夏热冬冷地区公共建筑低能耗设计策略研究

李晶磊

（中铁第五勘察设计院集团有限公司常州分院）

0 引言

能源短缺问题不仅是时代性的难题，也是人类共同面对的挑战，利用可再生能源和节约资源成为缓解能源短缺问题的有效途径之一[1]。在我国，城镇化进程的加剧使得人口大量向城市集聚，为解决市民的居住、娱乐、教育和商业等，修建了大量的建筑物，这些建筑为了提供舒适的居住环境，在运行的过程中消耗了大量的能量应用于建筑中的通风空调系统、照明电力系统等。公共建筑作为人口流量大、人员活动密集的场所，其能源消耗比普通的住宅建筑高约30%～50%，成为建筑节能设计的重点研究对象[2]。夏热冬冷地区的公共建筑节能面临着更多的能源消耗问题，通过对夏热冬冷地区公共建筑类项目案例的研究，结合主被动低能耗设计策略，以及可再生能源的利用，进一步挖掘公共建筑节能潜力，营造绿色低碳、舒适健康的建筑活动空间。

1 工程概况

某图书馆建筑位于华中地区城市中心，建筑面积为25020m2，平面形状大致为矩形，立面较为规整，根据不同的功能的采光需求，开窗面积有所区别。图书馆共有5 层，馆内设置有4 个阅览书库、4 个典藏书库和3 个电子预览室，还具备多功能报告厅、多媒体培训教室和研讨室等多种形式的信息共享空间。图书馆建筑设计了空调系统、通风系统、监控系统、不间断供电系统、VPN系统和环境监测系统等。图书馆所在区域具有典型的夏季高温、冬季湿冷的典型特征。全年月平均气温（干球温度）呈现典型的抛物线特征，7 月份年月平均气温为全年的极大值，为30℃；11 月份至次年3 月份的月平均气温小于15℃，1 月份年月平均气温为全年的极小值，为5℃；1～11月份月平均相对湿度较为80%，12月份月平均相对湿度为60%；全年月平均太阳总辐射也呈现典型的抛物线特征，7 月份月平均太阳总辐射为全年的极大值，为550MJ/m2；11 月份至次年2 月份的月平均太阳总辐射小于300MJ/m2，1 月份月平均太阳总辐射为全年的极小值，为200℃。

2 低碳公共建筑主动设计策略

公共建筑的热消耗是以人体的热舒适为根本，在综合评价公共建筑室内热环境的舒适度方面，预测平均热感觉指标PMV 是最为重要的评价指标之一。公共建筑冬季和夏季的热环境参数中，能对预测平均热感觉指标PMV 产生最为显著影响的指标有2 个，分别是公共建筑内空气温度和平均辐射温度。因此在室内热环境参数的综合调节中，控制这2 个指标参数是对降低公共建筑能源消耗的关键。本研究以图书馆内预测平均热感觉指标PMV 为控制目标，分析夏季和冬季室内平均辐射温度与室内空气设定温度的相互关系，夏季馆内相对湿度控制为56%，冬季馆内相对湿度控制为52%，得到分析结果如表1所示。

表1 公共建筑夏季和冬季室内平均辐射温度对室内空气设定温度的影响

以人体热舒适度的角度出发，分别从主动式和被动式两种方式来给出公共建筑低能耗设计策略。在公共建筑低能耗设计中，主要有建筑低能耗主动式设计和建筑低能耗被动式设计两种方式[3]。

项目建筑低能耗主动式设计策略主要采取的是通过优化空调系统能效比的方式，可以参考《房间空气调节器能效限定值和能源效率级别》[4]。表2 为不同能效比对建筑能耗的影响。从表2 中可以，在夏季，当空调系统效能比固定的情况下，随着室内空气温度的升高，空调能耗呈明显下降趋势，且当室内空气温度不变，当空调系统能效比进行优化提升后，空调的能耗也呈明显下降趋势；在冬季，当空调系统效能比固定的情况下，随着室内空气温度的降低，空调能耗呈明显下降趋势，且当室内空气温度不变，当空调系统能效比进行优化提升后，空调的能耗也呈明显下降趋势。

表2 公共建筑夏季和冬季设备系统能效比对室内空气温度的设计策略

3 低碳公共建筑动设计策略

项目建筑低能耗被动式设计策略主要以优化建筑围护结构，优化建筑外立面遮阳，以及利用可再生能源这三个方式来综合设计的。

策略一：通过优化建筑围护结构来合理降低建筑能耗。

表3 为不同围护结构热工性能对建筑能耗的影响。从表3 中可以，在同一围护结构等级下，随着室内空气温度的增加，夏季空调能耗呈近线性降低，随着围护结构等级的增加，夏季空调能耗也逐步降低；在同一围护结构等级下，随着室内空气温度的降低，冬季采暖能耗呈近线性降低，随着围护结构等级的增加，冬季采暖能耗也逐步降低。

表3 公共建筑夏季和冬季围护结构对室内空气温度的设计策略

策略二：优化外立面遮阳来降低能耗。

考虑夏季针对图书馆中不同功能的房间，选用的遮阳方式也有所区别[5]。阅览室以及报告厅等功能，为了保证良好的采光，在立面上需要使用大面积的玻璃，那么能耗久相对较高。在夏季，需要有效的隔热，为了有效的降低房间内部的辐射温度，在这些功能房间的南侧立面可以采用水平外遮阳的方式，有效遮蔽夏季高太阳高度角的直射阳光，在西侧可以采用垂直的遮阳方式，有效遮蔽低太阳高度角的西晒时的直射阳光，能效的降低室内辐射温度；而在冬季房间需要有足够的采暖时，太阳高度角也较低，阳光可以直接从遮阳板下方直接射入房间，提高房间热辐射温度。因此，通过合理的遮阳板的优化设计，夏季减少直射阳光，降低室内辐射温度，冬季不影降直射阳光，提高室内辐射温度，可以有效达到低降能耗的效果。

策略三：可再生能源的利用。

图书馆在地下50m 范围内埋设了冷热棒作为室内人环境调节系统，用以调节室内冬夏季节的室内温度，为研究图书馆建筑物的能耗效果，对室外环境温度和室内温度进行监测，夏季监测时间为7 月21 日～7 月26日，冬季监测时间为3 月4 日～3 月8 日，如图1、图2 所示。夏季观测期间室外环境温度呈现规律性的波动，其极端高温为35℃，由于7 月23 日存在大气降雨，因此温度相对较低且变化较为平稳，最低温也为25℃，白天室外太阳辐射强度也呈现规律性的波动，极端太阳辐射强度为800W/m2；冬季观测期间室外环境温度呈现规律性的波动，其极端高温为12.2℃，出现在3 月7 日，对应的极端太阳辐射强度为700W/m2。

图1 图书馆夏季太阳辐射和室外温度测量结果

图2 图书馆冬季太阳辐射和室外温度测量结果

图3、图4 分别为图书馆内夏季和冬季的风机盘管出口、风机盘管进口、送风口和室内温度监测变化情况。从图3 中可以看出室内温度受到环境温度的影响呈现起伏变化，但每日的室内气温变化相对较小，不超过1.5℃。风机盘管进出水温度与室内送风温度的变化规律大致相同，进水温度基本控制在24℃～26℃，进出水温度差与室内环境调节系统的开启时间有关，时间越长，其温差逐步减小。从图4 中可以看出室内温度受到环境温度的影响变化幅度较大，温度的变化范围为10.5℃～16.5℃，风机盘管进出水温度与室内送风温度的变化规律基本一致，进水温度基本控制在16.2℃～17.2℃，送风温度基本控制在15.4℃～16.5℃，起到了良好的室内温度调节作用。

图3 夏季室内热环境变化特征

图4 冬季室内热环境变化特征

4 结论

以华中地区某博物馆为研究对象，基于主动式设计方法和被动式设计方法对低能耗公共建筑的设计策略进行研究，得到以下几个结论：

⑴在同一夏季空调系统能效比条件下，如果夏季室内通风效果较好，冬季热辐射足够，人体平均热感指标平稳，那么夏季室内空气温度设定可以略高，冬季室内空气温度设定可以略低，从而降低能耗；在同一室内空气温度设定，人体平均热感指标平稳，增加空调能好效能比，能耗也逐步降低。

⑵其他常量不变的情况下，优化建筑围护结构，增加围护结构的等级，能有效降低夏季空调及冬季采暖能耗。

⑶在需要大面积使用玻璃的功能房间，南侧使用水平遮阳，西侧使用垂直遮阳，能有效的降低夏季室内辐射温度并提升冬季室内辐射温度，起到降低能耗的效果。

⑷对室外环境温度和室内温度进行监测表明，采用图书馆在地下50m 范围内埋设了冷热棒作为室内人环境调节系统，起到了良好的室内温度调节作用，有效降低能耗。