成都住宅建筑实现节能65%目标的影响因素研究

朱 磊 余南阳



成都住宅建筑实现节能65%目标的影响因素研究

朱 磊 余南阳

（西南交通大学机械工程学院 成都 610031）

以成都地区住宅建筑为研究对象，通过正交试验设计结合建筑空调能耗模拟的分析方法，研究影响建筑空调能耗的主要因素，包括朝向、窗墙比、外窗类型、外墙外保温及外窗外遮阳，最终发现外窗使用镀反射膜双层中空玻璃，外墙使用70mm EPS保温板的节能措施较难实现成都住宅建筑节能65%目标，需辅以其他节能手段。

空调能耗；正交设计；建筑节能

0 引言

我国的建筑节能工作是从上个世纪80年代初伴随着中国实行改革开放政策以后开始的，起步晚于国外，1995年国家建设部在《建筑节能“九五”计划和2010年规划》中，要求新建采暖居住建筑在1980～1981年当地通用设计能耗水平基础上普遍降低30%；1996年起在达到第一阶段的基础上节能50%；2005年在达到第二阶段要求基础上再节能30%[1]。实施建筑节能65%标准是建筑节能的发展方向，它是在当前节能50%的基础上再节能30%，可进一步节约宝贵能源，保护生态环境、提高居住环境舒适度。空调能耗是住宅建筑能耗主要组成部分之一，影响住宅建筑空调能耗的因素有很多，例如建筑朝向、窗墙比、围护结构热工性能、设备能效状况、室外气候条件、居民空调使用方式及习惯等[2]。现有研究大多是对上述影响因子进行单一性分析，对主要影响因素的全面分析较少，而可靠的分析相关因素对建筑能耗影响的程度是设计人员进行建筑节能设计的前提。

本文通过正交试验设计结合建筑空调能耗模拟的分析方法，研究影响成都住宅建筑空调能耗的主要因素，包括朝向、窗墙比、外窗类型、外墙保温、外窗外遮阳及新风，并将研究中建筑节能方案与成都现行住宅建筑节能标准进行比较，最终提出针对成都住宅建筑节能的有效意见。

1 模型建立

本文模拟计算所采用的建筑模型为成都地区一栋2单元6层传统住宅建筑，层高3.5m，两室一厅一厨一卫，每单元有两户，建筑面积分别为78.55m2、66.68m2，总建筑面积为1500.91m2，建筑体形系数为0.34。通过建筑能耗模拟软件Designbuilder进行建筑能耗模拟计算。

在进行空调能耗模拟时，每层的空间都按照采暖空间进行设置，室内温度设定为18℃，选择采用散热器采暖系统，夏季室内空调温度设定为 26℃，采用分体式空调系统。城镇住宅建筑空调运行时间通常较为规律，多数居民均需上班，因此工作日客厅空调运行时间设定为18:00～22:00，卧室空调运行时间设定为18:00～08:00；周末客厅及卧室空调均24h开启。厨房和卫生间不设空调。室内人员及设备发热量按照《夏热冬冷地区居住建筑设计节能标准》设定。

2 模拟方案设计

2.1 正交表安排

正交试验设计，是利用规格化的正交表，恰当地设计出试验方案和有效地分析试验结果，提出最优配方和工艺条件，并进而设计出可能更优秀的试验方案的一种科学方法[3]。

研究中与成都地区住宅建筑空调能耗相关的因素有：朝向、北向窗墙面积比、南向窗墙面积比、东向窗墙面积比、西向窗墙面积比、外窗类型、外墙外保温层厚度、南向外窗外遮阳、新风量指标。本文取各因素的水平数为3，因不作方差分析，故不考虑各因素之间的交互作用。试验方案选取9个因素，每个因素3个水平，因此选用L27（39）正交表来安排试验。试验需要进行27次模拟计算。正交试验设计见表1。

表1 空调能耗分析正交表设计（L27(39)）

续表1 空调能耗分析正交表设计（L27(39)）

2.2 模型参数设置

研究中为比较上述设计方案相对于《夏热冬冷地区居住建筑设计节能标准》中所规定的参照建筑空调能耗节能率，特设计方案28作为对比参照。参照建筑物理模型不变，与研究相关的9种因素按照《夏热冬冷地区居住建筑设计节能标准》设定，正交表各因子水平及参照建筑取值见表2[4]。

表2 正交表因子水平取值

3 计算结果与分析

3.1 正交试验设计方案结果分析

正交设计表中的27种工况及参照建筑的建筑空调能耗模拟计算结果如表3所示。

表3 空调能耗模拟结果

采用极差分析方法分析方案1～27，确定影响因素重要程度，并进行影响因素主次排序。极差分析结果见表4。

表4 空调全年能耗结果极差分析

注：表中k*是因素A、B、C、D、E、F、G、H、I的第*水平所在的试验中对应的空调能耗之和。

通过对正交试验设计方案的极差分析发现影响成都地区住宅建筑空调能耗相关因素重要程度排序为：外窗类型>外墙外保温>北向窗墙比>南向窗墙比>西向窗墙比>建筑朝向>东向窗墙比>南向外窗外遮阳>新风指标。

在考虑空调节能措施时，应首要考虑提高建筑外窗及外墙的热工性能，即减小建筑外围护结构传热系数；同时，在建筑设计阶段，应慎重考虑选取合适的窗墙比，在夏热冬冷地区，由于太阳辐射的作用将部分辐射热通过外窗带入室内，尤其是南、北向的外窗，减小窗墙比可以显著降低空调能耗[5]，但是，窗墙比过小又会影响采光，增加照明负荷，因此需要综合考虑这两个因素；研究还发现新风指标对建筑空调能耗影响最小，主要是因为住宅建筑室内人员密度较小且变化不大，只需较小的新风量便可满足人员健康及舒适需求[6]，因此，对于住宅建筑，在空调制冷及采暖季节可以适量引入室外新风以满足人员需求。

3.2 参照建筑对比分析

采用设计建筑原型，将设计建筑各项围护结构的传热系数改为符合设计标准的限值，窗墙比改为符合设计标准的推荐值，通过模拟计算得到建筑空调能耗。根据试验组的空调能耗模拟结果计算各试验节能率，结果同见表3。

可以发现正交设计方案中有14个方案对比参照建筑实现了节能目的，其中节能率达到20%以上的方案有7个，方案3建筑节能率最高，达到36.67%。7个节能率较高方案的建筑外窗因子及外墙外保温因子水平取值均在“2”或“3”。其余7个节能方案节能率较低，其中方案8和9虽然建筑外窗因子及外墙外保温因子水平取值也为“2”或“3”，但是各个方向过大的窗墙比使得建筑即使具有较好的保温隔热性能也无法实现较好的节能效果。

3.3 实现节能65%目标的方案分析

为实现成都市住宅建筑节能65%的目标，需在现有节能基础上继续节能30%。观察表3可以发现，方案2和3的建筑节能率分别为30.44%、36.67%，均达到了节能30%的目标。两方案的共同点是北向、南向窗墙比只有10%，西向不开窗，且使用了镀反射膜玻璃外窗，外墙使用EPS板进行外保温，区别在于方案2为单层玻璃外窗，方案3使用了双层中空玻璃外窗，其中内层为镀反射膜玻璃，且方案3的保温层厚度为70mm，比方案2要厚40mm。

通过分析方案2和3建筑相关设计参数，可以发现成都住宅建筑节能关键在于：使用镀膜玻璃外窗减少以太阳辐射方式进入室内的热量；外墙使用EPS板进行外保温以减少围护结构热损失[7]。虽然两方案节能率均达到30%以上，但南北向建筑窗墙比均只有10%，在实际工程中较难实现。

为进一步定量分析外窗类型和外墙外保温对建筑节能提升效果，设计方案29与参照建筑进行对比。方案29建筑的外窗为镀反射膜双层中空玻璃外窗，外墙保温层厚度为70mm，其余影响因素与参照建筑相同，以《夏热冬冷地区居住建筑设计节能标准》设定。方案能耗计算结果见表5。

表5 空调能耗模拟结果

通过计算可以发现外窗使用镀膜双层中空玻璃，外墙保温层达到70mm只能使得建筑节能率达到28.44%，而且采取两项节能措施后，方案29的空调采暖能耗大幅度降低，但是制冷能耗反而一定程度上略有上升。继续增加保温层厚度或降低外窗传热系数可能最终使得制冷能耗的增加量与采暖能耗的减小量相持平，导致节能措施不再有节能效果，反而增加了建设成本。造成保温层厚度增加制冷能耗随之增加现象的原因是外墙保温层越厚，墙体蓄热性能越好，制冷期间墙体内部蓄热会使得空调能耗增加[8]。所以，外墙保温层厚度不能一味增加，需要结合地区气候特点合理选择。要想进一步有效提升建筑节能效果，在采取上述两项节能措施之余，需考虑其他节能方式。

4 结语

本文通过正交试验法结合建筑空调能耗模拟分析得到影响成都地区住宅建筑空调能耗的相关因素重要程度排序。不同节能方案对建筑节能效果提升不同，在考虑建筑节能措施时，应首先从提高围护结构热工性能出发，尤其是需要降低外窗传热系数及提高外墙保温效果。进一步设计对比方案分析发现外窗使用镀膜中空玻璃，外墙保温层达到70mm只能使得建筑节能率达到28.44%。仅是外窗及外墙采取上述两项节能措施较难实现成都住宅建筑节能65%的目标，还需考虑其他节能措施，如在满足室内通风及采光需求的前提下适当减小窗墙比或选择合适遮阳设施等。

[1] 林海燕,郎四维.建筑节能设计标准中几个问题的说明[J].建筑科技,2007,4(6):58-59.

[2] 高岩,安玉娇,于喜哲,等.住宅使用模式对住宅建筑供暖空调能耗影响的模拟分析[J].建筑科学,2010,26(10): 287-291.

[3] 陈魁.试验设计与分析[M].北京:清华大学出版社,2005: 72-83.

[4] JGJ 134-2010,夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[5] 高波,冯炼,徐彬彬,等.成都住宅建筑空调负荷特性分析[J].制冷与空调,2009,23(6):19-22.

[6] 邢振禧.空气调节技术[M].北京:中国商业出版社,2001: 198-204.

[7] 江亿,林波荣,曾剑龙,等.住宅节能[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.

[8] 阮方,钱晓倩,朱耀台,等.分室间歇用能对墙体内外保温节能效果的影响[J].浙江大学学报,2016,50(1):1-7.

Study on the Energy Conservation Scheme of Achieving65% Goals of Energy Efficiency in Residential Buildings in Chengdu

Zhu Lei Yu Nanyang

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

With the residential building in Chengdu as the object of the research, analyzing the mainly factors of influencing the air conditioning energy consumption including orientations, window-to-wall ratio, window types, wall types and external window shading. In the paper, the orthogonal test design method is used to simulate the building air conditioning energy consumption. Finally, it is found that it is difficult to achieve 65% goals of energy efficiency in residential buildings in Chengdu, if the energy saving measures are coated double glazing glass windows and 70mm EPS board for exterior insulation. It is necessary to take some other energy saving measures.

Air conditioning energy consumption; Orthogonal design; Building energy conservation

1671-6612（2017）06-636-06

TU241.7

B

朱 磊（1992.06-），男，在读硕士研究生，E-mail：905899439@qq.com

余南阳（1961.02-），男，博士，教授，E-mail：rhinos@126.com

2017-04-05