民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方法介紹

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隨著經(jīng)濟(jì)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(dá)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(dá)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(wù)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(shí)施的《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]（以下簡稱《居住建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》）要求住宅建筑在設(shè)計(jì)階段必須考慮節(jié)能措施，并實(shí)現(xiàn)全年采暖空調(diào)節(jié)能50%的目標(biāo)；于2005年頒布實(shí)施的《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[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(yīng)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(yùn)行屬于個(gè)人行為，因此《居住建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》主要對建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能提出設(shè)計(jì)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(hù)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(shè)備實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能外，采用先進(jìn)的自控策略也很重要。據(jù)有關(guān)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(fēng)空調(diào)系統(tǒng)可節(jié)能10%。另外，一個(gè)可靠、精確、具有智能化的計(jì)算機(jī)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(fù)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(yùn)行在最節(jié)能工況下，提高空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的[5]。因此，《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》提出建筑設(shè)計(jì)應(yīng)考慮必要的監(jiān)測與控制技術(shù)。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(biāo)準(zhǔn)要求對其外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步的節(jié)能設(shè)計(jì)，希望對建筑設(shè)計(jì)師能有所借鑒。

　　1 節(jié)能設(shè)計(jì)方法

　　1.1 居住建筑

　　根據(jù)《居住建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》，如果設(shè)計(jì)建筑的相關(guān)參數(shù)全部滿足標(biāo)準(zhǔn)硬性規(guī)定指標(biāo)，該建筑即為節(jié)能建筑?？紤]到設(shè)計(jì)建筑不可能完全滿足，因此同時(shí)提供了節(jié)能綜合指標(biāo)限值法（如上海地區(qū)為55.1kWh/㎡），但實(shí)踐效果顯示，采用該值進(jìn)行節(jié)能建筑評定存在局限性。為使節(jié)能設(shè)計(jì)更為合理，本文參考其他節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)[6，7] ，采用“權(quán)衡判斷法”進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)。

　　權(quán)衡判斷法是將設(shè)計(jì)建筑與相對應(yīng)參照建筑的年采暖空調(diào)能耗進(jìn)行比對，如果設(shè)計(jì)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(gè)假想建筑，其大小、形狀與設(shè)計(jì)建筑完全一致，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能根據(jù)《居住建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定性指標(biāo)進(jìn)行設(shè)定，因此參照建筑可作為節(jié)能建筑的評價(jià)基準(zhǔn)。

　　1.2 辦公建筑

　　與《居住建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》類似，《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能提出采用權(quán)衡判斷法進(jìn)行評判，即當(dāng)設(shè)計(jì)建筑物的窗墻比、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能等參數(shù)無法全部滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定性指標(biāo)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)提出可通過調(diào)整相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)并計(jì)算能耗，最終使設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)也采用權(quán)衡判斷法進(jìn)行。

　　2 節(jié)能設(shè)計(jì)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(fēng)狀況所決定的。為實(shí)現(xiàn)高舒適度或其他要求的建筑環(huán)境，系統(tǒng)運(yùn)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(gè)復(fù)雜過程，很難通過經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)確定，只能借助計(jì)算機(jī)模擬方法，才能有效地預(yù)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(shè)計(jì)的有效性，本文采用清華大學(xué)開發(fā)的建筑熱環(huán)境設(shè)計(jì)分析軟件DeST進(jìn)行模擬。與其他模擬軟件相比，DeST軟件可通過采用與設(shè)計(jì)過程相結(jié)合的求解過程，對已知部分采用詳細(xì)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(yīng)的模擬分析手段，同時(shí)將體現(xiàn)各階段之間關(guān)系的模塊集成為一個(gè)整體，使用戶可在處理問題的各個(gè)階段進(jìn)行詳細(xì)模擬計(jì)算與設(shè)計(jì)校核。當(dāng)建筑設(shè)計(jì)確定后，還可通過模擬分析對提供的設(shè)計(jì)方案進(jìn)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(shí)際問題的有力工具[8]。

　　3 節(jié)能設(shè)計(jì)實(shí)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

　　根據(jù)節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，該建筑對應(yīng)的參照建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)熱工性能如表1所示，能耗模擬計(jì)算模型如圖1所示。

　　計(jì)算結(jié)果顯示，標(biāo)準(zhǔn)工況下參照建筑全年采暖空調(diào)能耗為41.6kWh/㎡，而當(dāng)設(shè)計(jì)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(shí)，其建筑能耗低于參照建筑能耗，達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　通過計(jì)算與設(shè)計(jì)，該建筑圍護(hù)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(shè)計(jì)實(shí)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(jì)算條件

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

　　4.3 節(jié)能方案設(shè)計(jì)

　　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(jìn)行了動態(tài)模擬計(jì)算，模型如圖2所示。計(jì)算結(jié)果顯示，在相同計(jì)算條件下，參照建筑全年采暖空調(diào)能耗為0.59GJ/㎡.而當(dāng)設(shè)計(jì)建筑外墻、屋面和外窗傳熱系數(shù)分別達(dá)到0.8W/㎡·K、0.5W/㎡·K和2.5W/㎡·K，外窗遮陽系數(shù)達(dá)到0.6時(shí)，可滿足公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

　　根據(jù)以上結(jié)果與熱工計(jì)算，該建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能構(gòu)造設(shè)計(jì)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(jì)算與權(quán)衡判斷法，可對民用建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步節(jié)能設(shè)計(jì)，若考慮經(jīng)濟(jì)性等其它因素，還可在此方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)行更深層次的方案細(xì)化與優(yōu)化，以得到較為滿意的節(jié)能設(shè)計(jì)。并在此基礎(chǔ)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(shí)現(xiàn)最終的節(jié)能目標(biāo)。