办公建筑围护结构节能设计研究

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摘要：结合西安地区办公建筑的现状，分析该地区办公建筑在围护结构设计方面存在的问题，利用Designbuilder软件模拟研究建筑窗墙比、外窗、外墙以及屋面的热工性能对办公建筑能耗的影响。在充分考虑西安地区气候条件的基础上，提出适宜的节能设计策略。

关键词：西安地区；办公建筑；外围护结构：节能设计

随着西安地区的经济发展，本地区的建筑能耗已处于较高水平，且随着使用者对建筑舒适度提出更高的要求，建筑能耗将会进一步增长。办公建筑在当地建筑总量中占有相当大的比例，如能有效降低当地办公建筑的能耗，将对减少西安地区建筑总能耗起到重要作用，有利于实现资源节约型社会，促进该地区的可持续发展。西安地区属于寒冷地区，在办公建筑总能耗中采暖及制冷能耗所占比例是最大的，具有很大的节能空间。采暖及制冷能耗与建筑外围护结构的热工性能具有密切联系，这些都可以通过建筑设计来解决，属于建筑设计研究的范畴。

1西安地区办公建筑围护结构现存问题

（1）窗墙比较大《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）中规定，非严寒地区建筑各立面窗墙比均不宜大于0.70。从西安地区气候特点的角度出发，较大的窗墙比有利于采光与通风，但对于采暖能耗是相对不利的，且就全年能耗而言，采暖制冷能耗远大于照明能耗，因此，窗墙比还应进一步优化从而降低建筑能耗。（2）外窗玻璃热工性能欠佳在建筑能耗中，有40%～50%左右的能耗是通过建筑的外围护结构消耗的。其中外窗部分又是建筑外围护结构中能耗损失的最薄弱环节，外窗在建筑外围护结构中能耗损失比约为43%～66%。目前，西安地区办公建筑的外窗多为普通单玻或中空玻璃，外窗整体热工性能欠佳。（3）外墙热工性能不佳外墙是办公建筑外围护结构中面积最大的部分，也是散热较多的构件，外墙在建筑外围护结构中能耗损失比约为41%～47%[1]。因此，在降低建筑能耗的研究中，应将改善建筑外墙的热工性能作为重点。目前，西安地区办公建筑很多采用了自保温外墙，或者采用了外保温外墙，但在构造上欠佳，因此热工性能并不理想。（4）屋面热工性能不佳屋面也是建筑外围护结构中的一部分，对建筑制冷及采暖能耗有一定影响，也可以通过改善屋面热工性能来实现一定程度上的节能。目前，西安地区办公建筑屋面的屋面热工性能还有待进一步提升。

2西安地区办公建筑围护结构节能优化研究

根据西安地区办公建筑的现状，选择一栋8层典型办公建筑作为基本建筑模型，该办公建筑为钢筋混凝土框架结构，内廊式“一”字型平面，南北朝向，体形系数为0.17，总建筑面积为5018.4m2，标准层面积697.3m2。该建筑的外窗为铝合金断桥加中空玻璃，南向窗墙比为0.45，北向窗墙比为0.25，东西向窗墙比均为0.18。外墙有保温构造，外墙构造由外到内依次为20mm厚石灰砂浆、40mm厚聚苯乙烯泡沫板、160mm厚加气混凝土、20mm厚石灰砂浆。设备功率、照明功率、人员密度的取值按照《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）取值，利用Designbuilder软件对基本建筑模型进行能耗模拟研究，探究各设计参数与能耗之间的关系。2.1窗墙比。窗墙比是指窗洞面积与建筑立面面积的比值，在建筑外围护结构中，外窗的传热系数远图4　不同厚度屋面保温材料与能耗的关系（图片来源：作者自绘）大于外墙，单纯从建筑节能的角度来讲，应尽量减小开窗面积[2]。但外窗透明的特性可以使太阳辐射热量直接进入室内，这使得南向外窗在冬季白天有可能成为得热构件，而南向外窗在冬季夜晚又属于失热构件，故南向窗墙比的大小对于能耗的影响很难直接定性判断，需要借助软件进行模拟研究。因此，本文重点研究改变南向窗墙比对建筑能耗的影响。在其他参数均保持恒定的条件下，设置南向窗墙比从0.6减少到0.1，以南向窗墙比为0.6时的能耗指标为基准计算节能率。模拟结果如图1所示。随南向窗墙比由0.6减少到0.1，建筑采暖能耗降低了25.79%，虽然冬季白天通过外窗进入室内的太阳辐射热量减少了，但同时通过外窗向室外流失的热量也减少了，且流失热量减少量大于太阳辐射热的减少，故冬季采暖能耗总体有所降低。当南向窗墙比由0.6减少到0.1，制冷能耗降低了35%，这是因为外窗面积的减小，导致太阳辐射热量减少了，且室外通过围护结构向室内的传热量也减少了，二者皆导致室内冷负荷降低。因此，西安地区办公建筑南向外窗在满足采光和通风要求的前提下，窗墙比不宜过大，可以采用0.3～0.4的南向窗墙比。2.2外窗。外窗属于透明围护结构，传热系数较大，是建筑保温隔热的薄弱环节，选用合适的外窗玻璃，能够有效改善建筑的保温隔热性能[3]。透过外窗引入合理的太阳辐射，能够提高室内热舒适水平，降低冬季采暖能耗。利用软件对不同外窗玻璃材料进行能耗模拟研究，模拟结果如图2所示。分析模拟结果可知，采用热反射玻璃虽然可以获得最低的夏季制冷能耗，但冬季采暖能耗却有所增加，且冬季采暖能耗的增加量大于夏季制冷能耗减小量，导致全年采暖及制冷能耗反而增加。采用三层low-e玻璃后建筑全年采暖及制冷能耗减小幅度较大，降低约5.3%。从建筑节能的角度出发，西安地区应主要考虑玻璃的保温性能，并选择较大的遮阳系数，通过以上分析选择三层low-e玻璃较为合适。2.3外墙。外墙属于非透明围护结构，外墙节能主要通过优化墙体的热工性能来实现，即提升墙体的保温隔热性能，减少冬季室内热量通过墙体向室外的散失，以及减少夏季通过墙体的得热，进而减少一部分采暖及制冷能耗[4]。但同时，对于办公建筑而言，夏季下班后空调系统停止使用，夜间办公建筑的室内温度将高于室外温度，墙体传热系数减小将导致夏季夜间办公建筑通过墙体向室外的散热量减少，进而导致一部分热量蓄存在墙体等重质结构中，第二天上班时空调系统需要处理的室内热量将增加，随之制冷能耗也会增加。因此，改善外墙的热工性能，提升其保温隔热性能后，全年采暖及制冷能耗究竟会增加还是会降低需要进行模拟研究，进而确定适宜的外墙节能构造。模拟结果如图3所示。西安地区冬季采暖能耗占全年总能耗比重较大，减小外墙的传热系数后，冬季采暖能耗的减小值远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总体呈下降趋势。因此，西安地区的外墙应注重提升保温性能，较小的外墙传热系数有利于降低建筑全年能耗。综合考虑造价、耐久性、施工条件等因素，选用聚苯乙烯泡沫保温板作为外墙保温材料较为合适，厚度可以为60mm。2.4屋面。屋面也属于非透明围护结构，同样可以通过减小屋面传热系数，改善屋面的热工性能来实现节能。提升屋顶的热工性能，能够减少冬季室内失热量和夏季白天室内得热量，但同时也会导致夏季夜间建筑向室外的散热量减小，第二天上班时空调系统需要处理的室内热量将增加。通过改变屋面外保温层厚度及材料，探究改善屋面热工性能对建筑能耗的影响，以便确定合理的屋面节能构造，模拟结果如图4所示。由上图可知，无论是采用挤塑聚苯乙烯保温板作为保温材料，还是采用聚苯乙烯泡沫保温板作为保温材料，改变保温层的厚度，能耗下降并不明显。主要原因在于，相比于外墙，屋面在外围护结构中所占面积小于外墙，且冬季白天屋面能够接受更多的太阳辐射热量，屋内外侧温差较小，故提升屋面的保温性能节能效果明显小于外墙。夏季白天室外温度高于室内，屋面隔热性能增强，可以减小室内得热量，有利于降低能耗。但随着屋面传热系数的降低，夏季夜间建筑物向室外的散热量也逐渐减小，白天空调系统启动时需处理的室内余热增加。由于屋面传热系数降低而减少的室内得热量略大于由于夏季夜间散热受阻而增加的室内热量，因此夏季供冷能耗略有减少。提升屋顶的保温隔热性能，能够略微降低建筑能耗，占建筑全年采暖及制冷能耗的1%。因此，综合考虑造价等因素，西安地区可以采用60mm厚度的保温屋面，但保温性能的提升对于整栋建筑所降低的能耗量比较有限，远低于外墙保温的节能效果。

3结语

在对西安地区办公建筑的窗墙比、外窗、外墙以及屋面热工性能进行定量模拟研究的基础上，结合西安地区的气候条件，本文提出了具体的外围护结构适宜性节能设计策略，可为该地区的节能设计提供一定参考。

作者:张博文 郭柳晨 单位:西安建筑科技大学建筑学院

参考文献：

[1]张欢，李金洋，王津利等.办公建筑围护结构节能措施对空调能耗的影响及经济性分析[J].暖通空调，2015，45(11)：5-9.

[2]董智慧，刘凡，庞俊香等.建筑窗墙比对办公建筑冷(热)负荷的影响分析[J].建筑节能，2008，36(205)：6-9.

[3]杨琳.关于办公建筑围护结构的节能设计探究[J].建设科技，2014，18：78-79.

[4]张莹，付瑶.寒地办公建筑在全生命周期下的节能措施[J].沈阳建筑大学学报，2014，16（2）：141-144.