馮國(guó)會(huì)，遲丹丹，徐小龍，竇寶月，王悅
沈陽(yáng)建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院

        【摘  要】近零能耗建筑設(shè)計(jì)階段墻體和屋頂?shù)谋睾穸取⒋皯舻臒峁ば阅堋⒁约按皦Ρ龋╓WR）是影響建筑全年運(yùn)行能耗和全生命周期經(jīng)濟(jì)費(fèi)用（LCC）的關(guān)鍵，針對(duì)這些性能參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)近零能耗目標(biāo)的重要途徑。本文以沈陽(yáng)建筑大學(xué)近零能耗居住建筑示范中心為研究平臺(tái)，先后采用單目標(biāo)單變量、雙目標(biāo)多變量的優(yōu)化方法，通過(guò)對(duì)EnergyPlus能耗模擬結(jié)果以及LCC計(jì)算結(jié)果的分析，分別研究了圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫厚度、窗戶的熱工性能對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗居住建筑能耗的影響，以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫厚度、窗戶的熱工性能、WWR不同組合方案對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗居住建筑能耗和LCC的影響。結(jié)果表明：外墻保溫厚度為320mm、屋面保溫厚度為260mm、窗戶為B品牌PAS125、窗墻比為12.5%。

        【關(guān)鍵詞】近零能耗建筑；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)優(yōu)化

       【基金項(xiàng)目】國(guó)家十三五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC0702600)  

0 引言

       近零能耗建筑過(guò)去五年在推廣方面發(fā)展很快，《住房城鄉(xiāng)建設(shè)事業(yè)“十三五”規(guī)劃綱要》中指出：“在不同氣候區(qū)盡快建設(shè)一批超低能耗或近零能耗建筑示范工程，發(fā)揮建筑能效提升標(biāo)桿引領(lǐng)作用”。在發(fā)展近零能耗建筑的進(jìn)程中，各個(gè)國(guó)家對(duì)“近零能耗建筑”的定義和稱謂不同，采用的路線和體系也不盡相同，各國(guó)都在尋找適合本國(guó)的近零能耗建筑技術(shù)體系和優(yōu)化路徑。我國(guó)近零能耗建筑技術(shù)起步較晚，尚處于起步示范階段，需要根據(jù)近零能耗建筑性能參數(shù)的研究和結(jié)論來(lái)建立和完善符合中國(guó)國(guó)情的近零能耗建筑技術(shù)體系，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能則是決定近零能耗建筑是否達(dá)到“近零能耗”這一目標(biāo)的源頭。關(guān)于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)，前人做了大量研究。

       其中，Eike Musall^[1]等的研究結(jié)果表明高性能保溫結(jié)構(gòu)、熱泵技術(shù)和太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在被動(dòng)式住房中應(yīng)用較多，其次是自然采光、遮陽(yáng)系統(tǒng)以及被動(dòng)通風(fēng)等被動(dòng)式技術(shù)。Chvatal^[2]等人研究了圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層厚度的增加對(duì)夏季空調(diào)能耗的影響，研究結(jié)果表明若圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層厚度增加，要避免夏季室內(nèi)空調(diào)能耗的增加就有必要控制建筑日射得熱以及室內(nèi)熱源散熱的強(qiáng)度。Daouas^[3]等人從節(jié)能量以及投資回收期的角度研究了在突尼斯氣候條件下，不同朝向的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫的最佳厚度，并且確定了該最佳厚度所對(duì)應(yīng)的建筑節(jié)能量以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫的投資回收期。Martin Thalfeldt等^[4]研究了寒冷地區(qū)Estoni近零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，最終得出能效和經(jīng)濟(jì)性雙優(yōu)的方案為保溫厚度200mm，三層Low-E玻璃東、南、西窗墻比23.9%，北向窗墻比37.5%。窗體傳熱系數(shù)越小能耗越低，并且供冷能耗主導(dǎo)著能耗需求。龔新智[5]將中國(guó)依據(jù)氣候條件分為7個(gè)區(qū)域，使用正交法和列表法以能耗為目標(biāo)函數(shù)得到7種被動(dòng)技術(shù)措施適用的優(yōu)先性排序，指出除了夏熱冬暖地區(qū)，屋頂保溫厚度、外墻保溫厚度對(duì)能耗的影響分別占到70%和10%，應(yīng)優(yōu)先考慮。

       以上大量的研究進(jìn)一步證明了圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)于建筑節(jié)能的重要性，但大都是以能耗為目標(biāo)進(jìn)行的各參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化，而在近零能耗建筑的發(fā)展過(guò)程中，性能化設(shè)計(jì)原則不只強(qiáng)調(diào)單一因素的節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化，還應(yīng)考慮綜合的設(shè)計(jì)方案以及優(yōu)化方案所帶來(lái)的節(jié)能效益和經(jīng)濟(jì)效益，關(guān)于這方面的研究還較少。所以，本文研究了外墻和屋面保溫厚度、外窗及其窗墻比對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗居住建筑能耗以及全生命周期經(jīng)濟(jì)費(fèi)用的影響，并對(duì)各性能參數(shù)及其組合方案進(jìn)行優(yōu)化選擇。

1 建立模型

       本文以沈陽(yáng)建筑大學(xué)近零能耗居住建筑示范中心為研究平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上用EnergyPlus進(jìn)行能耗模擬，主體結(jié)構(gòu)為鋼框架+現(xiàn)澆聚苯顆粒泡沫混凝土墻體，主體H型鋼結(jié)構(gòu)，為平屋頂，體形系數(shù)為0.54，建筑尺寸長(zhǎng)×寬×高為18m×8.4m×6.9m，共兩層，總面積為302.4m²。其中該建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能如表1所示。EnergyPlus基于熱工區(qū)域（Thermal Zone）模擬建筑能耗。由于本研究對(duì)象是以能耗為目標(biāo)的近零能耗建筑，不進(jìn)行個(gè)別房間的具體深入研究，所以在建模的時(shí)候，將相同功能的房間（臥室、衛(wèi)生間和樓梯間）設(shè)為一個(gè)熱工區(qū)域，其他功能房間分別設(shè)置不同的熱工區(qū)域，如圖1所示，建筑模型中共有九個(gè)熱工區(qū)域，不同的熱工區(qū)域顏色各不相同，其中樓梯間以及機(jī)房統(tǒng)一不進(jìn)行供熱制冷，因此設(shè)置為非空調(diào)區(qū)域，剩余熱分區(qū)均為空調(diào)區(qū)域。

圖1 建筑熱工分區(qū)模型圖

       同時(shí)，該建筑采用帶有長(zhǎng)效蓄能裝置的熱泵和太陽(yáng)能耦合系統(tǒng)作為冷熱源，末端采用風(fēng)機(jī)盤管加獨(dú)立新風(fēng)熱回收系統(tǒng)、低溫地板輻射系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)盤管只在供冷季供冷，且新風(fēng)不承擔(dān)室內(nèi)熱濕負(fù)荷，低溫地板輻射系統(tǒng)只在供暖季供暖。暖通空調(diào)系統(tǒng)模型設(shè)置如圖2所示，其中圖2（a）為Air Loop模型圖，圖2（b）、（c）分別為Plant Loop-熱水環(huán)路、冷水環(huán)路模型圖，圖2（d）為Plant Loop-水源側(cè)模型圖。氣候參數(shù)選擇ASHRAE中的ShenYang^[6]，根據(jù)《被動(dòng)式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則(試行)(居住建筑)》^[7]（以下簡(jiǎn)稱“技術(shù)導(dǎo)則”），照明功率密度值取3W/m²，除照明外的建筑內(nèi)部得熱取2 W/m²，換氣次數(shù)取0.4次/h。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

2 能耗模擬

       2.1 保溫厚度的模擬優(yōu)化

       “技術(shù)導(dǎo)則”中對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)規(guī)定外墻、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.1-0.2W/(m²·K)，本文分別以各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫厚度為變量進(jìn)行能耗模擬，在EnergyPlus中統(tǒng)一設(shè)定保溫厚度為140-400mm，模擬變量步長(zhǎng)為20mm，對(duì)應(yīng)的外墻傳熱系數(shù)為0.189-0.079W/(m²·K)，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.164-0.065W/(m²·K)，保溫厚度設(shè)定值以及與其對(duì)應(yīng)的各圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)值如表2所示。

       隨外墻、屋面保溫厚度變化的能耗模擬分布分別如圖3、4所示，從圖中可以看出，供熱能耗在總能耗中占主導(dǎo)地位，其次是供冷能耗，保溫厚度在140-400mm范圍內(nèi)，總能耗都不超過(guò)技術(shù)導(dǎo)則中規(guī)定的65.3GJ，但當(dāng)外墻保溫厚度小于260mm，即傳熱系數(shù)大于0.115W/(m²·K)時(shí)，或當(dāng)屋頂保溫厚度小于220mm，即傳熱系數(shù)大于0.112W/(m²·K)時(shí)，供熱能耗超出規(guī)定值19.6GJ。由此可見(jiàn)，即便外墻和屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)符合嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗建筑的設(shè)計(jì)要求，供熱能耗也可能超出標(biāo)準(zhǔn)，所以在設(shè)計(jì)階段，不能盲目的只按技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)取值，這很可能導(dǎo)致能耗超標(biāo)，能源浪費(fèi)。

       隨外墻、屋面保溫厚度變化的供熱、供冷、總能耗變化如圖5、6所示。由圖5可知，外墻保溫厚度不斷增加時(shí)，供熱、總能耗減小，且變化趨勢(shì)相近并趨于平緩，而供冷能耗雖然增大但沒(méi)有明顯的變化，可見(jiàn)外墻保溫厚度對(duì)冬季供暖的影響大于夏季供冷，當(dāng)保溫厚度小于260mm時(shí)，供熱能耗都大于19.6GJ超標(biāo)，當(dāng)保溫厚度大于320mm時(shí)，能耗基本沒(méi)有變化。

       圖6可知，屋面保溫厚度不斷增加時(shí)，供熱、供冷、總能耗的變化趨勢(shì)與圖5相似。當(dāng)保溫厚度小于220mm時(shí)，供熱能耗都大于19.6GJ超標(biāo)，當(dāng)保溫厚度大于300mm時(shí)，能耗基本沒(méi)有變化。所以本文建議嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗居住建筑設(shè)計(jì)時(shí)，外墻EPS保溫厚度考慮在280-320mm，屋面XPS保溫厚度考慮在260-300mm。

       2.2 典型外窗的模擬優(yōu)化

       技術(shù)導(dǎo)則中規(guī)定嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗建筑外窗為0.7-1.2W/(m²·K)，本文旨在研究目前常用的嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗建筑外窗，為近零能耗建筑的發(fā)展提供有力的數(shù)據(jù)支持。通過(guò)查閱大量案例和網(wǎng)站，再參照《被動(dòng)式低能耗建筑產(chǎn)品選用目錄》，確定了目前嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗建筑示范項(xiàng)目廣泛應(yīng)用的，比較受歡迎的五款被動(dòng)窗，如表3所示。

       其中第一款窗戶雖然生產(chǎn)出來(lái)了但并沒(méi)有應(yīng)用，作為對(duì)比研究。模擬結(jié)果為無(wú)論是哪種窗戶，供熱能耗都占主導(dǎo)地位，其次是供冷、照明能耗，傳熱系數(shù)在0.6-0.9W/(m²·K)總能耗變化不大，但由表3可知價(jià)格相差3000元/m²，在0.9-1.0W/(m²·K)能耗變化最明顯，價(jià)格僅相差200元/m² ，1.0-1.1W/m²·K能耗變化不明顯，價(jià)格相差100元/m²，綜上所述，傳熱系數(shù)為0.9W/m2·K的B品牌PAS125系列外窗節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)性雙優(yōu)。

3 優(yōu)化方案的確定

       基于前面的結(jié)論，如表4所示，選取外墻和屋面保溫厚度、外窗以及窗墻比（A、B、C、D）四個(gè)參數(shù)，每個(gè)參數(shù)有三個(gè)變量，進(jìn)行組合研究，如此，將會(huì)有81中不同的組合方案待模擬和研究。同時(shí)引入全生命周期經(jīng)濟(jì)費(fèi)用（LCC）研究經(jīng)濟(jì)效益。全生命周期經(jīng)濟(jì)費(fèi)用主要包括初始費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用，按式（1）計(jì)算：

       LCC=TC_i+TC₀     （1）

       式中：LCC——近零能耗建筑全生命周期經(jīng)濟(jì)費(fèi)用，元；TC_i——初始費(fèi)用，元；TC₀——運(yùn)行費(fèi)用，元。

       初始費(fèi)用按式（2）計(jì)算：

       C_s=C_re+C_h+C_HVAC    （3）

       運(yùn)行費(fèi)用按式（4）計(jì)算：

       式中：C_b——基礎(chǔ)墻體的成本，元；C_win——窗戶的成本，元；C_r——屋面保溫的成本，元；C_w——外墻保溫的成本，元；C_s——系統(tǒng)的成本，元；C_re——新風(fēng)系統(tǒng)的成本，元；C_h——熱泵系統(tǒng)的成本，元；C_HVAC——暖通空調(diào)系統(tǒng)的成本，元；E——全年運(yùn)行總能耗，kWh/m²；A——建筑總面積，m²；C_e——電價(jià)，元/ kWh；r——貼現(xiàn)率；y_i、z_i——全生命周期內(nèi)第次更換所在的年限；j——建筑使用壽命的第j年。

       在計(jì)算時(shí)，建筑壽命設(shè)為50年，外墻保溫、屋面保溫和外窗按全生命周期第25年更換一次計(jì)算，新風(fēng)、熱泵、空調(diào)按全生命周期第17年和第34年更換兩次計(jì)算。其中基礎(chǔ)墻體的成本價(jià)為400元/m²，外墻保溫EPS的成本價(jià)為289元/m²，屋面保溫XPS的成本價(jià)是661元/m²，新風(fēng)、熱泵、暖通空調(diào)系統(tǒng)的初始價(jià)格16萬(wàn)元。貼現(xiàn)率是指將未來(lái)支付改變?yōu)楝F(xiàn)值所使用的利率，本文按常用值6%計(jì)算。考慮煤電鏈中電力產(chǎn)生的外部費(fèi)用計(jì)入電價(jià)附加值中，由此計(jì)算我國(guó)煤電鏈中外部成本為0.38元/kWh^[8]，沈陽(yáng)電價(jià)按0.50元/kWh，那么電價(jià)為0.88元/kWh。

       全生命周期費(fèi)用值隨全年運(yùn)行總能耗的變化如圖9所示，橫坐標(biāo)是這些方案的全年運(yùn)行總能耗從小到大重新排列的值，本文的目的在于選擇全年運(yùn)行總能耗和全生命周期費(fèi)用都相對(duì)較低的方案，那么從圖中可以看出，隨著全年運(yùn)行總能耗的增加，全生命周期費(fèi)用呈波動(dòng)性變化，能耗在53.65GJ和54.26GJ區(qū)間全生命周期費(fèi)用波動(dòng)不明顯，當(dāng)能耗從54.26GJ增至54.28GJ時(shí)，全生命周期費(fèi)用有明顯的下降，而從54.28GJ到54.89GJ之間全生命周期費(fèi)用波動(dòng)不大，但當(dāng)能耗從54.89GJ增至55.56GJ時(shí)，全生命周期費(fèi)用有一個(gè)明顯的升高，所以全年運(yùn)行總能耗和全生命周期費(fèi)用雙優(yōu)的設(shè)計(jì)方案就落在能耗從54.28GJ到54.89GJ的區(qū)間，如圖中紅色方框所示。將圖9中紅色方框中的方案按能耗從小到大排列的順序，匯總?cè)赀\(yùn)行能耗和全生命周期費(fèi)用值，如表5所示。從表中可知，這些方案全年運(yùn)行能耗和全生命周期費(fèi)用相差都不大，全年運(yùn)行能耗最大的和最小的兩個(gè)方案相差0.61GJ，全生命周期費(fèi)用最多的和最少的兩個(gè)方案相差0.71萬(wàn)元，所以本文折中取能耗和費(fèi)用都居中的設(shè)計(jì)方案，雖然折中的方案應(yīng)該是第40號(hào)，但第58號(hào)方案相比第40號(hào)方案而言，全年運(yùn)行能耗能耗和全生命周期費(fèi)用都較低，所以本文節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益雙優(yōu)的方案取第58號(hào)方案，即外墻保溫厚度為320mm，屋面保溫厚度為260mm，窗戶為傳熱系數(shù)0.9W/(m²·K)的，窗墻比為12.5%。

4 結(jié)論

       本文以沈陽(yáng)建筑大學(xué)近零能耗居住建筑為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)多性能參數(shù)變量的能耗模擬和LCC計(jì)算，分別得到嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗居住建筑設(shè)計(jì)時(shí)，各變量的節(jié)能參數(shù)參考范圍，以及多變量組合方案節(jié)能效果最優(yōu)、經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)、節(jié)能+經(jīng)濟(jì)雙優(yōu)的參考值。得出如下結(jié)論：

       （1）嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗居住建筑設(shè)計(jì)時(shí)外墻的保溫厚度考慮在280-320mm；屋頂?shù)谋睾穸瓤紤]在260-300mm；外窗宜選擇傳熱系數(shù)為0.9W/(m²·K)的B品牌PAS125或與之熱工參數(shù)相近的外窗。

       （2）嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗居住建筑最節(jié)能的圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案為：外墻保溫厚度為320mm，屋面保溫厚度為300mm，傳熱系數(shù)為0.8W/(m²·K)的A品牌P120外窗，窗墻比為12.5%。

       （3）嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗居住建筑經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案為：外墻保溫厚度為280mm，屋面保溫厚度為260mm，傳熱系數(shù)為1.0 W/(m²·K)的B品牌78系列外窗，窗墻比為12.5%。

       （4）嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗居住建筑節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益雙優(yōu)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案為：外墻保溫厚度為320mm，屋面保溫厚度為260mm，窗戶為傳熱系數(shù)0.9W/m²·K的B品牌PAS125，窗墻比為12.5%。

參考文獻(xiàn)

       [1] Musall E.Net zero Energy Solar Buildings: An Overview andAnalysis on Worldwide Building Projects[EB/OL]. [2013-7-17 ].
       [2] Chvatal K M S, Corvacho H. The impact of increasing the building envelope insulation upon the risk of overheating in summer and an increased energy consumption[J]. Journal of Building Performance Simulation, 2009,2(4):267-282.
       [3] Daouas N. A study on optimum insulation thickness in walls and energy savings in Tunisian buildings based on analytical calculation of cooling and heating transmission loads[J]. Applied Energy, 2011, 88(1):156-164.
       [4] Thalfeldt M, Pikas E, Kurnitski J, et al. Facade design principles for nearly zero energy buildings in a cold climate[J]. Energy and Buildings, 2013, 67:309-321.
       [5] Gong X, Akashi Y,Sumiyoshi D.Optimization of passive design measures for residential buildings in different Chinese areas[J]. Building and Environment, 2012, 58:46-57.
       [6] IDA Users Online http://www.equaonline.com/ice4user/.
       [7] 《被動(dòng)式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則(試行)(居住建筑)》印發(fā)[J]. 建設(shè)科技,2015,(23):17.
       [8] 姜子英,潘自強(qiáng),程建平,等.我國(guó)煤電鏈與核電鏈的外部成本比較研究[J]. 中國(guó)原子能科學(xué)研究院年報(bào)，2010 (1):335-33.

       備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)文集）。版權(quán)歸論文作者所有,任何形式轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者。