李紅鋒，王珂奇

(1.亳州職業(yè)技術學院 建筑工程系，安徽 亳州 236800；2.安徽建筑大學 土木工程學院，合肥 230601)

由于嚴寒區(qū)域在我國的占地面積較廣，其建筑節(jié)能效果一直是建筑行業(yè)施工單位和研究院所共同關注的課題[1]，包括已有節(jié)能改造以及建筑的設計與施工方案等。在建筑節(jié)能的設計與優(yōu)化過程中，外圍護結構是重中之重，這主要是因為外圍護結構是實現(xiàn)節(jié)能的關鍵[2]，在建筑節(jié)能標準與要求不斷提升的背景下，對建筑外圍護結構進行設計與優(yōu)化是值得研究的課題[3]，然而實際工程改造測試周期長、成本高，而采用模擬的方法不僅可以有效得出節(jié)能效果參數(shù)[4-5]，還具有模擬便捷、成本低等特點，而目前國內(nèi)在建筑外圍護節(jié)能效果模擬與應用方面的研究報道較少[6]。本文基于嚴寒地區(qū)建筑外圍護結構的應用現(xiàn)狀，對外圍護結構中的各項參數(shù)進行了優(yōu)化模擬，結果將有助于外圍護結構的節(jié)能設計與改造。

1 建筑外圍護結構

1.1 基本特征

本文選取嚴寒地區(qū)具有代表性的外圍護結構作為研究對象，該建筑為6層多層住宅，總高為17.8 m、層高3.2 m，結構形式為磚混結構、朝向為南北向。

外圍護結構主要包括墻體、隔墻、屋面和外窗，其中墻體部分由混合砂漿、多孔磚、保溫層和抗裂砂漿等組成，屋面由防水層、找平層、保溫層、找平層、珍珠巖找平層、屋面板和混合砂漿組成，外窗由南(6+13+6玻璃窗)、北(6+13+6推拉窗)和東西(6+13+6平開窗)外窗組成，且所有玻璃都為中空浮法玻璃。

1.2 能耗模擬

采用Design Builder軟件對嚴寒地區(qū)建筑外圍護結構的能耗進行模擬[7-9]，軟件操作界面如圖1所示。能耗模擬共分為8組(包含對照組、X組、Y組、Z組、X+Y組、X+Z組、Y+Z組、X+Y+Z組)，模擬參數(shù)以選區(qū)的典型建筑作為參照，包括墻體、隔墻、屋面和外窗等幾個部分。屋面保溫層(150 mm)和墻體保溫層(180 mm)厚度作為參數(shù)X，窗玻璃作為參數(shù)Y，窗墻比作為參數(shù)Z(南0.6、北0.3)，參照典型建筑的遮陽方式，模擬中均采用卷窗遮陽。

圖1 嚴寒地區(qū)建筑外圍護結構的能耗模擬軟件操作界面

采用Design Builder軟件對嚴寒地區(qū)建筑外圍護結構的能耗進行模擬過程中，需要單獨考慮各外圍護結構的基本參數(shù)[10-12]，以更好地實現(xiàn)節(jié)能設計優(yōu)化。嚴寒地區(qū)建筑外圍護結構中的墻體、隔墻、屋面和外窗部分的工程實際應用和軟件模擬應用參數(shù)如表1～4所示[13-16]，都分別考慮了實際工程和軟件模擬中的應用情況。

1)墻體。嚴寒地區(qū)建筑外圍護結構中墻體的應用參數(shù)如表1所示，其中實際工程和軟件模擬中的傳熱系數(shù)分別為0.581 W·m-2·K-1和0.555 W·m-2·K-1。

表1 嚴寒地區(qū)建筑外圍護結構中墻體的應用參數(shù)

2)隔墻。嚴寒地區(qū)建筑外圍護結構中隔墻的應用參數(shù)如表2所示，其中實際工程和軟件模擬中的傳熱系數(shù)分別為0.534 W·m-2·K-1和0.537 W·m-2·K-1。

表2 嚴寒地區(qū)建筑外圍護結構中隔墻的應用參數(shù)

3)屋面。嚴寒地區(qū)建筑外圍護結構中墻體的應用參數(shù)如表3所示，其中實際工程和軟件模擬中的傳熱系數(shù)分別為0.431 W·m-2·K-1和0.399 W·m-2·K-1。

表3 嚴寒地區(qū)建筑外圍護結構中屋面的應用參數(shù)

4)外窗。嚴寒地區(qū)建筑外圍護結構中墻體的應用參數(shù)見表4。

表4 嚴寒地區(qū)建筑外圍護結構中外窗的應用參數(shù)

2 結果與分析

圖2為嚴寒地區(qū)建筑外圍護結構中不同組別的耗能量分析結果，分別列出了采暖模式、制冷模式和采暖+制冷模式下的耗能量。在采暖模式下，相較于對照組(第1組)，第2～8組的能耗都相對有所降低；在單一方式下，第4組的能耗降低不如第2和第3組；在2種組合方式下，能耗降低最大的是第5組，其次為第7組；3種組合方式下，第8組的能耗降低最大，為采暖模式下能耗最低的。在制冷模式下，第2、第3和第5組都可以起到一定的降低能耗作用，而第4組、第6、第7和第8組反而使得能耗增加。從采暖+制冷模式下，能耗降低效果最好的是第8組，其次為第5組，而能耗降低消耗較差的是第2組，但是整體而言，組合效果都要優(yōu)于對照組。

圖2 嚴寒地區(qū)建筑外圍護結構中不同組別的耗能量

表5為嚴寒地區(qū)建筑外圍護結構的能耗分析結果，分別列出了采暖、制冷、采暖+制冷模式下的單位面積能耗和遞減量?？梢?，8組措施下的能耗變化趨勢與圖2保持一致。即在采暖模式下，能耗降低效果從大至小順序為：8>5>7>6>3>2>4>1；制冷模式下，能耗降低效果從大至小順序為：5>3>2>1>6>8>7>4；采暖+制冷模式下，能耗降低效果從大至小順序為：8>5>7>6>3>2>4>1。由此可見，在對嚴寒地區(qū)建筑外圍結構進行優(yōu)化設計過程中，單一方式下窗戶的傳熱效果對采暖能耗的影響遠大于窗墻比，2種組合方式下墻體、屋面和窗戶的傳熱系數(shù)對能耗的降低效果要優(yōu)于增大窗墻比；雖然為了增加制冷效果可以增加窗墻比，但是對采暖效果影響較大。整體而言，從采暖模式和采暖+制冷模式角度出發(fā)，第8組方案的能耗最低，可以取得最好的節(jié)能效果。

表5 嚴寒地區(qū)建筑外圍護結構的能耗分析結果

根據(jù)上述模擬結果可知，要想對既有嚴寒地區(qū)建筑外圍護結構進行優(yōu)化以提升節(jié)能效果，采取單一方式和2種組合方式的效果不如X+Y+Z模式，為了綜合提升嚴寒地區(qū)建筑外圍結構的節(jié)能效果[17]，需要對外窗、墻體、屋面等機構進行整體優(yōu)化設計，以最大限度降低能耗，具體節(jié)能設計優(yōu)化方案如表6所示。

表6 嚴寒地區(qū)建筑外圍護結構的節(jié)能設計優(yōu)化

3 結論

1)在采暖+制冷模式下，能耗降低效果最好的是第8組，其次為第5組，而能耗降低消耗較差的是第2組，但是整體而言，組合效果都要優(yōu)于對照組。

2)在采暖模式下，能耗降低效果從大至小順序為：8>5>7>6>3>2>4>1；制冷模式下，能耗降低效果從大至小順序為：5>3>2>1>6>8>7>4；采暖+制冷模式下，能耗降低效果從大至小順序為：8>5>7>6>3>2>4>1。

3)采取單一方式和2種組合方式的效果不如X+Y+Z模式，為了綜合提升嚴寒地區(qū)建筑外圍結構的節(jié)能效果，提出了嚴寒地區(qū)外圍護結構的節(jié)能設計方案。