建设综合勘察研究设计院有限公司 北京 100007
摘要: 在沈阳地区气候参数条件下，利用模拟软件建立模型，针对不同保温材料及厚度分别模拟出对建筑能耗的影响，模拟结果分析得出外墙保温材料及厚度的优化。在此基础上，同传统的65 %节能建筑能耗对比分析，被动式建筑节能63.61 %，年节约电费6.7万元，减少二氧化碳排放量115.33吨。
关键字：建筑节能；被动式建筑；保温材料；模拟分析；
0引言
随着我国城镇化进程加快，建筑业成为了社会三大能源消耗行业之一，每平米的建筑能耗已经是发达国家能源消耗的3倍,节能任务已经由建筑全部来承担。被动式建筑的提出有效促进绿色建筑低能耗的发展。
大部分“被动式住宅”建造在德国，德国对被动式住宅认证评估的标准，进一步推进了被动式建筑的发展。近年来，国内也在积极探索和发展被动式房屋建筑，例如秦皇岛的被动式建筑“在水一方”，节能效果显著。大力推广被动式超低能耗绿色建筑，进一步提高建筑节能水平。
研究表明，我国绝大部分（北纬25°以北），其冬季都不同程度地可以利用被动式太阳能采暖【1】。此次模拟以沈阳地区为例，进行被动式建筑能耗模拟分析。
1建筑模型建立
与同纬度发达国家城市的气候条件相比，我国严寒地区的地理纬度与德国的相似，而且严寒地区都以多层住宅形式为主，以多层住宅为研究对象，根据沈阳当地的气候条件参数对建筑模型进行模拟分析。
1.1建筑基本信息
模型建筑为地上18层，层高为3m，总建筑面积为6750㎡，空调面积为6300㎡，体型系数0.21，综合窗墙面积比0.33，住宅楼采用钢筋混凝土剪力墙结构。根据《居住建筑节能设计标准》，设置住户内部人员、灯光、设备的热扰参数，对建筑进行能耗模拟分析，建筑模型如图1.1：
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图1.1：三维模型建筑示意图
1.2气候参数设定
沈阳市位于中国东北地区南部，辽宁省中部，温带季风气候，四季气候分明，年平均气温变化较大。 2015年日最高气温29 ℃，日最低气温出现在1月-17 ℃，全年降水量600 mm~800 mm，如下图所示：
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图1.2：沈阳地区全年温度曲线变化图
2模拟参数设置
2.1围护结构及保温材料参数设置
经学者研究，在采用相同保温层厚度的情况下，不同保温材料对建筑能耗的影响不同。保温材料的导热系数越小，热阻越大，建筑的采暖能耗越小。相同厚度的保温材料，导热系数小的保温材料节能效果相对较好【2】。
钢筋混凝土的导热系数0.99 W/m·k，厚度为180 mm。石墨聚苯板的导热系数0.033 W/m·k，聚乙烯泡沫塑料的导热系数为0.047 W/m·k，通过计算软件得出不同保温厚度情况下，围护护结构的综合传热系数如下表2.1：
三层Low-e玻璃，玻璃间充满惰性气体（氩气或氪气）玻璃Ug值为0.7 W/（㎡ k），窗框通常为高效的发泡芯材保温多腔框架，其Uf值达到0.7 W/（㎡ k），窗户的U值达到0.8 W/（㎡ k），夏季通过设置外遮阳，减少能耗损失。
表2.1：不同保温材料厚度传热系数
材料 传热系数（W/㎡·k） 10 mm 50 mm 80 mm 100 mm 120 mm 150 mm 200 mm 250 mm 300 mm 400 mm 石墨聚 苯板 1.72 0.55 0.36 0.29 0.25 0.2 0.15 0.12 0.1 0.08 聚乙烯泡沫塑料 1.97 0.68 0.4 0.38 0.32 0.26 0.2 0.16 0.13 0.1
2.2房间热扰参数设置
人员密度设置5㎡/人，人均最低新风量为30㎥/h；人员工作日为逐时作息，1代表人员活动，0代表无人员活动。设置周末全天为人员活动，灯光最大功率1W，最小功率为0，灯光全年逐时作息时间设置与住宅一致。
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图2.1：人员全天逐时作息曲线
2.3基础参数依据
被动式建筑作为一种典型的低能耗建筑，要实现真正意义上的被动房需要按照被动房的节能标准去设计，模拟计算具体指标依据表2.2，由于不同地区气候差异，不能完全依据德国被动房的能耗指标建议。真正被认证为被动房建筑必须要满足2条标准：
1.采暖一次性能源需求量≤15 kWh/(㎡ a);
2.采暖（制冷）生活热水和家庭用电的年一次能源消耗≤120 kWh/(㎡ a)。
表2.2：被动式住宅的主要性能指标【3】
3建筑全年模拟负荷分析
沈阳冬季采暖期从11月1日至次年的4月1日，模拟时刻全年逐时模拟；夏季空调季期从7月4日至8月31日，下表为不同保温材料及厚度下，建筑全年负荷模拟统计情况：
表2.3：不同保温厚度建筑全年负荷变化
项目分类 保温材料 及厚度 全年最大热 负荷(kw) 全年最大冷 负荷(kw) 采暖季累计热负荷(kw/a) 空调季累计冷负荷(kw/a) 全年最大热负荷指标(w/㎡) 全年最大冷负荷指标(w/㎡) 采暖季累计热负荷指标(kwh/㎡a) 空调季累计冷负荷指标(kwh/㎡a) 一次能源消耗(kwh/㎡a) 50 mm 石墨聚苯板 146.33 61.86 134354.5 16162.73 23.22 9.82 21.33 2.57 127.73 聚乙烯 161.585 65.206 162628.5 16429.36 25.65 10.35 25.81 2.60 136.40 80 mm 石墨聚苯板 125.403 57.61 97501.38 15841.08 19.91 9.14 15.476 2.51 116.36 聚乙烯 136.088 59.783 115908.2 16000.01 21.60 9.49 18.40 2.54 122.05 100mm 石墨聚苯板 117.087 55.941 83899.13 15725.45 18.58 8.88 13.32 2.49 112.20 聚乙烯 127.848 58.103 101630.3 15875.08 20.29 9.22 16.13 2.52 117.68 120mm 石墨聚苯板 113.311 55.16 77991.83 15673.86 17.98 8.76 12.38 2.48 110.38 聚乙烯 120.705 53.082 89733.51 15771.49 19.15 8.43 14.24 2.50 113.99 150mm 石墨聚苯板 107.375 52.483 69059.09 15597.17 17.04 8.33 10.96 2.47 107.63 聚乙烯 114.173 52.799 79323.58 15686.13 18.12 8.38 12.59 2.48 110.79 200mm 石墨聚苯板 101.894 52.724 61198.57 15524.39 16.17 8.36 9.71 2.46 105.22 聚乙烯 107.375 52.482 69059.09 15597.17 17.04 8.33 10.96 2.48 107.64 250mm 石墨聚苯板 98.613 50.976 56644.37 15483.66 15.65 8.09 8.99 2.46 103.82 聚乙烯 103.159 50.958 62980.16 15544.52 16.37 8.09 9.99 2.48 105.77 300mm 石墨聚苯板 97.912 52.011 55677.33 15475.56 15.54 8.26 8.83 2.45 103.52 聚乙烯 99.837 49.508 58333.89 15502.1 15.85 7.86 9.25 2.46 104.33
从表2.3可以看出，不同保温层厚度，建筑模型全年的负荷变化。依据被动房能耗指标的两个必要标准，石墨聚苯板保温材料厚度为100 mm时，采暖季累计负荷指标13.32 kWh/㎡a，一次能源消耗量112.20 kWh/（㎡·k），此时聚乙烯泡沫塑料需要保温厚度为120 mm。
在指标设置不变的情况下，两种不同保温材料，改变保温层厚度，模拟采暖季热负荷指标及一次性能源消耗量变化情况，如图所示：
图3.1：不同保温建筑能耗指标变化
从图3.1可以看出，在采暖热负荷指标小于15 kWh/(㎡ a)条件下，保温材料厚度在100mm~300mm范围内，当保温层厚度达到250~300 mm范围时，保温层厚度对保温效果变化不明显。在满足表2.1情况下，需要石墨聚苯板厚度200 mm，聚乙烯泡沫塑料厚度为250 mm。
4节能效益分析
在满足被动房指标标准情况下，石墨聚苯板厚度为200 mm，全年累计总能源需求量12.17 kWh/(㎡a)，在相同建筑模型下，通过模拟计算65 %建筑节能标准的全年累计总能源需求量为33.45 kWh/㎡，相比65 %节能建筑，被动房节能率达到63.61 % 。
由于建筑模型的空调面积为6300㎡，每年节约累计总能量134100 kWh，预计采暖和空调每年能耗节约44.9吨标煤，减少二氧化碳排放115.33吨，如果按电费单价0.5元/度计算，每年节省电费约为6.7万元，体现了建筑绿色节能、低碳环保的特性，由此可以看出，被动式低能耗建筑建设可充分达到建筑节能减排的作用。
5结论
参照被动式建筑指标标准，通过模拟软件计算分析，沈阳地区被动式房屋建筑，保温材料选用石墨聚苯板时，需要保温材料厚度200 mm。导热系数越大需要保温材料厚度越大；此建筑模型与我国节能标准65%建筑相比，节约率达到了63.61 %，年节约电费6.7万元，减少二氧化碳排放115.33吨。模拟结果为严寒地区居住建筑节能工作提供参考。
参考文献
[1]王崇杰，薛一冰.太阳能建筑设计[M],北京；中国建筑工业出版社，2007
[2]王凤平.山东地区节能建筑外墙传热系数测试与保温技术研究[D].济南山东建筑大学. 2009:83.
[3]汪静.布鲁克被动房的节能设计与建设实践[M],上海朗诗建筑科技有限公司.
论文作者:宋检
论文发表刊物:《基层建设》2016年18期
论文发表时间:2016/11/25
标签：建筑论文; 被动式论文; 厚度论文; 保温材料论文; 石墨论文; 负荷论文; 聚乙烯论文; 《基层建设》2016年18期论文;