民用建筑節(jié)能設計方法介紹

申請免費試用、咨詢電話：400-8352-114

隨著經(jīng)濟發(fā)展與人民生活水平提高，建筑能耗在國家總能耗中已占據(jù)越來越重要的地位。目前發(fā)達國家建筑使用能耗（采暖、空調(diào)、照明、炊事、家電、電梯等）約占社會總能耗的25%～30%[1]，我國建筑總能耗占社會終端能耗的比例也已達到20.7%[2]，且隨著生活質(zhì)量的改善還將呈增長態(tài)勢，因此降低建筑能耗是節(jié)能工作中最重要的任務之一。

　　為提高建筑室內(nèi)熱舒適環(huán)境，減少建筑能源消耗，我國于2001年頒布實施的《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》[3]（以下簡稱《居住建筑節(jié)能標準》）要求住宅建筑在設計階段必須考慮節(jié)能措施，并實現(xiàn)全年采暖空調(diào)節(jié)能50%的目標；于2005年頒布實施的《公共建筑節(jié)能設計標準》[4]則要求在保證相同室內(nèi)環(huán)境條件下，與未采取節(jié)能措施相比，全年空調(diào)采暖和照明總能耗應降低50%.由于地處夏熱冬冷地區(qū)的居住建筑通常采用分體式空調(diào)器，其選型與運行屬于個人行為，因此《居住建筑節(jié)能標準》主要對建筑物圍護結(jié)構(gòu)熱工性能提出設計要求。

　　而對于采用集中空調(diào)系統(tǒng)的公共建筑，除了提高建筑物圍護結(jié)構(gòu)熱工性能和采用節(jié)能型采暖空調(diào)系統(tǒng)與照明設備實現(xiàn)有效節(jié)能外，采用先進的自控策略也很重要。據(jù)有關資料表明，國外在高層辦公建筑中利用空氣質(zhì)量傳感器控制衛(wèi)生間、走廊等公共區(qū)域的通風空調(diào)系統(tǒng)可節(jié)能10%。另外，一個可靠、精確、具有智能化的計算機監(jiān)測與控制系統(tǒng)可依據(jù)室外氣象條件與室內(nèi)熱濕負荷，在滿足使用要求的前提下，確定最佳節(jié)能溫、濕度控制方案和最節(jié)能的空氣處理過程，使空調(diào)系統(tǒng)自動運行在最節(jié)能工況下，提高空調(diào)系統(tǒng)的運行效率，從而實現(xiàn)節(jié)能目的[5]。因此，《公共建筑節(jié)能設計標準》提出建筑設計應考慮必要的監(jiān)測與控制技術。本文主要通過兩類典型建筑（住宅建筑和辦公建筑），結(jié)合標準要求對其外圍護結(jié)構(gòu)進行了初步的節(jié)能設計，希望對建筑設計師能有所借鑒。

　　1 節(jié)能設計方法

　　1.1 居住建筑

　　根據(jù)《居住建筑節(jié)能標準》，如果設計建筑的相關參數(shù)全部滿足標準硬性規(guī)定指標，該建筑即為節(jié)能建筑。考慮到設計建筑不可能完全滿足，因此同時提供了節(jié)能綜合指標限值法（如上海地區(qū)為55.1kWh/㎡），但實踐效果顯示，采用該值進行節(jié)能建筑評定存在局限性。為使節(jié)能設計更為合理，本文參考其他節(jié)能標準[6，7] ，采用“權衡判斷法”進行節(jié)能設計。

　　權衡判斷法是將設計建筑與相對應參照建筑的年采暖空調(diào)能耗進行比對，如果設計建筑能耗不超過參照建筑能耗，可評為節(jié)能建筑。參照建筑是一個假想建筑，其大小、形狀與設計建筑完全一致，圍護結(jié)構(gòu)熱工性能根據(jù)《居住建筑節(jié)能標準》中的規(guī)定性指標進行設定，因此參照建筑可作為節(jié)能建筑的評價基準。

　　1.2 辦公建筑

　　與《居住建筑節(jié)能標準》類似，《公共建筑節(jié)能設計標準》對圍護結(jié)構(gòu)熱工性能提出采用權衡判斷法進行評判，即當設計建筑物的窗墻比、圍護結(jié)構(gòu)熱工性能等參數(shù)無法全部滿足節(jié)能標準中的規(guī)定性指標時，標準提出可通過調(diào)整相關設計參數(shù)并計算能耗，最終使設計建筑全年采暖空調(diào)能耗不大于參照建筑的能耗。因此，本文中辦公建筑的節(jié)能設計也采用權衡判斷法進行。

　　2 節(jié)能設計軟件

　　建筑能耗是由室外氣候條件、室內(nèi)各種熱源的發(fā)熱狀況以及室內(nèi)外通風狀況所決定的。為實現(xiàn)高舒適度或其他要求的建筑環(huán)境，系統(tǒng)運行狀況必須隨建筑環(huán)境狀況的變化而不斷調(diào)節(jié)。由于建筑能源使用是由眾多因素所決定的一個復雜過程，很難通過經(jīng)驗或?qū)嶒灤_定，只能借助計算機模擬方法，才能有效地預測提供建筑物全年良好環(huán)境控制所需要的能耗。

　　為提高節(jié)能設計的有效性，本文采用清華大學開發(fā)的建筑熱環(huán)境設計分析軟件DeST進行模擬。與其他模擬軟件相比，DeST軟件可通過采用與設計過程相結(jié)合的求解過程，對已知部分采用詳細模型，而對未知部分采用“理想化”模型，使得在解決問題的不同階段可采用相應的模擬分析手段，同時將體現(xiàn)各階段之間關系的模塊集成為一個整體，使用戶可在處理問題的各個階段進行詳細模擬計算與設計校核。當建筑設計確定后，還可通過模擬分析對提供的設計方案進行優(yōu)化，因此DeST軟件是分析與解決建筑物能源利用系統(tǒng)實際問題的有力工具[8]。

　　3 節(jié)能設計實例1——住宅建筑

　　3.1 建筑概況

　　該建筑為條式建筑，混凝土短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系。建筑面積約6100㎡，南偏東15°，體形系數(shù)為0.32，窗墻比分別為：南0.40，北0.27，東0.01，西0.01.

　　3.2 建筑構(gòu)造

　　根據(jù)設計資料，外墻構(gòu)造為水泥砂漿20＋粘土多孔磚240＋混合砂漿20，并提出采用EPS外墻外保溫系統(tǒng)；屋面構(gòu)造為瓦片＋水泥砂漿20＋鋼筋混凝土120＋混合砂漿20，采用XPS倒置式屋面保溫系統(tǒng)；外窗采用中空玻璃＋塑鋼窗框形式。

　　3.3 節(jié)能方案設計

　　根據(jù)節(jié)能設計標準，該建筑對應的參照建筑圍護結(jié)構(gòu)相關熱工性能如表1所示，能耗模擬計算模型如圖1所示。

　　計算結(jié)果顯示，標準工況下參照建筑全年采暖空調(diào)能耗為41.6kWh/㎡，而當設計建筑外墻平均傳熱系數(shù)為1.0W/㎡·K，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.8W/㎡·K，外窗傳熱系數(shù)為3.0W/㎡·K時，其建筑能耗低于參照建筑能耗，達到節(jié)能標準要求。

　　通過計算與設計，該建筑圍護結(jié)構(gòu)采用的節(jié)能方案如下：外墻采用30mmEPS外墻外保溫系統(tǒng)，屋面采用35mmXPS倒置式保溫系統(tǒng)，外窗采用傳熱系數(shù)為2.8W/㎡·K的中空塑鋼窗。

　　4 節(jié)能設計實例2——辦公建筑

　　4.1 建筑概況

　　該建筑為條式幕墻建筑。其建筑面積約17200㎡，窗墻比分別為：南0.61，北0.46，東0.70，西0.66，天窗0.1.

　　4.2 計算條件

　　與居住建筑相比，辦公建筑能耗計算相對要復雜的多。根據(jù)設計資料，該建筑具體設計參數(shù)如表2所示，表3為空調(diào)系統(tǒng)運行方式，表4為人員逐時在室率，表5為照明使用率，表6為其它用電設備使用情況。

　　4.3 節(jié)能方案設計

　　本文根據(jù)表7中的熱工參數(shù)，采用DeST軟件對參照建筑全年采暖空調(diào)能耗進行了動態(tài)模擬計算，模型如圖2所示。計算結(jié)果顯示，在相同計算條件下，參照建筑全年采暖空調(diào)能耗為0.59GJ/㎡.而當設計建筑外墻、屋面和外窗傳熱系數(shù)分別達到0.8W/㎡·K、0.5W/㎡·K和2.5W/㎡·K，外窗遮陽系數(shù)達到0.6時，可滿足公共建筑節(jié)能設計標準。

　　根據(jù)以上結(jié)果與熱工計算，該建筑圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能構(gòu)造設計如下：外墻采用XPS25＋20空氣層外掛石材外墻外保溫系統(tǒng)；幕墻采用Low-E中空玻璃+斷熱鋁合金窗框；屋面采用XPS25倒置式保溫方式；天窗采用Low-E中空玻璃＋斷熱鋁合金窗框。

　　5 結(jié)論

　　結(jié)果表明，采用動態(tài)計算與權衡判斷法，可對民用建筑圍護結(jié)構(gòu)進行初步節(jié)能設計，若考慮經(jīng)濟性等其它因素，還可在此方案的基礎上，進行更深層次的方案細化與優(yōu)化，以得到較為滿意的節(jié)能設計。并在此基礎上，通過采用高性能的采暖與空調(diào)系統(tǒng)，并配置有效的建筑環(huán)境智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)最終的節(jié)能目標。