基于PBEC的公共建筑外围护系统能耗分析

李萍，林舟

（福建信息职业技术学院建筑工程系，福建 福州350003）

《福建省 “十二五”节能减排综合性工作方案》中提出新建居住和公共建筑的设计和施工中严格执行节能50%的建筑节能标准［1］，为了达到节能要求，首先要考虑的是外围护系统方案的选择，其热工性能是决定建筑能否节能的基础。下面，笔者采用节能软件PBEC分析了在夏热冬暖地区某公共建筑外围护系统选择屋面挤塑聚苯板（XPS）的厚度、加气混凝土砌块的厚度、窗户材料及外窗有无遮阳等措施对节能率的贡献。

1 工程概况

福州市某交流中心大厦，地下1层，地面以上层数为7层。层高：地下一层4.4 m；一层4.4 m；二层4.2 m；三层以上均为3.0 m。朝向南偏东11°。该建筑客房多数房间是朝西，主要原因在于：一是受到地块红线的限制；二是西向面向乌龙江，观景效果好。

东向窗墙比为0.126；南向窗墙比为0.355；西向窗墙比为0.358；北向窗墙比为0.253。采用铝合金框，热反射中空玻璃（5＋6A＋5）传热系数K值为3.4 W／（m2·K），遮阳系数SC为0.45。

1）外墙类型（从外至内）：外墙浅色面砖或涂料＋水泥砂浆（20mm）＋蒸压加气混凝土（200mm）＋水泥砂浆（20mm）＋内墙涂料。

2）屋面类型（从上而下）：水泥砂浆（20mm）＋细石混凝土（40mm）＋挤塑聚苯乙烯泡沫板（30mm）＋水泥砂浆（20mm）＋钢筋混凝土（100mm）。

3）地面类型（从上而下）：水泥砂浆（20mm）＋细石混凝土（40mm）＋加气混凝土保温砌块（200mm）＋混凝土垫层（60mm）。

2 计算思路

PBEC软件采用DOE－2的计算内核，根据 《公共建筑节能设计标准》（GB 50189－2005），并结合各地的地方标准开发，在设计阶段对建筑能耗进行动态模拟评估，计算出设计建筑和参照建筑的耗能量，完成公共建筑外围护系统的节能检查，得出是否满足 《公共建筑节能设计标准》要求的结论。

软件把墙体和房间分别当作线性的热力系统，通过输入每小时的气象数据，建筑外围护系统的使用（包括人员，设备，照明条件）、空调系统、操作条件和空调冷热源选择等信息，对建筑物进行全年8760h的逐时能耗分析计算，模拟计算出建筑物全年采暖及空调耗电量［2］。

3 计算模型

建筑数据的获取方法是通过PBEC软件，利用建筑软件APM产生的数据，将DWG图转换成建筑数据。在读取数据的过程中，计算机会自动识别各种构件，但仍会产生偏差，需经过设计人员的修改调整，确保建立封闭的立体模型。南向三层以上外挑阳台以水平遮阳措施输入。该公共建筑的三维模型如图1所示。

图1 公共建筑的三维模型

3.1 外围护系统参数

该公共建筑实际建筑外围护系统的热物理参数如表1所示。

表1 实际建筑外围护系统的热物理参数表

3.2 室内计算参数设置

福州属于夏热冬暖的地区，夏季闷热，冬季较冷，建筑要考虑夏季空调兼顾冬季采暖。

建筑节能标准是以采暖和空调能耗为最终标准，空调面积占总建筑面积的比例对最终能耗量的计算结果有很大影响。设计人员在操作软件过程中，要根据房间的功能情况做出标识，以便软件正确计算。根据 《公共建筑节能设计标准》夏热冬暖地区室内环境设计参数如表2［3］所示。

表2 室内环境节能设计计算参数

4 建筑能耗分析

在建筑外围护系统的传热过程中主要有以下3种基本传热方式。

第1种是对流传热，即外围护系统内外表面与周围空气间的对流传热，其表面与周围空气温差越大，对流交换热量就越大，对流换热过程所交换热量与空气和外围护系统表面温差成正比，即：

式中，qc为对流换热强度，W／m2；αc为对流换热系数，W／（m2·℃）；θ为外围护结构表面温度，℃；t为外围护结构周围空气温度，℃。

第2种是固体导热，在外围护系统内部产生，遵守傅里叶导热基本定律，即在单位时间内，通过单位截面积的导热量与温度梯度成正比，其比例系数λ叫做材料的热导率，W／（m·K）。对于单层匀质平壁在一维稳定传热时的传热量为：

式中，d为材料层（平壁）的厚度，m；θi、θe为平壁内、外表面温度，℃。

第3种是辐射传热，外围护系统两表面间的辐射传热量及其表面与周围其他表面间的辐射传热［4］。对于夏热冬暖地区而言，冬季要减少室内的热量损失，保持室内较为舒适的温度；夏季要防止室外的热辐射进入室内，使室内保持较为凉爽的环境。外围护系统进行节能处理就是要选择较小导热系数和较大蓄热系数的材料，降低外围护系统表面与周围空气间的对流传热及周围其他表面间的辐射传热，以同时满足保温和隔热的需要。

所有设计建筑是否达到节能50%的要求，需要有一个 “基准建筑”与之做比较。所谓 “基准建筑”是指选择体型系数、建筑层数、朝向和窗墙比等在某一地区具有代表性的住宅建筑，以此作为基准，将建筑物耗热量控制指标分解为各项外围护系统传热系数限制，以便从总体上控制该地区公共建筑能耗［3］。“基准建筑”的空调和采暖能耗为100%，只要设计建筑能耗与 “基准建筑”之比小于或等于50%，就可以评定该建筑符合节能要求。

参照建筑是与实际设计的建筑相比，参照建筑除了在实际设计建筑不满足 《公共建筑节能设计标准》的一些重要规定处做调整外，其他方面均相同。参照建筑在外围护系统的各个方面均符合节能设计标准的规定。参照建筑是设计建筑进行权衡判断的基础。参照建筑与基准建筑相比，达到节能50%的要求。

为得到不同节能措施对节能率的贡献情况，通过PBEC进行能耗分析，设定计算模式，把实际建筑作为模式1，其他模式只改变一个参数，其余条件均与实际建筑一致，共有11种计算模式。

4.1 改变屋面节能参数的建筑能耗和节能率

表3列出了改变屋面节能参数的建筑能耗和节能率。

表3 屋面节能参数变化结果汇总

在夏热冬暖地区，夏季太阳辐射强度很高，屋面接受太阳辐射的几率最大，它承担着节能与改善顶层房间热环境2个任务。与实际设计建筑相比，屋面聚苯板乙烯泡沫保温层的厚度对采暖能耗的影响比较大，空调能耗影响比较小，两者相差一个数量级。在模式2（挤塑聚苯板厚为20mm）条件下，与实际设计建筑相比，节能率降低0.64%。在模式3（挤塑聚苯板厚为40mm）条件下，与实际设计建筑相比，节能率提高0.38%。在模式4（挤塑聚苯板厚为50mm）条件下，与实际设计建筑相比，节能率提高0.64%。

4.2 改变外墙节能参数的建筑能耗和节能率

表4列出了改变外墙节能参数的建筑能耗和节能率。

表4 外墙节能参数变化结果

墙体是构成建筑的主要构件之一，在建筑节能中占了非常重要的位置。特别是外墙，是建筑物内环境与外界自然环境进行能量交流的重要通道之一，因此墙体热工性能的好坏对整个建筑的能耗有重要的影响［5］。与节能率为50%的参照建筑相比，在模式5（加气混凝土砌块厚度为100mm）条件下，节能率降低1.07%。在模式6（加气混凝土砌块厚度为150mm）条件下，节能率降低0.28%。在模式7（加气混凝土砌块厚度为250mm）条件下，节能率提高0.58%。在模式8（加气混凝土砌块厚度为300mm）条件下，节能率提高0.85%。但墙体厚度的增加对节能的贡献并不呈线性特征，随着墙体厚度的增加，建筑采暖能耗、空调能耗和总能耗都随之降低，但幅度越来越小，对节能率提高的贡献率也越来越小，且厚度增加采暖能耗的影响比空调能耗大。对于夏热冬暖地区，主要在于夏季防暑，空调能耗要求比采暖能耗要求更高。因此单纯以增加加气混凝土砌块厚度的做法来提高节能效果，对于夏热冬暖地区是不足的。

4.3 改变外窗节能参数的建筑能耗和节能率。

表5列出了改变外窗节能参数的建筑能耗和节能率。

表5 外窗节能参数变化计算结果

建筑外门窗（包括玻璃幕墙、采光顶）由于以透明材料为主要面层，太阳辐射可直接透过面层导致室内直接辐射得热，不同于其他非透明墙体以热传导为主的方式传热，热工性能比非透明墙体要差很多。与节能率为50%的参照建筑相比，在模式9（铝合金框普通单层玻璃）条件下，节能率降低6.02%；在模式10（铝合金框普通中空玻璃）条件下，节能率降低2.51%；在模式11（实际建筑无遮阳）条件下，节能率降低0.85%。

窗户材质的改变对建筑节能的影响是非常显著的，主要原因在于公共建筑的窗墙比较大，夏热冬暖地区夏季太阳强烈，加上外门窗有大面积的透明部分，直接获得太阳辐射能量巨大，导致建筑外围护结构热工性能下降。因此选择热工性能良好的外窗是关键。在夏热冬暖地区采取遮阳措施还是有必要的，但其影响远没有窗户自身热工性能改善来的重要。

5 结论

1）公共建筑外围护系统的节能设计不是简单将保温隔热材料进行堆积，合理保温系统的选择很重要。实际建筑所进行的节能措施能够满足节能50%的要求。

2）屋面保温材料聚苯乙烯泡沫板（XPS）厚度的增加，对采暖能耗的降低比空调能耗的降低敏感，对建筑节能率提高是也有效的。

3）加气混凝土砌块作为外墙围护系统，相比参照建筑，墙体厚度的增加对节能率的提高并不显著，且不呈线性。

4）外窗是外围护系统的薄弱环节，外窗本身热工性能的好坏对建筑的节能率影响非常显著。在夏热冬暖地区的北区，外窗有无遮阳，对建筑节能率是有影响的。同时相比外窗材料改变下对节能率的影响，遮阳效果的影响要弱得多。因此在进行外窗节能设计时，要优先考虑热工性能优良的窗型。

［1］福建省人民政府，福建省 “十二五”节能减排综合性工作方案（闽政 〔2011〕95号）［Z］.

［2］于美静，王宏伟.建筑节能计算机模拟软件的研究 ［J］.区域供热，2007（3）：69－72.

［3］GB 50189－200，公共建筑节能设计标准 ［S］.

［4］朱盈豹.公共节能建筑耗热量指标探讨 ［J］.墙体革新与建筑节能，2006（5）：37－39.

［5］吴成东，李新辉.建筑节能技术及其发展 ［J］.智能建筑与城市信息，2005（10）：83－87.