摘要：由于建筑节能设计是多目标约束的多因素组合问题，采用单因素计算不能得到最优结果，需采用优化算法。本文结合案例对绿色建筑围护结构节能优化设计进行了分析。
关键词：绿色建筑；围护结构；节能；优化设计
建筑是耗能大户，目前建筑耗能已占全社会能耗的30%，若再加上建筑材料生产过程中的能耗，建筑业及相关产业的能耗接近全社会能耗一半[1]，因而节能降耗是建筑业长期发展的必然选择。绿色建筑秉持节约能源、保护环境、减少污染的宗旨，能为人们提供健康、适用、高效的使用空间，目前已成为建筑节能降耗的设计理念[2]。围护结构是建筑节能降耗的重点，因此本文对绿色建筑围护结构节能优化设计进行了分析。
1 绿色建筑围护结构节能技术概述
1.1 墙体节能技术
墙体节能的主要技术是保温隔热，根据保温隔热的构造形式，一般可分为外墙外保温、外墙自保温、外墙内保温和夹芯保温外墙4种形式。外墙外保温是指保温材料置于墙体的外侧，外墙内保温是将保温材料置于墙体的内侧，外墙自保温主要是以具有保温效果材料作为填充墙，夹芯保温外墙是在墙体中间填充保温材料构成复合墙体。目前用于外墙外保温的材料主要是膨胀聚苯乙烯（EPS）板、挤塑聚苯乙烯（XPS）板。外墙内保温材料应用较多的是贴挂聚苯板、内刷保温砂浆（如聚苯颗粒砂浆）。外墙自保温常用材料一类是轻质混凝土，如轻集料混凝土、大孔混凝土或多孔混凝土；另一类是保温砌块，如陶粒混凝土空心砌块、蒸压加气混凝土砌块、硅藻土烧结多孔砖。这几种保温方式各有不足，例如外墙外保温存在保温层剥离的安全隐患，外墙内保温存在热桥现象，外墙内保温隔热效果较差，夹芯保温外墙冷热桥现象严重。岭南地区大部分属于夏热冬暖地区，对保温的要求不如夏热冬冷地区、寒冷地区高，所以多采用外墙自保温措施。但高层建筑有不少使用剪力墙结构，这种情况下为了达到保温效果可采用复合墙体，在承重墙内做保温层，施工容易，造价较低。
1.2 屋面节能技术
屋面能耗占围护结构能耗的5%～10%，屋面节能是不可忽视的。屋面节能主要是通过构造与材料选择、造型设计来实现的。相比墙体节能技术，屋面节能需考虑温度骤变引起的防水问题。传统保温屋面的做法是在屋面板上做保温层，在其上再做防水层和保护层，倒置式屋面则是防水层做在保温层的下面，这样可以延缓防水材料的老化进程。屋面保温材料主要采用聚苯板、珍珠岩、岩棉等。除了这两种常规保温做法，还有绿化屋面、蓄水屋面、通风屋面和冷屋面等保温形式。绿化屋面是在屋面种植植物，利用植物的蒸腾、隔离太阳辐射作用避免房间过热。蓄水屋面通过水的蒸发散热，减少屋面太阳辐射得热。通风屋面是在屋面设置通风层，利用空气层进行保温隔热。冷屋面是在屋面涂刷热反射涂料提高屋面太阳光的反射率，减少屋面对太阳辐射热的吸收率。
1.3 门窗节能技术
在围护结构中，大约70%的能耗是通过门窗散失的，另外30%才是通过外墙和屋面散失的，可见门窗是围护结构节能中的薄弱环节，加强门窗节能意义重大。门窗节能的主要措施包括控制窗墙面积比、采用节能门窗、提高门窗气密性等。窗口遮阳以及尽量减少东、西向开窗是降低门窗太阳辐射得热的关键措施。节能门窗可采用带隔热条的铝合金窗框、PVC塑料窗框、玻璃钢窗框等，窗玻璃采用Low-E中空玻璃、镀膜中空玻璃等。
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2 绿色建筑围护结构节能优化设计
2.1 围护结构节能优化设计原理
建筑围护结构节能设计是一个多目标控制下的多因素组合优化问题，多目标包括能耗目标、舒适性目标、成本目标等，这些目标之间存在矛盾对立统一的关系，例如单方面追求能耗指标优越可能会带来成本增加的问题，同样地为了控制成本可能导致能耗增加、舒适性下降等不足。而围护结构节能设计的影响因素包括建筑朝向、体形系数、窗墙面积比、围护结构传热系数、保温层厚度、门窗性能、遮阳深度等。对于多目标约束、多因素组合的优化可通过仿真模拟软件结合优化算法来实现。例如采用PKPM软件建模，利用PBECA进行节能计算。优化算法主要有正交法、遗传算法等。正交法是应用正交原理从多因素组合中筛选有代表性的因素组合进行试验，从而找到最优因素组合结果，例如三因素三水平全面试验要做27次，但利用正交原理只需做9次。但正交法处理连续变量存在缺陷，而且精确性稍差。遗传算法处理多目标约束、连续变量较好，精确性也较高[3]。但遗传算法编程较为复杂，对于复杂问题要得到精确解需要较长的训练时间，所以下面采用正交法对案例进行节能优化。
2.2 绿色建筑围护结构节能优化设计案例
2.2.1 项目概况
珠三角地区一办公建筑，占地约1千m2，高45m（12层），总建筑面积约1.3万m2。主体结构为钢混框架结构，外墙为加气混凝土砌块填充墙。建筑体形系数为0.17，窗墙面积比为0.73～0.82。根据《公共建筑节能设计标准广东省实施细则》（DBJ 15-51-2007）第1.0.3条规定，公共建筑在保证室内热环境舒适参数不变的前提下，采取节能措施与未采取节能措施相比，全年供暖、通风、空气调节和照明的总能耗需减少50%以上，这也是该建筑节能优化设计的目标。
2.2.2 围护结构节能优化设计
通过综合分析该建筑的能耗情况，该建筑节能潜力主要是降低空调能耗，而降低空调能耗可通过优化建筑围护结构节能设计实现，现采用正交法确定试验方案。根据该建筑围护结构特点选择4个因素，即外墙保温形式、屋面保温形式、外窗类型、遮阳类型。每个因素选择3个水平。外墙保温形式3个水平为外墙自保温、EPS外保温、XPS外保温。屋面保温形式为XPS屋面保温、EPS屋面保温、泡沫玻璃板屋面保温。外窗类型为无色透明中空玻璃、高透型Low-E中空玻璃、低透型Low-E中空玻璃。遮阳类型为金属折板外遮阳、活动百叶遮阳、综合遮阳板。该方案为4因素3水平正交试验，选择L9（34）正交表，总共要做9次试验。采用DeST软件计算9次试验的全年能耗和节能率，结果能耗最小为127.74kWh/m2，最大为158.66kWh/m2，其中参照指标为142.42kWh/m2（节能率为50%）；节能率最大为55.15%，最小为44.30%。外墙、屋面、外窗、遮阳的极差分别为0.48、1.11、4.35、26.08，表明影响程度遮阳>外窗>屋面>外墙。节能最优方案为外墙EPS外保温、泡沫玻璃板屋面保温、低透型Low-E中空玻璃和金属折板外遮阳。取折现率为6%～10%，全生命周期最经济的方案是外墙自保温、XPS屋面保温、无色透明中空玻璃和金属折板外遮阳，其能耗为131.14kWh/m2，节能率为53.96%。
3 结语
绿色建筑围护结构节能优化设计的目的是从众多可能的方案中寻找最佳方案，节能优化设计不但要考虑节能效果，还要考虑经济性和舒适性，只有综合效果最优才是最佳方案。本文所选案例相对简单，只为抛砖引玉，希望建筑师都能掌握优化方法，这样才能得到各方面满意的设计方案。
参考文献：
[1]王清平. 建筑围护结构的节能评价及节能潜力[J]. 能源研究与管理，2015（1）：98-102.
[2]黄涛，王建廷，黄城志. “被动优先”策略在绿色建筑节能设计中的应用难点与对策研究[J]. 建筑科学，2016，32（6）：183-190.
[3]李涛，林尧林，杨薇. 基于遗传算法的绿色建筑优化设计[J]. 建筑节能，2016，44（6）：53-57，64.
论文作者:张培
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第23期
论文发表时间:2019/6/19
标签：屋面论文; 节能论文; 外墙论文; 建筑论文; 结构论文; 正交论文; 遮阳论文; 《建筑细部》2018年第23期论文;