(gòu)成。并且可以發(fā)現(xiàn)屋面的傳熱系數(shù)最差,僅為0.254,而玻璃的傳熱系數(shù)則最高,達(dá)到1.969。這是由于屋面處于住宅室內(nèi),日常住宅門(mén)窗關(guān)閉,并不與外界熱量有直接關(guān)聯(lián);而玻璃是住宅窗戶(hù)的主要組成部分,日常吸收太陽(yáng)熱量進(jìn)而傳遞熱量,系數(shù)較高。這時(shí)計(jì)算能耗模擬先得對(duì)住宅室內(nèi)每平方米熱氣發(fā)散的能量進(jìn)行計(jì)算,單位為W/m2,假設(shè)住宅白天使用狀態(tài)而夜晚無(wú)人,單位耗熱量見(jiàn)式(3)。

(3)

式(3)中,Qhm代表住宅熱力入口的總的供熱量;ti表示建筑采暖期住宅室內(nèi)的平均溫度,研究設(shè)定溫度為15℃;te表示建筑采暖期住宅室外的平均溫度,研究設(shè)定溫度為-10℃;tia表示建筑實(shí)測(cè)時(shí)住宅室內(nèi)的平均溫度;tie表示建筑實(shí)測(cè)時(shí)住宅室外的平均溫度;Ao表示采暖面積;Hr表示采暖持續(xù)時(shí)間。利用氣象觀測(cè)站,對(duì)住宅室外的溫度與濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)變化記錄;接著使用BES-G對(duì)住宅建筑外圍護(hù)價(jià)格傳熱能量與住宅表面內(nèi)外的溫度差進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控;住宅室內(nèi)的平均溫度與濕度的變化則使用BES-02進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)試;住宅總用電量使用則根據(jù)電流表的轉(zhuǎn)動(dòng)量進(jìn)行記錄;采暖能耗基于全部實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

2 裝配式住宅節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用驗(yàn)證

為節(jié)約土地,將住宅人均居住面積設(shè)置在90m2,使用裝配式低能耗鋼結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體為構(gòu)造原型,對(duì)住宅所有耗能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算并比較節(jié)能前后的電氣與燃?xì)庀膶?duì)比見(jiàn)圖4。

圖4 節(jié)能優(yōu)化前后能電氣與燃料消耗對(duì)比圖

圖4可以看出在節(jié)能前后,年度電氣終端消耗中燈的占比始終是最大的,其次便是夏季日常生活中所需要用的風(fēng)扇的使用消耗。與節(jié)能前相比風(fēng)扇的使用降低了0.3個(gè)百分比;在年度燃料的用途中,空間供暖的使用燃料率由81.50%降低至80.00%,整體降低了1.5個(gè)百分點(diǎn),以上結(jié)果均表明研究所提材料墻體的設(shè)計(jì)一定程度上對(duì)于節(jié)約能耗是有益的。對(duì)墻體優(yōu)化方案與原始?jí)w進(jìn)行能耗對(duì)比分析見(jiàn)圖5。

圖5 優(yōu)化后墻體方案與原墻體方案能耗對(duì)比分析

圖5中,優(yōu)化后墻體空間層的構(gòu)造與原始?jí)w相比在整個(gè)生命周期能源消耗方面有明顯的降低。將優(yōu)化后的墻體構(gòu)造中的設(shè)空氣間層的外保溫墻體構(gòu)造帶入revit模型,通過(guò)GBS軟件進(jìn)行能耗模擬分析得到以下數(shù)據(jù)。圖4通過(guò)原墻體構(gòu)造、墻體構(gòu)造以及節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)后的預(yù)制空氣間層的外保溫墻體分別進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)對(duì)比分析,得到最終最優(yōu)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 預(yù)制空氣間層保溫墻體能耗分析性能系數(shù)及結(jié)果

表3中住宅每年總能源使用強(qiáng)度為633MJ/m2,燃料能源使用強(qiáng)度則為4402429MJ,生命周期燃料消耗量表示為133110566kW,與前面得到的數(shù)據(jù)相比均有所減小。預(yù)制空氣層外保溫墻總節(jié)能效果逐漸被優(yōu)化。對(duì)建筑整年負(fù)荷進(jìn)行模擬計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 建筑隨溫度變化的能耗

由圖6可以看出,在溫度靠近零下5℃與溫度為35℃時(shí)有明顯密集的能耗出現(xiàn),溫度越增加,能耗越加大,普遍高于1500t/萬(wàn)kW·h。這是因?yàn)樵诙驹摰貐^(qū)最低溫度可達(dá)零下5℃以及高溫時(shí)常達(dá)到35℃,因此當(dāng)冬夏季這兩個(gè)溫度時(shí),建筑能耗最高是符合設(shè)計(jì)的。

3 結(jié) 語(yǔ)

建筑領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展要求建筑材料具有節(jié)能可持續(xù)利用的能力。因此對(duì)住宅節(jié)能優(yōu)化與能耗模擬進(jìn)行設(shè)計(jì);然后將方法應(yīng)用于能耗模擬的系統(tǒng)中得到節(jié)能前后數(shù)據(jù)對(duì)比。結(jié)果顯示節(jié)能后風(fēng)扇耗能占比下降0.3個(gè)百分比;而年度空間供暖的使用燃料率由81.50%降低至80.00%,整體降低了1.5個(gè)百分點(diǎn)。并且預(yù)制空間層保溫墻體能耗分析中,燃料能源使用強(qiáng)度為4402429MJ,生命周期燃料消耗量為133110566kW,與原墻體耗能相比有顯著降低效果。在節(jié)能應(yīng)用后,建筑隨著溫度的增加能耗也逐漸增加,但總體上來(lái)說(shuō),不會(huì)超過(guò)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)值。