摘要 公共建筑节能设计标准已经开始实施,为便于设计人员了解建筑和围护结构热工性能对能耗的影响,有利于结合工程实际情况,合理调整设计参数,在满足节能标准的前提下,尽量满足设计的个性化需求,本文针对公共建筑中的办公建筑节能设计影响因素进行模拟分析,供设计低耗能建筑参考。
关键词 公共建筑 节能设计 能耗 办公建筑
1 引言
《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2005于2005年7月1日实施,按照标准要求,进行公共建筑节能设计分为两部分,建筑和建筑热工设计和围护结构热工性能的权衡判断。在建筑和建筑热工设计中的强制性条文中,对建筑的体形系数、不同窗墙比下的门窗传热系数和窗子遮阳系数、外墙屋顶外围护结构的传热系数、与非采暖空调房间相邻的隔墙的传热系数等作了强制性规定,当设计建筑满足这些强制性条文时,设计建筑即满足节能标准的要求,如果其中某些指标不满足,则应进行围护结构热工性能的权衡判断,要求设计建筑的能耗小于参照建筑的能耗。在工程设计中,设计师可能根据具体情况,调整各种参数,使设计建筑既满足功能和创意的需求,又满足节能标准的最低要求。为便于设计人员了解建筑和围护结构热工性能对能耗的影响,以利于设计低耗能建筑,本文针对办公建筑节能设计中的影响因素进行模拟分析,以确定各影响因素对能耗影响的大小。
2 分析方法
以实际建筑物作为分析的建筑模型,该建筑满足节能标准对当地设计建筑的要求,其各项热工性能均达到节能标准的规定值(上限值),即该建筑是一个刚刚满足节能标准的建筑,按照公共建筑节能设计标准附录B中规定的空调系统形式、房间设备功率、人员密度、照明功率密度、新风量、各种时间表等条件,计算能耗,以其能耗作为参考,在一定范围内分别改变对能耗有影响的建筑物的窗墙比、窗子传热系数、窗子的遮阳系数,以分析各种因素对能耗的影响大小。计算软件采用本公司开发的公共建筑节能设计计算软件PBEC的修改版计算。
3 影响因素分析
3.1 参照建筑
该建筑为一办公楼建筑,地下三层,地上三十九层,建筑面积63891m2,地上52321m2.地上高度136.80 m, 筒中筒结构,典型标准层东西长40.5m,宽29.9m,裙楼部分各层建筑面积大于典型标准层面积,厕所和电梯在内筒中央区。各朝向的窗墙比:北向 0.62,西向 0.55,南向 0.64,东向 0.59,体形系数 0.12,整个建筑物平均窗墙比0.6,假设新风系统按层划分。
3.2 窗墙比的影响
从采光、建筑艺术和室内人员感觉角度考虑,公共建筑的窗墙比往往偏高,从建筑节能角度,宜降低窗墙比,为分析窗墙比的影响,将窗墙比的取值范围加大,以分析影响大小。计算结果见以下各表。表中数据为计算条件下的耗能量与参照建筑耗能量之比。
计算地点北京(参照建筑围护结构热工性能按0.5<窗墙比≤0.7取值,窗墙比取实际值)
窗墙比 | 0.3 | 0.35 | 0.4 | 0.45 | 0.5 | 0.55 | 0.6 | 0.65 |
东 | 0.9971 | 0.9977 | 0.9981 | 0.9985 | 0.9990 | 0.9994 | 1.0000 | -- |
南 | 0.9764 | 0.9744 | 0.9726 | 0.9706 | 0.9686 | 0.9667 | 1.0013 | 0.9996 |
西 | 0.9594 | 0.9603 | 0.9610 | 0.9619 | 0.9993 | 1.000 | 1.0009 | 1.0016 |
北 | 0.9902 | 0.9920 | 0.9936 | 0.9950 | 0.9965 | 0.9981 | 0.9995 | -- |
计算地点北京(参照建筑围护结构热工性能按0.4<窗墙比≤0.5取值,窗墙比取0.45)
窗墙比 | 0.3 | 0.35 | 0.4 | 0.45 | 0.5 | 0.55 | 0.6 | 0.65 |
东 | 0.9981 | 0.9987 | 0.9995 | 1.0000 | 1.0006 | 0.9649 | 0.9658 | -- |
南 | 0.9714 | 0.9486 | 0.9988 | 1.0000 | 0.9978 | 0.9955 | 0.9933 | 0.9911 |
西 | 0.9965 | 0.9978 | 0.9988 | 1.0000 | 1.0011 | 1.0022 | 1.0031 | 1.0041 |
北 | 0.9943 | 0.9962 | 0.9981 | 1.0000 | 1.0020 | 1.0036 | 1.0054 | -- |
计算地点上海(参照建筑围护结构热工性能按0.5<窗墙比≤0.7取值,窗墙比取实际值)
窗墙比 | 0.3 | 0.35 | 0.4 | 0.45 | 0.5 | 0.55 | 0.6 | 0.65 |
东 | 0.9949 | 0.9958 | 0.9966 | 0.9975 | 0.9983 | 0.9992 | 1.0000 | --- |
南 | 0.9996 | 0.9997 | 0.9997 | 0.9997 | 0.9999 | 0.9999 | 1.0000 | 1.0000 |
西 | 0.9949 | 0.9959 | 0.9970 | 0.9980 | 0.9990 | 1.0000 | 1.0009 | 1.0020 |
北 | 0.9906 | 0.9920 | 0.9936 | 0.9950 | 0.9966 | 0.9979 | 0.9995 | -- |
计算地点上海(参照建筑围护结构热工性能按0.4<窗墙比≤0.5取值,窗墙比取0.45)
窗墙比 | 0.3 | 0.35 | 0.4 | 0.45 | 0.5 | 0.55 | 0.6 | 0.65 |
东 | 0.9967 | 0.9979 | 0.9990 | 1.0000 | 1.0010 | 1.0020 | 1.0030 | -- |
南 | 0.9996 | 0.9997 | 0.9999 | 1.0000 | 1.0000 | 1.0001 | 0.9995 | 1.0004 |
西 | 0.9963 | 0.9975 | 0.9987 | 1.0000 | 1.0012 | 1.0024 | 1.0034 | 1.0132 |
北 | 0.9946 | 0.9965 | 0.9982 | 1.0000 | 1.0017 | 1.0034 | 1.0050 | -- |
从计算结果可以看出窗墙比的影响大小与朝向和地区有关,不同地区空调供冷量和采暖供热量所占比例明显不同,所以窗墙比的影响大小取决于其对空调和采暖耗能量的影响大小。
窗墙比的影响随朝向不同而不同,对于北向,窗墙比的变化对耗能量影响比较有规律,窗墙比增加0.05,耗能量约增加1.5—2.0‰左右,对于东西向,窗墙比增加0.05,耗能量约增加1—1.3‰左右;对南向的影响,与地区有关,对于北方地区,在某些窗墙比范围内,窗墙比的加大,耗能量反呈递减趋势,分析原因,因南向房间,全年接受太阳辐射得热量较多,使得冬季采暖供热量减少,同时夏季空调供冷量增加,但两者之和减少。而对于南方广州地区,能耗随着南向窗墙比的增大而增大,对于上海地区,空调耗能为主,采暖也占一定比例,南向变化不明显。
因此,从全年耗能角度考虑,对于空调能耗和采暖能耗相当,或采暖能耗所占比例较大的地区,南向窗墙比在一定范围内变化,对全年能耗影响不大,设计师有一定的选择空间。
3.3 窗子传热系数的影响
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3.4 窗子遮阳系数的影响
对节能标准中有遮阳系数限值的朝向,其窗子遮阳系数分别取值 0.5—0.8, 间隔0.05,其他计算条件同2.3.对于北京地区,窗子遮阳系数增加,采暖耗热量减少,空调耗冷量逐渐增加,而总和有减少的趋势;对于广州地区,窗子遮阳系数增加,耗能量增加,窗子遮阳系数增加0.05,总耗能量增加约2—2.6%。对于上海地区,变化介于北京和广州之间;因此,对于以空调为主的广州地区,减少遮阳系数,将明显减少耗能量,对于采暖耗能量占一定比例的地区,不能简单地一味追求降低窗玻璃本身的遮阳系数,应考虑合理设置活动遮阳设施,既减少空调能耗,又不影响冬季房间日射得热。可见,对于任何地区,合理设置活动遮阳设施是减少能耗的有效方法。
4 结论
(1)对于采暖能耗所占比例较大的北方地区,南向窗墙比可在一定范围内适当加大,虽然影响设备最大容量,但从能耗角度分析,影响不明显,可以给设计师一定的选择空间。
(2)对于以空调耗能为主的南方地区,窗子传热系数对能耗的影响较小。
(3)任何地区,合理设置活动遮阳设施都是减少能耗的有效方法,在设计中应引起重视。
(4)在设计空调系统时,应考虑办公建筑室内发热量大、间歇运行的特点,在过渡季应考虑变新风系 统,在夏季的夜间,当室外空气温度低于室内温度时,可考虑利用室外空气预冷房间。