導語：辦公建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：結(jié)合西安地區(qū)辦公建筑的現(xiàn)狀，分析該地區(qū)辦公建筑在圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計方面存在的問題，利用Designbuilder軟件模擬研究建筑窗墻比、外窗、外墻以及屋面的熱工性能對辦公建筑能耗的影響。在充分考慮西安地區(qū)氣候條件的基礎(chǔ)上，提出適宜的節(jié)能設(shè)計策略。

關(guān)鍵詞：西安地區(qū)；辦公建筑；外圍護結(jié)構(gòu)：節(jié)能設(shè)計

隨著西安地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，本地區(qū)的建筑能耗已處于較高水平，且隨著使用者對建筑舒適度提出更高的要求，建筑能耗將會進一步增長。辦公建筑在當?shù)亟ㄖ偭恐姓加邢喈敶蟮谋壤?，如能有效降低當?shù)剞k公建筑的能耗，將對減少西安地區(qū)建筑總能耗起到重要作用，有利于實現(xiàn)資源節(jié)約型社會，促進該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。西安地區(qū)屬于寒冷地區(qū)，在辦公建筑總能耗中采暖及制冷能耗所占比例是最大的，具有很大的節(jié)能空間。采暖及制冷能耗與建筑外圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能具有密切聯(lián)系，這些都可以通過建筑設(shè)計來解決，屬于建筑設(shè)計研究的范疇。

1西安地區(qū)辦公建筑圍護結(jié)構(gòu)現(xiàn)存問題

（1）窗墻比較大《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》（GB50189-2015）中規(guī)定，非嚴寒地區(qū)建筑各立面窗墻比均不宜大于0.70。從西安地區(qū)氣候特點的角度出發(fā)，較大的窗墻比有利于采光與通風，但對于采暖能耗是相對不利的，且就全年能耗而言，采暖制冷能耗遠大于照明能耗，因此，窗墻比還應(yīng)進一步優(yōu)化從而降低建筑能耗。（2）外窗玻璃熱工性能欠佳在建筑能耗中，有40%～50%左右的能耗是通過建筑的外圍護結(jié)構(gòu)消耗的。其中外窗部分又是建筑外圍護結(jié)構(gòu)中能耗損失的最薄弱環(huán)節(jié)，外窗在建筑外圍護結(jié)構(gòu)中能耗損失比約為43%～66%。目前，西安地區(qū)辦公建筑的外窗多為普通單?；蛑锌詹Ａ?，外窗整體熱工性能欠佳。（3）外墻熱工性能不佳外墻是辦公建筑外圍護結(jié)構(gòu)中面積最大的部分，也是散熱較多的構(gòu)件，外墻在建筑外圍護結(jié)構(gòu)中能耗損失比約為41%～47%[1]。因此，在降低建筑能耗的研究中，應(yīng)將改善建筑外墻的熱工性能作為重點。目前，西安地區(qū)辦公建筑很多采用了自保溫外墻，或者采用了外保溫外墻，但在構(gòu)造上欠佳，因此熱工性能并不理想。（4）屋面熱工性能不佳屋面也是建筑外圍護結(jié)構(gòu)中的一部分，對建筑制冷及采暖能耗有一定影響，也可以通過改善屋面熱工性能來實現(xiàn)一定程度上的節(jié)能。目前，西安地區(qū)辦公建筑屋面的屋面熱工性能還有待進一步提升。

2西安地區(qū)辦公建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能優(yōu)化研究

根據(jù)西安地區(qū)辦公建筑的現(xiàn)狀，選擇一棟8層典型辦公建筑作為基本建筑模型，該辦公建筑為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)廊式“一”字型平面，南北朝向，體形系數(shù)為0.17，總建筑面積為5018.4m2，標準層面積697.3m2。該建筑的外窗為鋁合金斷橋加中空玻璃，南向窗墻比為0.45，北向窗墻比為0.25，東西向窗墻比均為0.18。外墻有保溫構(gòu)造，外墻構(gòu)造由外到內(nèi)依次為20mm厚石灰砂漿、40mm厚聚苯乙烯泡沫板、160mm厚加氣混凝土、20mm厚石灰砂漿。設(shè)備功率、照明功率、人員密度的取值按照《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》（GB50189-2015）取值，利用Designbuilder軟件對基本建筑模型進行能耗模擬研究，探究各設(shè)計參數(shù)與能耗之間的關(guān)系。2.1窗墻比。窗墻比是指窗洞面積與建筑立面面積的比值，在建筑外圍護結(jié)構(gòu)中，外窗的傳熱系數(shù)遠圖4　不同厚度屋面保溫材料與能耗的關(guān)系（圖片來源：作者自繪）大于外墻，單純從建筑節(jié)能的角度來講，應(yīng)盡量減小開窗面積[2]。但外窗透明的特性可以使太陽輻射熱量直接進入室內(nèi)，這使得南向外窗在冬季白天有可能成為得熱構(gòu)件，而南向外窗在冬季夜晚又屬于失熱構(gòu)件，故南向窗墻比的大小對于能耗的影響很難直接定性判斷，需要借助軟件進行模擬研究。因此，本文重點研究改變南向窗墻比對建筑能耗的影響。在其他參數(shù)均保持恒定的條件下，設(shè)置南向窗墻比從0.6減少到0.1，以南向窗墻比為0.6時的能耗指標為基準計算節(jié)能率。模擬結(jié)果如圖1所示。隨南向窗墻比由0.6減少到0.1，建筑采暖能耗降低了25.79%，雖然冬季白天通過外窗進入室內(nèi)的太陽輻射熱量減少了，但同時通過外窗向室外流失的熱量也減少了，且流失熱量減少量大于太陽輻射熱的減少，故冬季采暖能耗總體有所降低。當南向窗墻比由0.6減少到0.1，制冷能耗降低了35%，這是因為外窗面積的減小，導致太陽輻射熱量減少了，且室外通過圍護結(jié)構(gòu)向室內(nèi)的傳熱量也減少了，二者皆導致室內(nèi)冷負荷降低。因此，西安地區(qū)辦公建筑南向外窗在滿足采光和通風要求的前提下，窗墻比不宜過大，可以采用0.3～0.4的南向窗墻比。2.2外窗。外窗屬于透明圍護結(jié)構(gòu)，傳熱系數(shù)較大，是建筑保溫隔熱的薄弱環(huán)節(jié)，選用合適的外窗玻璃，能夠有效改善建筑的保溫隔熱性能[3]。透過外窗引入合理的太陽輻射，能夠提高室內(nèi)熱舒適水平，降低冬季采暖能耗。利用軟件對不同外窗玻璃材料進行能耗模擬研究，模擬結(jié)果如圖2所示。分析模擬結(jié)果可知，采用熱反射玻璃雖然可以獲得最低的夏季制冷能耗，但冬季采暖能耗卻有所增加，且冬季采暖能耗的增加量大于夏季制冷能耗減小量，導致全年采暖及制冷能耗反而增加。采用三層low-e玻璃后建筑全年采暖及制冷能耗減小幅度較大，降低約5.3%。從建筑節(jié)能的角度出發(fā)，西安地區(qū)應(yīng)主要考慮玻璃的保溫性能，并選擇較大的遮陽系數(shù)，通過以上分析選擇三層low-e玻璃較為合適。2.3外墻。外墻屬于非透明圍護結(jié)構(gòu)，外墻節(jié)能主要通過優(yōu)化墻體的熱工性能來實現(xiàn)，即提升墻體的保溫隔熱性能，減少冬季室內(nèi)熱量通過墻體向室外的散失，以及減少夏季通過墻體的得熱，進而減少一部分采暖及制冷能耗[4]。但同時，對于辦公建筑而言，夏季下班后空調(diào)系統(tǒng)停止使用，夜間辦公建筑的室內(nèi)溫度將高于室外溫度，墻體傳熱系數(shù)減小將導致夏季夜間辦公建筑通過墻體向室外的散熱量減少，進而導致一部分熱量蓄存在墻體等重質(zhì)結(jié)構(gòu)中，第二天上班時空調(diào)系統(tǒng)需要處理的室內(nèi)熱量將增加，隨之制冷能耗也會增加。因此，改善外墻的熱工性能，提升其保溫隔熱性能后，全年采暖及制冷能耗究竟會增加還是會降低需要進行模擬研究，進而確定適宜的外墻節(jié)能構(gòu)造。模擬結(jié)果如圖3所示。西安地區(qū)冬季采暖能耗占全年總能耗比重較大，減小外墻的傳熱系數(shù)后，冬季采暖能耗的減小值遠大于夏季制冷能耗的增加值，因此建筑全年采暖及制冷能耗總體呈下降趨勢。因此，西安地區(qū)的外墻應(yīng)注重提升保溫性能，較小的外墻傳熱系數(shù)有利于降低建筑全年能耗。綜合考慮造價、耐久性、施工條件等因素，選用聚苯乙烯泡沫保溫板作為外墻保溫材料較為合適，厚度可以為60mm。2.4屋面。屋面也屬于非透明圍護結(jié)構(gòu)，同樣可以通過減小屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，改善屋面的熱工性能來實現(xiàn)節(jié)能。提升屋頂?shù)臒峁ば阅埽軌驕p少冬季室內(nèi)失熱量和夏季白天室內(nèi)得熱量，但同時也會導致夏季夜間建筑向室外的散熱量減小，第二天上班時空調(diào)系統(tǒng)需要處理的室內(nèi)熱量將增加。通過改變屋面外保溫層厚度及材料，探究改善屋面熱工性能對建筑能耗的影響，以便確定合理的屋面節(jié)能構(gòu)造，模擬結(jié)果如圖4所示。由上圖可知，無論是采用擠塑聚苯乙烯保溫板作為保溫材料，還是采用聚苯乙烯泡沫保溫板作為保溫材料，改變保溫層的厚度，能耗下降并不明顯。主要原因在于，相比于外墻，屋面在外圍護結(jié)構(gòu)中所占面積小于外墻，且冬季白天屋面能夠接受更多的太陽輻射熱量，屋內(nèi)外側(cè)溫差較小，故提升屋面的保溫性能節(jié)能效果明顯小于外墻。夏季白天室外溫度高于室內(nèi)，屋面隔熱性能增強，可以減小室內(nèi)得熱量，有利于降低能耗。但隨著屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的降低，夏季夜間建筑物向室外的散熱量也逐漸減小，白天空調(diào)系統(tǒng)啟動時需處理的室內(nèi)余熱增加。由于屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低而減少的室內(nèi)得熱量略大于由于夏季夜間散熱受阻而增加的室內(nèi)熱量，因此夏季供冷能耗略有減少。提升屋頂?shù)谋馗魺嵝阅?，能夠略微降低建筑能耗，占建筑全年采暖及制冷能耗?%。因此，綜合考慮造價等因素，西安地區(qū)可以采用60mm厚度的保溫屋面，但保溫性能的提升對于整棟建筑所降低的能耗量比較有限，遠低于外墻保溫的節(jié)能效果。

3結(jié)語

在對西安地區(qū)辦公建筑的窗墻比、外窗、外墻以及屋面熱工性能進行定量模擬研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合西安地區(qū)的氣候條件，本文提出了具體的外圍護結(jié)構(gòu)適宜性節(jié)能設(shè)計策略，可為該地區(qū)的節(jié)能設(shè)計提供一定參考。

作者:張博文 郭柳晨 單位:西安建筑科技大學建筑學院

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