247广州地区建筑遮阳与夜间通风系统模拟分析与经济性评价

/广州地区建筑遮阳与夜间通风系统模拟分析与经济性评价清华大学建筑技术科学系王旭辉高岩吴彦廷秦蓉吴如宏燕达摘要针对一栋位于广州的典型商业建筑模型，用能耗模拟软件DeST对其遮阳系统与夜间通风系统的不同配备情况与运行模式进行模拟分析，从节能性及经济性方面分析比较10种方案。结果说明：遮阳和夜间通风能有效减小建筑负荷，减少空调系统初投资和运行费；在10种方案中，综合应用带控制的内遮阳和夜间通风的方案具有最正确经济性。关键词遮阳夜间通风经济性1引言随着我国经济的飞速开展和人们对建筑环境要求的不断提高，用于实现建筑室内环境调控的空调能耗不断提高，降低空调能耗、实现健康可持续的开展，成为了建筑物与空调系统设计中亟待解决的重要问题。与窗户结合的遮阳系统可以有效的减少进入室内的太阳辐射得热量，降低空调能耗；而夜间通风能够有效利用夜间室外冷量，通过建筑物蓄冷降低白天空调负荷峰值。如能针对以上两者采用适当的控制方案，它们都是非常有效的节能措施，将能在降低空调能耗方面发挥巨大成效。为考察遮阳系统与夜间通风的不同运行模式对建筑能耗的影响，本文将利用计算机模拟分析工具，针对采用了法国尚飞（SOMFY）公司的遮阳控制系统和夜间通风窗控制系统的广州地区典型商用建筑，从节能性及经济性方面分析比较不同的遮阳与夜间通风方案，以提出节能而经济的运行方案。2模拟方案利用模拟软件对建筑进行动态模拟，能够准确地再现建筑物复杂的热过程，对辅助建筑设计具有重要的意义。本文应用的模拟软件为清华大学建筑技术科学系开发的DeST软件[1]，该软件支持各种建筑物与环境控制系统的动态模拟分析，其计算准确性已得到全面验证[2]。为更好地考察建筑遮阳与夜间通风的不同方案的节能效果和经济性，本文选择广州作为建筑所在地，采用广州典型气象年逐时数据[3]对一典型商用建筑模型进行模拟。针对不同遮阳方式、夜间通风方式，本文设计了10种典型组合方案进行模拟分析。2.1建筑模型本文采用的建筑模型是一栋位于广州的典型商业建筑，其立体图和平面图如图1、2所示，该建筑长40m，宽35m，南北朝向，共有8层，总建筑面积11200m2。整个建筑包括电梯间、走廊、卫生间等构成的建筑核心筒区域以及周边办公室区域，建筑中的每个房间都可以设置遮阳控制装置和夜间通风控制装置。图1建筑模型三维立体图图2建筑模型平面图建筑的围护结构参数见表1和表2：表1建筑墙体、屋面和楼板参数围护结构名称围护结构材料传热系数W/(m2K)外墙24砖墙+聚苯板内保温0.564内墙陶粒混凝土＋水泥砂浆1.515屋面加气混凝土保温屋面0.812楼板钢筋混凝土楼板3.055表2 建筑外窗参数外窗结构6mm玻璃+9mm空气层+6mm玻璃中空双层玻璃窗传热系数W/(m2K)3.1遮阳系数SC0.67太阳得热系数SHGC0.583建筑室内设计参数如表3：表3 建筑室内设计参数房间类型夏季冬季温度（℃）相对湿度（%）温度（℃）相对湿度（%）办公室24～26≤6020～22≥50空房间18～26≤6018～26≥35走廊20～28≤6520～28≥552.2遮阳与夜间通风方案本文所模拟的10种遮阳与夜间通风组合方案如表4所示：表4遮阳与夜间通风的10种组合方案方案遮阳装置外遮阳百叶角度内遮阳卷帘夜间通风冬季遮阳率夏季遮阳率方案1无－－－－方案2外遮阳百叶90˚－－－方案3外遮阳百叶45˚－－－方案4内遮阳卷帘－0％100％无方案5内遮阳卷帘－0％50％无方案6内遮阳卷帘－0％100％固定换气次数：2次/小时方案7内遮阳卷帘－0％遮阳控制系统，控制室内自然采光照度到300Lx无方案8内遮阳卷帘－0％遮阳控制系统，控制室内自然采光照度到300Lx固定换气次数：2次/小时方案9内遮阳卷帘－0％遮阳控制系统，控制室内自然采光照度到300Lx(房间无人且空调系统未关闭时：100%)无方案10内遮阳卷帘－0％遮阳控制系统，控制室内自然采光照度到300Lx(房间无人且空调系统未关闭时：100%)固定换气次数：2次/小时注：遮阳率指遮阳装置的使用比率，100%表示全部使用。外遮阳百叶角度指百叶与水平面的夹角。各方案间的比较关系如图3所示，具体解释如下：方案1没有采取遮阳及通风措施，作为与其它方案比较的基准案例；方案2和方案3分别代表配备不同角度的外遮阳百叶但没有控制系统的情况，用于表达采用外遮阳措施的效果；方案4和方案5分别代表配备不同遮阳率的内遮阳卷帘但没有控制系统的情况，用于表达采用内遮阳措施的效果；方案6是在方案4的基础上增加了通风窗控制系统；方案7用于模拟设有遮阳控制系统，通过控制室内自然采光照度到300Lx，自动调整室内遮阳装置的开启率的工况；方案8是在方案7的基础上再增加通风窗控制系统；方案9用于模拟遮阳控制系统与房间内部监测系统的联动控制的工作模式（当房间内部监测系统监测到房间无人并且空调系统没有关闭时，为了实现节能控制模式，并维持室内温度处于一定的舒适范围，故将室内空调设定温度提高2℃，例如有人时的工作时间空调设定温度为26℃，而无人时为28℃）；方案10是在方案9的基础上增加通风窗控制系统。图3 十种方案之间的比较关系3模拟结果分析3.1建筑负荷比较考察以上10种方案对建筑负荷的影响，各方案的全年累计耗冷耗热量如图4，冷热负荷峰值如图5：图4各方案建筑全年累计耗冷耗热量比较图5各方案建筑全年冷热负荷峰值比较由图4和图5可见，在广州冷负荷远大于热负荷，因此冷负荷是影响全年能耗的主要因素。遮阳设备对于尖峰负荷的影响比较明显，各种设置了遮阳的方案的最大冷负荷均比没有设置遮阳的方案1低；从方案5、7、9的比较可见，遮阳时间越长（9>7>5），全年累计冷负荷以及冷负荷的峰值就越小，其中遮阳时间最长的方案9比起无遮阳的方案1全年累计耗冷量降低了12％。对于夜间通风的效果，分别比较方案4和6、7和8、9和10，每一组都采用了相同的遮阳形式和控制策略，而后者均参加了夜间通风。可以看到参加夜间通风之后，全年累计耗冷量分别降低了6.7％、2.1％和2.0％，可见在广州由于昼夜温差较小，夜间通风的效果并不十清楚显。3.2照度比较考察不同的遮阳控制方式下室内照度情况。以方案5和方案7为例，两者全年累计能耗以及冷负荷峰值相差不多，方案5的遮阳使用率保持50％不变，而方案7则根据室内照度来调控遮阳设备。图6和图7分别是方案5和方案7在6月29日及9月2日，西南向房间的逐时室内自然采光照度。图66月29日两方案室内逐时照度比较图79月2日两方案室内逐时照度比较通过以上两图的比较可见，方案5由于不对遮阳设备进行控制，室内照度随时间变化较大，而且在很多时刻低于300Lx，为维持室内照度，可能导致照明电耗增加；而方案7则能够充分利用自然光满足室内照度需求，维持较为稳定的室内照度环境，从而减小照明用电消耗。可见，采用适宜的遮阳控制方案，有利于改善室内照度环境和减小照明电耗。3.3经济性分析要考察某一节能措施的经济性，必须在初投资和运行费用的计算上将该措施所带来的影响全部考虑进去，不管是遮阳还是夜间通风，由于改变了建筑负荷，势必会对整个空调系统的选型和运行带来影响，从而改变暖通空调系统的初投资和运行费用，因此下文进行遮阳和夜间通风的经济性分析时，初投资和运行费用的计算都将涵盖整个暖通空调系统。初投资的计算除了包括暖通空调系统主要设备、材料的购置费，暖通空调系统施工的人工费、机械费、材料费等，还需要按照《北京市建设工程概算定额》[4]的要求，计算系统工程的其它直接费、施工临时设施费、现场经费、企业管理费、利润、税金等。本文的暖通空调系统初投资按下面的公式，根据实际产品价格计算：暖通空调系统总投资=直接费＋其它直接费＋临时设施费＋现场管理费＋企业管理费＋利润＋税金。3.3.1经济性分析参数的设定由于本文涉及的内容只是对一假设的建筑分析其遮阳设备的经济性，建筑所采用何种空调系统等信息无法确定，所以，在计算空调运行费用时假设采用常规电制冷的方式，假定冷机综合COP为3.0，根据计算的耗冷量对冷机电耗进行折算，电价按照商业用电的综合电价计入；假设采暖采用燃气锅炉，采暖运行费用的计算采用将热负荷折算到标准燃气量的方法，燃气价格按照市政燃气收费标准计入。详细经济性参数设定如表5：表5 与暖通空调系统运行费相关的经济性参数空调系统综合COP电价(￥/kWh)热值(kcal/Nm3)燃气锅炉效率燃气价格(￥/Nm3)3.00.883740.842.0根据SOMFY公司提供的资料[5]，遮阳设备的经济性参数如表6：表6SOMFY遮阳设备的经济性参数外遮阳百叶内遮阳卷帘自控窗通风自控系统（包括人工费）单位元/平米窗面积元/平米窗面积元元/套价格1,5004002,000272,500注：电动窗的大小、开启方式变化较大，每个开窗机能控制的开窗面积很难确定，本文采用的方案是每个房间设置两个电动开窗机；外遮阳百叶和内遮阳卷帘的初投资按照建筑四个立面均遮阳计算（窗面积3672m2）。3.3.2各方案的初投资和运行费用按照上述方法和参数计算各种方案的初投资和运行费如表7：表7 各方案初投资和运行费采暖能耗(kWh/年)空调能耗(kWh/年)照明运行费(万元/年)空调系统运行费(万元/年)遮阳设备初投资(万元)空调系统初投资(万元)空调系统和照明总运行费(万元/年)遮阳设备和空调系统总初投资(万元)方案11259922.553.10285.675.6285.6方案22360231.739.1367.2273.870.8641.0方案31408327.748.5367.2312.676.2679.8方案41261029.845.7128.5226.475.5354.9方案51260126.149.4128.5259.275.5387.7方案61264729.842.6147.7227.472.4375.1方案71259922.547.7153.5239.870.2393.3方案81261422.546.7172.7240.869.2413.5方案91260019.746.8153.5237.366.5390.9方案101261719.745.9172.7238.465.6411.13.3.3外遮阳百叶的经济性方案2和3使用了外遮阳百叶，比较它们与方案1的初投资和运行费，并计算投资回收期，如表8：

表8 外遮阳百叶的经济性分析方案照明运行费(万元/年)空调系统运行费(万元/年)遮阳设备和空调系统总初投资(万元)投资回收期（年）方案122.553.1285.6-方案2（与方案1比较）31.7(+9.2)39.1(-14)641.0(+355.4)74方案3（与方案1比较）27.7(+5.2)48.5(-4.6)679.8(+394.2)n/an/a表示该方案运行费大于或等于被比较的基准方案，投资回收期为无限大，下同在安装了外遮阳百叶（无控制装置）的情况下，相对于方案1，空调、采暖费用有所降低，但照明电耗却有所增加。但比较突出的是，由于外遮阳百叶的初投资过大，甚至大大超过空调系统的初投资，从而造成采用外遮阳百叶的方案从经济性上来讲是不合理的。3.3.4内遮阳卷帘（无自控）的经济性方案4和5使用了不带自控的内遮阳卷帘，比较它们与方案1的初投资和运行费，并计算投资回收期，如表9：表9 内遮阳卷帘的经济性分析方案照明运行费(万元/年)空调系统运行费(万元/年)遮阳设备和空调系统总初投资(万元)投资回收期（年）方案122.553.1285.6-方案4（与方案1比较）29.8(+7.3)45.7(-7.4)354.9(+69.3)n/a方案5（与方案1比较）26.1(+3.6)49.4(-3.7)387.7(+102.1)n/a相对于无任何遮阳措施的方案，在加设了内遮阳卷帘后，室内光环境得到改善，但卷帘的初投资较高，并且在没有室内照度控制的条件下，始终处于固定位置内遮阳卷帘会带来照明电耗的增高。因此虽然其带来局部空调运行费用的减少，但总运行费与无任何遮阳措施的方案几乎相等，其总体经济性较差。3.3.5遮阳控制系统的经济性根据前文分析，虽然由于初投资过高而经济性不佳，但遮阳设备所带来的光环境的改善以及给使用者带来的舒适性，使其成为一种必要。下面分析在采用了遮阳设备（内遮阳卷帘）以后配备遮阳控制系统的经济性。方案7和9均采用了带自控的内遮阳卷帘，比较它们与不带自控的方案4的初投资和运行费，并计算投资回收期，如表10：表10遮阳自控系统的经济性分析方案照明运行费(万元/年)空调系统运行费(万元/年)遮阳设备和空调系统总初投资(万元)投资回收期（年）方案429.845.7354.9-方案7（与方案4比较）22.5(-7.3)47.7(+2)393.3(+38.4)7方案9（与方案4比较）19.7(-10.1)46.8(+1.1)390.9(+35.9)4在不考虑内遮阳卷帘的初投资影响后，具有遮阳控制装置的遮阳系统虽然在空调、采暖费用上相对于方案4有所增加，但照明电耗都有所降低，其结果是包括照明及空调、采暖运行费用的整体运行费用降低。遮阳控制系统具有良好的静态回收期。这说明，如果建筑方案决定采纳遮阳卷帘的遮阳形式后，使用遮阳控制系统对遮阳系统的经济性是有利的。3.3.6通风窗的经济性方案7和8、方案9和10分别为是否采用夜间通风的比照方案，分别比较它们的初投资和运行费，计算采用通风窗的方案（8和10）的经济性，如表11：表11通风窗的经济性分析方案空调系统运行费(万元/年)遮阳设备和空调系统总初投资(万元)投资回收期（年）方案747.7393.320方案8(与方案7比较)46.7(-1)413.5(+20.2)方案946.8390.923方案10(与方案9比较)45.9(-0.9)411.1(+20.3)采用通风窗后总初投资有二十多万的增加，但使用通风窗使建筑在夏季夜间通风能节省大约一万元左右的空调、采暖运行费用，所以对于方案7和方案9，使用通风窗的静态经济回收期大约为20年和23年。4结论综合以上模拟分析结果，得到以下5点结论：遮阳设备能够有效减小冷负荷，采用遮阳设备的方案，其空调系统和照明设备的总运行费用比不用遮阳设备的方案少7%~13%（方案7~10与方案1比较）。遮阳设备能够极大改善室内光环境，防止室内照度过高而产生眩光，但同时也增加了维持室内照度所需的照明能耗。应用了自控系统的遮阳设备能够使室内照度的改变更加均匀。当室内照度偏高的时候，遮阳设备关闭以减少进入室内的自然光；当室内照度偏低的时候，遮阳设备翻开以更多地利用自然光进行照明。带自控的遮阳设备能减小空调系