夏热冬冷地区办公建筑节能的数字分析和设计策略

摘要：通过研究夏热冬冷地区办公建筑围护结构各部件对建筑耗电量的影响，以计算机模拟得出的各项参数，分析了影响建筑节能指标的围护结构各部件，如墙体、窗户、玻璃、遮阳、屋顶以及空调和采暖设备等，详尽的分析了不同部件对建筑节能的影响，并提出该地区的建筑围护结构的设计策略。为夏热冬冷地区办公建筑的节能设计和既有办公建筑的节能改造提出数字化依据。

关键词：建筑节能夏热冬冷地区办公建筑 数字分析
Energy Saving Analysis and Design Strategies for Office Building in Hot Summer and Cold Winter Zone
ABSTRACT∕According to thepower consumption study and simulation results of difference parts for the office building in the summer-hot and winter-cold zone, this paper analyzes the energy saving effects of every part to the building, such as walls, windows, glasses, roof, HVAC and so on. Discuss the energy saving performance of building apart in detail. Some influenced parameters are reached and some directed tactics are given for building energy saving design and reconstruction in the summer-hot and winter-cold zone.

KEYWORDS∕Energy Saving，Summer-hot and winter-cold zone，Office building，Digital analysis

一、引 言
我国建筑节能的任务是：在保证使用功能、建筑质量和室内环境符合小康目标的前提下，采取各种有效的节能技术与管理措施，降低新建房屋单位建筑面积的能耗。同时，对既有的建筑物进行有计划的节能改造，达到提高使用的热舒适性、节约能源和改善环境的目的。
在夏热冬冷地区的建筑设计和既有建筑的节能改造工作中，对建筑节能和建筑性能的要求更为突出。当代信息技术与环境技术设备的发展使得对建筑性能进行参数化设计和数字化精确调控成为可能。在方案阶段对整个建筑的能源消耗和生态效应有一个准确的估算，最大限度减少不可再生能源的消耗，真正实现绿色建筑设计中的节能降耗指标，对建筑物的围护结构的设计进行优化，合理地安排并组织建筑与其他相关环境因素之间的联系，是夏热冬冷地区建筑节能设计和既有建筑改造设计的关键步骤。利用建筑的体型和对围护结构的选用或改造，是建筑节能最为关键的一步。在围护结构的设计上，进行节能设计或改造的数字化分析是本文的出发点。运用此手段，从而研究夏热冬冷地区建筑围护结构节能性能，提出在建筑设计或节能改造中可实施的节能设计策略。考虑到不同地区地理位置和气候条件的差异性，本文所研究的建筑围护结构节能，主要研究太阳辐射对建筑的影响，在文章结尾中，列出围护结构节能设计的基本结论，但各地区应根据具体地理位置和实际情况，修正其节能参数。
二、办公建筑模型以及数字计算条件

建筑概况：该办公建筑为地上8层的普通标准型板式建筑，结构为框架结构，总占地面积700．45 m2，建筑面积5617．00 m2，结构上采用240mm厚的承重墙和120mm厚的隔墙，外墙采用240mm厚的复合材料。

所处地理位置：武汉市，东经114°12′29″，北纬30°47′01″。

建筑的基本参数：窗墙比：0．213（北）；0．085（东）；0．379（南）；0．085（西）。建筑体形系数：0．226。

室外气象计算参数采用武汉典型年的气象报告，由武汉市气象局提供。

采暖和空调使用时，室内换气次数为1．0次/h。室内照明得热为每平方米每天4w，室内设备得热平均强度为6w/ m2。办公建筑的内部得热在冬季可以减小采暖负荷，在夏季则增大空调负荷。在计算时将内部得热分为照明和其它设备两类来考虑。

采暖和制冷设备系统为分体空调，均以电力为能源，制冷性能系数EER为2．7，采暖制热性能系数COP2．8，这主要是考虑普通空调器国家标准规定的最低能效比。由于夏热冬冷地区室内采暖、空调设备的配置实际上能够控制的主要是建筑围护结构，所以在计算中适当降低设备的额定能效比对建筑实际达到节能50％的目标是有利的。在计算中取空调的最低能效比，有利于突出建筑围护结构在建筑节能中的作用。办公室室内计算温度，冬季为18℃；夏季为26℃。没有按照公共建筑节能标准冬季20℃，夏季25℃的标准计算，是考虑到国家在倡导在夏季温度调高1度的建议。故按照居住建筑节能的温度做计算。这样做并不影响以下的结果，因为都是采用相对值的百分比来陈述结果。本例采用空调和采暖耗电量作为评价指标。作为一个普通办公楼建筑，白天工作，晚上休息。房间内的设备的使用周期与办公时间相同。办公室具体的使用周期如下：

周一至周五工作，周六、周日以及节假日休息，工作时间为每天上午8：00－下午6：00，照明设备、空调设备和其他设备的运行时间也一样。

在决定这些热工数据时，考虑了满足冬、夏两季的要求。墙体采用平均传热系数，即按面积加权法求得外墙的传热系数，同时考虑了围护结构周边的混凝土梁、柱等热桥的影响。

模拟计算程序为DOE2－PLUS，输出结果以输出报告中的大楼空调系统各个月份的总耗电量为依据，并作为节能标准的衡量标准参数。

三、影响节能指标的围护结构部件数字分析

1．耗电量百分比总体分析（以夏季为例）

由于DOE－PLUS程序的限制，以及我国的夏、冬两季的两个温度标准与DOE－PLUS程序所设计的全年保持室内只有一个空调温度不同，故采暖周期和空调周期的耗电量分析必须分周期进行讨论。现以夏季6、7、8月为主要计算周期，同时把5月和9月的数据也列出作为参考。以下数据为该建筑的比较参数，基础数据为240mm砖复合墙体。其它数据为围护结构采用节能措施后，相对240墙的耗电量的百分比（见表1、表2）分别为：

1) 外墙加40－80mm厚聚苯板；根据计算结果显示，采用40mm（传热系数为0．65 W/ m2·K）的聚苯板与80mm（传热系数为0．34 W/ m2·K）聚苯板的效果相差很小，所以只列出增加40mm厚聚苯板的结果；
2) 墙和屋顶加80mm厚聚苯板；
3) 窗户上固定遮阳，外挑尺寸的设计参数，可以在武汉市5－9月份完全遮挡太阳光照射进室内；
4) 所有的窗户都换LOW-E玻璃，玻璃传热系数为3．0 W/ m2·K；
5) 所有的窗户都换LOW-E玻璃，玻璃传热系数为1．5 W/ m2·K；
6) 所有窗户都只换普通中空玻璃窗, 玻璃传热系数为3．4 W/ m2·K；
7) 既用遮阳，又用LOW-E玻璃，玻璃传热系数为3．0 W/ m2·K（为方便分析，将遮阳功能从LOW-E玻璃窗的功能中单独剥离出来，作为两项节能措施）；
8) 既用窗外百叶活动遮阳，又用LOW-E玻璃，玻璃传热系数为3．0 W/ m2·K；
9) 墙体加聚苯板，聚苯板传热系数为0．34 W/ m2·K，窗户换LOW-E玻璃，玻璃传热系数为3．0 W/ m2·K；
10) 窗户改为普通中空玻璃窗，然后采取所有的上述节能措施；
11) 窗户改为LOW-E中空玻璃窗，然后采取所有的上述节能措施。



月份 240mm墙 墙加聚苯板 墙和屋顶加聚苯板 窗户上固定遮阳 LOW-E玻璃K=3．0 W/m2．K LOW-E玻璃K=1．5 W/m2．K
五月 100% 100．1% 99．3% 97．2％ 95．9% 95．3%
六月 100% 98．6% 97．9% 97．2％ 96．0% 95．2%
七月 100% 97．2% 96．5% 97．1％ 95．8% 95．0%
八月 100% 96．4% 95．8% 97．1％ 95．8% 95．0%
九月 100% 96．6% 95．9% 97．1％ 95．8% 95．1%