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                有關辦公建筑節能的數字分析和設計

                來源:未知
                 

                  室外氣象計算參數采用武漢典型年的氣象報告,由武漢市氣象局提供采暖和空調使用時,室內換氣次數為.0次/h。室內照明得熱為每天4w/m ,室內設備得熱平均強度為每天6w/m 。在冬季,辦公建筑的內部得熱可以減小采暖負荷,在夏季,則會增大空調負荷。在計算時應將內部得熱分為照明和其它設備兩類來考慮。
                  采暖和制冷設備系統為分體空調,均以電力為能源,制冷性能系數EER為2.7,采暖制熱性能系數COP2.8,這主要是考慮普通空調器國家標準規定的最低能效比。
                  由于夏熱冬冷地區室內采暖、空調設備的配置實際上能夠控制的主要是建筑圍護結構,所以在計算中適當降低設備的額定能效比對建筑實際達到節能5O%的目標是有利的。在計算中取空調的最低能效比,有利于突出建筑圍護結構在建筑節能中的作用辦公室室內計算溫度,冬季為18℃;夏季為26℃ 。沒有按照公共建筑節能標準冬季℃ ,夏季25℃的標準計算,是考慮到國家在倡導在夏季溫度調高1度的建議。故按照居住建筑節能的溫度做計算。這樣做并不影響以下的結果,因為都是采用相對值的百分比來陳述結果。
                  本例采用空調和采暖耗電量作為評價指標。作為一個普通辦公樓建筑,白天工作,晚上休息 房間內的設備的使用周期與辦公時間相同。辦公室具體的使用周期如下:周一至周五工作,周六、周日以及節假日休息,工作時間為每天上午8:00-下午:OO,照明設備、空調設備和其他設備的運行時間也一樣。
                  在決定這些熱工數據時,考慮了滿足冬、夏兩季的要求。墻體采用平均傳熱系數,即按面積加權法求得外墻的傳熱系數,同時考慮了圍護結構周邊的混凝土梁、柱等熱橋的影響。
                  模擬計算程序為DOE2一PLUS,輸出結果以輸出報告中的大樓空調系統各個月份的總耗電量為依據,并作為節能標準的衡量標準參數。
                  影響節能指標的圍護結構部件數字分析.耗電量百分比總體分析(以夏季為例由于DOE-PLUS程序的限制,以及我國的夏、冬兩季的兩個溫度標準與DOE—程序所設計的全年保持室內只有一個空調溫度不同,故采暖周期和空調周期的耗電量分析必須分周期進行討論,F以夏季6、7、8月為主要計算周期,同時把月和9月的數據也列出作為參考。以下數據為該建筑的比較參數,基礎數據為磚復合墻體。其它數據為圍護結構采用節能措施后,相對240墻的耗電量的百分比。分別為:
                  外墻~[140—80mm厚聚苯板;根據計算結果顯示,采用厚40mm(傳熱系數為.65W/m ·K)的聚苯板與采用厚傳熱系數為0.34W/m ·K)聚苯板的效果相差很小,所以只列出增加40ram厚聚苯板的結果;墻和屋頂加80mm 厚聚苯板;窗戶上固定遮陽,外挑尺寸的設計參數,可以在武漢市5-9月份完全遮擋太陽光照射進室內;所有的窗戶都換LOW—E玻璃,玻璃傳熱系數為3.0W/m ·K;所有的窗戶都換LOW—E玻璃,玻璃傳熱系數為1.5W/m ·K;所有窗戶都只換普通中空玻璃窗,玻璃傳熱系數為3.4W/m K; 7)既用遮陽,又用L0W—E玻璃,玻璃傳熱系數為3.0W/m ·K(為方便分析,將遮陽功能從LOW-E玻璃窗的功能中單獨剝離出來,作為兩項節能措施);既用窗外百葉活動遮陽,又用—E玻璃,玻璃傳熱系數為3.0W/m ·:
                  墻體加聚苯板,聚苯板傳熱系數為.34W/m K,窗戶換L0W—E玻璃,玻璃傳熱系數為3.0W/m ·K;窗戶改為普通中空玻璃窗,然后采取所有的上述節能措施;窗戶改為L0W—E中空玻璃窗,然后采取所有的上述節能措施。
                  結果分析按以上數據,將240mm墻設為100% ,再根據耗電百分比的均值,得到節能效果的排列為(從節能效果最差到最好排序):
                  由于所有結果都是在使用空調的條件下得出,所以,以下結論都要考慮在使用空調的環境條件下。
                  窗換普通中空玻璃窗,只能起到較小的節能效果,節能的效果只是表現在空調環境改善上;夏天5個月(實際上主要考慮6、7、月,5月和9月列出是為了比較,下同),單獨墻體改進(隔熱加保溫)一個月至多可以節約2.4-3.4% 的耗電量。若將屋頂也做改進,一個月則可節約至多3.5-4% 耗電量。整個夏天,單獨改進墻體可以節約用電量3.5%左右。
                  單獨作用的固定南向窗戶上的遮陽板可以每月節約3% 的耗電量,整個夏天,單獨增加固定遮陽板可以節約用電量3%左右。
                  所以,根據2和3條,外墻加聚苯板和窗戶上有固定遮陽的效果基本一樣,但按性價比考慮,遮陽要大大優于外墻加聚苯板;相比較遮陽而言,經濟性(性價比應是遮陽比大樓全外墻加聚苯板要高。
                  夏天單獨作用的所有窗戶(整棟大樓)上玻璃采用LOW-E玻璃可以每月節約% 的耗電量,整個夏天,單獨改進窗玻璃可以節約用電量5% 左右。夏天,L0W—玻璃的傳熱系數的變化對節能效果影響在1% 以內,但普通中空玻璃窗和L0W—玻璃窗兩者的價格差肯定比這大得多。但在冬天,L0W—E玻璃的傳熱系數低的效果就比高的節能效果要提高許多。故選擇時,要注意L0W—E玻璃窗的性價比,根據實際情況選擇合適的玻璃窗。
                  夏天,南向窗加遮陽與所有窗戶(整棟大樓)上玻璃采用L0W—E玻璃可以每月節約4.5% 左右的耗電量,整個夏天,南向窗加遮陽與所有窗戶(整棟大樓)上玻璃采用—E玻璃可以節約用電量4-5%左右。
                  這里有兩種遮陽方式,一種是固定在窗戶上方,作為建筑部件的遮陽,一種是窗外百葉遮陽。百葉遮陽在這里的關閉時1司為,上班時間關閉,下班時間開啟。根據計算,窗外百葉遮陽效果略好于建筑部件的遮陽,可以達到節約用電量5-6%左右,但實際上,窗外百葉遮陽是要靠人控制或機械電氣控制,結果要根據性價比具體分析。
                  若只考慮夏天,夏熱冬冷地區的辦公樓的窗戶可只采用遮陽或換L0W—E玻璃窗其中一種方式,基本能滿足同一節能要求,節能效果相差1.3%左右,但兩種措施都采取,也只能達到采用其中換LOW—玻璃窗的節能效果。這個結論的前提條件是玻璃窗的密閉條件要達到要求。
                  夏天,大樓外墻體,包括屋頂都加聚苯板和所有窗戶(整棟大樓)上玻璃窗都采用LOW-E玻璃最多每月可以節約8-9%的耗電量,整個夏天,大樓外墻體,包括屋頂加聚苯板和所有窗戶(整棟大樓)上玻璃采用LOW-E玻璃可以節約用電量8%左右。
                  夏天采取上述所有措施,比第8條還多采取一個遮陽措施,最多每月可以節約8—9% 的耗電量,整個夏天,可以節約用電量9%左右。當然,所有的措施都采用,效果肯定最好,但與只改進墻體、窗的效果差不多,也就是沒有把遮陽用上。
                  將第9條的采用所有窗戶(整棟大樓)上玻璃采用LOW-E玻璃的措施改為采用普通中空玻璃窗,節能效果也還不錯,但前提條件是圍護結構其他部分以及遮陽的措施一定要采取,否則就會使得節能效果差(可參見第1條的結論)。
                  建筑全年情況數字分析由氣象數據可以分析得知,按國家標準中度日數概念,以及有可能達到采暖標準溫度18℃和空調溫度26"C的實際情況,采暖周期為4個月(11月、12月、1月和月);空調周期也是4個月(6月、7月、8月和9月)。其余月份在溫度調節上沒有耗費能源。那么,各取相對的4個月的耗電量相對本周期總耗電量的百分比,見表4。
                  本例中,建筑圍護結構在沒有進行節能處理的情況下,采暖周期4個月占全年用電量的47% ,空調周期4個月占全年用電 量的53% ,基本上兩個周期各占一半的能量耗費;采用節能措施后,采暖周期4個月占全年用電量的34.7%(由于上述數據中,有一個數據偏差較大,盡管我們在總結時進行了處理,但數據還是原樣列出),空調周期4個月占全年用電量的65.3% 。這表明在夏熱冬冷地區,圍護結構的節能改造可以使得采暖周期的耗電量下降較大,而空調周期的耗電量改善有限。
                  本例圍護結構的改造使得采暖周期平均節約用電46% ,空調周期平均節約用電% 據此計算,相比較240mm磚墻未進行圍護結構節能改造的辦公建筑,全年節約25.7%的耗電量,但這并不是相對國家公共建筑節能標準的節能比率。這就是在既有建筑上采取措施能夠節約能量(電能)的基本數據。
                  按照國家公共建筑節能設計標準計算,將該建筑改為“基準建筑(Baseline)”,外墻值為1.5W/m K,外窗改為6.4W/m2·后,該例本身已節能7%一8%;若將基準建筑室內與室外空氣交換的程度增大,即減小玻璃窗的密閉程度,該例本身已可節能12% 。盡管在“基準建筑”上進行圍護結構節能改造和在本例所述建筑上進行相同節能改造的結果并不是呈線性比例的,但作為基本全年的總評估,采用線性計算還是可行的。故綜上所述,相比較“基準建筑”,本例采取節能措施后,全年節約的耗電量為:
                  一[(1-0.07)×(1-0.257)1}×100%%而基準建筑減小玻璃窗的密閉程度,該例本身則可全年節約35% 的耗電量。
                  該建筑要達到國家節能標準,剩下的節能要求,就要靠提高的空調機的效率,通風的效率,照明的效率和其他耗能設備的效率了。
                  辦公建筑設計和改造措施的分析按照上述結果分析,在夏熱冬冷地區,在不采用設備進行溫度調節的3月,4月,月和10月,可依靠通風以及風扇等小電氣設備來調溫,在需調溫周期,過大的通風會增加耗能程度。在此,辦公建筑的辦公時段,沒有考慮自然通風,而采用新風系統供新鮮空氣。若要考慮建筑自然通風狀況,可采用CFD(計算流體動力學)模擬方法進行評估。辦公建筑的辦公時段的新風機的耗能分析,以及照明和其他電氣設備的耗能將在其他文章里再討論。其他影響建筑節能的因素,如建筑朝向、建筑是否靠近水體、綠地影響等,也不在此討論。
                  夏熱冬冷地區的辦公建筑節能設計或改造,宜先從玻璃窗改造方面考慮措施。
                  首先,玻璃窗的密閉程度應該提高,玻璃窗的密封程度,可以影響到全年的節能效率4%一6%(計算結果沒有列出,但在上文討論與“基準建筑”的比較時,列出了該值的部分討論)。
                  其次,對玻璃窗的改造。在現有玻璃窗內、外再加一層玻璃窗,相當于普通中空玻璃的節能效果,即可增加玻璃窗的密閉性,也可改善節能效果。若原窗密閉性較好,則增加遮陽措施效果更好,若密閉性不好,則先解決窗的密閉性 窗的玻璃改造有兩種,即是否采用LOW—E玻璃。但無論采用那種,窗的遮陽系數要低,而普通中空玻璃一定要采取遮陽措施,LOW—E玻璃窗一定要選遮陽系數合適的產品。在夏熱冬冷地區,夏天要把太陽輻射擋在室外,冬天則需要將太陽輻射引人室內,且還是越多越好,用以提高室內溫度和增加自然采光。由于—E玻璃窗不具備這種兩面性,所以,本地區應該在設計中可充分考慮采用遮陽措施。窗外百葉遮陽或活動式遮陽需靠人或機械、電氣調節,風吹雨打又容易損壞,有一定的局限性,但優點也是明顯的,冬、夏兩季都能很好滿足要求。建筑的固定遮陽夏天沒有問題,但遮陽板設計不好,會部分影響冬天的太陽輻射照進室內,更談不上利用冬天太陽輻射的熱量和光照,F在已有一種適于夏熱冬冷地區的新型玻璃窗,可以滿足該地區的對太陽輻射利用的兩面性的要求,夏天將太陽輻射反射回天空,冬天則讓太陽輻射進室內,是設計或改造該地區玻璃窗的好方法。
                  單獨采用建筑外墻全部用聚苯板覆蓋的節能措施,并不是該地區建筑節能的推薦方法。相比而言,改造屋頂卻是節能措施的較好方法。通過分析7-9月太陽在該地區的運行軌跡,陽光基本在屋頂上直射,全天都受太陽照射,所以,改造墻體是為空調隔熱,改造屋頂才是阻擋太陽輻射熱量的重要措施。墻體改造一定要與屋頂改造同時進行,才能取得較好節能效果。
                  從性價比來考慮,建筑的固定遮陽最好,玻璃窗的改造次之,特別是采用適于夏熱冬冷地區的新型玻璃窗,性價比更高。能將窗外百葉遮陽用機械和電子控制,也不失為一種好辦法,就是要考慮經濟性。而屋頂的改造若適當,也不失為一種好辦法。
                  通過運用計算機模擬的數字化分析方法,對建筑節能設計和既有建筑節能改造進行詳細的預測和比較,是一種針對區域氣候進行建筑節能設計和改造的有效途徑,是建筑師借助科學手段創造性解決問題的有力途徑。夏熱冬冷地區是我國建筑產業發展最快的區域之一,也是建筑能耗最多的地區之一 ,針對區域氣候的適應性進行建筑的節能設計和改造具有十分重要的意義!

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