呼包鄂地区住宅建筑围护结构节能潜力的DeST正交模拟

金国辉， 赵茜健

(内蒙古科技大学 土木工程学院， 内蒙古 包头 014010)

呼包鄂地区住宅建筑围护结构节能潜力的DeST正交模拟

金国辉， 赵茜健

(内蒙古科技大学 土木工程学院， 内蒙古 包头 014010)

随着社会经济的快速发展，能源问题日益加重，建筑节能已经成为重中之重。考虑呼包鄂地区丰富的太阳能资源，以降低住宅建筑本体能耗为目的，将住宅建筑系统能耗作为研究对象。建立呼包鄂地区典型城市一栋6层住宅建筑模型，利用清华大学开发的DeST软件动态模拟窗户、外墙、窗墙比、屋顶对建筑围护结构的负荷变化，模拟出16个正交试验结果。通过对建筑能耗的模拟分析，研究围护结构形式对建筑能耗的影响变化，分析得出每个因素影响建筑能耗的显著性程度，找出围护结构最佳水平的优化方案。最后建议呼包鄂地区住宅建筑节能要加强保温厚度、控制窗墙比大小、选用传热系数较低的节能窗户从而降低能耗，节约能源。

DeST软件； 围护结构； 住宅建筑； 正交试验

据统计，我国建筑相关能耗已占社会总能耗的约46%，其中通过建筑围护结构的耗能量占建筑能耗的约40%[1]。建筑行业的快速发展，也必然引起地球资源的匮乏。在建筑初级规划阶段分析建筑设计围护结构各项单因素对建筑负荷的影响，从而确定最佳建筑节能方案，是建筑本体节能的关键[2]。以往学者仅就单因素进行能耗影响分析，本文是在计算机模拟的基础上，通过对多因素耦合分析，最大程度降低能耗。改善呼包鄂地区低能耗住宅建筑热环境，提高采暖的能源利用效率，降低住宅建筑的能源消耗，是目前节能建筑研究面临的问题。本文对呼包鄂地区某一典型住宅建筑进行围护结构节能潜力的分析，运用DeST软件对多因素耦合下的方案进行优选得出适合本地的围护结构节能形式。

1 低能耗住宅建筑节能理论分析

(1)外窗系统作为围护结构的主要部分，解决了建筑本体对采光和通风的需求，是室内与室外换热的主要部位。外窗系统从影响围护结构负荷的角度主要有窗框材料，玻璃材料，窗墙比，窗户朝向等。经过折算，外窗损失的能耗量大约占到建筑外围护结构的总能耗量的40%～50%[3]。其中，窗框材料的选用会影响玻璃窗的整体性能，从目前市场上使用的窗框材料来看，塑钢窗和铝合金系列窗被广泛用于住宅建筑中。玻璃材料占窗户系统的70%以上，其传热系数直接决定了建筑能耗量的大小。根据建筑热工分区及其设计要求，在呼包鄂地区窗墙比的大小在冬季对建筑热负荷的影响是双向的，窗墙比会影响由于室内空间太阳辐射的热量而引起室内外热交换的改变[4]。此外，窗户朝向也会引起太阳辐射热量的不同，因此会影响住宅建筑能耗的不同[5]。

(2)外墙占围护结构面积中最大部分，约占围护结构能耗的43%[6]。在呼包鄂地区，外墙保温技术是保障低能耗住宅建筑的有效措施，外墙保温隔热性能的优劣对建筑整体的能耗也起到了决定性作用。墙体外保温材料可以有效解决冷热桥的问题，降低建筑能耗的同时也抵挡紫外线照射和雨水侵蚀，延长了建筑主体的使用寿命[7]。

(3)屋顶占整体建筑外围护结构的比例要小于外墙和窗户部分，约占围护结构能耗的12%[6]，但屋面的热工性能对顶层房间的室内热能耗起到了至关重要的作用。倒置式屋面保温与传统式屋面保温相比，明显热保护功能较好，有效发挥了保护层的作用，降低了屋顶在建筑围护结构中的负荷[8]。

研究建筑围护结构形式对低能耗住宅建筑的影响，应结合呼包鄂地区的具体情况来考虑外墙、窗户和屋顶对建筑热能耗的影响。

2 建筑模拟分析

2.1 建筑模型

呼包鄂地区位于严寒C区，夏季短冬季长。夏季白天太阳辐射充足，整体凉爽，持续68 d左右。冬季寒冷干燥，持续158 d左右[9]。

本文选取呼和浩特地区一梯两户六层住宅建筑为研究模拟对象。建筑面积为1107 m2，总高18 m，正南北朝向。模型室内热扰模式的设定按照文献[4]的有关规定执行。东西向窗墙比为0.1，换气次数为0.5次/h，供暖期为10月15日至次年4月15日。模型平面如图1。

图1 建筑模型平面

2.1.1 建筑物围护结构构造方式

该建筑物围护结构构造方式如表1。

表1 围护结构构造方式

2.1.2 室内热扰规定

客厅和卧室照明最大发热量为5 W/m2,客厅设备最大发热量为9.3 W/m2，餐厅及厨房设备最大发热量为48.2 W/m2。室内热扰参数作息按照呼和浩特地区普通居民的作息时间调整。

2.2 模拟不同水平围护结构的组合方案

围护结构中外墙、屋顶、内墙、楼板和窗户不同部位在保温传热过程中发挥着不同的作用，其中外墙和窗户占了围护结构面积的60%以上[10]。因此选取主要围护结构指标：玻璃类型I、南窗墙比II、北窗墙比III、屋顶保温厚度IV、外墙保温聚苯板厚度V。根据JGJ 26-2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》的相关规定要求，各因素取4个水平，运用正交实验法研究，如表2、3所示。

表2 各因素水平取值

表3 玻璃类型及传热系数

根据上述水平取值表本文运用L16(45)型的正交实验表来进行实验模拟，各个因素之间的影响作用不予考虑。利用DeST软件模拟每种方案的采暖热能耗，正交实验表及模拟数据见表4。

表4 正交实验表及模拟数据

3 围护结构对能耗影响分析及最优组合方案的确定

对16个方案中的模拟数据进行正交分析，按照因素不同，把每一个因素不同水平的模拟结果分别相加，得到各个水平的和，即表5中的K1、K2、K3、K4，根据算出的K1、K2、K3、K4，利用式(1)计算出均值及其平方值(K1)2、(K2)2、(K3)2、(K4)2，利用式(2)计算出K1、K2、K3、K4的级差值。公式如下：

(1)

RI=max{KI1，KI2，KI3，KI4}-min{KI1，KI2，KI3，KI4}

RII=max{KII1，KII2，KII3，KII4}-min{KII1，KII2，KII3，KII4}

RIII=max{KIII1，KIII2，KIII3，KIII4}-min{KIII1，KIII2，KIII3，KIII4}

RIV=max{KIV1，KIV2，KIV3，KIV4}-min{KIV1，KIV2，KIV3，KIV4}

RV=max{KV1，KV2，KV3，KV4}-min{KV1，KV2，KV3，KV4}

(2)

表5表明，各因素的极差值不同，说明每个因素的水平变化对住宅建筑低能耗作用不同。极差数值偏大，原因是此因素水平的变化对实验数据的作用越明显，极差值小的一列因素是各个因素水平的变化中对实验结果作用最小的，即显著性最弱，所以对于本实验有：R1>R5>R3>R4>R2。

因此，各因素对住宅建筑能耗影响的主次顺序为：I、V、III、IV、II。

由以上极差确定的各因素的主次顺序可知，在内蒙古严寒地区住宅建筑围护结构主要因素中，对低能耗住宅建筑影响最大的围护结构因素是窗户玻璃材料，其次是外墙的保温厚度，最后是窗墙比和屋顶保温厚度。

挑选因素的优化水平与所制定的指标有关，本文所讨论的是建筑采暖能耗的问题，故指标越小表示建筑能耗越小，即消耗的煤炭量越小，越节能。因此，选取指标水平小的作为最优方案。由k1I>k3I>k4I>k2I，k3II>k4II>k1II>k2II，k3III>k4III>k1III>k2III，k4IV>k2IV>k3IV>k1IV，k1V>k2V>k3V>k4V可知，本次实验的最优方案为：I2II2III2IV1V4。

最优方案为：玻璃材料为普通中空玻璃，南向窗墙比为0.4，北向窗墙比为0.2，墙体外保温材料采用100 mm XPS聚苯板，屋面保温材料采用50 mm XPS保温板。分析结果可知，不考虑经济合理条件，达到低能耗住宅建筑有以下措施：跟单层和low-e玻璃相比，中空玻璃的保温效果较好，应采用中空玻璃；南向窗户面积应增大，北向窗户面积应减小；外墙和屋面保温厚度应增大。

表5 正交模拟结果分析表

4 结 论

经正交实验模拟结果可知，通过外围护结构中5个主要因素对热负荷影响的比较，确定了窗户材料影响最大，其次是墙体保温厚度，最后是窗墙比及屋顶保温厚度。得到的最优水平方案是玻璃材料采用普通中空玻璃，南向窗墙比为0.4，北向窗墙比为0.2，外墙保温材料为100 mm XPS，屋面保温材料为50 mm XPS。因此，在呼包鄂地区住宅建筑节能要加强保温厚度；控制窗墙比大小；应选用传热系数较低的节能窗户，从而降低能耗，节约能源。

[1] 李德英, 许文发. 建筑节能技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2007.

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Orthogonal Simulation of the Potential Energy Saving of Residential Buildings Palisade Structure in Hubaoe Region Based on DeST

JINGuo-hui,ZHAOXi-jian

(School of Civil Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China)

With the rapid development of social building energy saving has become a top priority in the energy issue. Considering the abundant solar energy resources in the region, reducing the overall energy consumption of residential building for the purpose, this paper puts the energy consumption of residential building system as the research object. It sets up a model of typical city’s six floors residential building in Inner Mongolia region, and dynamically simulats windows, walls, ratio of window to wall, roof on building palisade structure of load change by using DeST software developed by tsinghua university. Finally, it simulated sixteen orthogonal experiment results. Through the simulation of building energy consumption, studying the effect of the retaining structure to building energy consumption and orthogonal experiment analysis of the degree of each factor on the significance of building energy consumption, it finds the best level of palisade structure optimization scheme. Finally it is suggested to strengthen the insulation thickness, selection of control window wall than size, low heat transfer coefficient of energy-saving windows so as to reduce the energy consumption of residential building energy conservation in the region.

DeST software; palisade structure; residential building; orthogonal experiment

2016-01-06

2016-04-27

金国辉(1965-)，男，内蒙古乌拉将中旗人，教授，硕士，研究方向为土木工程建造与管理(Email:jinguohuiba@163.com)

内蒙古自治区自然科学基金(2014MS0535；2016MS0516)；国家自然科学基金(51668051)

TU241.7

A

2095-0985(2016)06-0063-04