不同材料外遮陽節能量對比分析范文

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摘要：運用建筑節能軟件PKPM對理想化建筑模型的各類型外遮陽進行全年能耗值計算。對比無外遮陽的全年能耗值，發現不同材料外遮陽均有利于建筑的節能。對比不同材料外遮陽的節能量，發現不同材料外遮陽的節能效果不同，鋼筋混凝土外遮陽節能效果最優，玻璃外遮陽節能效果最差。對比各遮陽形式間不同材料的節能量最大差值，發現不同形式外遮陽節能效果對材料的敏感性不同，擋板式外遮陽對材料最敏感，垂直式外遮陽對材料最不敏感。

關鍵詞：外遮陽；節能量；能耗值；遮陽材料；遮陽形式

建筑能耗是社會總能耗的重要組成部分，建筑節能對于緩解能源資源危機、解決社會發展矛盾具有重要作用[1]。據統計我國建筑運行能耗約占全社會總能耗的1/3[2]，政府非常重視建筑節能工作。建設部門已經制定了較為完備的建筑節能標準和規范體系，而節能計算也成為建筑設計工作中的必備環節[3]。采用合理的外遮陽可降低外窗太陽輻射形成的建筑空調負荷，是建筑節能的有效途徑[4]。建筑節能是綠色建筑的重要指標，隨著綠色建筑的發展，外遮陽的作用也越來越重要[5]。國外有學者從采光、自控系統等角度對外遮陽進行研究，如Konstantoglou等[6]研究了建筑遮陽的動態操作與采光的關系，Kirintat等[7]系統研究了外遮陽的仿真建模。國內學者多以某地區建筑為例從能耗的角度對外遮陽進行研究，如肖先波等[8]以湖州和上海居住建筑為例，利用DeST能耗模擬軟件分析水平遮陽板深度與建筑能耗之間的關系；楚洪亮等[9]以上海為居住建筑為例，通過軟件模擬分析了南向遮陽設施對建筑能耗的影響；陶求華等[10]以廈門和上海辦公建筑為例，利用Energy-plus軟件模擬計算出北向房間外窗采用不同遮陽設施的全年建筑照明能耗和空調能耗，進而分析了北外窗遮陽的必要性及優化選擇；向俊米等[11]以長沙市居住建筑為例，利用EcotectAnalysis軟件模擬得出建筑外遮陽的最優組合方案；李雪等[12]以長沙地區住宅為例，利用Energy-plus軟件對光伏遮陽、固定外遮陽、卷簾遮陽及水平百葉遮陽的節能效果進行模擬，并對其進行了綜合能效研究；管玲俐等[13]以南京地區公共建筑為例，從建筑能耗和炫光的角度分析了百葉外遮陽在不同季節的最優開啟度；劉國丹等[14]以青島教學樓為例，采用EcotectAnalysis軟件對教室南向外遮陽形式與建筑能耗的關系進行了研究；李運江等[15]以武漢地區建筑為例，采用PKPM節能軟件分析了南向不同類型外遮陽對建筑全年能耗的影響；陳麗華等[16]以合肥地區建筑為例，運用節能軟件模擬計算不同形式外遮陽建筑的能耗值，分析外遮陽形式與建筑節能之間的關系。國外學者從建筑能耗角度對外遮陽的研究較少，國內學者大多是從遮陽形式、設置朝向、遮陽尺寸等角度研究外遮陽與建筑能耗的關系。現有研究中很少從材料的角度對外遮陽與建筑能耗間關系進行研究。基于此，文章選取鋼筋混凝土、玻璃鋼、織物、金屬和玻璃5種常用的外遮陽材料進行研究，以合肥地區公共建筑為研究對象，建立一棟理想的建筑模型，運用PKPM節能軟件進行模擬計算。通過對比不同材料外遮陽建筑的能耗值和節能量，分析外遮陽材料與建筑節能之間的關系，為建筑外遮陽的設計與研究提供一定的理論參考。

1模型的建立

為便于對外遮陽節能效果進行定量分析研究，建立了一個理想化的建筑模型，如圖1所示。基本信息如下：地點位于合肥市，共3層，建筑總高12.90m，朝向正南，框架結構，體型系數0.24，建筑面積3684.47m2，建筑表面積3596.93m2，體積14839.37m3，外窗尺寸為4.8m（寬）×2.7m（高），窗墻面積比0.34，各朝向外窗太陽得熱系數均為0.33。為對比研究不同類型外遮陽建筑節能效果，將建筑模型的平面功能進行簡化，省略相關輔助用房，僅保留主要辦公用房，使建筑各方向的平面功能、外墻面積及窗墻面比均相等。建筑模型的主要保溫隔熱材料為石墨模塑聚苯板（SEPS），主要物理參數：密度為22kg/m3，導熱系數為0.033W/(m•K)，蓄熱系數為0.32W/(m2•K)。影響建筑能耗的主要圍護構件的構造做法如下（從外到內）：（1）外墻：20mm厚水泥砂漿、30mm厚石墨模塑聚苯板、200mm厚煤矸石多孔磚、20mm厚石墨模塑聚苯板、20mm水泥砂漿，傳熱系數為0.64W/(m2•K)。（2）屋面：20mm厚水泥砂漿、5mmSBS改性瀝青防水卷材、20mm厚水泥砂漿、80mm厚石墨模塑聚苯板、輕集料混凝土找坡（最薄處30mm）、100mm厚鋼筋混凝土、20mm厚水泥砂漿，綜合傳熱系數為0.44W/(m2•K)。（3）外窗：塑框Low-E中空玻璃（6+12A+6)，傳熱系數為2.00W/(m2•K)。《建筑遮陽工程技術規范》規定不同朝向遮陽設計的優先次序為西向、東向、南向[17]。合肥地區屬于夏熱冬冷氣候區，外遮陽設于西向可減少西曬改善室內熱環境。故為了對不同材料外遮陽建筑能耗值進行對比研究，在模擬計算時將外遮陽均設置在西向。另外，為了增加模擬計算數據的可比性，將不同形式遮陽板的同種參數設置相同。遮陽板具體參數設置如下：①水平遮陽：水平板深度1m、水平板角度90°；②垂直遮陽：垂直板深度1m、垂直板角度90°；③綜合遮陽：水平板深度1m、水平板角度90°、垂直板深度1m、垂直板角度90°；④擋板遮陽：擋板高度1m、出挑長度1m。

2分析方法

此次研究中建筑節能計算的主要依據是《合肥市公共建筑節能設計標準》。此標準是以《公共建筑節能設計標準》GB50189-2015為基礎，結合合肥地區的具體氣候環境而設置，具有更嚴格的節能要求，一般公共建筑的節能率均要求達到65%以上。依據以上設計標準設定模擬計算主要參數[18]：夏季室內設計溫度26℃，冬季室內設計溫度20℃，人均使用面積10m2/人，照明功率9W/m2，電器設備功率15W/m2，新風量30m3/hp。文中采用全年能耗值和節能量兩個指標對不同材料外遮陽的節能效果進行對比分析。建筑的能耗值E包括供暖和空調兩個方面，其計算公式[19]：E=EC+EH，式中，E為全年供暖和空調總耗電量，EC為全年空調耗電量，EH為全年供暖耗電量，單位均為kW•h/m2。為了更直觀地對比不同類型外遮陽的節能效果，采用節能量作為指標進行分析。此處建筑節能量定義的是將設置不同類型外遮陽后的能耗值與無外遮陽的能耗值做對比，其計算公式為WJ=W-WZ，（1）式中，WJ為建筑的全年總節能量，W為無外遮陽的建筑全年總耗電量，WZ為設外遮陽的建筑全年總耗電量，單位均為kW•h/m2。建筑能耗模擬采用中國建筑科學研究院建筑工程軟件研究所開發的節能設計軟件PKPM，此軟件在全國建筑設計實踐中被廣泛采用，已成為節能審查的重要依據。因此，軟件模擬可以提供較準確的節能數據。對設置不同材料外遮陽建筑的能耗值進行計算，并從3個方面對比分析各數據：（1）無外遮陽與各種材料外遮陽的建筑能耗值對比。（2）以無外遮陽全年能耗值為參照，對比分析各種遮陽形式下不同材料外遮陽的節能量。（3）對比同種遮陽形式下不同材料遮陽板之間節能量的最大差值，分析不同形式外遮陽間節能效果對材料的敏感性。

3計算結果分析

3.1能耗值對比分析

經模擬計算可得設置不同材料外遮陽建筑的全年能耗值，如表1所示。由表1可見，無外遮陽建筑全年能耗值為142346.64kW•h，設置不同材料外遮陽建筑的全年總能耗均小于此值。因此，總體而言，設置不同材料的外遮陽均有利于建筑節能。然而，設置不同材料外遮陽建筑的節能效果不盡相同，需要進一步的研究。補充說明：研究發現設置各類型外遮陽建筑的節能量相對于建筑全年能耗值而言，其數值很小。然而，一般建筑物設計使用年限為50年，重要的紀念性建筑為100年以上[20]。所以，從建筑的全壽命周期而言，此研究具有重要意義。

3.2節能量對比分析

表1由（1）式計算可得各遮陽形式下不同材料外遮陽建筑的節能量，為便于對比分析，將其繪制成節能量柱狀圖，如圖2所示。由圖2可見，設置不同材料外遮陽建筑的節能量不同，鋼筋混凝土材質遮陽板建筑節能量最大，之后依次為金屬、玻璃鋼、織物，玻璃材質外遮陽節能量最小。節能量越大說明建筑節能效果越好，據此可對不同材料外遮陽節能效果進行優劣排序。同種材料外遮陽在不同遮陽形式下的建筑節能量不同，下面對各材料遮陽板的節能效果進行對比分析。（1）鋼筋混凝土外遮陽：擋板式外遮陽建筑節能量最大，為1471.61kW•h，之后依次為綜合式、水平式、垂直式。對比具體數據可知，綜合式外遮陽節能量接近于水平式與垂直式外遮陽節能量之和，水平式外遮陽節能量相當于2倍多的垂直式外遮陽節能量。（2）玻璃鋼、織物、金屬外遮陽：金屬外遮陽節能量略小于鋼筋混凝土外遮陽，玻璃鋼外遮陽節能量基本為鋼筋混凝土外遮陽節能量的一半，織物外遮陽節能量略小于玻璃鋼外遮陽，此3種材料外遮陽節能數據的變化與鋼筋混凝土外遮陽相似，不再贅述。（3）玻璃外遮陽：此材料外遮陽建筑節能量數據變化與其他材料完全不同，綜合式外遮陽節能量最大，超過其他三種遮陽形式之和，擋板式外遮陽節能量最小，水平式外遮陽節能量與垂直式相同。鋼筋混凝土和金屬是不透光材料，玻璃鋼、玻璃和織物基本屬于透光材料。由圖3可知，不透光材料外遮陽的節能量遠大于透光材料，即不透光材料遮陽板更有利于建筑節能。進一步分析發現，各遮陽形式下不同材料遮陽板之間建筑節能量的最大差值不同，即鋼筋混凝土外遮陽與玻璃外遮陽節能量的差值不同，不同外遮陽形式下建筑節能量最大差值見圖3。從圖3可以看出，擋板式遮陽各材料間建筑節能量差值最大，為1329.54kW•h，之后依次為水平式、綜合式，而垂直式外遮陽節能量的最大差值最小，為240.61kW•h。若同種遮陽形式下不同材料外遮陽板建筑的節能量差值越大，則說明該遮陽形式的節能效果受材料的影響越大，即節能效果對材料的敏感度也越大，反之亦然。由上述分析得出：擋板式外遮陽的節能效果對材料的敏感度最大，其次是水平式遮陽和綜合式遮陽，垂直式外遮陽的節能效果對材料的敏感度最小。

4結論

利用建筑節能軟件對無外遮陽建筑和不同材料外遮陽建筑分別建模計算，得出對應的全年能耗值。以無外遮陽建筑的全年能耗值為參照，對比分析了不同材料外遮陽的能耗數據，最終得出以下結論：（1）總體而言，不同材料的外遮陽均有利于建筑的節能。（2）不同材料的外遮陽節能效果不同，鋼筋混凝土材料節能效果最優，之后依次為金屬、玻璃鋼、織物，而玻璃外遮陽節能效果最差；不透光材料外遮陽的節能效果優于透光材料。（3）相同材料下設置不同形式外遮陽建筑的節能效果不盡相同，對于鋼筋混凝土、玻璃鋼、織物和金屬材料外遮陽而言，擋板式遮陽節能效果最優，之后依次為綜合式、水平式、垂直式；設置玻璃材質外遮陽時，綜合式遮陽節能效果最優，水平式與垂直式遮陽節能效果相同，擋板式遮陽節能效果最差。（4）不同形式外遮陽，其節能效果對材料的敏感性不同，擋板式外遮陽的節能效果對材料最敏感，之后依次為水平式外遮陽、綜合式外遮陽，而垂直式外遮陽節能效果受材料影響最小。

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作者：曹穩 陳麗華 張琴義 吳偉東 單位：安徽科技學院