围合式公共建筑围护结构的节能特点和节能潜力分析*

刘宏成， 吴金贵， 肖 坚， 朱宏泰

(湖南大学 建筑学院， 长沙 410082)

目前，我国建筑能耗约占社会总能耗的28%[1].公共建筑占建筑总量的17%，但其能耗却占建筑业总能耗的38%～40%[2].2016年公共建筑单位面积耗电强度约为62.74 (kW·h)/m2，是其他类型建筑能耗强度的2.5～3.5倍，且保持增长趋势[3].多年来，我国关于公共建筑围护结构的节能研究取得显著成果.卢凌寰等[4]对夏热冬暖地区既有建筑围护结构进行节能改造技术研究；张欢等[5]对寒冷地区办公建筑的节能潜力进行研究，得出围护结构的节能排序；李颖[6]对夏热冬冷地区学校建筑进行节能设计研究，得出具体的围护结构节能措施；顾文等[7]调研各气候区酒店的能耗现状；张洋等[8]对严寒地区建筑能耗的构成特点进行研究；王宏伟等[9]对严寒地区教学楼围护结构进行节能改造分析，得出不同节能优选方案.虽然以上研究成果显著，但未对不同气候区不同公建的节能特点和节能潜力进行对比分析.

围合式建筑形式简洁大方，可适用于各种公共建筑，在国内被广泛运用，具有典型性.本文研究方案是选取一栋典型的围合式建筑作为研究对象，以哈尔滨、北京、长沙、广州、昆明分别作为五个气候区的代表城市，通过EnergyPlus能耗模拟软件，根据标准规范设定围护结构热工参数，模拟出基准建筑和设计建筑的能耗.通过能耗模拟分析研究办公、学校、酒店三种公建的围护结构在各代表城市的节能特点和节能潜力.

1 模型建立及参数设置

1.1 基准建筑模型建立

建筑共5层，层高为3.6 m，总面积为7 126.3 m2，体型系数为0.37，窗墙比东西向为0.25，南北向为0.37.各城市外墙用不同厚度的普通实心砖加

20 mm厚水泥砂浆内外抹灰，哈尔滨地区外墙厚490 mm，传热系数K=1.22 W/(m2·K)，北京地区外墙厚370 mm，K=1.50 W/(m2·K)；其余城市外墙厚均为240 mm，K=2.01 W/(m2·K)；屋面均为120 mm厚钢筋混凝土加20 mm厚水泥砂浆内外抹灰，K=3.96 W/(m2·K)；外窗均为3 mm白色单层玻璃普通铝合金窗，K=6.4 W/(m2·K).基准建筑的平面布局和模拟模型如图1所示.

1.2 内扰参数设置

建筑照明、电器设备、人员密度等均按照《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2015)[10]和《建筑照明设计标准》(GB50034-2013)[11]规定设置，参数设定如表1所示.

基准建筑和设计建筑的采暖空调能效一致，在哈尔滨和北京地区冬季用燃气供暖，能效比为0.86.夏季用分体空调，能效比为3.2.其余城市均采用分体空调，夏季空调能效比为3.2，冬季采暖能效比为2.4.不同公建类型的人均新风量均为30 m3/h，室内温度、采暖空调运行时间控制等具体参数如表2所示.

表2 空调系统及室内环境参数设定Tab.2 Air conditioning system and indoor environment parameter settings

基准建筑外窗气密性等级取4级，设计建筑根据《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》(GB/T 7106-2008)[12]规定取6级.在基准建筑基础上，设计建筑围护结构热工性能根据文献[10]要求设定，具体如表3所示.

2 围护结构节能特点分析

我国南北方气候差异悬殊，导致建筑节能特点具有一定差异性.经研究比较，学校和酒店建筑与办公建筑围护结构节能特点基本相似.以办公建筑为例，分析其围护结构在以上各城市的节能特点.为了直观反映围护结构采取某项节能措施时在各城市的节能变化特点，定义能耗比值分别为

表3 不同气候区围护结构热工性能指标Tab.3 Thermal performance indicators of enclosure structures in different climate zones

(1)

(2)

(3)

式中：Qq，w为外墙采取节能措施时设计建筑的采暖空调总能耗；Q′q，w为基准建筑采暖空调总能耗；Qq，w，h为外墙采取节能措施时设计建筑采暖能耗；Q′q，w，h为基准建筑采暖能耗；Qq，w，c为外墙采取节能措施时设计建筑的空调能耗；Q′q，w，c为基准建筑空调能耗.上述公式分别反映设计建筑采取外墙节能措施时在冬季、夏季和全年的节能特点，该值越小于1越节能，越大于1越不节能.外窗和屋面的节能特点研究参照外墙做法.外窗和屋面节能措施的采暖能耗比值分别为ωq，g，h、ωq，r，h，空调能耗比值分别为ωq，g，c、ωq，r，c，采暖空调总能耗比值分别为ωq，g、ωq，r.它们在各城市的变化特性曲线如图2～4所示.

图2 办公建筑外墙保温在各城市的节能特点Fig.2 Energy-saving characteristics of exterior wall insulation of office buildings in different cities

图3 办公建筑外窗保温在各城市的节能特点Fig.3 Energy-saving characteristics of outer windows insulation of office buildings in different cities

图4 办公建筑屋面保温在各城市的节能特点Fig.4 Energy-saving characteristics of roof insulation of office buildings in different cities

由图2可知，冬季外墙保温在各城市ωq，w，h均小于1，表示外墙保温在各城市均有节能效果，且越往哈尔滨地区ωq，w，h越小，节能效果越好.分析可知，由于外墙传热系数的减小，冬季室内散热减少而有效降低采暖负荷.采暖期越长，冬季室内外温差越大的地区，外墙保温对于冬季的节能效果越明显.

夏季外墙保温在各城市ωq，w，c均大于1，且越往哈尔滨地区ωq，w，c越大，表示在以上城市的夏季，外墙保温均不节能，反而出现“保温反节能”现象.刘方舟等[13]研究出在温州地区办公建筑的围护结构保温性能超出某限值时，提高保温性能空调总能耗不减反增；阮方等[14]研究出间歇式用能的建筑外墙保温在夏季制冷时存在“反节能”现象；程飞等[15]得出在长沙地区也有同样的结果.

针对此现象，本文展开进一步研究，以广州为例，在7月1～31日内，通过软件模拟计算得出，墙体加保温前，日间室内通过外墙得热量为6 786.8 kW·h，夜间散热量为6 077.2 kW·h.加保温后，日间室内通过外墙得热量为6 339.4 kW·h，夜间散热量为5 022.6 kW·h.加保温后，日间室内得热量减少447.4 kW·h，而夜间散热量减少1 054.6 kW·h.这表明外墙保温后，日间通过外墙的得热减少量小于夜间散热减少量，从而增加空调能耗.综合全年来看，外墙保温除了广州地区，其他城市节能效果较好，且采暖期越长的地区效果越好.

由图3可知，提高外窗热工性能，冬季在各城市ωq，g，h均小于1，且越往哈尔滨地区ωq，g，h越小，节能效果越好.分析可知，外窗是建筑节能最薄弱的部位.当K值减小，气密性提高，冬季能有效阻挡室内散热和冷风渗透而减少热损失，降低采暖能耗.采暖期越长，冬季室内外温差越大的地区，提高外窗热工性能在冬季的节能效果越明显.

夏季在各城市ωq，g，c均小于1，越往广州地区ωq，g，c越小，节能效果越好，在广州地区，夏季节能效果好于冬季.根据文献[10]分析可知，越往广州地区，SHGC越小.当提高外窗性能时，外窗的K值和SHGC系数减小，能有效减少夏季太阳辐射得热而降低空调负荷.广州地区冬季采暖能耗占比很小，夏季由K值减小带来的节能效果不如因SHGC的减小而减少太阳辐射得热所降低的冷负荷的节能效果好.综合全年来看，无论冬季和夏季，提高外窗性能，其节能效果都较好.

由图4可知，冬季屋面保温在各城市ωq，r，h均小于1，表明在各城市均有节能效果.分析可知，屋面热阻增大，能有效减少冬季顶层室内热损失，降低采暖负荷.夏季在各城市ωq，r，c小于1，且各气候区差别不大，表明屋面保温在夏季的节能效果甚微.

分析可知，在夏季日间，屋面的单位面积受到太阳辐射强度较大，但屋面占建筑表面积比例较小，夜间散热量小于日间得热量.当屋面热阻增大时，日间通过屋面减少的传热量大于夜间减少的散热量，但两者相差较小.综合全年来看，提高屋面保温，在各城市具有一定的节能效果，但节能效果有限.

3 不同公共建筑的节能潜力分析

各类公共建筑因功能不同，人员使用情况、室内热源及采暖空调等使用情况不同，造成各自冷热负荷特征各异，因此，围护结构节能潜力也不同.为了直观反映不同地区提高外墙热工性能的节能潜力，引入公式

(4)

式中：εw为提高外墙热工性能的节能潜力；Q′q为基准建筑采暖空调总能耗，能耗单位均为kW·h.提高屋面和外窗热工性能的节能潜力公式参照外墙做法.屋面和外窗的节能效果分别为εr和εg.各城市三类公建的围护结构节能情况如图5～7所示.

图5 办公建筑在不同城市节能效果Fig.5 Energy-saving effect of office buildings in different cities

图6 学校建筑在不同城市节能效果Fig.6 Energy-saving effect of school buildings in different cities

图7 酒店建筑在不同城市节能效果Fig.7 Energy-saving effect of hotel buildings in different cities

由图5可知，办公建筑在哈尔滨地区，外墙εw为15.4%、外窗εg为14.5%，屋面εr为6.3%，节能潜力表现为外墙>外窗>屋面.北京和长沙地区，外墙εw分别为9.1%和4.4%，外窗εg分别为12.9%和10.7%，屋面εr分别为5.6%和3.1%，节能潜力表现为外窗>外墙>屋面.在广州和昆明地区，外墙εw分别为0.1%和3.8%，外窗εg分别为7.2%和9.8%，屋面εr分别为1.4%和4.8%.屋面的节能潜力好于外墙，表现为外窗>屋面>外墙.

由图6可知，学校建筑在哈尔滨地区，围护结构的节能率分别为外墙14.2%、外窗13.8%及屋面6.0%，节能潜力表现为外墙>外窗>屋面.北京和长沙地区，外墙εw分别为9.2%和7.3%，外窗εg分别为12.1%和9.4%，屋面εr分别为5.6%和3.9%，节能潜力表现为外窗>外墙>屋面.在广州和昆明地区，外墙εw分别为0.3%和3.7%，外窗εg分别为4.4%和10.3%，屋面εr分别为1.0%和5.8%.屋面节能潜力好于外墙，表现为外窗>屋面>外墙.

由图7可知，酒店建筑在哈尔滨地区，各围护结构节能率ε分别为外墙19.4%、外窗18.5%、屋面9.8%，节能潜力表现为外墙>外窗>屋面.在北京和长沙地区，外墙εw分别为14.5%和10.0%，外窗εg分别为17.3%和15.5%，屋面εr分别为8.2%和5.5%，节能潜力表现为外窗>外墙>屋面.在广州地区，外墙εw、外窗εg和屋面εr分别为2.7%、12.2%和3.9%，节能潜力表现为外窗>屋面>外墙.在昆明地区，外墙εw、外窗εg和屋面εr分别为4.1%、13.8%和3.1%，节能潜力表现为外窗>外墙>屋面.

综上得出三类公共建筑在各代表城市中的节能潜力排序，以①代表外墙，②代表外窗，③代表屋面，结果如表4所示.

表4 三类公共建筑在各城市中节能排序Tab.4 Energy-saving ranking of three types of public buildings in different cities

在哈尔滨地区，节能潜力表现为外墙>外窗>屋面，外窗和外墙基本接近，远好于屋面.分析可知，外窗传热面积小于外墙，但冬季通过外窗导热传热量和冷空气渗透换热量较大，提高外窗的热工性能后便能取得与外墙接近的节能效果.而外墙传热面积大于屋面，散热损失大，因此，提升保温性能后节能效果优于屋面.

在北京和长沙地区，外窗节能效果好于外墙，表现为外窗>外墙>屋面.基于前文的研究可知，外墙保温在夏季会增加空调能耗，而提高外窗热工性能，冬季和夏季均能降低建筑能耗，因此，外窗的节能效果逐渐好于外墙.同理，外墙保温在夏季增加的空调能耗会抵消一部分冬季保温效果，而屋面因传热面积较小，对建筑全年节能效果影响有限，因此，外墙的节能效果逐渐与屋面接近.

在广州和昆明地区，外墙节能潜力不如屋面，表现为外窗>屋面>外墙，酒店建筑在昆明地区外墙节能效果好于屋面.分析可知，夏季外墙单位面积实际受到太阳辐射量小于屋面，导致外墙热流强度小于屋面，提升保温隔热性能后，外墙对节能措施的敏感度小于屋面，节能效果差于屋面.

4 结 论

本文以一栋典型的围合式公共建筑为研究对象，按照相关标准规范设置各项参数，运用Design Builder进行模拟，在此条件下得出以下结论：

1) 外墙保温，夏季在各城市出现反节能现象.冬季在各城市均有较好的节能效果.全年来看，外墙保温除了广州，其他城市节能效果较好，且采暖期越长的地区效果越好.

2) 提高外窗热工性能，冬季和夏季都具有节能作用.除了广州地区，其他城市节能效果冬季好于夏季.且空调期越长的地区夏季节能效果越好，采暖期越长的地区冬季节能效果越好.

3) 屋面保温对建筑节能作用不大，节能效果主要体现在冬季，在夏季节能效果甚微.

4) 办公和学校建筑在哈尔滨地区节能潜力为外墙>外窗>屋面.在北京和长沙地区节能潜力为外窗>外墙>屋面.在广州和昆明地区节能潜力为外窗>屋面>外墙.

5) 酒店建筑哈尔滨、北京和长沙地区围护结构节能优选同办公和学校建筑.但在广州地区节能潜力为外窗>屋面>外墙.在昆明地区节能潜力为外窗>外墙>屋面.

本文研究成果具有一定参考意义.由于选取的是典型代表城市，而每个气候区不同城市气候条件又有小差异，因此，在工程项目中应视具体情况具体分析.