基于建筑能耗的合肥地区金属外遮阳研究

曹 稳,陈丽华,张琴义,吴伟东

(1.安徽科技学院 建筑学院，安徽 蚌埠 233100；2.合肥工业大学 建筑与艺术学院，安徽 合肥 230009；3.安徽科技学院 管理学院，安徽 蚌埠 233100)

随着生活质量的提高，人们对室内热舒适度有了更高的要求，建筑空调和供暖的耗能也越来越大。政府对建筑的节能问题越来越重视，节能设计已成为建筑设计中的必须环节[1]。建筑遮阳可以有效遮挡太阳辐射热，降低室内温度，减少空调耗电量[2]。因此，合理设置外遮阳可以有效节约建筑能耗，尤其是在中高纬度区其已成为建筑节能的关键措施[3]。

目前，外遮阳的建筑节能作用日益受到人们的重视，已有学者进行研究。如董凯[4]等以杭州为例，对居住建筑水平式外遮阳节能效果进行了研究；李运江[5]等以武汉为例，研究了南向遮阳与建筑能耗之间的关系；肖先波[6]等以上海和湖州为例，对水平式遮阳板深度与建筑能耗间关系进行了研究；李雪[7]等以长沙为例，对传统的遮阳系统的综合能效进行了研究。向俊米[8]等以长沙为例，研究了居住建筑外遮阳的最优组合方案。

现有建筑遮阳能耗的研究大多以居住建筑为研究对象，很少研究公共建筑。然而，公共建筑运行能耗是社会总能耗的重要组成部分，故对其节能的研究具有重要意义。另外，合肥作为中部重要城市，很少有学者对该地区外遮阳的建筑节能进行研究。因此，以合肥地区公建为例，选择该地区常用的水平式、垂直式和综合式三种固定式外遮阳进行研究[9]。通过对建筑遮阳板尺寸和设置朝向分别对比分析，总结该地区外遮阳与建筑能耗间的关系。

1 模型信息

为便于研究，首先建立一个建筑模型如图1所示。并以此为载体进行建筑能耗模拟计算。对计算模型做简化处理，使各朝向的开窗和窗墙比均相等。建筑模型信息如下：地址位于合肥(东经116°41′～117°58′，北纬30°57′～32°32′)，边长为36 m的方形平面，三层框架结构，柱网为6 m×6 m，层高4.20 m，总建筑面积3 684.47 m2，建筑表面积为3 596.93 m2，建筑体积为14 839.37 m3，外窗尺寸为4.8 m(宽)×2.7 m(高)。

图1 建筑模型平面

模型主要外围护结构的具体构造做法如下(从内到外)：

(1)外墙：20 mm厚水泥砂浆+20 mm厚石墨模塑聚苯板保温层+200 mm厚煤矸石多孔砖+30 mm厚石墨模塑聚苯板保温层+20 mm厚水泥砂浆，传热系数0.64 W/m2K。

(2)屋面：20 mm厚水泥砂浆+100 mm厚钢筋混凝土+最薄30 mm厚轻集料混凝土找坡+80 mm厚石墨模塑聚苯板保温层+20 mm厚水泥砂浆+5 mm厚SBS改性沥青防水卷材+20 mm厚水泥砂浆，传热系数0.44 W/m2K。

(3)外窗：6 mm+12A+6 mm系列Low-E塑框中空玻璃窗，传热系数2.00 W/m2K。

不同形式的外遮阳构造方式不同，模拟计算时其参数设置也不尽相同。为了使不同类型外遮阳的节能数据具有可比性，在能耗计算时将外遮阳材质设为金属，遮阳板与墙身角度统一设为90°，遮阳板距窗边均设为100 mm。在研究遮阳板尺寸与建筑能耗间关系时仅分析主要构造参数，包括水平式、垂直式、综合式遮阳板的深度。

2 模拟计算与分析

研究中能耗模拟计算主要采用PKPM节能软件，该软件已广泛应用于全国多省市，已成为建筑节能设计的重要工具。对设置不同类型金属遮阳板的建筑进行能耗值模拟计算后，主要采用以下2种方法对比分析：

(1)将设置不同类型外遮阳建筑的空调能耗、供暖能耗及总能耗值列入同一表中，进行直观对比。

(2)以无外遮阳为参照，运用公式计算出不同类型外遮阳建筑的空调节能量、供暖增能量和总节能量，并绘出合适的分析图，以便于深入对比分析。

建筑节能计算主要依据是文献[10]，此文献是以合肥地区的具体气候环境为编制依据，具有更加严格的节能指标。我国建筑节能标准规定建筑全年能耗值包括夏季空调和冬季供暖耗两部分，其计算公式[11]：

E=EC+EH,

(1)

式中,E为全年供暖和空调总耗电量(kW·h/m2)；EC为全年空调耗电量(kW·h/m2)；EH为全年供暖耗电量(kW·h/m2)。

为了更直观地对比设置不同类型外遮阳的建筑节能效果，文中采用全年总节能量作为分析指标。此处的总节能量指建筑有外遮阳比无外遮阳时全年节约的总能耗，其计算公式如式(2)所示：

WJ=W-WZ,

(2)

式中,WJ为全年总节能量(kW·h/m2)；W为无外遮阳全年总耗电量(kW·h/m2)；WZ为设外遮阳全年总耗电量(kW·h/m2)。

建筑外遮阳通过阻止过多的太阳辐射热进入室内以减少夏季空调的能耗来达到节能的目的，与此同时也会增加建筑冬季供暖的能耗。因此，为了更深入地分析外遮阳对建筑能耗的影响，除了选择建筑总节能量外还选取建筑空调节能量和供暖增能量作为分析指标，此两种指标也是以无外遮阳建筑为参照，具体计算参照式(2)。

2.1 不同尺寸对比分析

合肥地区位于夏热冬冷气候区，外遮阳设于西向不仅有利于建筑的节能，还可改善室内热环境[12]。故在研究遮阳板尺寸与能耗之间关系时，为了便于对比分析，将外遮阳设置朝向定为西向。通过计算可得设置不同尺寸外遮阳建筑的全年能耗值如表1所示。

由表1可知，设置外遮阳的建筑空调能耗小于无外遮阳建筑，而供暖能耗要大于无外遮阳建筑，即设置外遮阳有利于建筑夏季空调能耗的节约，对建筑冬季供暖能耗不利。另外，设置不同尺寸外遮阳的建筑总能耗均小于无外遮阳的建筑总能耗，即在合肥地区设置金属外遮阳有利于建筑节能。然而，设置不同尺寸外遮阳的建筑节能效果不尽相同，对此仍需进一步研究。表1结合式(1)、式(2)分析可得设置不同尺寸外遮阳的建筑空调节能量、供暖增能量及总节能量三个指标。为了对比研究，将各形式外遮阳的上述三个指标分别绘制成线状图，如图2、图3、图4所示。

由图2、图3、图4可知，随着遮阳板尺寸的增加，建筑空调节能量和供暖增能量在增大。由于空调节能量的增幅大于供暖增能量的增幅，故建筑的总节能量在不断增加。因此，外遮阳尺寸越大越有利于建筑空调节能和建筑总节能，却对建筑供暖能耗不利。进一步分析不同形式外遮阳的能耗变化线状图可以发现，随遮阳板尺寸的增加，水平式和综合式遮阳建筑的空调节能量、供暖增能量及总节能量线状图斜率在变小，而斜率变小说明变化效率降低，即随着遮阳板尺寸的增大,建筑的空调节能效率、供暖增能效率和建筑总节能效率均不断降低。垂直式外遮阳的能耗变化图基本为直线状，说明其能耗的变化效率基本不变。另外，不同遮阳形式间对比可知，综合式外遮阳的总节能量最大，之后依次是水平式、垂直式。

表1 不同尺寸金属外遮阳建筑全年空调和供暖能耗值(kW·h)

图2 不同尺寸外遮阳建筑空调节能量 图3 不同尺寸外遮阳建筑供暖增能量

2.2 不同朝向对比分析

国家规范[13]规定：建筑物的东向、西向和南向外窗应采取遮阳措施，在北回归线以南的地区必要时对北向外窗进行遮阳设置。合肥地区处于北回归线以北，因此在研究外遮阳设置朝向与建筑能耗之间关系时，仅选东、西、南三个方向进行对比。为了使能耗数据具有对比性，在计算时将外遮阳板的构造尺寸均设定为1.0 m。经计算可以得出不同朝向外遮阳的建筑能耗状况如表2所示。

表2 不同朝向金属外遮阳建筑全年空调和供暖能耗值(kW·h)

结合式(1)、式(2)对表2分析可得各遮阳形式下不同朝向外遮阳的建筑能耗状况，如图5～图13所示。下面对水平式、垂直式、综合式外遮阳分别进行分析。

将水平式外遮阳设于各方向时的建筑空调、供暖及总能耗状况与无外遮阳的建筑能耗值进行对比后，可得图5～图7。由图5～图7可知水平式外遮阳设于不同朝向的能耗状况：外遮阳设于东向时建筑夏季空调节能量最大，为1 502.00 kW·h，设于南向时空调节能量最小，为1 200.80 kW·h；外遮阳设于西向时建筑冬季供暖增能量最小，为574.37 kW·h，设于南向时供暖增能量最大，为897.66 kW·h；不同朝向设置外遮阳的建筑总节能量由大到小依次为东向、西向、南向。

图4 不同尺寸外遮阳建筑总节能量 图5 水平式外遮阳建筑空调节能量

图6 水平式外遮阳建筑供暖增能量图7 水平式外遮阳建筑总节能量

垂直式外遮阳设于各方向时的建筑空调、供暖及总能耗状况与无外遮阳的建筑能耗值进行对比后，可得图8～图10。由图8～图10可知，垂直式外遮阳建筑的空调节能量不同于水平式，外遮阳设于南向时建筑夏季空调节能量最大，设于西向时空调节能量最小。垂直式外遮阳建筑的供暖增能量和建筑总节能量总体的变化规律与水平式相同。

将综合式外遮阳设于各方向时的建筑空调、供暖及总能耗状况与无外遮阳的建筑能耗值进行对比后，可得图11～图13。由图11～图13可知不同朝向设置综合式外遮阳建筑的能耗状况：建筑空调节能量由大到小依次为东向、西向、南向；建筑供暖增能量由小到大依次为西向、东向、南向；建筑总节能量由大到小依次为东向、西向、南向。综合式外遮阳建筑能耗的整体变化规律与水平式基本相同。

图8 垂直式外遮阳建筑空调节能量图9 垂直式外遮阳建筑供暖增能量

图10 垂直式外遮阳建筑总节能量 图11 综合式外遮阳建筑空调节能量

图12 综合式外遮阳建筑供暖增能量图13 综合式外遮阳建筑总节能量

综合对比不同形式外遮阳的建筑能耗变化规律可以发现，水平式与综合式外遮阳设于东向时建筑的空调节能量最大，而垂直式外遮阳设于南向时空调节能量最大。各形式外遮阳设于南向时建筑供暖增能量最大。不同朝向设置外遮阳建筑的总能耗变化规律均相同，总节能量由大到小依次为东向、西向和南向。综合式外遮阳的节能效果要优于水平式和垂直式。

3 结论

研究利用PKPM节能软件对合肥地区设置金属外遮阳的建筑进行能耗计算。从遮阳板尺寸和设置朝向两个方面对比分析不同类型外遮阳的建筑空调、供暖及总能耗状况，最终得出以下结论：总体而言，金属外遮阳板尺寸越大，建筑节能效果越好；外遮阳板尺寸的增大有利于节约建筑夏季空调能耗，当外遮阳板为2.7 m时，空调节能量最大，分别为：水平式2 589.60 kW·h，垂直式1 334.80 kW·h，综合式3 352.80 kW·h；外遮阳板尺寸的增大对建筑冬季供暖能耗不利。随着外遮阳板尺寸的增大，水平式和综合式外遮阳的建筑节能效率不断降低。合肥地区金属外遮阳设于东向时最有利于建筑总能耗的节约，之后依次为西向、南向；水平式和综合式外遮阳设于东向时最有利于建筑空调的节能；各形式外遮阳设于南向时最不利于建筑供暖的节能。综合分析，合肥地区设置综合式外遮阳的建筑节能效果最好，之后依次是水平式、垂直式。研究从建筑能耗的角度对合肥地区金属外遮阳进行了研究，为该地区建筑外遮阳的理论研究与设计提供一定的参考。外遮阳在影响建筑能耗的同时，对通风采光也有影响[14]，笔者将对此做进一步的研究。