办公建筑围护结构的保温性能与空调能耗

办公建筑围护结构的保温性能与空调能耗摘要：办公建筑周边区室内负荷取决于围护结构负荷和内热负荷的总和，外围护结构保温性能的提高，减少了非夏季外围护结构的热负荷，使得室内冷负荷加大，综合全年的运行情况，并非外围护结构保温性能越好就越节能。合理的建筑外围护结构保温性能与建筑物的使用功能（内热源情况）之间有一定关系。关键字：维护结构保温性能空调能耗1.前言随着人们生活水平的提高，我国城市居民生活能耗也日趋增加，据统计，前几年人均每年标准煤消耗量为300kg，近两年为350kg，预计不久将达到400kg，年均增长速度达到了6~7%。在上海，2002年电力消费达到645.71亿千瓦时，能源消费总量6118.53万吨标煤，人均能源消费量4.59吨标煤。我国不是能源大国，却是能源消费大国，2003年我国煤炭消耗量15亿吨，占全世界产量49.3亿吨（2001年数据）的30%。能耗的增加，同建筑能耗的增加有着密切的关系。据统计，建筑能耗占到了总能耗的25%左右，而且呈逐年递增态势。所以，建筑节能显得越来越重要，各种节能规范也陆续出台执行。发达国家的建筑节能相对于我国是比较先进的，如在德国，建筑技术节能主要从三个方面实行：良好的建筑围护结构保温材料；良好的门窗密闭结构；合理的供热系统。围护结构的保温性能同建筑能耗有着很大的关系，然而，不同气候条件的地区，所适合的建筑外围护结构的保温性能是不尽相同的，如上海，属于夏热冬冷的地区，北美地区的保温良好的外围护结构是否适合呢？上述因围护结构的保温性能而引起的建筑能耗实际上就是属于空调系统的能耗。本文通过对浦东发展银行大厦进行空调冷热负荷的全年计算，并改变其部分设定条件，讨论和分析办公建筑围护结构的保温性能与空调能耗的关系。2．工程概况2.1概述浦东发展银行大厦是一幢高级金融办公楼，位于浦东陆家嘴金融中心地带，处于世纪大道和浦东南路的交点。由加拿大WZMH建筑设计事务所、加拿大TMP机电设计事务所和华东建筑设计研究院合作设计。该大厦基地总面积为6947m2，建筑总面积为69440m2，（其中地下3层，建筑面积14400m2，地上36层，建筑面积55040m2），建筑高度148.5m。大厦1~8层为裙房（高30米），9层以上为主楼。建筑平面随地形呈南窄北宽。建筑外形见图-1。大厦主要用途为银行办公，由银行营业大厅、银行办公区、租户办公区和辅助生活（餐饮等）区等组成。2.2围护结构大厦采用钢混框剪结构，根据加方建筑设计提供的资料，外墙和外部窗间墙为混凝土剪力墙，K＝0.341W/m2℃；屋面保温层K＝0.568W/m2℃；窗户为双层中空玻璃（外部反射玻璃视板K＝1.817W/m2℃、外部透明玻璃视板K＝2.782W/m2℃）。图-2是浦东发展银行大厦典型外围护结构示意图。2.3空调系统2.3.1空调室内设计参数：（见表-1）表1室内设计参数房间名称夏季冬季人员密度新风量温度℃相对湿度%温度℃相对湿度%m2/人m3/人.时办公24502140740餐厅24502140-60330会议25502140334电梯厅255520320营业大厅、中庭庭2550183402.3.2系统简介空调冷源为：离心式冷水机组920RT×2台，565RT×1台（设于35层）；螺杆式冷水机组140RT×1台（设于8层）；空调热源为：油气二用蒸汽锅炉4.5T/h×2台（设于36层）。标准办公层和部分裙房办公用房设计为变风量空调系统；1层大厅、2层银行大厅、5层北中庭、7层餐厅等设定风量全空气系统；另有少部分房间设风机盘管加新风系统。空调水系统为四管制二次水系统，一次水温为5.6/15.6℃（冷），60/49℃（热）；二次水温为6.6/16.6℃（冷），57/46℃（热）。2.3.3标准办公层变风量空调系统标准层空调面积为1140m2，层高3.9m，净高2.7m。每层设置一套变风量空调系统，双环形送风管，吊顶静压箱式集中回风。新风经集中预处理后，送入每层空调机房，4000m3/h.层。空调箱风量为27000m3/h，机外静压为550pa，送风温度为11.5℃（水温7.2/11.8℃）。每层平面划分内区和外区，外区设串联型风机动力箱（FPB）17台，带热水盘管，内区设串联型风机动力箱（FPB）12台，无热水盘管。VAVBOX风量范围为一次风量1000-2500m3/h，风机风量1500-3750m3/h。送风口为与灯具结合的散流器。每层办公室均设集中排风系统，厕所设竖向集中排风系统。2.3.4控制系统空调系统可实现运行参数的时时监控。冷冻机、锅炉、冷却塔及其它空调设备可通过中央控制系统实现远程启停及参数设定。变风量系统控制：末端风量温度控制；AHU定静压变频方式风量控制；送风温度控制；新排风末端连锁,水阀连锁；BA中央通讯、监视、设定、启停。变风量末端为江森JOHNSON（国产）；自控系统为霍尼威尔（美）。2.3.5实际运营内热源及设备情况目前，整幢大厦的平均出租率为75%左右，9－10层办公区100～120人/层，人员平均密度约10m2/人；12层办公区约150人/层，人员平均密度约7.6m2/人；14层办公区40～50人/层，人员平均密度约25m2/人；其他各层办公区均为90～100人/层，人员平均密度约12m2/人；辅助生活区人员密度约15m2/人。照明为暗装日光灯，办公区照明亮度300~500lx，办公区照明安装功率为10～15W/m2，走廊及生活区为5～10W/m2；设备主要为PC机、办公设备和少量电热设备，取为5～8W/m2。如9层电脑数84台，打印机6台，复印机1台。主楼共8部电梯，位于核心筒内。2.3.6空调运行时间为7：00～19：00。周六、周日休息。冷机运行时间约为4月15日至次年11月15日，采暖运行时间约为11月10日至次年4月10日。3.问题提出由于大楼是由境外（加拿大）事务所设计的，建筑设计师采用了许多北美的设计理念和做法，试图以提高外墙和玻璃性能，减少采暖空调负荷。实际调查发现，优良的外围护结构性能确实可以达到上述目的。即使在冬季最冷的日子，夜间室内温降仅2℃，平常双休日之后的温降也只有3℃左右。但上海地区毕竟不是加拿大严寒地区，气候条件和大楼的运行方式不尽相同，对于间歇性空调来说，加强保温减小采暖负荷的同时，对空调负荷又将产生怎样的效果呢？表-2为浦发银行和公建标准外围护结构的对照表。从表中可以看出，浦发银行实际建筑材料的热工性能普遍好于我国标准。4.模拟4.1软件本次负荷能耗分析主要采用动态计算的方法，使用美国LBNL的DOE-2软件，对建筑的热过程进行全年8760小时的动态模拟，该程序能在建筑描述、室外气象数据和室内扰量以及室内要求温湿度给定的情况下，模拟计算出该建筑的全年室温和空调系统负荷等的变化情况。本次计算是在现有围护结构和设备条件下来确定负荷能耗情况。主要有以下4个步骤：根据设计资料，进行各种参数的预评估，模型的预处理；详细的建模过程，各种参数的协调，边界条件的设定；模型的验证；负荷评价。4.2参数输入建筑配置（建筑物形体系数、朝向、周边区进深、窗墙比）；墙体结构（外墙表面吸收率、墙体传热系数、墙体蓄热性能）；屋顶结构（屋顶表面吸收率、屋顶传热系数、屋顶蓄热性能）；窗结构（玻璃透光率、玻璃传热系数、窗框传热系数）；遮阳（窗遮阳系数、建筑的遮挡系数）室内温度设定；人员密度；照明（照明负荷、灯具类型）；电器设备（设备安装功率、运行时间）；家具蓄热HVAC空气处理系统：系统运行（HVAC风侧的系统形式、新风指标、换气次数、风机运行时间）；系统控制（室外新风量控制、室内冬夏季允许设定温度波动范围、再热器的再热温升、室外温度变化）；风机（风机控制方式、风机电机功率、风机效率、风机静压）；盘管的换热效率制冷设备及附属水泵：冷冻水循环（冷冻水送水温度、冷冻水温升、旁通流量）；冷冻水泵（水泵电机功率、电机效率、水泵扬程、水泵效率、转速控制）；制冷机（压缩机类型及台数、制冷机COP、部分负荷系数）表-2围护结构对照表围护结构类别传热系数W/((m2℃)及遮阳系系数浦发银行上海公建全国公建外部反射玻璃视视板1.817≤3.0≤2.8外部窗间玻璃墙墙板和实心心墙0.341≤1.0≤1.1外部透明玻璃视视板（SC）2.782（00.3）≤3.7（0.66）≤3.0（0.445）屋顶0.568≤0.8≤0.70门（外门、房间间门）-≤3.0-内隔墙1.9≤2.0-内楼板-≤2.0≤1.34.3建筑及其简化为模拟计算方便，对所评价的建筑进行了合理的简化，这种简化以不丢失室内热状况特性为原则。主要有以下几方面：将整个建筑分为4类计算区域，即1－2层裙房银行大厅区、3－8层低区办公区，9－32层高区办公区，33－34屋顶区。考虑到整幢大厦随高度呈渐缩式，因此每个计算区有标准层和（带）屋面层。将同一朝向的相邻办公室划分为一个区，并将各区内同一立面的外窗进行合并，保证该朝向外墙立面的窗墙比不变。将同一层面办公室按内外区和朝向进行简化。空调房间之间的邻室通风换热忽略不计。本次动态计算重点放在围护结构保温性能方面。为真实其运行情况，计算考虑了采暖空调设备的过渡季和昼夜间歇运行特性。5比较和分析5.1全年累计冷热负荷5.1.1表-3为采用浦东发展银行大厦实际外围护材料和公建标准的外围护材料进行模拟计算的全年累计冷热负荷结果。从表中，我们可以看出采用浦东发展银行大厦外围护材料计算出的累积热负荷和冷负荷均较采用公建标准的外围护材料小，总的负荷是节约的。5.1.2由于本建筑功能为银行办公，实际运营人员密度等均小于设计值，而经过调研发现，一般办公楼的人员密度与设计值相近，故改变内热源情况，按设计工况再次进行计算，表-4为计算结果。我们增加了建筑物的内热负荷后，采用浦东发展银行大厦外围护材料计算出的累积总负荷比采用公建标准的外围护材料要大，虽然其累积热负荷较小，但累积冷负荷的增加使得总空调负荷有所增加。5.2全年累计室内负荷由于一幢大楼总的空调能耗与空调系统的形式、管道的保温情况、新风的处理方式等都有着密切的关系，而由建筑围护结构的保温性能引起的空调能耗实际上是属于空调室内负荷。故不考虑系统形式、新风负荷等，调整计算所设定的参数，仅就外区室内负荷情况进行全年负荷计算，并进行比较。计算输入的内热源情况按照设计工况数值。表-5为计算的结果，从表中我们得出类似与表-4的结论：采用浦东发展银行大厦外围护材料计算出的全年累积冷负荷增加，全年累积热负荷减少，而全年累积空调总负荷稍有增加。全年累积冷负荷增加的主要原因是由于外区过渡季节的冷负荷增加而引起的。5.3内外区逐月累计冷热负荷另外我们来看一下内外区累计冷热负荷的逐月统计情况，见图-5a和图-5b。这是依据浦发银行外围护结构的数据，按照实际运营工况的内热源情况计算得出的。图中显示了全年运行内外区冷热负荷按月累计的数值。可以看出，浦发银行大厦外区的供冷期时间比较长（3月-11月），而且有5个月份同时出现冷热负荷。6.结语经过上述计算和分析比较，由于办公建筑周边区室内负荷取决于围护结构负荷和内热负荷的总和，外围护结构保温性能的提高，减少了非夏季外围护结构的热负荷，使得室内冷负荷加大，所以综合全年的运行情况，并非外围护结构保温性能越好就越节能。合理的建筑外围护结构保温性能与建筑物的使用功能（内热源情况）之间有一定关系。现在，越来越多的现代化办公大楼拔地而起，这些建筑物都有着共同的特点：固定窗，全年空调；结构复杂，新风摄取困难，过渡季节新风不能完全解决室内负荷，需要的供冷期延长；建筑体量大，有着明显的内外区之分，冬季外区供热内区供冷；办公人员密度大，办公设备多，内热负荷大……总之，各种各样的能耗越来越大。本文仅对一特定建筑物进行了全年负荷的计算，并进行简单的比较，旨在探讨一下办公建筑围护结构保温性能与空调能耗的关系，希望能对降低建筑能耗有一点参考价值。另外，这种关系还与室外气候条件等因素密切相关，对此，我们将继续进行分析与研究。表-3围护结构材料全年累积冷负荷荷MWH全年累积热负荷