290小型公共建筑能耗特性的比较研究

1、第十六届全国暖通空调制冷学术年会投稿PAGE PAGE 10小型办公建筑能耗特性的比较研究邯郸职业技术学院 魏一然 王京邯郸建设银行滏东支行陈志宏 摘要针对建筑面积在3000平米以下的小型办公建筑，根据建筑所处地域、功能、体形系数、朝向、窗墙面积比、遮阳、围护结构传热等因素，应用Dest-2和正交试验法，针对建筑使用能耗进行全方位、全生命周期的分析。其结果表明，建筑面积、建筑的正面朝向、室内温度、窗墙面积比、机器与照明热、窗玻材料、屋顶传热系数是影响建筑夏季冷负荷主要的因素，设计和控制好这些因素是实现建筑节能目标的重要手段，在建筑设计过程中要充分考虑以上因素对建筑能耗的影响。关键词小小型办公公

2、建筑 耗冷冷量耗热热量 建建筑节能能1引言目前，建建筑耗能能已与工工业耗能能、交通通耗能并并列，成成为我国国能源消消耗的三三大能耗耗大户。我国每每年新建建房屋约约20亿亿平米，其中城城市建筑筑约100亿平米米，大型型公共建建筑占不到城城镇建筑筑总量的的4%。可见小小型公共共建筑的的数量相相当可观观，研究究以办公公建筑为为代表的的小型公公共建筑筑能耗，对建筑筑节能同同样具有有十分重重要意义义。2研究方方法建立了基基准层面面积分别别为5000m22、7000m22、9000m22的建筑模模型，在在不同朝朝向、外外遮阳、建筑形形状比（正面长长/侧面面长）、外遮阳阳、室内内设定温温度、围围护结构构传热

3、系系数、窗窗墙面积积比、室室内散热热、窗玻玻材料等等影响建建筑能耗耗的因素素下，采用用正交试试验和DDeSTT-2模拟拟分析软软件，通过改改变因素素的水平平，对建建筑全年年的得、失热量量进行分分析，找找到了110个因因素搭配配的最佳佳水平，并分析析不同的的因素对对建筑得得、失热热量影响响的主次次关系，建立得得、失热热量与主主要因素素的函数数关系。3建筑模模型的建建立与输输入条件件选择3.1建建筑模型型按不同的的基准层层面积和和形状比比在Deest软软件中构构建办公建建筑模型型，图11为基准准层面积积7000平米、形状比比1：22的建筑筑，由于于篇幅所所限，文文中其它建筑模型型不再显显示。3.2

4、气气象参数数选择本本文以河北北省邯郸郸市为例例。夏季季平均室室外气温温29.9，夏季季平均室室外风速速2.00m/ss，冬季季室外平平均温度度1。冬、 夏季室外逐时时气温参参数依据据当地气气象部门门提供的的气象数数据。3.3 输入条件件 输入条件件分固定定参数和变变化参数数3.3.1固定定参数的输输入固定参数数的取值值主要参参照现行行相关国国家及地地方标准准、设计计规范以以及实际际工程的的常规做做法，考考虑到试试验结果果的可比比性，对对不同形形式的办办公建筑筑采用了了一致的的输入参参数，如如：建筑筑层数、层高、外窗位位置等，其取值值见表11。其中中选定办办公室人人员密度度为0.22人/mm2，

5、新风风量依据据采暖暖通风与与空气调调节设计计规范GB550011920003的规定，取300m3/h人。表1 固固定参数数建筑层数数三层人员密度度0.2人人/m22空调面积积比70%新风量30m33/h.人层高4.0mm换气次数数0.5次次/h外窗位置置正面设置置空调时间间7时220时3.3.2变化化参数及及水平选选取影响建筑筑能耗的的变化条条件和水水平的参参数选取取见表22表2变化化条件和和水平的的选取变化条件件水平因素素选取方方案123A基准层层面积500mm2700 m2900 m2B正面朝朝向南北西C形状比比1：12:13:1D外遮阳阳无遮阳1遮阳2E室内设设定温度度夏季244冬季20

6、0夏季266冬季200夏季288冬季200F外墙传传热系数数2.0WW/m22标准层118mmm多孔砼770mmm1.2WW/m22标准层118mmm多孔砼1150mmm0.677 W/ m22标准层118mmm多孔砼3300mmmG正面窗窗墙面积积比60%35%10%H机器热热照明热热10 WW/ mm230W/ m2250W/ m22I窗玻材材料6mm普普通玻璃璃普通中空空内张膜（单层）J屋顶传传热系数数0.544 W/ m22标准层1150mmm苯板保温温层 770mmm0.833 W/ m22标准层1150mmm苯板保温温层 440mmm1.777 W/ m22标准层1150mmm苯板

7、保温温层 110mmm有关参数数说明如如下：房间的性性质定位位为普通通办公室室，建筑筑内部发发热量包包括照明明、家电电和人体体散热，计算时分分别取33个水平。其作息息时间按按DeSST默认认值选取取，见图图2图7；夏季室内内设定温温度依据据采暖暖通风与与空气调调节设计计规范GB5500119-220033中舒适适性空调调室内计计算参数数设定为为3个水水平：224、26、28。建筑内部部发热量量（包括括照明、家电和和人体散散热）：人员散散热按单单位面积积人数00.2人人/ mm2，人均均发热量量64WW/人计计算；机机器热+照明热热取100 W/m2、300 W/m2、500 W/m2三个水水平

8、；冬季室内内设定温温度均为为20；建筑方位位以该建建筑长边边正交线线所指方方向为正正面朝向向，由于于试验模模型的建建筑面积积、体形形系数、形状比比各不相相同，为为便于结结果分析析，本试试验将整整个建筑筑外表面面的窗墙墙面积比比与正面面窗墙面面积比设设为相同同；外遮阳按按DeSST默认认提供值值，分别别选为：无遮阳阳、遮阳阳1、遮遮阳2；见表33和图88；窗户和墙墙体围护护结构的的做法及及其传热热系数详详见表44表7。正交试验验不考虑虑因素之之间的交交互作用用；表3 遮遮阳1、遮阳22参数取取值表 abcdefgh1h2遮阳1100000.60.20.20遮阳2100000.80.30.20图8

9、 窗窗遮阳示示意图表4 外墙主主要材料料及热工工性能表表外墙水平平主要材料料及厚度度导热热阻阻m/WW传热系数数W/ (m2)外墙11 石灰灰砂浆112mmm2 加气气混凝土土3000mm3 石膏膏干抹灰灰6mmm0.81140.24440.23330.677外墙21、3同同外墙112 加气气混凝土土1500mm0.24441.2外墙31、3同同外墙112 加气气混凝土土70mmm0.24442.0表5 屋屋面主要要材料及及热工性性能表屋面水平平主要材料料及厚度度导热热阻阻m/WW传热系数数W/( m2)屋面11 水泥泥砂浆220mmm2 水泥泥焦渣3 钢筋筋混凝土土板1220mmm4 聚苯苯

10、板保温温层100mm0.9330.8771.54470.04471.777屋面21、2、3同屋屋面14 聚苯苯板保温温层400mm0.04470.833屋面31、2、3同屋屋面14 聚苯苯板保温温层700mm0.04470.544表6 窗玻主主要材料料及热工工性能表表窗玻名称称窗材类型型mm传热系数数W/ (m22)普通6mmm单玻玻窗65.7普通中空空（双层层）6+9+63.1内张膜中中空玻璃璃（单膜膜）6+6aair+Pett（Loow-ee）6aair+61.7表7 建筑物物围护结结构主要要材料及及热工性性能表类别板楼构件名称称导热热阻阻m/WW传热系数数W/(m2)内墙24加气气砖0.

11、2444楼梯间内内墙37砖内内墙0.62290.833楼地混凝土保保温楼地地1.54470.299楼板钢筋混凝凝土保温温楼板1.89950.322门单层实体体木制外外门2.3窗双层钢窗窗-建筑物负负荷计算算使用清清华大学学空调实实验室研研制开发发的建筑热热环境设设计模拟拟工具包包DeSST-2（Dessignners SSimuulattionn Tooolkkitss），对建筑得得失热量量进行全全年逐时时模拟分分析；正正交模拟拟试验的计算算采用自自行编制制的正交交实验数数据处理理软件并并制定了了10因因素三水水平的LL81（3310）881个正正交实验验表，进进行正交交模拟试验的计计算。4

12、办办公建筑筑能耗试试验结果果与分析析针对办公公建筑的的81个逐时时冷负荷荷、逐时时热负荷荷的计算算数据，可以准准确统计计出全年年建筑累累计的耗耗冷量、耗热量量。应用正正交试验，对对影响建建筑的不不同因素素进行分分析比较较，得出出能耗最最小的建建筑形式式；找到到建筑面面积、朝朝向、形形状比、外遮阳阳、外墙墙传热系系数、窗窗墙面积积比等多多个变量量与全年年耗冷量量、耗热热量之间间的定量量关系和和最佳建建筑节能能形式的的方案，为建筑筑方案的的优化设设计提供供有价值值的参考考数据。计算结结果见图图9、图图10。4.1 建筑面面积对建建筑能耗耗的影响响图9可以以明显看看出，110因素素中建筑筑面积与与冷

13、负荷荷的关系系曲线斜斜率最大大，说明明不同的的建筑面面积对冷冷负荷的的影响最最为明显显，随着着建筑面面积的增增加，冷冷负荷急急剧增加加。图110为110个因因素与耗耗热量指标之间间的关系系曲线。经二次次回归分分析可得得到建筑筑面积与与耗冷量量的回归归方程，从而得得到建筑筑面积与与能耗之之间的关关系， y11 = -4003444x12 + 97993188x 11+ 22106 （11）式中， x1建筑面面积 mm2 y1建筑年耗冷量 kWWh/yyearr图9 建筑年年耗冷量量与100因素关关系曲线线图图10 建筑年年耗热量量指标与110因素素关系曲曲线图因此，建建筑面积积小的建建筑物，虽然

14、耗耗冷总量量小，但但单位面面积耗冷冷量指标标较大，从节能能观点考考虑并不不能有效效地节能能；而建建筑面积积大的建建筑，虽虽然耗冷冷总量大大，但单单位面积积耗冷量量指标较较小。从从这一观观点出发发，进行行建筑设设计时建建筑物的的建筑面面积不宜宜太小。大体形形建筑反反而比较较节能。4.2 建筑筑朝向对对夏、冬冬季能耗耗的影响响图9图图10中给出了了冬、夏夏季建筑筑的不同同朝向与与耗冷量量、耗热热量的关关系对比比。可以以看出建建筑的不不同朝向向对夏季季耗冷量量、冬季季耗热量量的影响响是不同同的。南南向对全全年建筑筑能耗的的影响最最小，西西向对建建筑能耗耗的影响响最大，而北向向居中。南、北朝向向时，建

15、筑筑冬、夏两季季对图11 建筑筑朝向与与耗冷、热量对对比建筑耗冷冷、耗热热量的影响基基本相同同，西向向稍高。这是因因为建筑筑模型在在建立时时严格按按照实际际工程基基本模式式，以实实际适用用为基本本原则，建筑的的总体外外形比较较规则，南、北北开窗基基本对称称，窗墙墙面积比比又一致致，造成成太阳辐辐射热对对整个建建筑物的的影响基基本相同同。该结结果有效效证明了了寒冷地地区如石石家庄、邯郸、邢台、保定等等地的建建筑最佳佳朝向应应为南北北朝向。这种结结果与公共建建筑节能能设计标标准20005-07-01中的尽尽量避免免东西向向为正面面朝向的的建议相相符，建建筑的正正面朝向向设计尽尽量采用用南北朝朝向。

16、 从图111中可以以看出，夏季建建筑年总耗冷冷量远远远高出冬冬季耗热热量。南南向建筑筑夏季耗耗冷量高高于冬季季耗热量量54.2%，北向高高出544.2%，西向向高出544.5%。无论论任何朝朝向的建建筑夏季季耗冷量量均高出出冬季耗耗热量的的一半以以上，建建筑节能能应充分分考虑夏夏季冷耗的影响响。形状比比对夏、冬季冷冷热负荷荷的影响响建筑的形形状比也也是影响响夏季建建筑能耗耗的重要要指标。 从图9图10可以以看出，无论冬冬季还是是夏季，形状比比为1：2的建建筑耗冷冷、耗热热量均为最最小，能能耗最低低；而形形状比为为1：11和1：3建筑筑能耗指指标均高高于形状状比为11：2的的建筑；外遮阳阳对夏季

17、季冷负荷荷的影响响DeSTT设置的的遮阳11和遮阳阳2的做做法见表表3和图8。图9图10显示示出，无遮遮阳时夏夏季耗冷冷总量最最高，遮遮阳2两两项指标标最小。由于遮遮阳1与与不设遮遮阳的形形式无显显著的变变化，夏夏季冷负负荷总量量两条曲曲线的斜斜率较小小。窗的的遮阳设设计应有有明显可可以阻挡挡阳光的的作用，否则与与不设遮遮阳效果果相同。室内设设计温度度对夏季季冷负荷荷的影响响夏季室温温设定温温度为三三个档次次，244、26、28；冬季季采用相相同的室室内设定定温度200。夏季随着着室内设设定温度度的降低低，冷负负荷急剧剧升高，直线斜率率最大，夏季室内内温度平平均每升升高1，全年年将多增增加耗冷

18、冷量6886.775MJJ/m22。因此适适当的调调整室内内温度对对建筑节节能有显显著影响响。外墙和和屋顶传传热系数数对建筑筑耗冷量量、耗热热量的影影响 图112外墙墙传热系系数与建建筑能耗耗关系图图13 屋屋顶传热热系数与与建筑能能耗关系系图9中显显示冬季季，随外外墙传热热系数的的减小建建筑物耗耗热量也也逐渐减减小，当当外墙传传热系数数降至11.2WW/M22K、00.677W/MM2K时，比传热热系数22.0WW/M22K依次次减小了了25%和411.8%，见图图12。这种种结果验验证了当当建筑的的保温性性能较好好时，可可以减小小冬季建建筑的耗耗热量。但在夏夏季，情情况并非非如此，当外墙墙

19、传热系系数减小小至 00.677W/MM2K时，夏季建建筑耗冷冷量反而而比传热热系数11.2WW/M22K增加加了0.8%。这意味味着当建建筑的保保温隔热热性能增增高时，对建筑筑耗冷量量的减少少并不明明显。同同样，夏夏季屋顶顶传热系系数的减减小会引引起建筑筑耗冷量量的增加加，即当当建筑的的保温隔隔热性能能较高时时，会引引起室内内温度的的升高，应选用用容量更更大的制制冷机降降低建筑筑能耗。因此采用用较高的的外围护护结构保保温性能能并不是是一种有有效的减减少冷负负荷的措施。下面从从室外温温度分布布、外墙墙及屋顶顶传热量量占总建建筑耗冷冷量分额额的角度度对以上上现象做做进一步步的分析析。从传热过过程

20、来看看，外墙墙及屋顶顶传热系系数越小小，有利利于减小小室外向向室内传传递的热热量，起起到隔热热的作用用；但在在夏季夜夜间或过过度季节节，室外外温度相相对室内内温度较较低时，传热系系数的减减小反而而不利于于室内向向室外传传热。以以外墙传传热为例例，为使使计算结结果更具具可比性性，以66月300日为例例，空调调全天运行行，就外墙墙传热系系数分别别为2.0W/M2K、00.677W/MM2K的227个试试验逐时时冷负荷荷进行分分析。图1466月300日外墙墙传热系系数为22.0、0.667时的的冷负荷荷差及室室外温度度关系图图图14绘绘出了66月300日不同同外墙传传热系数数逐时冷冷负荷差差和室外外

21、温度曲曲线；其其中，逐逐时冷负负荷差=外墙传传热系数数为2.0W/M2K逐时时冷负荷荷外墙传传热系数数为0.67WWM2K逐时时冷负荷荷。从图图中可以以看出，在9：0020：00时时之间，室外平平均温度度高于225，负荷荷差为正正。外墙墙传热系系数为00.677W/MM2K的建建筑负荷荷较小，说明较较小的外外墙传热热系数起起到了保保温隔热热的效果果，降低低了冷负荷；而在清清晨或夜夜间（可可从曲线线的趋势势图中看看出）当当室外温温度低于于23时，负负荷差为为负，外外墙传热热系数为为0.667W/M2K的建建筑逐时时冷负荷较较大，说说明较低低的外墙墙传热系系数阻碍碍了房间间向外散散热，反反而增加加

22、了空调调负荷，这说明明对于办办公写字字楼建筑筑具有较较好的外外围护结结构传热热系数在在冬季能能起到很很好的保保温隔热热性能，夏季室室外温度度高于室室内温度度时，同同样也能能起到保保温隔热热作用；但在夜夜间或室室外温度度低于房房间温度度时，会会引起室室内热量量散出困困难，致致使室内内温度升升高，增增加建筑筑耗冷量。 屋顶和外外墙传热热系数的的减小，意味着着建筑的的保温隔隔热性能能增强，这对于于冬季室室外温度度较低时时能起到到保温作作用，能能降低建建筑的冬冬季热负负荷，但但在夏季季室内温温度高于于室外温温度时同同样会阻阻止室内内热量散散入到室室外，影影响建筑筑夏季冷冷负荷，增加建建筑能耗耗。窗墙面

23、面积比、机器热热+照明明热对夏夏季冷负负荷的影影响窗墙面积积比与夏夏季冷负负荷的大大小呈正比关关系，窗窗墙面积积比越小小，建筑筑的夏季季冷负荷荷越小；室内散散发的热热量越多多，需耗耗冷量越越多。在在寒冷地地区，为为减少夏夏季冷负负荷耗冷冷量，窗窗墙面积积比不应应设置过过大。窗玻材材料对夏夏季冷负负荷的影影响表6给出出了普通通玻璃、中空玻玻璃和LLow-e玻璃璃的结构构及传热热特性，Loww-e玻玻璃是近近年来在在国内外外越来越越多被建建筑师和和业主接接受的低低辐射镀镀膜玻璃璃（loow-eemisssivvityy cooateed gglasss）。该玻璃璃在可见见光谱段段具有高高透过率率、

24、低反反射率、低吸收收率的特特点，允允许可见见光透过过玻璃达达到室内内；在红红外波段段具有高高反射率率、低吸吸收率的的特点，在冬季季能有效效阻挡远远红外热热辐射，防止室室内热量量散失，夏季能能阻止太太阳直接接辐射，减少室室内的日日射得热热，同时时又不影影响室内内采光。图9图图10的计计算结果果显示窗窗户的传传热系数数对冬季季供暖负负荷影响响较大，而遮阳阳系数对对夏季空空调负荷荷影响大大。较小小的传热热系数并并不能降降低夏季季空调能能耗。图图9图10说明明尽管LLow-e玻璃璃的传热热系数低低于普通通中空玻玻璃，但但夏季能能耗反而而升高了了，这种种结果表表明Loow-ee玻璃遮遮阳系数数起到关关键

25、作用用。5结论随着我国国经济的的高速发发展，人人民生活活质量的的要求不不断提高高，建筑筑能耗增增长巨大大，为此此作者建建立了一一种基于于DeSST和 “正交实实验法”关于建建筑及建建筑能量量系统诸诸要素对对建筑能能耗影响响关系的的分析方方法。由于建筑筑形式变变化的复复杂性，影响建建筑能耗耗的因素素多种多多样，在在建筑初初步设计计阶段，不仅要要强调建建筑外墙墙的保温温和适宜宜的室内内设定温温度，同同时要综综合考虑虑建筑构构成的其其他因素素和建筑筑设备系系统的运运行方式式，对建建筑物和和建筑能能量系统统进行综综合分析析和评价价，找出出切合实实际的最最节能建建筑，以以确定其其最优方方案。参考文献献1 庄楚强强，何春春雄.应应用数理理统计基基础。广广州：华华南理工工大学出出版社，20006.222黄黄翔.空空调工程程。北京京：机械械工业出出版社，20006.3PP. HHerzzog, L. LaaVinne, Ideentiificcatiion andd quuanttifiicattionn off thhe iimpaactoof iimprropeer ooperratiion of middsizze MMinnneso