基于能耗分析的被动式建筑节能改造研究

杜小玉

枣庄职业学院,山东 枣庄 277000

0 引言

在全球能源资源日益紧缺、气候变化日益严峻的背景下,建筑行业作为能源消耗的主要领域之一,面临着巨大的节能压力。被动式建筑节能通过优化建筑本身的设计和构造,注重利用自然资源,如太阳辐射、风力等,最大限度地减少能源消耗,从而实现可持续发展的目标[1-2]。基于此,本文对某高层住宅被动式建筑进行能耗分析,研究被动式建筑节能改造策略,以有效降低建筑的能源消耗。

1 工程概况

某高层办公建筑地上27层、地下3层,1楼大厅层高4.6 m,其他楼层高为2.9 m,地下1层为服务区域,地下2、3层为停车区,地上27层为办公区域,每层办公区的空间规划与分配因应用而有所不同,一般包括办公室、会议室、洽谈区等功能,每层建筑面积达到919 m2,供热面积为861 m2。建筑外立面采用玻璃幕墙和金属板材,内部设有绝缘材料和隔热层,玻璃幕墙覆盖大部分外墙表面,金属板材用于一些特定区域,如檐口和窗户周围的装饰,窗户采用双层夹胶中空玻璃窗户。楼板结构采用钢筋混凝土,屋顶采用混凝土平顶结构,屋面覆盖一层防水材料。

2 能耗模拟分析

2.1 模型的构建

采用Design Builder软件建模。对建筑物室内进行参数设置,加热覆盖率设为99.6%,采用0.4%冷却设计温度。将建筑物的隔间、走廊、楼梯等未封闭内墙分割为多个小区域,减少建筑模型的封闭区域,从而加快能耗模拟的计算速度,使模拟数据更接近建筑物的实际情况和内部热容量[3]。单个楼层模型如图1所示。

图1 楼层模型示意图

2.2 能耗评价指标

在能耗模拟中,采用能耗评价指标对不同策略下的能源消耗情况进行量化评价,可以为节能改造提供决策依据。常用的能耗评价指标主要有以下几点[4-5]。

2.2.1 能源使用强度(energy use intensity,EUI)

能源使用强度是表示单位建筑面积能耗的指标,可以直观地比较不同建筑的能源消耗水平。EUI值越低,表示单位面积内的能源消耗越少,建筑节能程度越高。计算公式为:

(1)

式中:W为建筑总能耗,kW·h;A为建筑面积,m2。

2.2.2 能源成本(energy cost,EC)

能源成本是指建筑物在一定时期内所消耗的能源所产生的费用。能源成本考虑了能源消耗和能源价格之间的关系,是评估能源使用经济性的重要指标之一。该指标不仅能够反映建筑的能源消耗水平,还可以评估不同节能改造策略对经济效益的影响。计算公式为:

寺庙园林最早出现于公元4世纪。东晋太元年间（公元376—396年），僧人慧远在庐山营造东林寺。据慧皎《高僧传》：“却负香炉之峰，傍带瀑布之壑；仍石垒基，即松栽构，清泉环阶，白云满室。复于寺内别置禅林，森树烟凝，石径苔生。”这便是在自然景观环境中设置人工禅林的先驱。

EC=W×P

(2)

式中:P为能源价格;W为建筑总能耗,kW·h。

2.2.3 能源节约率(energy savings,ES)

能源节约率是用于衡量改造策略效果的重要指标。它表示改造后能耗相对于基准情况下的能耗减少百分比,能够直观反映改造带来的能源效益。能源节约率的数值越高,改造策略的效果越好。计算公式为:

(3)

式中:W0为基准能耗,kW·h;W′为改造能耗,kW·h。

上述能耗评价指标可以从不同角度评估能耗情况和改造策略的效果。

2.3 能耗模拟结果分析

在改造前,该建筑年耗电量为520 788 kW·h,其夏季使用空调时的耗电量为209 425 kW·h。图2为每月的耗电量变化情况。

图2 每月空调耗电量模拟结果

图3为每月建筑采暖能耗变化情况。由图3可以看出,每年建筑的取暖能耗总共为2.09×106kW·h,取暖能耗主要集中在11月至次年3月,1月采暖能耗达到峰值586 645 kW·h。这表明,取暖能耗随着季节变化,气温逐渐降低时,室内取暖需求增加,取暖能耗逐渐增加;而在非取暖季时,取暖需求降至较低水平,因此取暖能耗为0。

图3 每月取暖能耗模拟结果

节能改造前,该建筑每月运行能耗情况如图4所示。由图4可知,不同月份的能耗水平存在差异,特别是在12月至次年2月,建筑运行能耗明显增加,这主要是由于取暖需求的增加。

图4 每月建筑运行能耗模拟结果

3 节能改造策略分析

在高层办公建筑进行节能改造之前,其年建筑运行耗能高达2 537 372 kW·h,远超国家规定的节能标准,对该高层办公建筑进行节能改造已成当务之急。本次改造主要从围护结构、外窗及遮阳等方面展开。

3.1 围护结构改造

围护结构作为建筑的外墙、屋顶以及地面等部位,对能源消耗和室内舒适性有重要影响。在本次节能改造中,采用真空保温板作为围护结构。真空保温板材中的真空层,能够有效阻止热传导,相比传统保温材料体积更小,能够在相对较薄的结构中保持良好的保温性能,同时节省室内空间[6]。将真空保温板固定在建筑外墙和屋顶等部位,通过粘结、固定钉等方式安装,真空保温板安装完成后,需要进行密封处理,确保板材之间没有缝隙,同时对真空保温板进行防火和防腐处理。

3.2 外窗改造

外窗是建筑围护结构中重要的部分,对室内外热传递和能耗有重要影响。本次外窗改造采用充氩双层中空低辐射玻璃,它由内、外2层玻璃组成,中空层厚度为16 mm,填充有氩气,内玻璃与中空层内侧接触面涂覆低辐射涂层,低辐射涂层通常是一种金属氧化膜,中空层之间采用高性能的聚合物材料进行密封,玻璃边框部分采用密封胶条封闭,确保玻璃与窗框之间连接紧密,防止气体泄漏和湿气进入。

3.3 遮阳改造

在遮阳改造中,根据建筑的朝向、周围环境、太阳轨迹以及节能目标进行综合考虑,确定遮阳系统的类型和位置,遮阳系统常见的有:百叶帘、遮阳板、窗帘、窗棚等。在不同方向上根据光照角度和强度的变化采取针对性的遮阳措施,在不同季节调整遮阳板的角度,从而达到阻挡夏季阳光和保留冬季自然光线的目的。由于南面阳台在冬季需要更多阳光,而北面、东面的外窗受到阳光辐射相对较少,因此对于南面阳台、北面和东面的外窗,不设置外窗遮阳,同时也能保持充足的自然光照。

4 改造前后能耗对比分析

根据上文建立的能耗模型,设定室内温度为25 ℃,对改造前后的被动式建筑能耗进行模拟,结果见图5。

图5 改造前后建筑各项能耗对比情况

由图5可知,该被动式办公建筑经过节能改造,建筑运行总能耗降低了1 764 779 kW·h,节能率达到77.23%。采暖能耗方面,改造后的建筑全年采暖能耗仅57 362 kW·h,节能率高达97.04%,表明改造后建筑的保温性能得到了显著提升。制冷和其他能耗方面,节能效果虽然不及采暖能耗明显,但是节能率也在10%左右,表明改造后的建筑节能得到一定程度提升,但是效果不太明显。总体而言,采暖能耗对建筑运行总能耗影响较大,改造后的节能效果表现显著,达到了预期的节能改造目标。

本文对该被动式高层办公建筑改造前后的成本进行经济效益评价,采用广联达造价软件对成本进行计算,得到改造前后建筑运行能耗成本计算结果,如图6所示。

图6 建筑运行能耗成本

由图6可知,改造后,建筑运行成本每年可以节约32万元,几乎全部为采暖节能改造后创造的经济效益,减少能源消耗的同时节约了大量资金,实现了节能减排和可持续发展的效果。

5 结束语

被动式建筑节能改造需要综合考虑建筑结构、材料、气候环境等多个因素,在实际应用中,须根据具体情况进行合理的调整和优化。本文以某被动式建筑为例,探讨了被动式建筑的能耗分析和节能改造,通过建立能耗模型,收集相关数据、实施能耗模拟,定量评估了建筑能耗特征及改造策略的效果。结果表明:通过外保温、高性能窗户、遮阳等综合改造,建筑能耗得以显著降低,同时提升了室内舒适性。