建筑材料与空调能耗的关系

1建筑材料与空调能耗的关系★李玉云①李汉章②童明德周维楚武汉科技大学武汉市建筑节能办摘要：依据《公共建筑节能设计标准》，通过对典型办公建筑的空调负荷计算，得到了采用节能材料，其围护结构的节能率至少可以达到18.8%。关键词：建筑材料，空调能耗，公共建筑1引言目前，我国每年城市建成民用房屋建筑面积约10亿平方米，其中公共建筑约3亿至4亿平方米。而且每年要新增８亿平方米至９亿平方米的住宅建筑和公共建筑，而且，这种建造速度和建筑量还会延续一段相当长的时间。武汉市现有房屋建筑面积近4亿m2，其中新建的住宅房屋面积约占67.3%，公共建筑等其它房屋面积约占32.7%。武汉已建和在建的高层建筑约有1200～1300幢。据专家研究，我国大型公共建筑单位建筑面积能耗大约是普通居住建筑的10倍左右。武汉市的商业和居民电力消费量已占全市电力消费量的22.4%[1]。公共建筑体量大、类型多、结构复杂，涉及面广，而且能耗大、节能潜力巨大。国家颁发的《公共建筑节能设计标准》[2]中，提出节能50%的目标，其中，由北到南，围护结构分担节能率约25%～13%；空调采暖系统节能率约20%～16%；照明设备分担节能率约7%~18%[3]。本文依据《公共建筑节能设计标准》的各项指标，重点讨论建筑材料（围护结构）与空调能耗的关系。2空调负荷为保持建筑物的热湿环境，在某一时刻需向房间供应的冷量称为冷负荷；相反，为了补偿房间失热量需向房间供应的热量称为热负荷；为维持房间相对湿度恒定需从房间除去的湿量称为湿负荷。下面以一典型建筑讨论围护结构与空调负荷[4]、[5]的关系。A楼是一座办公大楼，高134m，地上33层，地下两层。建筑面积为26822㎡（不含★2004年武汉市建筑管理委员会建设科技项目[2004]120号.①李玉云，女，教授，武汉市雄楚大街199号武汉科技大学城建学院，E-mail:[e-mail].2②李汉章，男，教授级高工，武汉市建设大道721号武汉市建筑节能办公室.地下室），空调面积为20747.7㎡，窗墙比为0.48，体形系数为0.116。2.1空调冷负荷空调房间的冷负荷包括建筑围护结构传入室内热量（太阳辐射进入的热量和室内外温差经围护结构传入的热量）形成的冷负荷，人体散热形成的冷负荷，灯光照明散热形成的冷负荷，以及计算机等设备形成的冷负荷。冷负荷计算方法较多，主要有谐波分解法、当量温差法和冷负荷系数法。目前，在我国暖通空调工程中，常用冷负荷系数法。本文采用冷负荷系数法计算空调冷负荷。2.1.1围护结构引起的空调冷负荷影响围护结构负荷的因素主要有室外气象参数（太阳辐射强度、室外空气温度、湿度、风速等）。1.外墙和屋面瞬变传热引起的冷负荷在日射和室外气温综合作用下，外墙和屋面瞬变传热引起的冷负荷为ncttKFQ'111式中，1Q为外墙和屋面瞬变传热引起的冷负荷，W；1F为外墙或屋面的面积，m2；1K为外墙和屋面的传热系数，W/（m2·℃）；'lt为外墙和屋面的冷负荷计算温度逐时值，℃；冷负荷计算温度不仅与室外空气温度和太阳辐射的作用，还与建筑朝向、外墙和屋面的结构等因素有关。nt为室内设计温度，℃。表1为基础建筑（20世纪80年代初期建造的公共建筑，外墙0.2K，屋面5.1K）的外墙与屋面的空调冷负荷计算结果。从表中可看出，各朝向最大值出现的时刻不同，傍晚17:00至0:00点；最小值出现早上至中午。因此，空调区域的最大冷负荷不是各项最大值的简单的叠加，而是取逐时冷负荷的综合最大值。图1为单位面积外墙与屋面的逐时空调冷负荷。从图中可看出空调冷负荷成正弦规律变化。最大值与最小值均发生在屋面（水平面）。图2为节能建筑（外墙0.1K，屋面7.0K）与基础建筑的外墙和屋面的逐时冷负荷。从图中可看出，由于采用了节能材料，虽然空调冷负荷仍然呈正弦规律变化，但冷负荷值不仅减小了，而且最大值表1单位外墙与屋面面积空调冷负荷朝向最大值最小值W/㎡时间W/㎡时间E2819:0012.39:00SE26.520:0010.210:00S22.022:006.712:00SW29.223:0010.113:00W32.20:0012.313:00NW26.80:0011.713:00N18.00:009.011:00EN23.720:0011.79:00屋面48.417:000.97:00总25.221:0011.110:003图1单位面积外墙与屋面逐时空调冷负荷1——屋面冷负荷；2——西墙冷负荷；3——为东墙冷负荷；4——南墙冷负荷；5——北墙冷负荷；6——总冷负荷。出现的时间也改变了。节能材料的最大值为10.9W/㎡，出现在23:00。减少了26.0%～63.1%的外墙冷负荷。2.外窗引起的冷负荷（1）外窗瞬变传热引起的冷负荷在室内外温差作用下，通过外玻璃窗瞬变传热2Q引起的冷负荷为ncttKFQ'222式中，2F为窗口面积，m2；2K为外窗的传热系数，W/（m2·℃）；'lt——外窗冷负荷计算温度逐时值，℃；nt——室内设计温度，℃。2K值要根据窗框等情况不同进行修正。（2）透过玻璃窗的日射得热引起冷负荷的计算方法透过玻璃窗的日射得热分为两部分，一部分是透过玻璃窗直接进入室内的太阳辐射热和窗玻璃吸收太阳辐射后穿如室内的热量。其计算式为LQjsaCDCFCQmax33式中，3Q为玻璃窗日射得热空调冷负荷，W；3F为窗口面积，㎡；maxjD为标准玻璃（3㎜厚的普通平板玻璃）的最大日射得热系数（由各地区的纬度决定）；aC为窗的有效面积系数；sC为窗内遮阳设施的遮阳系数，考虑内遮阳，可以减少35%~50%的日射得热引起的空调冷负荷。如果考虑合适的外遮阳措施，还可以进一步减少日射热量的80%。图3为基础建筑的单位外窗空调冷负荷。从图中可看出，东窗的最大值为211.7W/㎡，图2基础与节能材料外墙和屋面空调冷负荷比较4图3基础建筑的外窗空调冷负荷1——东窗；2——西窗；3——南窗；4——北窗；5——总图4日射得热与瞬变传热冷负荷比较1——总冷负荷；2——日射得热冷负荷；3——瞬变传热冷负荷发生在8:00；西窗的最大值为247.8W/㎡，发生在16:00。外窗空调冷负荷由大到小的变化趋势为WNWSWENESESN。如果没有遮阳，东与西向（或南与北）的日射得热空调冷负荷相同；当有内遮阳时，则西向（或南）的空调冷负荷大于东向（或北）的空调冷负荷。图4为基础建筑日射得热空调冷负荷与瞬变传热空调冷负荷的比较。从图中可看出，外窗最大日射得热冷负荷大于外窗瞬变传热空调冷负荷。因此，评价玻璃的隔热性能应该有两个指标——传热系数与玻璃的遮阳系数。但要主要以下几点：1）降低玻璃或透明材料的遮阳系数，可以减少进入室内的太阳辐射得热，降低建筑空调能耗，但玻璃或透明材料的遮阳系数过低，同样也会降低玻璃或透明材料的可见光透射率。2）从空调能耗的角度考虑，希望尽可能降低太阳辐射透过玻璃或透明材料进入室内，即希望遮阳系数小；从照明的角度，希望提高可见光的透射率。但如果单一的追求节约照明能耗而尽可能地利用自然采光，也会增加高空调能耗。根据香港理工大学的有关研究，在商厦中厅充分利用自然光，照明节能量可达66%，但所节约的能量却不足以补偿空调所增加的能量[6]。如果光透射比过小，在日照率低的地区，所增加的室内照明用电能耗，将超过节约的采暖制冷能耗。所以要同时考虑遮阳系数与可见光的透过比。3）从空调能耗的角度考虑，我们希望的建筑材料具有能反射夏季太阳光的紫外线，减少室内热量；在冬季，允许太阳光通过，最大程度地利用阳光提供温暖。这种材料称之为知暖知冷的“智能材料”，于2004年底问世，它与目前市场上的标准板材相比，新材料能降低辐射50%以上，节省能源20%以上。4）透明玻璃幕墙的空调能耗比外墙空调能耗增加了85.0%%以上。5图5基础外窗与节能外窗冷负荷比较1——总冷负荷；2——日射得热冷负荷；3——瞬变传热冷负荷图6基础与节能围护结构冷负荷比较1——基础建筑；2——节能建筑；图5为基础建筑外窗与节能建筑外窗的空调冷负荷比较。采用节能玻璃减少了15.1%～67.5%的外窗空调冷负荷。3.外围护结构空调冷负荷外围护结构空调逐时冷负荷见图6。从图中可看出，变化趋势由外窗决定，最大值发生在16：00，采用节能材料减少了外围护结构空调冷负荷44.4%～55.4%。2.1.2室内热源与新风冷负荷依据《公共建筑节能设计标准》所推荐的人体、新风、照明与设备发热量指标，可以计算出办公室各项冷负荷指标。见表3。表2单位建筑面积空调冷负荷W/㎡建筑新风人体照明室内设备外围护结构内围护结构总冷负荷基础建筑56.113.56.011.137.81.1125.644.70%10.75%4.78%8.80%30.13%0.84%100.00%节能建筑56.113.56.011.118.51.1106.252.85%12.71%5.65%10.41%17.39%0.99%100.00%2.2空调热负荷空调热负荷主要由围护结构负荷、室内设备散热和新风负荷组成。2.1.1围护结构引起的空调热负荷围护结构引起的围护结构耗热量包括基本耗热量和附加耗热量两部分。基本耗热量的基本热量计算公式为wnttFKQ6式中，Q为基本耗热量，W；F为围护结构的表面积，㎡；K围护结构的传热系数，W/（㎡·℃）；nt冬季室内计算温度，℃；冬季室外空气计算温度，℃；围护结构的温差修正系数，℃。围护结构的附加耗热量主要是朝向修正率、风力附加、外门附加和高度附加。武汉市的日照率为26%，小于35%，因此，只需要修正东南、西南和南向的修正率。单位外墙（或外窗）外围护结构的空调热负荷见表3。采用节能材料后，外窗减少了41.05%的空调热负荷，外墙和屋面减少了13.57%的空调热负荷。共减少了54.62%的空调热负荷。表3外围护结构的空调热负荷W/㎡外围护结构ESSWSEWWNNEN屋面外墙基础59.054.036.5节能29.527.017.0外窗基础188.8172.8-节能75.682.6-2.2.2室内热源在冬季，室内人体、照明产生的热量可以抵消一部分热负荷，本文按室内空调冷负荷的四分之一考虑。单位建筑面积的各项空调热负荷见表4。表4单位建筑面积空调热负荷W/㎡建筑新风负荷外围护结构室内热源内围护结构总热负荷基础建筑44.073.5-9.92.1109.840.11%66.96%-8.99%1.92%100.00%节能建筑44.033.4-9.92.169.663.25%47.91%-14.18%3.02%100.00%表5围护结构的节能率建筑供冷供热总节能率%水泵风机制冷机总功率节能率水泵风机锅炉总功率节能率kWkWkWkW%kWKW功率耗油量kW%kW㎏基础建筑2622868151363－26228611200728－－节能建筑262.028668612349.4%165.118011.0126.046336.418.873提高围护结构保温隔热性能的节能效果根据上面对典型办公建筑的计算，可以得出：（1）采用《公共建筑节能设计标准》的指标，单位建筑面积可以减少空调冷负荷19.4W/㎡，减少空调热负荷31.1W/㎡。（2）通过选择匹配的冷水机组、锅炉等空调系统的设备，主机在供冷季节的节能率为9.4%，采暖季节的节能率为36.4%，加权平均节能率为18.8%，达到了《公共建筑节能设计标准》的要求——围护结构节能率25%～13%，计算结果见表5。4参考文献[1]李玉云，冯强，等.武汉市公共建筑空调能耗现状及潜能分析.2004，1.[2]中华人民共和国国家标准.公共建筑节能设计标准.北京：中国建筑工业出版社，2005.7.1[3]本书编委会.公共建筑节能设计标准辅导教材.北京：中国建筑工业出版社，2005.5.[4]潘云钢编著.高层民用建筑空调设计.北京：中国建筑工业出版社，1999.11.[5]中华人民共和国国家标准.采暖通风与空气调节设计规范.北京：中国计划出版社，2003.[