夏热冬冷地区办公建筑外围护结构优化组合

易儿易， 杨昌智

(湖南大学土木工程学院， 长沙 410082)

随着中国城市化进程的加速发展，建筑能耗占比逐年上升，且研究表明办公型建筑能耗指标为居住型建筑的10～20倍，为中国公共建筑的能耗主体。目前中国夏热冬冷地区仅实现65%节能，这表明针对该地区办公建筑的节能研究有重大意义。建筑围护结构的热工性能是影响建筑整体节能性的重要因素之一，在保证室内环境舒适的前提下减少能源消耗，必须控制建筑的热损失和热收益[1-3]。中外学者针对建筑物围护结构节能这一课题进行了大量的研究，并通过一系列的模型和实测数据对其结果进行验证。墙体蓄放热特性被广泛运用于建筑节能之中[4-6]，各气候区域墙体的不同保温形式的合理应用[7]和经济保温层厚度[8-9]被充分地讨论，屋面与墙体得热受太阳辐射的影响被提出[10-11]，不同朝向外窗接收太阳辐射和室内太阳辐射得热的规律不同得到了验证[12-13]，建筑参数敏感性得到了分析[14]，遮阳措施[15]、外窗材料[16]、窗墙比的设定及其综合效益[17-20]对建筑物得热的影响也有研究涉及。已有的研究成果对降低建筑围护结构得热起到了有力的推动作用。然而，虽然围护结构各组分调峰错峰可使总得热峰值负荷发生显著变化，且空调系统一般按峰值负荷确定容量，这决定着空调系统的设计容量和运行效率；但迄今为止已发表的文献资料中，所涉及者甚少。而且大部分研究在选取合适的围护结构组合以达到降低得热峰值的目标时，仅考虑数值的大小，而未考虑其时间上的叠加特性。

基于此，现针对采用间歇运行空调系统的办公建筑进行研究，以求合理调整房间围护结构得热峰值时间，从而达到减少系统装机容量，提高系统运行效率的目的。为此进行以下研究，以实际建筑的围护结构参数为基础建立能耗仿真模型，通过正交试验方法就各建筑围护结构参数对不同朝向房间围护结构得热峰值的影响进行敏感性分析。在此基础上，进行优化设计，提出不同朝向房间围护结构得热峰值调峰策略。最后，基于经济性分析，考虑房间得热峰值时间、全年冷热负荷，判断该优化策略的节能效果。

1 负荷形成过程与叠加原理

得热量指在某一时刻由室内、外热源向房间散入的热量总和，而瞬时冷负荷则是指空调设备为维持恒定室温单位时间内自室内取走的热量，瞬时冷负荷与瞬时得热量密切相关。如图 1所示，受材料的蓄热特性影响，得热量在转化为冷负荷的过程中存在不同程度的衰减和延迟现象，故二者有时相等，有时则不等[21-22]。下文所涉及的围护结构得热数据为房间通过结构内表面获得的瞬时得热量，室内均未设置其他蓄热体，因此在概念上虽与瞬时冷负荷存在差异，但本质上具有相似性。毫无疑问的是，绝大多数情况下减少瞬时得热量有助于降低室内冷负荷，从而达到节能减排的效果。

图1 得热量与瞬时冷负荷之间的关系Fig.1 The relationship between heat gain and instantaneous cooling load

图2 围护结构得热曲线示意图Fig.2 Schematic diagram of heat gain curve of envelope structure

如图2所示，外扰通过各类围护结构传入室内形成的瞬时冷负荷存在时间上的延迟和波峰上的衰减，当波峰出现时刻相近叠加时房间负荷将显著增加，反之减小；另一方面，将波峰错开后，总峰值出现时间也将发生变化，如利用这一点通过调整各项围护结构得热曲线使其房间总峰值负荷进入室内的时刻在办公建筑下班之后也可以降低房间空调负荷。

2 叠加特性的研究方法

为有效控制建筑的热损失和热收益，针对夏热冬冷地区办公型建筑各朝向房间外围护结构得热调峰提出优化策略。研究运用了计算机仿真模拟与正交试验分析方法，结论具有实际运用效果，能有效降低建筑能耗。图3为该优化策略研究方法的流程图。

图3 研究方法流程图Fig.3 Flow chart of research method

2.1 正交试验分析

正交设计方法适用于多因素、一般水平数的试验，能够均匀挑选出代表性强的试验方案有效减少试验次数，简化统计分析的计算，试验点具有均匀分散性及整齐可比性的特征[23]，能够准确高效地分析建筑围护结构得热这类复杂、多因素的问题。正交表[Ln(rm)]为正交试验设计的基础，其中L为正交表代号；n为正交表横行数，即试验次数；r为因素水平数；m为正交表纵列数。如表1所示。

方差分析法与直观分析法是正交试验结果分析的常见方法，方差分析能够弥补直观分析不能估计误差的大小，不能精确地估计各因素的试验结果影响的重要程度等不足[23]，本文研究需分析各因素对结果影响程度的大小故对正交试验结果选用方差分析法，但由于延迟作用变化相对较小，且有一定规律性故对其改用直观分析法。其中，方法分析法需计算出各因素的F值将其与相应F分布表中的临界值进行比较，从而得出该因素对试验结果是否有显著影响。F为各因素的均方(MSA)与试验误差的均方(MSE)之比，MSA为离差平方和(SSA)与自由度(dfA)之比，MSE为误差离差平方和(SSe)与误差自由度(dfe)之比。

表1 L8(27)正交表Table 1 L8(27) orthogonal table

(1)

(2)

dfT=n-1

(3)

dfA=r-1

(4)

式中：yi为第i次正交试验输出结果；Ki表示任一列上水平号为i时，所对应的试验结果之和；SST为总离差平方和；dfT为总自由度；SSA为因素A引起的离差平方和；dfA为因素A的自由度。

SSe=∑SS空列

(5)

dfe=∑df空列

(6)

式中：SSe为误差的离差平方和；dfe为误差的自由度；SS空列为空列，即误差列，所对应的离差平方和；df空列为空列的自由度。

2.2 能耗仿真平台

为确保模拟分析的准确性，需选择一个合适的仿真平台。目前，广泛应用于建筑能耗分析的模拟软件工具主要有DOE-2、DeST、DesignBuilder和EnergyPlus。其中，EnergyPlus更适用于模拟分析建筑物的全年运行能耗和围护结构动态热特性的能耗模拟。因此，选取EnergyPlus对建筑进行模拟分析。

3 能耗模拟仿真分析

3.1 模型建立与验证

选用湖南大学某办公建筑作为研究案例，其小型办公室房间面积为17.28 m2，层高3.6 m，但实际建筑未能满足研究各朝向影响的需求，因此以其中一间办公室为原型建立一栋三层的半虚拟建筑，如图4所示。其建筑实际围护结构材料如表2所示。

图4 建筑模型Fig.4 Architectural model

表2 建筑原始围护结构材料Table 2 Original building envelope materials

模拟过程中，所选用气象参数为长沙市典型设计日及标准典型气象年逐时参数，来源于CSWD(Chinese Standard Weather Data)气象数据源。参考《湖南省公共建筑节能设计标准》[24]，房间夏季空调设定温度为26 ℃，冬季供暖设定温度20 ℃，空调开启时间设定为7:30—19:00，人员设定为10 m2/人，人均新风量为30 m3/人，照明功率为9 W/m2，设备功率为9 W/m2，人均发热量按软件办公室类型默认值设定，办公室人员、照明、设备作息依照按常见办公室类型设定。

采用建筑物实际围护结构材料参数进行夏季设计日能耗模拟，图 5所示为中间层不同朝向房间围护结构得热情况。

图5 建筑初始参数模拟结果Fig.5 Simulation results of initial building parameters

结果表明，东向房间峰值出现在10:00，西向峰值出现在16:00，南向峰值出现在13:00,北向则在15:00，这是由于围护结构得热尤其是外窗得热受太阳辐射的影响较大，使得东、西、南向得热峰值特征较为明显，尤其是东、西向受太阳东升西落的影响最为显著。

为了验证模型的可用性，进行实测分析。在实测房间内布置两台TH32R型温湿度自动记录仪，测量室温；外墙内表面布置5个热电偶测温点，测量墙体内表面温度。实测现场如图6所示。

图6 模型验证实验Fig.6 Model verification experiment

实验测试时间为2021年6月10—14日，数据记录间隔设定为600 s，取设备每小时记录的全部数据平均值作为该小时的代表温度，并与EnergyPlus软件模拟结果进行比较，结果如图7所示。

图7 模型验证实验数据分析Fig.7 Model verification experiment data analysis

通过对比实验值与模拟值可以发现，其相对误差均保持在5%以内，误差较小，说明采用该模型模拟效果较好。

3.2 建筑围护结构得热显著性分析

常规建筑的外围护结构主要组成成分为外墙、屋面、外窗，外窗的设计又涉及窗墙比、窗玻璃、窗结构等[25-26]。如图 8所示，外墙与屋面相类似，对室内负荷的影响主要由该结构瞬变传导得热造成，且各类墙体热工性能的差异性会造成其削减、延迟外扰所带来的影响的程度有所不同。外窗作为透明围护结构还受到太阳辐射的影响，这也就导致外窗总得热延迟效果较差，窗玻璃、构造的不同会同时影响外窗的日射得热和瞬变传导得热。而增设遮阳能够反射部分太阳辐射，部分遮阳设施还能吸收、储存辐射能量，达到衰减和延迟得热的峰值的效果。在保证合理的室内光环境和良好的视觉性能的前提下[27]，改变窗墙比的大小能够使总得热峰值中各组分得热的占比发生变化，从而对围护结构得热峰值曲线进行调整。

围护结构各组分热工性能存在差异，这导致各组分的得热峰值大小、出现时间有所不同，要得到合理的总得热峰值曲线需要从各分项入手，分析讨论各项的影响效果并进行调整。

选取围护结构中外墙、屋面、窗墙比、外窗、遮阳5个因素作为正交试验的因素，并考虑窗墙比与外窗的交互作用，每个因素选取两个水平，设计L8(27)正交试验表，对1～3层，东、南、西、北4个朝向，共12种类型房间，分别进行8次试验。

各水平取值及正交试验表的设计如表3所示。

图8 围护结构得热示意图Fig.8 Schematic diagram of heat gain of building envelope

为降低系统装机容量，合理减少设备初投资，保证系统的稳定性和运行效率，并将房间得热峰值延后至下班时间。此处选取围护结构得热峰值大小、出现时间、逐时得热量离散程度三组数据进行分析。表4所列为顶层各朝向房间数据结果。

表3 正交试验水平表L8(27)Table 3 Orthogonal test level table L8(27)

表4 正交试验数据结果L8(27)Table 4 Orthogonal test data results L8(27)

模拟结果表明，顶层房间受屋面得热影响，峰值大于其他楼层。东、西、南三个朝向房间围护结构得热峰值大小的显著影响因素按主次顺序排列为外窗、窗墙比、外窗与窗墙比的交互作用；北向房间除上述外还受外墙影响。

通过8次模拟试验结果可以看出，东、西向房间基本上仅在增设遮阳设施后峰值出现的时间发生变化，这与极差分析结果类似；而南、北向房间的峰值时间受多种因素影响，难以直接得出结论，通过极差分析可知，各因素对其都有一定的影响但均不显著。

此处选用设计日工作时间段逐时得热量的标准差作为评判其离散程度的标准，可以观测到，窗墙比越小，各项围护结构性能越好，房间逐时得热的变化幅度越小。显著影响因素按主次顺序排列大都为外窗、窗墙比、外窗与窗墙比的交互作用。

通过上述分析，发现外墙和屋面对围护结构整体得热的影响较小，原因如下。

(1)与外窗得热相比，通过外墙和屋面的得热占比相对较小，仅在窗墙比较小，外窗热工性能较好的情况下屋面得热量大于外窗。

(2)对24种不同结构的外墙，6种屋面，进行控制变量分析。由于在空调开启时间段，墙体内表面与室内的换热量因其换热温差较大而在数值上明显超过空调关闭时间段，因此仅关注运行时间段的得热最大值，从模拟结果可以看出，其得热最大值大都出现在19:00，即下班之后，如此选取得热峰值出现在下班时间的围护结构类型则可满足需求。

根据上述分析，在接下来的研究中，拟定外墙、屋面的围护结构参数如表5所示。

3.3 建筑围护结构得热优化调峰

通过3.2节的研究，可获悉移动办公类型房间围护结构总得热峰值出现的时间存在可行性，且受外墙和屋面的影响较小，如需达成延迟或调整峰值出现时间的目的，要从窗墙比、外窗材料和遮阳设施入手。故在确定外墙和屋面材料结构类型后，选取窗墙比、外窗材料和遮阳设施三因素，每个因素选取三水平，进行优化分析。

表5 外墙、屋面围护结构参数表Table 5 Parameters of exterior wall and roof envelope structure

各水平取值设计如表6所示。

二次正交试验数据结果，如表7所示。

根据分析结果可以提出各朝向房间围护结构得热调峰优化策略。

(1)南向房间：中间层可通过调整三种因素使其围护结构得热峰值在13:00—15:00变化，但难以再向后延迟至下班时间，如此情况下，将峰值保持在13:00(即办公室午休时间)可减小其影响，或根据房间使用需求调整其峰值出现的时间。顶层房间可延迟至16:00，选用小窗墙比、优良热工性能外窗及垂直挑檐遮阳有助于峰值的延迟，其中遮阳项的影响最为显著。

(2)西向房间：中间层可通过设置垂直挑檐遮阳将峰值时间延迟至17:00，其他项对峰值延迟影响不显著。顶层房间需三者相互配合，较小的窗墙比及热工性能较优的外窗更有利于峰值延迟，在条件允许的情况下应优先选取外遮阳和挑檐遮阳。

(3)东向房间：中间层设置挑檐遮阳后可将峰值调整至9:00，其他项对峰值延迟影响不显著。顶层房间窗墙比跟外窗材料对调整峰值位置影响不显著，结果显示稍微偏大的窗墙比更有利，外遮阳和挑檐遮阳更有利。

表6 正交试验水平表L9(34)Table 6 Orthogonal test level Table L9(34)

表7 正交试验数据结果L9(34)Table 7 Orthogonal test data results L9(34)

(4)北向房间：北向中间层房间的峰值时间难以调整，基本出现在15:00。顶层可调整至18:00，这需要选取小窗墙比，优良热工性能的外窗，此时更适合选取内遮阳。

能够改变各房间围护结构得热峰值出现时间的原因在于，通过调整外窗材质、窗墙比大小和设置遮阳设施，能够有效削减通过窗户进入室内的热量，从而改变其设计日逐时得热曲线的形状使其幅度变化更小，如此在总围护结构得热量的计算中，其他围护结构(如屋面、外墙)的影响效果增强，导致整体峰值发生变化。由于东、西外窗得热受太阳辐射影响较为集中，所以难以进行大范围调整；南、北向外窗得热曲线较为平缓，其中北向数值更小，故整体峰值大小受其他结构影响大，更利于整体峰值的调整。

4 经济性分析

4.1 经济效益分析

比较各组合的差额投资回收期和经济效益，选用建筑原始结构为初始条件，空调系统能耗COP设定为3.6，投资回收期不满一年按一年计算，材料使用年限按20 a计算。

(1)投资费用计算：建筑材料的初投资包括材料费用和建造费用，本研究所取费用数值来源于相关参考文献及市场价格的综合考虑[18,28-31]。

I=IC+IS

(7)

式(7)中:IC为材料费用，元；IS为建造费用，元。

(2)能源价格：长沙工商业用电电价约0.81元/(kW·h)。

(3)能源价格年上涨率e:经济性分析中，考虑能源上涨，该值一般控制在5%上下。

(4)基准收益率ic：企业以动态观点确定的并能接受的方案最低标准收益水平，取6%。

(5)财务净现值FNPV:反映所选方案在计算期内的盈利能力，此处假设各方案运行期的维护费差异可忽略。

(8)

式(8)中：E0为第一年相比初始方案节约的能耗费用，元；ΔI0为相比初始方案增加的初投资费用。

(6)投资回收期：FNPV<0时，表明该方案未盈利，FNPV>0时，则其已经超额收益，因此，取FNPV=0时所对应的时间作为该方案的投资回收期。

(7)经济效益：当所选方案其设施使用年限长于投资回收期，在剩余使用时长内节省的能耗费用就是其经济效益。

R=(N-Nd)E0

(9)

式(9)中：R为经济效益；N为材料的使用年限；Nd为投资回收期。

以顶层西向房间为例，受市场材料和人工价格的影响，并非所有组合都有良好的经济效益，部分组合能在较短年限内回收成本，少部分需要更长时间，甚至难以收回成本，相应数据如表8所示。

表8 经济性计算表

根据计算数据，选取投资回收期短和经济效益高的组合，如顶层西向房间选取编号为1的围护结构组合最优，同理可筛选出其他朝向类型房间的最佳组合。

4.2 节能性分析

通过对比优化后的围护结构与原始结构条件下，各朝向房间夏季设计日围护结构得热峰值大小，日平均得热量，空调季平均冷负荷和供暖季平均热负荷来分析其节能效果，数据汇总如表9所示。

数据显示，相比于原始结构，优化后围护结构得热峰值大小，日平均得热量，均削减为原始的30%左右，东、西向效果更好；空调季平均冷负荷可下降4.9%～23%，其中顶层的节能效果优于中间层，东、西向优于南、北向；但供暖季平均热负荷优化后并不节能，这是由于削减了太阳辐射得热，从而增大了室内的热负荷。

5 实验验证

为验证本文理论模拟测试结果的准确性，选取北向顶层实验台进行实验分析。通过比较小屋不同围护结构组合下的实测数据，对研究中所提出的北向房间优化策略进行验证，其他朝向的结论选用其他合适的实验台在接下的研究中一一验证。根据上述研究，实验设置无遮阳措施和内置百叶卷帘遮阳两种工况，以及0.29和0.43两种窗墙比，逐时记录实验小屋北面墙体，外窗，及屋面的内表面温度、热流密度，同时记录室内外温湿度和室外天气情况。实验小屋的各项参数如表10所示。

表9 节能效果对比分析汇总表Table 9 Comparative analysis of energy saving effect summary table

表10 实验小屋围护结构材料Table 10 Materials of experimental cabin envelope

为防止对实验结果产生影响，对实验小屋中其他围护结构采用保温板、锡箔纸等进行遮挡，并选取气象参数相近的连续周期进行测试。实测现场如图9和图10所示。实测数据整理对比结果如图11所示。

图9 实验小屋Fig.9 Experimental house

图10 实验仪器Fig.10 Experimental instrument

图11 实测数据对比分析图Fig.11 Comparison and analysis diagram of measured data

如图11所示，小窗墙比且设置遮阳的工况下围护结构得热出现峰值最晚，为18:00；未设遮阳的工况下围护结构得热峰值均出现在较早的15:00；窗墙比较大时设置遮阳的延迟效果较差。与前文所得结论：北向顶层房间选取小窗墙比，优良热工性能的外窗，设置内遮阳能够有效延迟得热峰值出现时间相吻合，从而证明了该结论的准确性。此处仅给出部分优化策略的验证，以此为参考进行实验可证得其余结论，同时也表明研究结果具有一定可行性。

6 结论

结合计算机能耗仿真模拟与正交试验分析方法提出了一种针对夏热冬冷地区办公型建筑围护结构得热调峰优化策略，该方法能调整各朝向房间围护结构得热峰值出现时间，有效降低4.9%～23%房间空调季平均冷负荷。建筑经该策略优化后相比于原有建筑围护结构组合经济效益良好，且存在较好的节能效果。

(1)正交试验分析显示东、西、南三个朝向房间得热峰值和全体变化幅度主要受外窗材质和窗墙比大小的影响，北向房间还受外墙、屋面材质的影响，设置遮阳设施能改变各房间峰值出现的时间。多种常规墙体结构的得热峰值出现在19:00，且得热占比相对较小。

(2)通过调整外窗材料，遮阳设施和窗墙比可以使南向房间围护结构得热峰值在13:00—15:00移动，东向可调整至9:00，西向延迟至17:00，北向在14:00—18:00移动，这是由于调整三种因素可以有效削减外窗得热量，改变外窗逐时得热曲线形状，使其幅度变化更小，从而增大其他结构在总得热中的占比令峰值发生偏移。

(3)本文研究中涉及围护结构均为常规构造，削峰移峰效果有限，东、西向受外窗影响过大，围护结构得热经过移峰后，虽然有较好的节能效果，日平均得热量可均削减为优化前的20.1%，空调季平均冷负荷可减少23.2%，但其峰值出现时间对于大多数办公建筑而言仍处于工作时间，因此后续可采用新型围护结构展开进一步的研究。

(4)该优化策略对采用全玻璃幕墙式建筑适用性不强，但所得与透明围护结构得热相关的结论具有一定参考价值，优化方法和思路也可以相互借鉴。此外，所得结论在超高层办公建筑和大面积办公用房的适用性也将在后续研究中进行讨论。