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建筑節(jié)能優(yōu)化設計案例分析

文檔作者：聶梅生張雪舟趙鳳山		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月27日
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20
住宅研究 HOUSING STUDIES
建筑學報
聶梅生 張雪舟 趙鳳山
摘要/文章選擇處于夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)兩個不同氣候分
區(qū)的節(jié)能建筑作為案例，分析了通過建筑能耗模擬和優(yōu)化設計，改
善建筑節(jié)能效果的途徑和措施。
關(guān)鍵詞/建筑節(jié)能 能耗模擬 優(yōu)化設計
作者單位：　
收稿日期：2005-09-05
一、引言
目前，我國城鎮(zhèn)建筑運行消耗的能源為全國商品能源的23%～
26%，發(fā)達國家的建筑能耗一般占總能耗的1/3 以上。[1] 隨著我國
城市化程度的不斷提高和產(chǎn)業(yè)調(diào)整，建筑能耗的比例將不斷提高，
建筑節(jié)能將成為各種節(jié)能途徑中潛力最大、最為直接有效的方式，
是緩解能源緊張，解決社會經(jīng)濟發(fā)展與能源供應不足這對矛盾的最
有效措施之一。
與國外相比，我國的單位建筑能耗是同等氣候條件下發(fā)達國家
的3 倍，外墻的傳熱系數(shù)為3.5～4.5 倍，外窗傳熱系數(shù)為2～3 倍，
屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為3～6 倍，門窗的空氣滲透為3～6 倍。與北京氣候
條件相近的德國，1984年其建筑年消耗為每平方米 24.6～30.8kg
標準煤，到2001 年，降低至每平方米3.7～8.6kg 標準煤。而北京
的建筑年消耗近年來一直是每平方米22.5kg 標準煤，可見我國的
建筑節(jié)能潛力巨大。
由于建筑本身是一個復雜的系統(tǒng)，各方面因素相互影響，因
此，建筑節(jié)能設計需要進行綜合的系統(tǒng)分析，目前通常采用能耗模
擬方法。該方法始于20 世紀70 年代，當時世界各國相繼開發(fā)出了
許多能耗模擬軟件，對節(jié)能建筑的開發(fā)建設起到了一定的推動作
用。具有代表性的能耗模擬軟件有美國的DOE2 和Energy Plus、
歐洲的ESP-r、日本的HASP 以及我國的DeST 等。
本文所分析的兩個案例均采用DeST 進行能耗模擬，根據(jù)模擬
結(jié)果，提出了降低建筑能耗的具體措施，分析了影響建筑能耗的關(guān)
鍵因素。
　　
二、建筑節(jié)能技術(shù)內(nèi)容
建筑節(jié)能技術(shù)主要包括建筑主體節(jié)能、常規(guī)能源系統(tǒng)的優(yōu)化利
用以及可再生能源利用等三個方面。
（1）建筑主體節(jié)能
進行建筑主體節(jié)能設計就是根據(jù)不同地區(qū)氣候和建筑能耗特
點，在兼顧冬夏、整體優(yōu)化的原則上，通過能耗模擬綜合分析，采
取各種有效節(jié)能途徑（包括選擇適宜體型系數(shù)、合理布置室內(nèi)空
間、提高圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能、控制不同朝向窗墻比、設計有效
的夏季遮陽裝置、改善自然通風等），從整體上降低建筑的采暖和
空調(diào)能耗。[2]
（2）常規(guī)能源系統(tǒng)的優(yōu)化利用
主要可以從四個方面入手：
① 因地制宜進行冷熱源優(yōu)化選擇，提高采暖、空調(diào)系統(tǒng)的能
量轉(zhuǎn)換效率；
② 采用合理的調(diào)控方式，節(jié)省輸配系統(tǒng)能耗；
③ 優(yōu)化照明控制，減少照明能耗；
④ 選用適宜能源制備生活熱水，如利用工業(yè)廢熱、熱泵、空
調(diào)余熱和分戶燃氣爐等制備熱水。
（3）可再生能源利用
根據(jù)建筑類別、氣候特點和可再生能源的可利用性選擇具體的
可再生能源利用技術(shù)，主要包括太陽能利用技術(shù)、地熱利用技術(shù)、
風能利用技術(shù)、生物質(zhì)能利用技術(shù)和地源熱泵技術(shù)等。[3]
　　
三、能耗模擬分析與優(yōu)化設計流程
建筑能耗模擬分析是一個多方案的比較擇優(yōu)過程。根據(jù)建筑的
ABSTRACT/ By the case study of two energy efficient buildings situated
in different climate zone of hot summer with cold winter and hot summer
with warm winter, this article analyzes the method of improving energy
saving effect in building by way of optimization design and energy consumption
simulation.
KEY WORDS/ Energy efficiency in building, Energy consumption
simulation, Optimization design
建筑節(jié)能優(yōu)化設計案例分析
全國工商聯(lián)住宅產(chǎn)業(yè)商會（北京,100006）　
21 建筑學報
全年耗熱量指標、全年耗冷量指標以及房間自然室溫要求，動態(tài)模
擬出調(diào)整圍護結(jié)構(gòu)性能、體型系數(shù)、室內(nèi)空間布置、不同朝向窗墻
比、自然通風等情況下的全年逐時自然室溫和采暖、空調(diào)系統(tǒng)負荷
等的變化情況。建筑能耗模擬分析應該貫穿于設計的全過程，與建
筑設計全面結(jié)合，才能實現(xiàn)節(jié)能的優(yōu)化設計。模擬分析與優(yōu)化設計
流程如圖1 所示。
四、夏熱冬冷地區(qū)節(jié)能建筑案例分析
這里以北京當代萬國城一期北區(qū)塔樓為例進行分析。該建筑設
計是在2002 年進行的，依據(jù)國家節(jié)能標準《民用建筑熱工設計規(guī)
范》(GB50176-1993），北京屬寒冷地區(qū)，其冬季采暖能耗標準為
20.6W/m2。主要圍護結(jié)構(gòu)的平均傳熱系數(shù)K(W/m2·K) 限值分別
為：屋頂0.6～0.8；外墻0.82～1.16；外窗4.00。
1. 圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能
該建筑的實際圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能設置均可滿足《民用建筑熱
工設計規(guī)范》(GB50176-1993) 要求，其具體圍護結(jié)構(gòu)材料及其傳
熱系數(shù)如表1 所示。
此外，對于外墻、屋頂、門窗等熱惰性指標及氣密性要求也均
符合國家相關(guān)的節(jié)能設計標準。
2． 模擬參數(shù)設置
1）室內(nèi)設計參數(shù)：夏季室內(nèi)設計溫度為26℃，濕度小于80%；
冬季室內(nèi)設計溫度為18℃，濕度大于30%
2 ）熱擾：平均4.3W/m 2
3）通風模式：冬季0.5 次/h；夏季1～5 次/h (均充分考慮
室外可利用新風）
3．建筑模型
建筑模型如圖2 所示。由于建筑中間各層平面設計基本相同，
為簡化計算，模型中將中間的標準層簡化為3 層(二、三、四層)；
頂層保留，整個建筑單體模型共5 層。
4．冬季采暖能耗分析
由模擬輸出結(jié)果圖3 和圖4 可以看出，整個建筑的平均采暖負
荷為17.20W/m2，小于20.6W/m2 的標準值，而頂層戶型的熱工
性能較差，較標準層戶型大8W/m2 左右，朝北戶型與其它朝向戶
型的負荷差異較小。
原因分析：朝北戶型北墻面積大；屋頂保溫效果一般。
改進措施：加厚屋頂保溫至平均傳熱系數(shù)K ＝ 0.35W/m2，加
厚北墻保溫至平均傳熱系數(shù)K ＝ 0.41W/m2。
5. 夏季基礎(chǔ)室溫分析
戶型基礎(chǔ)室溫大于29℃的最大小時數(shù)為1297，超過《中國生態(tài)
住宅技術(shù)評估手冊》的要求，所有戶型大于29℃的基礎(chǔ)室溫小時
數(shù)平均為950，如圖5 所示。圖6 給出了熱工性能較差房間的具體
位置。
原因分析：東、西外窗面積過大，屋頂隔熱效果一般。
改進措施(結(jié)合冬季改進措施）：增加遮陽措施(外遮陽或百葉
內(nèi)遮陽），屋頂加隔熱層，使其總傳熱系數(shù)降至0.35 左右。
五、 夏熱冬暖地區(qū)節(jié)能建筑案例分析
這里以深圳泰格公寓G 棟為例進行分析。在《夏熱冬暖地區(qū)
居住建筑節(jié)能設計標準》(JGJ75-2003) 規(guī)定了該地區(qū)內(nèi)居住建筑
22
住宅研究 HOUSING STUDIES
建筑學報
的建筑、熱工、空調(diào)、采暖和通風設計中所采取的節(jié)能措施和應該
控制的建筑能耗，要求在保證相同的室內(nèi)熱環(huán)境的前提下，與未采
取節(jié)能措施前相比，建筑全年空調(diào)和采暖總能耗減少50%。標準中
節(jié)能強制性條文詳細規(guī)定了屋頂和外墻傳熱系數(shù)和熱惰性指標的限
值、外窗綜合遮陽系數(shù)的限值、各朝向窗墻面積比以及外窗的可開
啟面積等。
1. 圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能
該建筑的實際圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能設置如表2 所示。
2. 模擬參數(shù)設置
(1) 室內(nèi)環(huán)境：冬季為16℃，夏季為26℃，24 小時空調(diào)
(2) 室內(nèi)負荷：無
(3) 空調(diào)季節(jié)：1 月1 日～12 月31 日，不考慮采暖
(4) 換氣次數(shù)：1 次/h
3. 建筑模型
由于建筑中間各層平面設計基本相同，為簡化計算，只取四
層，其中2～9 層取兩層，10～21 層取兩層，簡化的建筑模型如圖
7 所示。
為了進行節(jié)能對比分析和探討外窗、外墻和屋頂對建筑節(jié)能的
貢獻，在模擬中引入兩種對比建筑：
(1) 基準建筑：20世紀80年代初的不節(jié)能建筑。以它作為節(jié)
能50% 的對比建筑，其主要建筑構(gòu)件的熱工性能為：外墻K 值
為2.47W/(m2·K)、屋頂K 值為1.8W/(m2·K)、外窗K 值為
6.4W/(m2·K)、遮陽系數(shù)Sc 為0.9、空調(diào)能效比為2.2。
(2) 參照建筑：與所設計的實際建筑在大小、形狀等方面完全
一致，圍護結(jié)構(gòu)滿足標準的基本節(jié)能要求，屬于節(jié)能建筑。
4. 模擬分析結(jié)果比較
基準建筑、參照建筑和實際建筑的能耗模擬分析結(jié)果如表3 所
示，實際建筑與基準建筑相比，節(jié)能達到75.6%。
在基準建筑的基礎(chǔ)上，逐一更改外窗、外墻和屋頂?shù)臒峁ば?
（參見表4），得到各種圍護結(jié)構(gòu)單一節(jié)能率，如表5 所示，其中空
調(diào)節(jié)能仍用基準建筑能耗。
六、結(jié)論
1. 通過計算機模擬分析方法能有效地對不同階段的設計方案
的建筑耗能進行詳細的預測和比較，它是一種實現(xiàn)建筑節(jié)能優(yōu)化設
計的有效途徑。
2. 夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能重點在于降低采暖能耗。北向外墻、
外窗以及屋頂?shù)谋馗魺嵝阅茉谠O計時需比國家建筑節(jié)能標準要求
有所提高。
3. 夏熱冬暖地區(qū)建筑節(jié)能重點在于降低空調(diào)能耗。外窗及其
遮陽性能對建筑能耗的影響比較大，提高空調(diào)能效比對降低建筑能
耗是至關(guān)重要的。
4. 我國的建筑節(jié)能潛力很大，節(jié)能重點應為建筑物本身的節(jié)
能、采暖和空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能和可再生能源的利用?！?
參考文獻
[1] 薛志峰等. 超低能耗建筑技術(shù)及應用. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005
[2] 聶梅生等. 中國生態(tài)住宅技術(shù)評估手冊(2003版). 北京：中國建筑工業(yè)出版
社，2003
7 G棟簡化能耗模型 [3] Fred A. Stitt. Ecological Design Handbook. US：McGraw-Hill, 1999
表4 圍護結(jié)構(gòu)熱工性能調(diào)整方式
基準建筑模擬建筑 提高熱工性能的措施
空調(diào)能效比2.20 4.40 兩臺高能效冷水螺桿機組
外窗K 值6.40 2.50 鋁合金框Low-E 中空玻璃
外窗Sc 值0.90 0.45 6CEB12+9A+5Low-E
屋頂K 值1.80 0.75
150mm 鋼筋混凝土樓板+25mm 擠塑板+ 綠
化屋面+ 遮陽屋面
外墻K 值2.47 1.00 2 0 0 m m T H K 混凝土
表5 各種圍護結(jié)構(gòu)單一節(jié)能率對比
項目基準建筑外窗節(jié)能外墻節(jié)能屋頂節(jié)能空調(diào)節(jié)能
全年累計冷負荷
169.7 114.8 167.8 161.6 169.7
指標(kWh/m2)
空調(diào)能效比2.2 2.2 2.2 2.2 4.4
全年累計耗電量
77.1 52.2 76.3 73.5 38.6
(kWh/m2)
節(jié)能率(%) － 32.3% 1.1% 4.7% 50.0%
表3 三種建筑全年累計耗電量對比
項目基準建筑參照建筑實際方案
全年累計冷負荷指標(KWh/m2) 169.7 95.6 82.7
空調(diào)能效比2.2 2.7 4.4
全年累計耗電量(KWh/m2) 77.1 35.4 18.8
節(jié)能率(%) － 54.1 75.6
表2 圍護結(jié)構(gòu)材料及其傳熱系數(shù)
類別構(gòu)件名稱
傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)
K 值限值
外墻200mmTHK 混凝土，內(nèi)外各20mm 水泥砂漿抹灰1.00 1.50（D ≥ 3.0）
屋頂
150mm 鋼筋混凝土，25mm 擠塑聚苯板
0.95 1.00
（模擬中考慮屋面遮陽的當量熱阻）
鋁合金框Low-E 中空玻璃
外窗 2.50 —
朝 向E S W N
窗 墻 比0.60 0.60 0.60 0.45
遮陽系數(shù)0.45 0.45 0.45 0.45
類別構(gòu)件名稱
傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)
K 值限值
外墻200 混凝土墻+100 空氣層+50 聚苯乙烯外保溫0.81 0.82～1.16
內(nèi)墻200 加氣混凝土空心砌塊1.40 1.83
屋頂100 混凝土+100 憎水珍珠巖0.67 0.6～0.8
樓地240mm 磚樓地0.29 0.52
樓板8 0 m m 鋼筋混凝土樓板1.78 —
外門雙層實體木制外門2.33 —
外窗塑鋼中空窗2.68 4.00

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