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1、第十六届全国暖通空调制冷学术年会投稿小型办公建筑能耗特性的比较研究邯郸职业技术学院 魏一然 王京邯郸建设银行滏东支行 陈志宏 摘要 针对建筑面积在3000平米以下的小型办公建筑，根据建筑所处地域、功能、体形系数、朝向、窗墙面积比、遮阳、围护结构传热等因素，应用Dest-2和正交试验法，针对建筑使用能耗进行全方位、全生命周期的分析。其结果表明，建筑面积、建筑的正面朝向、室内温度、窗墙面积比、机器与照明热、窗玻材料、屋顶传热系数是影响建筑夏季冷负荷主要的因素，设计和控制好这些因素是实现建筑节能目标的重要手段，在建筑设计过程中要充分考虑以上因素对建筑能耗的影响。关键词 小型办公建筑 耗冷量 耗热量
2、建筑节能 1引言目前，建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列，成为我国能源消耗的三大能耗大户。我国每年新建房屋约20亿平米，其中城市建筑约10亿平米，大型公共建筑占不到城镇建筑总量的4%。可见小型公共建筑的数量相当可观，研究以办公建筑为代表的小型公共建筑能耗，对建筑节能同样具有十分重要意义。2 研究方法建立了基准层面积分别为500m2、700m2、900m2的建筑模型，在不同朝向、外遮阳、建筑形状比（正面长/侧面长）、外遮阳、室内设定温度、围护结构传热系数、窗墙面积比、室内散热、窗玻材料等影响建筑能耗的因素下，采用正交试验和DeST-2模拟分析软件，通过改变因素的水平，对建筑全年的得、失热量进行分
3、析，找到了10个因素搭配的最佳水平，并分析不同的因素对建筑得、失热量影响的主次关系，建立得、失热量与主要因素的函数关系。3 建筑模型的建立与输入条件选择3.1 建筑模型 按不同的基准层面积和形状比在Dest软件中构建办公建筑模型，图1为基准层面积700平米、形状比1：2的建筑，由于篇幅所限，文中其它建筑模型不再显示。3.2 气象参数选择 本文以河北省邯郸市为例。夏季平均室外气温29.9，夏季平均室外风速2.0m/s，冬季室外平均温度1。冬、 夏季室外逐时气温参数依据当地气象部门提供的气象数据。3.3 输入条件 输入条件分固定参数和变化参数3.3.1 固定参数的输入固定参数的取值主要参照现行相关
4、国家及地方标准、设计规范以及实际工程的常规做法，考虑到试验结果的可比性，对不同形式的办公建筑采用了一致的输入参数，如：建筑层数、层高、外窗位置等，其取值见表1。其中选定办公室人员密度为0.2人/m2，新风量依据采暖通风与空气调节设计规范GB500192003的规定，取30m3/h人。表1 固定参数建筑层数三层人员密度0.2人/m2空调面积比70%新风量30m3/h.人层高4.0m换气次数0.5次/h外窗位置正面设置空调时间7时20时3.3.2 变化参数及水平选取影响建筑能耗的变化条件和水平的参数选取见表2表2变化条件和水平的选取变化条件水平因素选取方案123A 基准层面积500m2700 m2
5、900 m2B 正面朝向南北西C 形状比1：12:13:1D 外遮阳无遮阳1遮阳2E 室内设定温度夏季24冬季20夏季26冬季20夏季28冬季20F 外墙传热系数2.0W/m2标准层18mm多孔砼70mm1.2W/m2标准层18mm多孔砼150mm0.67 W/ m2标准层18mm多孔砼300mmG 正面窗墙面积比60%35%10%H 机器热照明热10 W/ m230W/ m250W/ m2I 窗玻材料6mm普通玻璃普通中空内张膜（单层）J 屋顶传热系数0.54 W/ m2标准层150mm苯板保温层 70mm0.83 W/ m2标准层150mm苯板保温层 40mm1.77 W/ m2标准层15
6、0mm苯板保温层 10mm有关参数说明如下： 房间的性质定位为普通办公室，建筑内部发热量包括照明、家电和人体散热，计算时分别取3个水平。其作息时间按DeST默认值选取，见图2图7； 夏季室内设定温度依据采暖通风与空气调节设计规范GB50019-2003中舒适性空调室内计算参数设定为3个水平：24、26、28。 建筑内部发热量（包括照明、家电和人体散热）：人员散热按单位面积人数0.2人/ m2，人均发热量64W/人计算；机器热+照明热取10 W/m2、30 W/m2、50 W/m2三个水平； 冬季室内设定温度均为20； 建筑方位以该建筑长边正交线所指方向为正面朝向，由于试验模型的建筑面积、体形系
7、数、形状比各不相同，为便于结果分析，本试验将整个建筑外表面的窗墙面积比与正面窗墙面积比设为相同； 外遮阳按DeST默认提供值，分别选为：无遮阳、遮阳1、遮阳2；见表3和图8； 窗户和墙体围护结构的做法及其传热系数详见表4表7。 正交试验不考虑因素之间的交互作用；表3 遮阳1、遮阳2参数取值表 abcdefgh1h2遮阳1100000.60.20.20遮阳2100000.80.30.20 图8 窗遮阳示意图表4 外墙主要材料及热工性能表外墙水平主要材料及厚度导热热阻m/W传热系数W/ (m2)外墙11 石灰砂浆12mm2 加气混凝土300mm3 石膏干抹灰6mm0.8140.2440.2330.
8、67外墙21、3同外墙12 加气混凝土150mm0.2441.2外墙31、3同外墙12 加气混凝土70mm0.2442.0表5 屋面主要材料及热工性能表屋面水平主要材料及厚度导热热阻m/W传热系数W/( m2)屋面11 水泥砂浆20mm2 水泥焦渣3 钢筋混凝土板120mm4 聚苯板保温层10mm0.930.871.5470.0471.77屋面21、2、3同屋面14 聚苯板保温层40mm0.0470.83屋面31、2、3同屋面14 聚苯板保温层70mm0.0470.54表6 窗玻主要材料及热工性能表窗玻名称窗材类型mm传热系数W/ (m2)普通6mm单玻窗65.7普通中空（双层）6+9+63.
9、1内张膜中空玻璃（单膜）6+6air+Pet（Low-e）6air+61.7表7 建筑物围护结构主要材料及热工性能表类别板楼构件名称导热热阻m/W传热系数W/(m2)内墙24加气砖0.244楼梯间内墙37砖内墙0.6290.83楼地混凝土保温楼地1.5470.29楼板钢筋混凝土保温楼板1.8950.32门单层实体木制外门2.3窗双层钢窗-建筑物负荷计算使用清华大学空调实验室研制开发的建筑热环境设计模拟工具包DeST-2（Designers Simulation Toolkits），对建筑得失热量进行全年逐时模拟分析；正交模拟试验的计算采用自行编制的正交实验数据处理软件并制定了10因素三水平的L
10、81（310）81个正交实验表，进行正交模拟试验的计算。4 办公建筑能耗试验结果与分析针对办公建筑的81个逐时冷负荷、逐时热负荷的计算数据，可以准确统计出全年建筑累计的耗冷量、耗热量。应用正交试验，对影响建筑的不同因素进行分析比较，得出能耗最小的建筑形式；找到建筑面积、朝向、形状比、外遮阳、外墙传热系数、窗墙面积比等多个变量与全年耗冷量、耗热量之间的定量关系和最佳建筑节能形式的方案，为建筑方案的优化设计提供有价值的参考数据。计算结果见图9、图10。4.1 建筑面积对建筑能耗的影响图9可以明显看出，10因素中建筑面积与冷负荷的关系曲线斜率最大，说明不同的建筑面积对冷负荷的影响最为明显，随着建筑面
11、积的增加，冷负荷急剧增加。图10为10个因素与耗热量指标之间的关系曲线。经二次回归分析可得到建筑面积与耗冷量的回归方程，从而得到建筑面积与能耗之间的关系， y1 = -40344x12 + 979318x 1+ 2106 （1）式中， x1建筑面积 m2 y1建筑年耗冷量 kWh/year 图9 建筑年耗冷量与10因素关系曲线图图10 建筑年耗热量指标与10因素关系曲线图因此，建筑面积小的建筑物，虽然耗冷总量小，但单位面积耗冷量指标较大，从节能观点考虑并不能有效地节能；而建筑面积大的建筑，虽然耗冷总量大，但单位面积耗冷量指标较小。从这一观点出发，进行建筑设计时建筑物的建筑面积不宜太小。大体形建
12、筑反而比较节能。4.2 建筑朝向对夏、冬季能耗的影响图9图10中给出了冬、夏季建筑的不同朝向与耗冷量、耗热量的关系对比。可以看出建筑的不同朝向对夏季耗冷量、冬季耗热量的影响是不同的。南向对全年建筑能耗的影响最小，西向对建筑能耗的影响最大，而北向居中。南、北朝向时，建筑冬、夏两季对图11 建筑朝向与耗冷、热量对比建筑耗冷、耗热量的影响基本相同，西向稍高。这是因为建筑模型在建立时严格按照实际工程基本模式，以实际适用为基本原则，建筑的总体外形比较规则，南、北开窗基本对称，窗墙面积比又一致，造成太阳辐射热对整个建筑物的影响基本相同。该结果有效证明了寒冷地区如石家庄、邯郸、邢台、保定等地的建筑最佳朝向应
13、为南北朝向。这种结果与公共建筑节能设计标准2005-07-01中的尽量避免东西向为正面朝向的建议相符，建筑的正面朝向设计尽量采用南北朝向。 从图11中可以看出，夏季建筑年总耗冷量远远高出冬季耗热量。南向建筑夏季耗冷量高于冬季耗热量54.2%，北向高出54.2%，西向高出54.5%。无论任何朝向的建筑夏季耗冷量均高出冬季耗热量的一半以上，建筑节能应充分考虑夏季冷耗的影响。形状比对夏、冬季冷热负荷的影响建筑的形状比也是影响夏季建筑能耗的重要指标。 从图9图10可以看出，无论冬季还是夏季，形状比为1：2的建筑耗冷、耗热量均为最小，能耗最低；而形状比为1：1和1：3建筑能耗指标均高于形状比为1：2的建
14、筑； 外遮阳对夏季冷负荷的影响DeST设置的遮阳1和遮阳2的做法见表3和图8。图9图10显示出，无遮阳时夏季耗冷总量最高，遮阳2两项指标最小。由于遮阳1与不设遮阳的形式无显著的变化，夏季冷负荷总量两条曲线的斜率较小。窗的遮阳设计应有明显可以阻挡阳光的作用，否则与不设遮阳效果相同。室内设计温度对夏季冷负荷的影响夏季室温设定温度为三个档次，24、26、28；冬季采用相同的室内设定温度20。夏季随着室内设定温度的降低，冷负荷急剧升高，直线斜率最大，夏季室内温度平均每升高1，全年将多增加耗冷量686.75MJ/m2。因此适当的调整室内温度对建筑节能有显著影响。外墙和屋顶传热系数对建筑耗冷量、耗热量的影
15、响 图12外墙传热系数与建筑能耗关系 图13 屋顶传热系数与建筑能耗关系图9中显示冬季，随外墙传热系数的减小建筑物耗热量也逐渐减小，当外墙传热系数降至1.2W/M2K、0.67W/M2K时，比传热系数2.0W/M2K依次减小了25%和41.8%，见图12。这种结果验证了当建筑的保温性能较好时，可以减小冬季建筑的耗热量。但在夏季，情况并非如此，当外墙传热系数减小至 0.67W/M2K时，夏季建筑耗冷量反而比传热系数1.2W/M2K增加了0.8%。这意味着当建筑的保温隔热性能增高时，对建筑耗冷量的减少并不明显。同样，夏季屋顶传热系数的减小会引起建筑耗冷量的增加，即当建筑的保温隔热性能较高时，会引起
16、室内温度的升高，应选用容量更大的制冷机降低建筑能耗。因此采用较高的外围护结构保温性能并不是一种有效的减少冷负荷的措施。下面从室外温度分布、外墙及屋顶传热量占总建筑耗冷量分额的角度对以上现象做进一步的分析。从传热过程来看，外墙及屋顶传热系数越小，有利于减小室外向室内传递的热量，起到隔热的作用；但在夏季夜间或过度季节，室外温度相对室内温度较低时，传热系数的减小反而不利于室内向室外传热。以外墙传热为例，为使计算结果更具可比性，以6月30日为例，空调全天运行，就外墙传热系数分别为2.0W/M2K、0.67W/M2K的27个试验逐时冷负荷进行分析。图14 6月30日外墙传热系数为2.0、0.67时的冷负
17、荷差及室外温度关系图图14绘出了6月30日不同外墙传热系数逐时冷负荷差和室外温度曲线；其中，逐时冷负荷差=外墙传热系数为2.0W/M2K逐时冷负荷外墙传热系数为0.67WM2K逐时冷负荷。从图中可以看出，在9：0020：00时之间，室外平均温度高于25，负荷差为正。外墙传热系数为0.67W/M2K的建筑负荷较小，说明较小的外墙传热系数起到了保温隔热的效果，降低了冷负荷；而在清晨或夜间（可从曲线的趋势图中看出）当室外温度低于23时，负荷差为负，外墙传热系数为0.67W/M2K的建筑逐时冷负荷较大，说明较低的外墙传热系数阻碍了房间向外散热，反而增加了空调负荷，这说明对于办公写字楼建筑具有较好的外围
18、护结构传热系数在冬季能起到很好的保温隔热性能，夏季室外温度高于室内温度时，同样也能起到保温隔热作用；但在夜间或室外温度低于房间温度时，会引起室内热量散出困难，致使室内温度升高，增加建筑耗冷量。 屋顶和外墙传热系数的减小，意味着建筑的保温隔热性能增强，这对于冬季室外温度较低时能起到保温作用，能降低建筑的冬季热负荷，但在夏季室内温度高于室外温度时同样会阻止室内热量散入到室外，影响建筑夏季冷负荷，增加建筑能耗。窗墙面积比、机器热+照明热对夏季冷负荷的影响窗墙面积比与夏季冷负荷的大小呈正比关系，窗墙面积比越小，建筑的夏季冷负荷越小；室内散发的热量越多，需耗冷量越多。在寒冷地区，为减少夏季冷负荷耗冷量，
19、窗墙面积比不应设置过大。窗玻材料对夏季冷负荷的影响表6给出了普通玻璃、中空玻璃和Low-e玻璃的结构及传热特性，Low-e玻璃是近年来在国内外越来越多被建筑师和业主接受的低辐射镀膜玻璃（low-emissivity coated glass）。该玻璃在可见光谱段具有高透过率、低反射率、低吸收率的特点，允许可见光透过玻璃达到室内；在红外波段具有高反射率、低吸收率的特点，在冬季能有效阻挡远红外热辐射，防止室内热量散失，夏季能阻止太阳直接辐射，减少室内的日射得热，同时又不影响室内采光。图9图10的计算结果显示窗户的传热系数对冬季供暖负荷影响较大，而遮阳系数对夏季空调负荷影响大。较小的传热系数并不能降
20、低夏季空调能耗。图9图10说明尽管Low-e玻璃的传热系数低于普通中空玻璃，但夏季能耗反而升高了，这种结果表明Low-e玻璃遮阳系数起到关键作用。5 结论随着我国经济的高速发展，人民生活质量的要求不断提高，建筑能耗增长巨大，为此作者建立了一种基于DeST和 “正交实验法”关于建筑及建筑能量系统诸要素对建筑能耗影响关系的分析方法。由于建筑形式变化的复杂性，影响建筑能耗的因素多种多样，在建筑初步设计阶段，不仅要强调建筑外墙的保温和适宜的室内设定温度，同时要综合考虑建筑构成的其他因素和建筑设备系统的运行方式，对建筑物和建筑能量系统进行综合分析和评价，找出切合实际的最节能建筑，以确定其最优方案。参考文
21、献1 庄楚强，何春雄.应用数理统计基础。广州：华南理工大学出版社，2006.22 黄翔.空调工程。北京：机械工业出版社，2006.3 P. Herzog, L. LaVine, Identification and quantification of the impact of improper operation of midsize Minnesota office buildings on energy use: a seven building case study, Proceedings of the ACEEE 1992 Summer Study on Energy Effici
22、ency in Buildings, Vol. III, American Council for and Energy Efficient Economy, 1992.4 M.J. Holmes, The simulation of heating and cooling coils for performance analysis, Proceedings of the first international conference on System Simulation in Buildings, Liege, 1982, 245 pp.5 Tim Salsbury . Rick Diamond. Performance validation and energy analysis of HVAC systems using Simulation. Energy and Buildings 32_2000.517魏一然， 女， 1968年6月生，工学硕士，副教授，通讯地址： 河北省邯郸市渚河路141号 邯郸职业技术学院建工系邮编：056001 手机：13603102432 Email： wyr68200810
