严寒地区近零能耗建筑围护结构性能参数设计优化研究

冯国会，迟丹丹，徐小龙，窦宝月，王悦
沈阳建筑大学 市政与环境工程学院

        【摘  要】近零能耗建筑设计阶段墙体和屋顶的保温厚度、窗户的热工性能、以及窗墙比（WWR）是影响建筑全年运行能耗和全生命周期经济费用（LCC）的关键，针对这些性能参数进行设计优化是实现近零能耗目标的重要途径。本文以沈阳建筑大学近零能耗居住建筑示范中心为研究平台，先后采用单目标单变量、双目标多变量的优化方法，通过对EnergyPlus能耗模拟结果以及LCC计算结果的分析，分别研究了围护结构保温厚度、窗户的热工性能对严寒地区近零能耗居住建筑能耗的影响，以及围护结构保温厚度、窗户的热工性能、WWR不同组合方案对严寒地区近零能耗居住建筑能耗和LCC的影响。结果表明：外墙保温厚度为320mm、屋面保温厚度为260mm、窗户为B品牌PAS125、窗墙比为12.5%。

        【关键词】近零能耗建筑；围护结构；设计优化

       【基金项目】国家十三五重点研发计划项目(2017YFC0702600)  

0 引言

       近零能耗建筑过去五年在推广方面发展很快，《住房城乡建设事业“十三五”规划纲要》中指出：“在不同气候区尽快建设一批超低能耗或近零能耗建筑示范工程，发挥建筑能效提升标杆引领作用”。在发展近零能耗建筑的进程中，各个国家对“近零能耗建筑”的定义和称谓不同，采用的路线和体系也不尽相同，各国都在寻找适合本国的近零能耗建筑技术体系和优化路径。我国近零能耗建筑技术起步较晚，尚处于起步示范阶段，需要根据近零能耗建筑性能参数的研究和结论来建立和完善符合中国国情的近零能耗建筑技术体系，而围护结构的性能则是决定近零能耗建筑是否达到“近零能耗”这一目标的源头。关于建筑围护结构的节能设计，前人做了大量研究。

       其中，Eike Musall^[1]等的研究结果表明高性能保温结构、热泵技术和太阳能热水系统在被动式住房中应用较多，其次是自然采光、遮阳系统以及被动通风等被动式技术。Chvatal^[2]等人研究了围护结构保温层厚度的增加对夏季空调能耗的影响，研究结果表明若围护结构保温层厚度增加，要避免夏季室内空调能耗的增加就有必要控制建筑日射得热以及室内热源散热的强度。Daouas^[3]等人从节能量以及投资回收期的角度研究了在突尼斯气候条件下，不同朝向的建筑围护结构保温的最佳厚度，并且确定了该最佳厚度所对应的建筑节能量以及围护结构保温的投资回收期。Martin Thalfeldt等^[4]研究了寒冷地区Estoni近零能耗建筑围护结构的设计优化，最终得出能效和经济性双优的方案为保温厚度200mm，三层Low-E玻璃东、南、西窗墙比23.9%，北向窗墙比37.5%。窗体传热系数越小能耗越低，并且供冷能耗主导着能耗需求。龚新智[5]将中国依据气候条件分为7个区域，使用正交法和列表法以能耗为目标函数得到7种被动技术措施适用的优先性排序，指出除了夏热冬暖地区，屋顶保温厚度、外墙保温厚度对能耗的影响分别占到70%和10%，应优先考虑。

       以上大量的研究进一步证明了围护结构对于建筑节能的重要性，但大都是以能耗为目标进行的各参数设计优化，而在近零能耗建筑的发展过程中，性能化设计原则不只强调单一因素的节能设计优化，还应考虑综合的设计方案以及优化方案所带来的节能效益和经济效益，关于这方面的研究还较少。所以，本文研究了外墙和屋面保温厚度、外窗及其窗墙比对严寒地区近零能耗居住建筑能耗以及全生命周期经济费用的影响，并对各性能参数及其组合方案进行优化选择。

1 建立模型

       本文以沈阳建筑大学近零能耗居住建筑示范中心为研究平台，在此基础上用EnergyPlus进行能耗模拟，主体结构为钢框架+现浇聚苯颗粒泡沫混凝土墙体，主体H型钢结构，为平屋顶，体形系数为0.54，建筑尺寸长×宽×高为18m×8.4m×6.9m，共两层，总面积为302.4m²。其中该建筑围护结构热工性能如表1所示。EnergyPlus基于热工区域（Thermal Zone）模拟建筑能耗。由于本研究对象是以能耗为目标的近零能耗建筑，不进行个别房间的具体深入研究，所以在建模的时候，将相同功能的房间（卧室、卫生间和楼梯间）设为一个热工区域，其他功能房间分别设置不同的热工区域，如图1所示，建筑模型中共有九个热工区域，不同的热工区域颜色各不相同，其中楼梯间以及机房统一不进行供热制冷，因此设置为非空调区域，剩余热分区均为空调区域。

图1 建筑热工分区模型图

       同时，该建筑采用带有长效蓄能装置的热泵和太阳能耦合系统作为冷热源，末端采用风机盘管加独立新风热回收系统、低温地板辐射系统，风机盘管只在供冷季供冷，且新风不承担室内热湿负荷，低温地板辐射系统只在供暖季供暖。暖通空调系统模型设置如图2所示，其中图2（a）为Air Loop模型图，图2（b）、（c）分别为Plant Loop-热水环路、冷水环路模型图，图2（d）为Plant Loop-水源侧模型图。气候参数选择ASHRAE中的ShenYang^[6]，根据《被动式超低能耗绿色建筑技术导则(试行)(居住建筑)》^[7]（以下简称“技术导则”），照明功率密度值取3W/m²，除照明外的建筑内部得热取2 W/m²，换气次数取0.4次/h。

表1 围护结构热工参数

2 能耗模拟

       2.1 保温厚度的模拟优化

       “技术导则”中对严寒地区近零能耗建筑围护结构规定外墙、屋面传热系数为0.1-0.2W/(m²·K)，本文分别以各围护结构的保温厚度为变量进行能耗模拟，在EnergyPlus中统一设定保温厚度为140-400mm，模拟变量步长为20mm，对应的外墙传热系数为0.189-0.079W/(m²·K)，屋面传热系数为0.164-0.065W/(m²·K)，保温厚度设定值以及与其对应的各围护结构传热系数值如表2所示。

       随外墙、屋面保温厚度变化的能耗模拟分布分别如图3、4所示，从图中可以看出，供热能耗在总能耗中占主导地位，其次是供冷能耗，保温厚度在140-400mm范围内，总能耗都不超过技术导则中规定的65.3GJ，但当外墙保温厚度小于260mm，即传热系数大于0.115W/(m²·K)时，或当屋顶保温厚度小于220mm，即传热系数大于0.112W/(m²·K)时，供热能耗超出规定值19.6GJ。由此可见，即便外墙和屋顶的传热系数符合严寒地区近零能耗建筑的设计要求，供热能耗也可能超出标准，所以在设计阶段，不能盲目的只按技术标准取值，这很可能导致能耗超标，能源浪费。

       随外墙、屋面保温厚度变化的供热、供冷、总能耗变化如图5、6所示。由图5可知，外墙保温厚度不断增加时，供热、总能耗减小，且变化趋势相近并趋于平缓，而供冷能耗虽然增大但没有明显的变化，可见外墙保温厚度对冬季供暖的影响大于夏季供冷，当保温厚度小于260mm时，供热能耗都大于19.6GJ超标，当保温厚度大于320mm时，能耗基本没有变化。

       图6可知，屋面保温厚度不断增加时，供热、供冷、总能耗的变化趋势与图5相似。当保温厚度小于220mm时，供热能耗都大于19.6GJ超标，当保温厚度大于300mm时，能耗基本没有变化。所以本文建议严寒地区近零能耗居住建筑设计时，外墙EPS保温厚度考虑在280-320mm，屋面XPS保温厚度考虑在260-300mm。

       2.2 典型外窗的模拟优化

       技术导则中规定严寒地区近零能耗建筑外窗为0.7-1.2W/(m²·K)，本文旨在研究目前常用的严寒地区近零能耗建筑外窗，为近零能耗建筑的发展提供有力的数据支持。通过查阅大量案例和网站，再参照《被动式低能耗建筑产品选用目录》，确定了目前严寒地区近零能耗建筑示范项目广泛应用的，比较受欢迎的五款被动窗，如表3所示。

       其中第一款窗户虽然生产出来了但并没有应用，作为对比研究。模拟结果为无论是哪种窗户，供热能耗都占主导地位，其次是供冷、照明能耗，传热系数在0.6-0.9W/(m²·K)总能耗变化不大，但由表3可知价格相差3000元/m²，在0.9-1.0W/(m²·K)能耗变化最明显，价格仅相差200元/m² ，1.0-1.1W/m²·K能耗变化不明显，价格相差100元/m²，综上所述，传热系数为0.9W/m2·K的B品牌PAS125系列外窗节能效果和经济性双优。

3 优化方案的确定

       基于前面的结论，如表4所示，选取外墙和屋面保温厚度、外窗以及窗墙比（A、B、C、D）四个参数，每个参数有三个变量，进行组合研究，如此，将会有81中不同的组合方案待模拟和研究。同时引入全生命周期经济费用（LCC）研究经济效益。全生命周期经济费用主要包括初始费用和运行费用，按式（1）计算：

       LCC=TC_i+TC₀     （1）

       式中：LCC——近零能耗建筑全生命周期经济费用，元；TC_i——初始费用，元；TC₀——运行费用，元。

       初始费用按式（2）计算：

       C_s=C_re+C_h+C_HVAC    （3）

       运行费用按式（4）计算：

       式中：C_b——基础墙体的成本，元；C_win——窗户的成本，元；C_r——屋面保温的成本，元；C_w——外墙保温的成本，元；C_s——系统的成本，元；C_re——新风系统的成本，元；C_h——热泵系统的成本，元；C_HVAC——暖通空调系统的成本，元；E——全年运行总能耗，kWh/m²；A——建筑总面积，m²；C_e——电价，元/ kWh；r——贴现率；y_i、z_i——全生命周期内第次更换所在的年限；j——建筑使用寿命的第j年。

       在计算时，建筑寿命设为50年，外墙保温、屋面保温和外窗按全生命周期第25年更换一次计算，新风、热泵、空调按全生命周期第17年和第34年更换两次计算。其中基础墙体的成本价为400元/m²，外墙保温EPS的成本价为289元/m²，屋面保温XPS的成本价是661元/m²，新风、热泵、暖通空调系统的初始价格16万元。贴现率是指将未来支付改变为现值所使用的利率，本文按常用值6%计算。考虑煤电链中电力产生的外部费用计入电价附加值中，由此计算我国煤电链中外部成本为0.38元/kWh^[8]，沈阳电价按0.50元/kWh，那么电价为0.88元/kWh。

       全生命周期费用值随全年运行总能耗的变化如图9所示，横坐标是这些方案的全年运行总能耗从小到大重新排列的值，本文的目的在于选择全年运行总能耗和全生命周期费用都相对较低的方案，那么从图中可以看出，随着全年运行总能耗的增加，全生命周期费用呈波动性变化，能耗在53.65GJ和54.26GJ区间全生命周期费用波动不明显，当能耗从54.26GJ增至54.28GJ时，全生命周期费用有明显的下降，而从54.28GJ到54.89GJ之间全生命周期费用波动不大，但当能耗从54.89GJ增至55.56GJ时，全生命周期费用有一个明显的升高，所以全年运行总能耗和全生命周期费用双优的设计方案就落在能耗从54.28GJ到54.89GJ的区间，如图中红色方框所示。将图9中红色方框中的方案按能耗从小到大排列的顺序，汇总全年运行能耗和全生命周期费用值，如表5所示。从表中可知，这些方案全年运行能耗和全生命周期费用相差都不大，全年运行能耗最大的和最小的两个方案相差0.61GJ，全生命周期费用最多的和最少的两个方案相差0.71万元，所以本文折中取能耗和费用都居中的设计方案，虽然折中的方案应该是第40号，但第58号方案相比第40号方案而言，全年运行能耗能耗和全生命周期费用都较低，所以本文节能效果和经济效益双优的方案取第58号方案，即外墙保温厚度为320mm，屋面保温厚度为260mm，窗户为传热系数0.9W/(m²·K)的，窗墙比为12.5%。

4 结论

       本文以沈阳建筑大学近零能耗居住建筑为基础，通过对多性能参数变量的能耗模拟和LCC计算，分别得到严寒地区近零能耗居住建筑设计时，各变量的节能参数参考范围，以及多变量组合方案节能效果最优、经济效益最优、节能+经济双优的参考值。得出如下结论：

       （1）严寒地区近零能耗居住建筑设计时外墙的保温厚度考虑在280-320mm；屋顶的保温厚度考虑在260-300mm；外窗宜选择传热系数为0.9W/(m²·K)的B品牌PAS125或与之热工参数相近的外窗。

       （2）严寒地区近零能耗居住建筑最节能的围护结构方案为：外墙保温厚度为320mm，屋面保温厚度为300mm，传热系数为0.8W/(m²·K)的A品牌P120外窗，窗墙比为12.5%。

       （3）严寒地区近零能耗居住建筑经济效益最优的围护结构方案为：外墙保温厚度为280mm，屋面保温厚度为260mm，传热系数为1.0 W/(m²·K)的B品牌78系列外窗，窗墙比为12.5%。

       （4）严寒地区近零能耗居住建筑节能效果和经济效益双优的围护结构方案为：外墙保温厚度为320mm，屋面保温厚度为260mm，窗户为传热系数0.9W/m²·K的B品牌PAS125，窗墙比为12.5%。

参考文献

       [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] 《被动式超低能耗绿色建筑技术导则(试行)(居住建筑)》印发[J]. 建设科技,2015,(23):17.
       [8] 姜子英,潘自强,程建平,等.我国煤电链与核电链的外部成本比较研究[J]. 中国原子能科学研究院年报，2010 (1):335-33.

       备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。