寒冷地区居住建筑遮阳节能方案研究

郭而郛 王 瀛 崔雅楠

（天津生态城绿色建筑研究院有限公司，天津 300467）

寒冷地区居住建筑遮阳节能方案研究

郭而郛 王 瀛 崔雅楠

（天津生态城绿色建筑研究院有限公司，天津 300467）

本文从降低绿色建筑能耗的角度出发，利用能耗模拟软件e-QUEST，对寒冷地区居住建筑遮阳系统进行研究，方法一是通过改善调整居住建筑外窗本体遮阳系数；方法二是通过添加活动式可调节外遮阳，通过定量化模拟手段进行建筑节能率测算，从而制定寒冷地区居住建筑外遮阳系统选用策略。

寒冷地区；建筑节能；e-QUEST；可调节外遮阳

1 引 言

目前我国现有建筑总面积约400亿m2，预计到2020年还将新增建筑面积约300亿m2。建筑需占用大量土地，在建造和使用过程中，直接消耗的能源占到全社会总能耗的近30%，因此，有效的降低建筑业的能源资源消耗，减轻建筑业造成的生态环境污染，将建筑业这个传统的高消耗发展模式转变为高效绿色型发展模式，将对社会可持续发展起着至关重要的作用。

自2006年住建部颁布第一版《绿色建筑评价标准》以来，如何实现节约资源保护环境，已成为建筑行业发展的必然趋势。目前，我国已进入十三五高速发展期，经过十年的发展，各地区已颁布各类节能设计标准及绿色建筑专项设计与评价标准，保障绿色建筑的发展，但与此同时，我国建筑制造业较发达国家规模达、能源消耗量大，环境污染高，严寒及寒冷地区冬季采暖能耗大，化石能源消耗量大，已成为环境污染及建筑行业持续发展的重点问题，如何通过外围护结构降低空调与采暖能耗，已成为建筑设计师业内学者交流热点。

建筑外围护结构是建筑内外能量流失通道，对于居住建筑来说，其外窗面积占到整体围护结构面积的30%左右，又因其保温效果较外墙差，故其成为建筑能量损失的主要通道，占到建筑总耗热量的40%以上[1-3]。其中，遮阳系数的降低可以一定程度改善建筑节能效果，其方式可以通过改变外窗本体遮阳系数以及添加活动式外遮阳两个方式实现，该方式已纳入天津地区节能设计标准，并已定性的体现改善效果，但如何体现两方式的区别及对居住建筑节能效果的量化影响，从而制定选材方案，已成为行业共同关注点。

本文以生态城居住建筑为案例，通过e-Quest模拟软件，定量化表征两方式对建筑节能效果的影响，为居住建筑外遮阳的选取提供方法。

2 模型的建立

2.1 e-Quest能耗模拟软件介绍

本文选用e-QUEST 能耗模拟软件[4]，该软件具有应用广泛、操作简单、结果输出可视性更强等优点[5]。

该软件利用当地气候数据文件，依据建筑项目具体模型，通过模拟室内外温度的时时变化建立温度与热流传到数据函数，通过各地区节能设计标准及建筑类型，定义周期计算时间及运行条件，从而对建筑冷、热、设备、照明、排风等各能源消耗进行计算，最终得到全年每平米建筑面积平均能耗。同时该软件可根据项目需求添加构件及构筑物，如活动式外遮阳，并可根据具体情况调节外窗整体遮阳系数及全年开启时间表。

e-QUEST采用反应系数法动态的计算建筑物的负荷，该方法最大特点是不要求以周期扰量为前提,可以用时间序列表示外扰的变化,这是该软件与同类模拟软件的最大区别，因此适用于建筑全年负荷计算。

2.2 建模及参数设置

本文选取中新天津生态城世茂新城05-10-05-01地块（20a）15号楼住宅为研究对象，总建筑面积3438m2，主体为钢筋混凝土剪力墙结构，其中地上6层，建筑面积2910.7m2；地下2层，主要为库房，建筑面积389.12m2，依据《天津市居住建筑节能设计标准》（DB29-1-2010）[6]，除外窗Sc之外其余围护结构与设备选型参数详见表1。

中新天津生态城世茂新城05-10-05-01地块（20a）15号楼参照建筑按照《天津市居住建筑节能设计标准》（DB29-1-2010）规定，制冷采用cop为2.6的单体空调器，工作周期为5月15日至9月15日，工作时间按照工作日下午16:00至次日7:00；采暖采用效率为89%的燃气锅炉，工作周期为11月15日至次年3月15日。其主要功能空间设计参数见下表（其他功能房间设计参数依据《天津市居住建筑节能设计标准》（DB29-1-2010）中限值确定）。

表1 基准建筑围护结构相关参数列表

表2 主要功能房间设计参数

在以上参数设置的基础上，当该项目外窗遮阳系数为0.7时，即可满足《天津市居住建筑节能设计标准》（DB29-1-2010）规定的65%节能率限值的要求。

图1 外遮阳检测报告

外窗本体遮阳是指窗户上玻璃自身的遮阳功能，从一开始的吸热玻璃到热反射玻璃，再到现在的低辐射玻璃和各种镀膜玻璃，也是品种越来越多，性能越来越好，是外窗出厂后的固有参数，稳定不变；但活动式外遮阳在夏季可根据自身倾角及开启方式的变化改变围护结构综合遮阳系数，同时在冬季全部关闭的状态下，可与外窗形成有机整体，可有效的增强围护结构保温隔热效果，以某卷帘式活动外遮阳产品检测报告为依据，在外窗本体Sc为0.7时，夏季白天10：00~16：00遮挡2/3，外窗整体遮阳系数可减小至0.21，冬季夜晚全部关闭，可使得外窗传热系数明显减小，达到1.91 W/（m2·K）。

图2 建筑模型图

通过建模进行对比实验，方案一是将外窗本体遮阳系数Sc从0.7每隔0.01个单位，连续变化到0.4；方案二是固定外窗遮阳系数0.7，添加卷帘式活动外遮阳，通过方案对比定量化得出建筑能耗模拟结果。

利用e-Quest软件所建模型如图2。

3 数据分析

如图3所示，方案一只改变外窗本体遮阳系数，制冷节能率上升了12.85%，采暖节能率下降了6.28%，整体建筑节能率下降了3.38%。

图3 各遮阳系数对应节能率变化

通过降低外窗本体遮阳系数不能够减小建筑总能耗[7]，原因如下：对于建筑固定外窗来说，遮阳系数的降低，减少了室内的太阳辐射得热，夏季空调能耗随之减小，而采暖能耗反而上升，而根据《天津市居住建筑节能设计标准》（DB29-1-2010）中住宅建筑夏季夜晚空天处于长时间开启状态，温差传热量也随之减小，但外窗材料的蓄热系能和热惰性随之增大，导致温度波延迟，又因为在寒冷地区采暖能耗是制冷能耗的2~3倍，故采暖节能率的下降大幅度抵消了制冷节能率的提升，从而导致整体能耗呈上升趋势。

方案二，固定外窗自身遮阳系数为节能设计标准限值，即0.7，通过添加上述活动式卷帘遮阳构件，模拟结果表征如下：

图4 可调节外遮阳节能率对比

如图4所示，与参照建筑相比，方案二的制冷节能率提高了9.8%，采暖节能率下降了2.3%，总节能率上升了5.6%；与方案一固定外窗本体遮阳系数相比，通过制冷及采暖节能率的提高，明天提高了建筑全年整体节能率。与传统固定外窗相比，活动式外遮阳构件具有根据需求任意调节的特点，在夏季进行有效遮挡的同时，冬季可与外窗自身形成整体，增强外窗保温效果，使得满足夏季空调能耗降低的同时，大幅度减少冬季采暖能耗，使得全年建筑总体能耗呈下降趋势。根据模拟结果趋势可知，若添加与外窗一体化设计更加完善的外遮阳构件，改善效果将更为明显。

4 结 语

1）外窗本体遮阳系数具有固定不变的特点，通过改善外窗本体遮阳系数并不能有效改善居住建筑能耗。

2）通过定量化模拟方法，添加活动式外遮阳构件，根据自身可调节性，既可有效改善夏季制冷能耗，同时在冬季可通过改善传热系数的方式降低采暖能耗，进而有效的改善寒冷地区居住建筑全年整体节能效果。

[1]夏建光，王正清，孙勤梧.建筑节能的重要意义和实施途径[J].能耗及环境，2008( 19) : 24-25.

[2]赵晓萍.建筑界面一生态建筑外围护结构研究[D].上海:同济大学，2006.

[3]吴珍珍.武汉地区多层办公建筑节能设计研究[D].武汉:武汉理工大学，2008.

[4]黄俊鹏.eQUEST建筑能耗模拟软件的应用讲义．http://www.topenergy.org/bbs，2005-6-19.

[5]侯余波,付祥钊,郭勇. 用DOE-2 程序分析建筑能耗的可靠性研究[J]. 暖通空调,2003 ,33 (3) :90～92.

[6]天津市建筑设计院. DB29-1-2010，天津市居住建筑节能设计标准[S]. 2010,5-65.

[7]张淑秘，马大雷，冉春雨.建筑外窗对建筑节能的影响分析[J].吉林建筑工程学院学报，2008.

The Research of Shading Device on the Target of Residential Building Energy-saving in Cold Regions

This paper tries to start from the viewpoint of reducing building energy consumption, taking a residential building in cold area (Sino-Singapore Tianjin Eco-city City) as the research object, through using the simulating software e-QUEST, analyzes influence of building energy-saving through improving outside window of the shading coefficient and adding adjustable shading. This paper preliminarily proposes a suitable shading device on the target of residential building energy-saving in cold regions.

cold regions;building energy-saving; e-QUEST;adjustable shading

中新天津生态城中新科技合作计划课题：绿色建筑指标库及适宜技术研究

TU201.5

B

1003-8965(2017)05-0013-03