寒冷 B 区的高性能节能建筑能耗计算分析

厉盼盼 朱峰磊 李红 林林

中国建筑科学研究院有限公司

我国的建筑节能工作伴随着改革开放政策 40 年来稳步推进，各地的节能技术路线从原来的无围护结构保温发展到现在的满足国家或者地方节能设计标准要求的节能建筑。严寒和寒冷地区的节能率也从开始的节能率30%、50%、65%、75%的四步节能，向着节能率 80%的第五步节能前进。建筑节能率的提高，代表着建筑整体能耗降低，需要我们在建筑设计时，尽量选用高性能的围护结构材料，高性能的设备及使用可再生能源等节能技术措施来降低建筑的能耗。近些年，许多新的节能建筑概念不断涌现，如绿色建筑、智慧生态建筑、既有建筑节能改造、超低能耗建筑、近零能耗建筑等等，这些新概念的提出，不仅反应了我国对节能减排的重视，也凸显出人们对建筑的居住环境与质量的要求越来越高[1]。

然而在进行超低能耗建筑与高节能率建筑设计时，很多设计师对建筑的设计要点和能耗计算的主要影响因素还处在模糊阶段。本文以寒冷B 区居住建筑为例，通过动态模拟分析软件对住宅类高节能建筑的节能技术体系及能耗计算方法进行研究。并对能耗影响比较大的气象参数、外窗性能、排风热回收技术进行详细计算分析[2]。通过高性能节能建筑的技术措施分析及能耗计算结果的对比，为设计提供参考作用。

1 由气象文件确定供暖空调期

我国幅员辽阔，每个气候区的设计要求都有不同的侧重点，以寒冷 B 区为研究对象，是因为寒冷 B 区的气候特征是冬季寒冷，夏季炎热。在建筑设计时，寒冷B 区不仅应满足保温设计要求，亦要满足隔热设计要求，还应兼顾自然通风、遮阳设计。本文选取了北京、天津、济南、郑州、石家庄五个寒冷 B 区城市的温度及法向太阳直射辐射量对比，气象文件来源于《建筑节能气象参数标准》JGJ/T346-2014[3]。由图1 各城市月平均温度对比图可以看出，寒冷 B 区在冬季 11 月、12月、1 月、2 月、3 月的日平均温度浮动比较大，所以供暖起止时间可以采用这5 个月进行供热计算。夏季的6月、7 月、8 月的日平均温度浮动较小，在 26 日左右，可以采用这 3 个月进行供冷计算。经计算，北京、天津、济南、郑州、石家庄在供暖时间段 11 月 15 日至次年 3月 15 日，供暖时间 2904 h 内的平均温度依次为0.20 ℃、1.38 ℃、2.72 ℃、4.72 ℃、2.65 ℃。北京、天津、济南、郑州、石家庄在供冷时间6 月1 日至8 月31 日，供冷时间2209h 内的平均温度依此为：26.08 ℃、26.61℃、26.18 ℃、26.11 ℃、25.14 ℃。

图1 寒冷B 区各城市月平均温度对比图

太阳辐射也是影响建筑能耗的重要因素之一，进行能耗计算时，太阳辐射占建筑能耗的权重比约为8/16[4]。由图2 可以看出，冬季11 月、12 月、1 月、2 月、3月的日平均水平面太阳总辐射受地理位置的影响，各地的太阳辐射值各不相同。经计算，北京、天津、济南、郑州、石家庄在供暖时间段11 月 15 日至次年 3 月15日，供暖期间日平均水平面太阳总辐射累计值分别为：13 299.07 Wh/m2、12580.44 Wh/m2、13318.19 Wh/m2、13533.51 Wh/m2、13986.85 Wh/m2。北京、天津、济南、郑州、石家庄在供冷时间 6 月 1 日至 8 月 31 日，供冷期间日平均水平面太阳总辐射累计值分别为：488504.9 Wh/m2、489914.9 Wh/m2、471775.0 Wh/m2、458401.9 Wh/m2、473928.3 Wh/m2。根据分析各个城市的温度和太阳辐射，为下面的建筑负荷及能耗计算对比分析打下基础。

图2 寒冷B 区各城市日平均水平面太阳总辐射对比图

2 一次能源消耗计算与分析

2.1 计算原理

建筑逐项逐时的冷热负荷是通过软件内核DOE2.1e 进行动态模拟计算[5]，空间负荷计算包含的各项内容见式（1）：

因为空间负荷（LOAD）计算是在恒定的温度情况下，考虑到室内外通风、设备的运行等因素，有必要对空间负荷（LOAD）进行修正。DOE-2.1e 通过系统负荷（SYSTEM）的计算进行修正。系统负荷计算包含的各项内容见式（2）：

建筑年供暖（供冷）需求计算是从规定的供暖（供冷）起始日期至供暖计算终止日期[6]，具体计算方法见（3）：

式中：Qh是年供暖（供冷）需求，kWh/(m2·a)；t1是供暖（供冷）时间段的起始时间，h；t2是供暖（供冷）时间段的终止时间，h；qi是单位时间内产生的建筑冷热负荷，W；Δt是冷热负荷计算的时间步长，取 1 h。

2.2 计算案例

采用典型的超低能耗建筑进行不同城市的一次能源消耗量的计算。建筑外墙、屋顶的传热系数K值为0.15 W/(m2·K)，外窗的传热系数K 值为1.1 W/(m2·K)，外窗的冬季太阳得热系数 SHGC 为 0.45，夏季为0.30。东西南北四个朝向的朝向窗墙比分别为：0.17、0.17、0.58、0.29，体形系数为0.38，层高为3.15 m。新风系统设置热回收装置，新风-排风热回收的效率为75%。根据《被动式超低能耗绿色建筑技术导则（试行）（居住建筑）》[7]，室内计算温度冬季取 20 ℃，夏季取26 ℃。照明功率密度取值为3 W/m2，除照明外的建筑内部得热取2 W/m2。人员新风量取30 m3/(h·p)。供暖供冷起止日期采用本文选取的时间段，对于新风负荷计算，是扣除从排风中回收的热回收量。各城市的单位面积能耗指标计算结果如表1 所示：

表1 单位面积的建筑能耗指标计算结果

从表 1 的计算结果可以看出，天津市的供冷需求较大，这是因为天津供冷期间日平均温度为 26.61 ℃，五个城市中温度最高，且日平均水平面太阳辐射累计值也是最大。从供暖需求的计算结果可以看出，北京市的供热需求是五个城市最高的，从温度来看，北京市供热期间日平均温度为 0.2 ℃，是五个城市中温度最低，这是热负荷值最大的主要原因。所以在进行超低建筑能耗的指标计算分析时，对城市的气象参数进行详细的分析，更有助于准确地计算出建筑的供冷供热需求及能源消耗情况。

3 围护结构性能对建筑能耗的影响

3.1 系统性热桥

被动式住宅项目要求无热桥设计进行施工的，各类穿过外围护结构的管道，孔洞，包括与室外阳台的连接等都要无热桥设计，可以更好地提升建筑的保温隔热性能。由于梁、柱、板等结构构件穿入保温层而造成保温层减薄或不连续所形成的线性热桥，及由连结保温材料与结构墙的锚栓或是插入保温层的金属连接件等所形成的系统性热桥（图 3、4），对建筑的外墙的传热的影响不可忽视，因此非透明围护结构的传热系数计算值应取其平均传热系数与系统性热桥附加值之和，地方规范提出非透明围护结构的系统性热桥附加值不得小于0.05 W/(m2·K)的要求[8]。采用外墙-内墙的单个节点，材料为 250 mm 厚的钢筋混凝土，导热系数 1.74 W/(m·K)与 250 mm 厚的石墨聚苯板，导热系数为0.03 W/(m·K)，研究无锚栓和有锚栓对节点的传热系数的影响，得出外墙外保温的单个锚栓对系统传热系数增加值为小于等于0.002 W/(m·2K)。

图3 单个外墙-楼板节点考虑了锚栓前的热桥节点图

图4 单个外墙-楼板节点考虑了锚栓后的热桥节点图

3.2 外窗的配置

影响外窗节能性能的另一因素是外窗的玻璃层数。因寒冷B 区的节能设计标准里，有部分地区明确要求采用三层玻璃，但有的地区可以采用双层玻璃。下面对天津市的一个住宅模型，外窗的传热系数为1.5 W/(m2·K)，在遮阳系数为 0.46 和遮阳系数为 0.52的两个工况下，配置不同的玻璃层数进行了计算分析，计算结果如表2 所示。

从表2 可以看出，当外窗传热系数和遮阳系数相同时，外窗的热负荷指标是随着玻璃层数的增加而增加的，而冷负荷是随着玻璃的层数的增加而减少，因冷负荷的降低比例比较大，所以总的负荷指标是随着玻璃的层数增加而降低的。热负荷指标的趋势与总负荷指标的趋势相反，这与软件的外窗选用是K-SC 模型有关。

表2 玻璃层数对建筑负荷指标的影响

K-SC 模型是为了实际工程中，只有传热系数K，及遮阳系数SC 参数时，可以构造出一种热工性能与已知参数相同的窗户。软件通过反推出透光体系的方法，当外窗的 K，SC 相同，对于不同的玻璃层数，会构造出不同的玻璃组合类型和不同的镀膜位置。太阳辐射以不同入射角进入玻璃后，不同的外窗配置类型会有不同的太阳辐射透过量和吸收量。所以高性能的外窗进行建筑能耗计算时因尽量参考标准体系给出的合理的外窗类型，确定外窗玻璃层数及其他热工参数，可以准确地计算出高性能节能建筑的建筑能耗。

3.3 外窗设置活动外遮阳

在夏季使用活动外遮阳构件，根据太阳高度角自动调节叶片角度，可以遮挡全部的太阳直射辐射。在其他季节，可以通过自动调整叶片角度，让全部太阳直射辐射进入太阳室内，满足采光和减少供热量的需要，在夏热冬冷地区，采用活动外遮阳能够对居住建筑节能率的贡献能达到20%左右[9]。因在寒冷 B 区与夏热冬冷地区的气候有相似之处，且对高性能节能建筑，北京的 80%节能标准就对建筑遮阳提出了“东、西向主要房间的外窗（不包括封闭式阳台的透明部分）应设置展开或关闭后可以全部遮蔽窗户的活动外遮阳或中置遮阳”的强制性条文要求。图 5 为对北京市和天津市两个地区采用固定遮阳和采用活动遮阳的能耗计算结果对比。

图5 固定遮阳与活动遮阳的能耗对比

图5 所示结果可以得出，北京地区，该建筑采用活动外遮阳的单位面积能耗比采用固定遮阳降低 9%，天津地区单位面积能耗降低8%左右。

4 结论

1）本文通过动态模拟软件，对 5 个寒冷B 区的城市进行一次能源消耗计算，得出了因为温度和太阳辐射的影响，天津市供冷需求最大，北京市的供热需求最大，所以在进行能耗指标计算分析时，可以对每个城市的气象条件进行详细的研究与分析。

2）热桥和外窗的性能对建筑的能耗影响较大，本文由模拟分析结果得出，外墙外保温的单个锚栓对系统传热系数增加值为小于等于0.002 W/(m2·K)。

3）外窗的传热系数和遮阳系数为固定值时，不同的玻璃层数，建筑的供暖负荷趋势与总负荷趋势相反。所以对于高性能节能建筑的外窗配置，需要明确外窗的玻璃层数，计算时正确填写窗户的热工性能参数。

4）本文对外窗采用活动外遮阳进行了分析，北京地区采用活动外遮阳的单位面积能耗比采用固定遮阳降低9%，天津地区单位面积能耗降低8%左右。