生态办公示范楼节能设计及能耗模拟分析

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1、生态办公示范楼节能设计及能耗模拟分析 卜震 陆善后 范宏武 曹毅然 李德荣 （上海建筑科学研究院） 摘 要摘 要 本文介绍了上海市生态建筑办公楼集成运用的节能围护结构、自然通风、新型空调和再 生能源等多项建筑节能技术，采用DeST 和TAS 软件对其全年的能耗进行了动态模拟计算，并 分析了各种节能措施的节能效果，为节能方案的进一步优化和完善提供了可靠的依据。生态楼 示范楼的建造将促进各种先进节能技术在我国的应用和推广。 关键词关键词 生态建筑；节能技术；能耗模拟 随着上海市城市建设的持续发展和人均GDP的增长，人们对工作、生活的质量和舒适性要 求的不断提高，致使建筑使用能耗在整个城市能源消耗中

2、的比重逐年增大。从可持续发展的战 略角度来看，节约能源、保护环境已成为上海建设“生态型城市”的重要方面。因此针对现代 化建筑，如何在改善生活质量和保证工作效率的前提下，更为有效而科学的提高能源利用效率 就成为目前各类建筑发展的主要目标。正在建设中的上海市生态办公示范楼（以下简称“生态 楼”），针对国内外生态建筑发展现状，通过大量生态建筑关键技术的集成研究、示范和推广， 建立具有上海特色的生态建筑集成技术体系。作为上海市科委重大攻关课题“生态建筑关键技 术研究与系统集成”的主要内容，该生态样板楼将为生态建筑关键技术集成、测试、实验、改 进提供科技平台，并将成为上海生态建筑和技术的展示、教育和培训

3、场所；同时结合上海经济 发展水平和市场需求，通过推广示范生态建筑适用技术体系，将整体提高上海生态建筑技术水 平，为2010年世博园建设提供生态建筑技术支撑，推动我国生态建筑领域的产业发展和科技进 步。 1 概述 生态楼坐落于上海市建筑科学研究院莘庄实验园区，占地面积904m2，建筑面积2000 m2， 地上三层。按照使用功能进行划分，该楼西向为环境实验室，东向为展示区和办公用房，在东 向中部设有中庭，中庭上部设计天窗，保证了建筑内部的白天照明，建筑效果见图1。为了尽可 能的减少不可再生能源的消耗以及减少由此带来的环境负面影响，并给生态楼的使用者提供健 康、舒适、高效的工作环境，该楼分别从建筑围

4、护结构、自然通风、高效新型空调、太阳能利 用、自动控制等多个方面，采用了多种先进的技术措施，最终目标是使该示范建筑的全年采暖 和空调能耗降低到普通办公建筑的1/4。为了验证采用多种节能后的节能效果，本文还采用了动 态能耗模拟分析软件对生态办公楼的全年能耗进行了分析计算。 http:/ 能源世界中国建筑节能网2 建筑节能措施 1. 围护结构设计 生态楼围护结构节能设计主要包括墙面、屋顶、门窗的保温隔热设计以及建筑外窗的遮阳 设计。作为示范建筑，该生态楼在各向围护结构设计方面又分别采用了多种不同的技术措施， 以起到节能技术集成和示范的作用。 对外墙，参考欧洲建筑节能设计标准，针对该楼的不同朝向，分

5、别采用了四种外墙外保温体系， 具体构造见表1。生态办公楼的屋面结构包括平屋面和坡屋面，屋面的节能措施则分为两种平屋 面保温体系和一种坡屋面保温体系，此外平屋面均采用屋顶绿化技术，结合保温材料和防水技 术，达到了节能和改善顶部房间室内热环境的良好效果，同时有利于减弱建筑物的热岛效应， 其构造形如表2 所示。对外窗，在提高保温隔热性能的同时，重点考虑其遮阳效果，对窗墙面 积比比较大的南向外窗（达0.59）以及开窗面积较大的天窗（达100m2 以上）还采用了多种外遮 阳措施，实现冬季最大限度利用太阳能、夏季遮挡太阳辐射的作用，同时基本满足了室内的自 然采光。天窗和各朝向外窗的热工性能见表3。 2.

6、自然通风利用 从节能和舒适的角度考虑，应优先采用被动方式，依靠自然手段来维持室内的热舒适环境。 根据上海的气候特点，完全可以在春秋过渡季节和夏季夜间，充分利用室外气流，带走室内产 出的余热，保证室内的热舒适性，并缩短了空调系统的运行时间，达到节能环保目的。 根据生态办公楼本身和周围环境以及气候特点，利用热压通风和风压通风相结合的方式， 通过运用了CFD 模拟分析技术，确定并优化室内合理的气流组织方式，以期实现有效的、可调http:/ 能源世界中国建筑节能网节的自然通风。在建筑北部顶端设计深色的玻璃“烟囱”，并在中庭内开启多处通风通道，起 到烟囱效应（图2）；同时尽量使建筑位置沿夏季主导风向进行

7、设计（图3），在建筑外立面的 正压区和负压区的适当部位开窗，起到通风口的作用，增强室内穿堂风的冷却效果。 3. 新型空调和太阳能利用技术 在上海地区，冬夏两个空调季的室外相对湿度较大，因此要满足室内环境的舒适性、健康 性要求，空调系统就必须对室外新风进行除湿处理。传统的除湿方法基本上是冷冻除湿，即首 先将空气温度降低到露点以下，除去空气中的水分后再通过加热将空气处理到设计工况，由此 使冷热抵消，造成了能耗的浪费。同时，为了达到除湿要求的低露点，要求制冷设备产生较低 的温度，设备的制冷效率较低，从而也导致了高能耗。此外，空调冷却面、风道又为霉菌的滋 生提供了生存条件，易造成室内空气质量的恶化。

8、为了避免上述情况的发生，生态办公楼对新风采用了热湿独立处理的方式，新风通过带全 热回收的新型液体除湿机组的除湿降温处理过程，可以给室内提供干燥的新风，用来消除室内 湿负荷，满足人员的新风要求，从而有效的改善了室内空气品质，提高了整个空调系统的能效 比。而除湿系统的溶液再生可以通过高温热泵或太阳能热水来实现。 生态楼还在屋顶上沿坡屋面方向架设了150m2 的太阳能集热器（见图1）供应全楼热水。冬 季可利用太阳能用于地板采暖；夏季则采用太阳能热水型吸附制冷机组和干盘管相结合的方式 用于空气显热负荷的处理；在春秋过渡季，可以利用太阳能对坡屋面顶部的斜通风风道进行加 热，增强了热压的“拔风”作用。 3

9、 节能效果分析 为了验证该生态楼采用各种节能措施后的节能效果，本文采用了两种动态建筑能耗模拟计 算软件：DeST 和TAS，对生态楼全年逐时的采暖和空调能耗进行了模拟分析。计算中暂不考 虑空调机组COP 提高所产生的节能效果。 1. 软件DeST 模拟 DeST（Designers Simulation Toolkit）的全称是“建筑热环境设计模拟工具包”，是清华大 学建筑技术科学系研制开发的面向各类建筑的能耗模拟、性能预测及评估并集成于AutoCAD R14 上的辅助设计计算软件。本文的模拟计算首先采用的是DeST 最新的2.0 商业建筑版，对 生态楼建模如图4。 http:/ 能源世界中国

10、建筑节能网建筑能耗模拟所需要的输入计算参数主要包括建筑内部热扰参数、通风空调作息表、室内 环境控制参数等。对该生态楼，这些计算参数的选取上基本上都参照“上海地区公共建筑节能 设计标准”进行设置。在此基础上，本文采用DeST 软件对采用围护结构（主要包括外墙和屋 面）保温隔热措施、节能窗，活动外遮阳和夜间通风等几项节能措施后，生态楼的节能效果进 行了模拟分析，并与不采取节能措施的建筑能耗进行对比。对应四种不同的节能措施，可以分 为以下多种计算模拟工况： 计算工况1*：不采用节能措施（对比基准） 计算工况2：采用外遮阳 (*不采用节能措施的建筑即普通办公建筑， 外墙K=2.0 W/(m2 K)，

11、屋面K=1.5 W/(m2 K)， 外窗K6.4 W/(m2 K)， 外窗无遮阳设施。) 计算工况3：采用外遮阳，采用节能窗（表3） 计算工况4：采用外遮阳，采用节能窗，提高围护结构保温隔热性能（表12） 计算工况5：采用外遮阳，采用节能窗，提高围护结构保温隔热性能，夜间通风 模拟计算结果如下图所示： http:/ 能源世界中国建筑节能网由此通过与无节能措施的建筑能耗相比较，可以分析各种节能措施的节能效果（表4）和节 能比例（图6）。 分析模拟计算结果可以看出采用不同的节能技术，产生的节能效果也不相同。由于该生态楼通 透性很好，南向窗墙面积比高达0.59，坡屋面上设置150m2 大面积的天窗，

12、造成全年的空调能 耗巨大，远大于采暖能耗，而遮阳技术是降低夏季空调能耗最为直接和有效的措施，从模拟出 的节能效果也反映了采用活动外遮阳比单纯提高围护结构和窗户的热工性能等技术更为有效 （工况2）。而且通过良好的自动控制，采用活动外遮阳可以在显著降低空调能耗的同时，基本 上不增加采暖能耗。在遮阳的基础上，通过提高围护结构保温隔热性能和改善窗户的热工性能， 可以进一步降低该建筑能耗（工况3、4）。此外在夏季和过渡季节，通过合理的自然通风设计， 利用夜间通风技术，可以有效的消除室内的余热，从而可以降低白天空调系统的制冷能耗（工 况5）。计算结果还可以反映出，对上海地区的通透性办公建筑，提高围护结构和

13、窗户的热工性 能主要有利于降低全年的采暖能耗，对空调能耗的减少作用不明显；而采用活动外遮阳和夜间 通风技术，能够显著的降低全年空调能耗，但采暖能耗会略有增加。综上通过合理采用以上几 种节能技术措施以后，可使生态楼的总能耗指标降低了68.9，通过进一步分析，活动遮阳在 其中占41.2的节能比例，节能窗占18.3，围护结构占24.5，夜间通风占16.1。此外生态 楼还采用了高能效比的空调系统，通过天窗可以节约一部分照明能耗，同时利用太阳能供热水、 采暖和制冷，如果考虑这几项额外的节能因素，该生态楼完全可以达到节能3/4 的预期目标。 2. 软件TAS 模拟 TAS（TAS Building Des

14、igner）是英国EDSL 公司（Environmental Design Solutions Ltd）研发的建筑热环境分析软件包，在欧洲被广泛用于建筑能耗模拟、建筑环境优化 和热舒适性分析。应用TAS 软件对生态楼建模，见图6。 http:/ 能源世界中国建筑节能网TAS 模拟所需要的参数与采用DeST 模拟的相似。与DeST 模拟相比，TAS 的模拟 过程主要针对生态楼采用不同的环境控制策略的全年采暖和空调能耗，所有工况计算中建筑围 护结构和外窗按照表1表3 选取。根据环境控 制的几种不同方式，TAS 模拟工况分为： 计算工况1：完全空调模式（对比基准） 计算工况2：自然通风模式 计算工况

15、3：提高窗户的遮阳效果 计算工况4：自然通风模式，提高窗户的遮阳效果 计算工况5：自然通风模式，缩小50窗户面积 其中以TAS 的计算工况1 作为基准工况，此时生态楼已采用节能围护结构（表12）和节 能窗（表3）。工况2 将生态楼划分为不同区域，采用相应的通风控制策略，以最大程度的利用http:/ 能源世界中国建筑节能网风压和热压自然通风来降低室内温度，提高室内舒适性，并降低建筑空调能耗。工况4 和工况5 是对不同的设计方案进行对比计算。 与基准计算工况1 的完全空调模式相比，其他工况的节能效果为： 与DeST 软件相比，TAS 软件的模拟结果同样说明遮阳对降低生态楼空调能耗起到了最为 显著的

16、作用，这主要是因为窗户是夏季空调能耗的最为薄弱环节，大量的太阳辐射热量通过窗 户进行生态楼内部，是造成空调能耗增加的主导因素，而采用遮阳技术（包括外遮阳和Sc 较小 的节能窗）可以发射大部分的太阳辐射能，减少了太阳辐射得热量。另外工况4 和工况5 的计 算结果差距很小，说明减小建筑的窗墙比可以达到相同的节能效果，但鉴于大面积外窗更有利 于减小照明负荷，并有利于自然通风，还可以增加人的视觉舒适性，所以应优先选择采用遮阳 技术的大窗墙比设计方案。此外，TAS 模拟的冬季采暖能耗比DeST 的普遍偏小，分析原因是 由于两种软件采用的上海地区气象参数有所差异，室内环境控制参数也稍有不同，具体结论还 有赖于通过实验手段来进行验证。 4 结论