郭而郛 王 瀛 崔雅楠

（天津生態(tài)城綠色建筑研究院有限公司，天津 300467）

寒冷地區(qū)居住建筑遮陽節(jié)能方案研究

郭而郛 王 瀛 崔雅楠

（天津生態(tài)城綠色建筑研究院有限公司，天津 300467）

本文從降低綠色建筑能耗的角度出發(fā)，利用能耗模擬軟件e-QUEST，對寒冷地區(qū)居住建筑遮陽系統(tǒng)進行研究，方法一是通過改善調整居住建筑外窗本體遮陽系數(shù)；方法二是通過添加活動式可調節(jié)外遮陽，通過定量化模擬手段進行建筑節(jié)能率測算，從而制定寒冷地區(qū)居住建筑外遮陽系統(tǒng)選用策略。

寒冷地區(qū)；建筑節(jié)能；e-QUEST；可調節(jié)外遮陽

1 引 言

目前我國現(xiàn)有建筑總面積約400億m2，預計到2020年還將新增建筑面積約300億m2。建筑需占用大量土地，在建造和使用過程中，直接消耗的能源占到全社會總能耗的近30%，因此，有效的降低建筑業(yè)的能源資源消耗，減輕建筑業(yè)造成的生態(tài)環(huán)境污染，將建筑業(yè)這個傳統(tǒng)的高消耗發(fā)展模式轉變?yōu)楦咝ЬG色型發(fā)展模式，將對社會可持續(xù)發(fā)展起著至關重要的作用。

自2006年住建部頒布第一版《綠色建筑評價標準》以來，如何實現(xiàn)節(jié)約資源保護環(huán)境，已成為建筑行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。目前，我國已進入十三五高速發(fā)展期，經(jīng)過十年的發(fā)展，各地區(qū)已頒布各類節(jié)能設計標準及綠色建筑專項設計與評價標準，保障綠色建筑的發(fā)展，但與此同時，我國建筑制造業(yè)較發(fā)達國家規(guī)模達、能源消耗量大，環(huán)境污染高，嚴寒及寒冷地區(qū)冬季采暖能耗大，化石能源消耗量大，已成為環(huán)境污染及建筑行業(yè)持續(xù)發(fā)展的重點問題，如何通過外圍護結構降低空調與采暖能耗，已成為建筑設計師業(yè)內學者交流熱點。

建筑外圍護結構是建筑內外能量流失通道，對于居住建筑來說，其外窗面積占到整體圍護結構面積的30%左右，又因其保溫效果較外墻差，故其成為建筑能量損失的主要通道，占到建筑總耗熱量的40%以上[1-3]。其中，遮陽系數(shù)的降低可以一定程度改善建筑節(jié)能效果，其方式可以通過改變外窗本體遮陽系數(shù)以及添加活動式外遮陽兩個方式實現(xiàn)，該方式已納入天津地區(qū)節(jié)能設計標準，并已定性的體現(xiàn)改善效果，但如何體現(xiàn)兩方式的區(qū)別及對居住建筑節(jié)能效果的量化影響，從而制定選材方案，已成為行業(yè)共同關注點。

本文以生態(tài)城居住建筑為案例，通過e-Quest模擬軟件，定量化表征兩方式對建筑節(jié)能效果的影響，為居住建筑外遮陽的選取提供方法。

2 模型的建立

2.1 e-Quest能耗模擬軟件介紹

本文選用e-QUEST 能耗模擬軟件[4]，該軟件具有應用廣泛、操作簡單、結果輸出可視性更強等優(yōu)點[5]。

該軟件利用當?shù)貧夂驍?shù)據(jù)文件，依據(jù)建筑項目具體模型，通過模擬室內外溫度的時時變化建立溫度與熱流傳到數(shù)據(jù)函數(shù)，通過各地區(qū)節(jié)能設計標準及建筑類型，定義周期計算時間及運行條件，從而對建筑冷、熱、設備、照明、排風等各能源消耗進行計算，最終得到全年每平米建筑面積平均能耗。同時該軟件可根據(jù)項目需求添加構件及構筑物，如活動式外遮陽，并可根據(jù)具體情況調節(jié)外窗整體遮陽系數(shù)及全年開啟時間表。

e-QUEST采用反應系數(shù)法動態(tài)的計算建筑物的負荷，該方法最大特點是不要求以周期擾量為前提,可以用時間序列表示外擾的變化,這是該軟件與同類模擬軟件的最大區(qū)別，因此適用于建筑全年負荷計算。

2.2 建模及參數(shù)設置

本文選取中新天津生態(tài)城世茂新城05-10-05-01地塊（20a）15號樓住宅為研究對象，總建筑面積3438m2，主體為鋼筋混凝土剪力墻結構，其中地上6層，建筑面積2910.7m2；地下2層，主要為庫房，建筑面積389.12m2，依據(jù)《天津市居住建筑節(jié)能設計標準》（DB29-1-2010）[6]，除外窗Sc之外其余圍護結構與設備選型參數(shù)詳見表1。

中新天津生態(tài)城世茂新城05-10-05-01地塊（20a）15號樓參照建筑按照《天津市居住建筑節(jié)能設計標準》（DB29-1-2010）規(guī)定，制冷采用cop為2.6的單體空調器，工作周期為5月15日至9月15日，工作時間按照工作日下午16:00至次日7:00；采暖采用效率為89%的燃氣鍋爐，工作周期為11月15日至次年3月15日。其主要功能空間設計參數(shù)見下表（其他功能房間設計參數(shù)依據(jù)《天津市居住建筑節(jié)能設計標準》（DB29-1-2010）中限值確定）。

表1 基準建筑圍護結構相關參數(shù)列表

表2 主要功能房間設計參數(shù)

在以上參數(shù)設置的基礎上，當該項目外窗遮陽系數(shù)為0.7時，即可滿足《天津市居住建筑節(jié)能設計標準》（DB29-1-2010）規(guī)定的65%節(jié)能率限值的要求。

圖1 外遮陽檢測報告

外窗本體遮陽是指窗戶上玻璃自身的遮陽功能，從一開始的吸熱玻璃到熱反射玻璃，再到現(xiàn)在的低輻射玻璃和各種鍍膜玻璃，也是品種越來越多，性能越來越好，是外窗出廠后的固有參數(shù)，穩(wěn)定不變；但活動式外遮陽在夏季可根據(jù)自身傾角及開啟方式的變化改變圍護結構綜合遮陽系數(shù)，同時在冬季全部關閉的狀態(tài)下，可與外窗形成有機整體，可有效的增強圍護結構保溫隔熱效果，以某卷簾式活動外遮陽產(chǎn)品檢測報告為依據(jù)，在外窗本體Sc為0.7時，夏季白天10：00~16：00遮擋2/3，外窗整體遮陽系數(shù)可減小至0.21，冬季夜晚全部關閉，可使得外窗傳熱系數(shù)明顯減小，達到1.91 W/（m2·K）。

圖2 建筑模型圖

通過建模進行對比實驗，方案一是將外窗本體遮陽系數(shù)Sc從0.7每隔0.01個單位，連續(xù)變化到0.4；方案二是固定外窗遮陽系數(shù)0.7，添加卷簾式活動外遮陽，通過方案對比定量化得出建筑能耗模擬結果。

利用e-Quest軟件所建模型如圖2。

3 數(shù)據(jù)分析

如圖3所示，方案一只改變外窗本體遮陽系數(shù)，制冷節(jié)能率上升了12.85%，采暖節(jié)能率下降了6.28%，整體建筑節(jié)能率下降了3.38%。

圖3 各遮陽系數(shù)對應節(jié)能率變化

通過降低外窗本體遮陽系數(shù)不能夠減小建筑總能耗[7]，原因如下：對于建筑固定外窗來說，遮陽系數(shù)的降低，減少了室內的太陽輻射得熱，夏季空調能耗隨之減小，而采暖能耗反而上升，而根據(jù)《天津市居住建筑節(jié)能設計標準》（DB29-1-2010）中住宅建筑夏季夜晚空天處于長時間開啟狀態(tài)，溫差傳熱量也隨之減小，但外窗材料的蓄熱系能和熱惰性隨之增大，導致溫度波延遲，又因為在寒冷地區(qū)采暖能耗是制冷能耗的2~3倍，故采暖節(jié)能率的下降大幅度抵消了制冷節(jié)能率的提升，從而導致整體能耗呈上升趨勢。

方案二，固定外窗自身遮陽系數(shù)為節(jié)能設計標準限值，即0.7，通過添加上述活動式卷簾遮陽構件，模擬結果表征如下：

圖4 可調節(jié)外遮陽節(jié)能率對比

如圖4所示，與參照建筑相比，方案二的制冷節(jié)能率提高了9.8%，采暖節(jié)能率下降了2.3%，總節(jié)能率上升了5.6%；與方案一固定外窗本體遮陽系數(shù)相比，通過制冷及采暖節(jié)能率的提高，明天提高了建筑全年整體節(jié)能率。與傳統(tǒng)固定外窗相比，活動式外遮陽構件具有根據(jù)需求任意調節(jié)的特點，在夏季進行有效遮擋的同時，冬季可與外窗自身形成整體，增強外窗保溫效果，使得滿足夏季空調能耗降低的同時，大幅度減少冬季采暖能耗，使得全年建筑總體能耗呈下降趨勢。根據(jù)模擬結果趨勢可知，若添加與外窗一體化設計更加完善的外遮陽構件，改善效果將更為明顯。

4 結 語

1）外窗本體遮陽系數(shù)具有固定不變的特點，通過改善外窗本體遮陽系數(shù)并不能有效改善居住建筑能耗。

2）通過定量化模擬方法，添加活動式外遮陽構件，根據(jù)自身可調節(jié)性，既可有效改善夏季制冷能耗，同時在冬季可通過改善傳熱系數(shù)的方式降低采暖能耗，進而有效的改善寒冷地區(qū)居住建筑全年整體節(jié)能效果。

[1]夏建光，王正清，孫勤梧.建筑節(jié)能的重要意義和實施途徑[J].能耗及環(huán)境，2008( 19) : 24-25.

[2]趙曉萍.建筑界面一生態(tài)建筑外圍護結構研究[D].上海:同濟大學，2006.

[3]吳珍珍.武漢地區(qū)多層辦公建筑節(jié)能設計研究[D].武漢:武漢理工大學，2008.

[4]黃俊鵬.eQUEST建筑能耗模擬軟件的應用講義．http://www.topenergy.org/bbs，2005-6-19.

[5]侯余波,付祥釗,郭勇. 用DOE-2 程序分析建筑能耗的可靠性研究[J]. 暖通空調,2003 ,33 (3) :90～92.

[6]天津市建筑設計院. DB29-1-2010，天津市居住建筑節(jié)能設計標準[S]. 2010,5-65.

[7]張淑秘，馬大雷，冉春雨.建筑外窗對建筑節(jié)能的影響分析[J].吉林建筑工程學院學報，2008.

The Research of Shading Device on the Target of Residential Building Energy-saving in Cold Regions

This paper tries to start from the viewpoint of reducing building energy consumption, taking a residential building in cold area (Sino-Singapore Tianjin Eco-city City) as the research object, through using the simulating software e-QUEST, analyzes influence of building energy-saving through improving outside window of the shading coefficient and adding adjustable shading. This paper preliminarily proposes a suitable shading device on the target of residential building energy-saving in cold regions.

cold regions;building energy-saving; e-QUEST;adjustable shading

中新天津生態(tài)城中新科技合作計劃課題：綠色建筑指標庫及適宜技術研究

TU201.5

B

1003-8965(2017)05-0013-03