王 兴
(福建林业职业技术学院,福建 南平 353000)
近年来,全社会中的能耗占比中建筑能耗占据的比重越来越高[1]。其中,公共建筑的能耗强度最大,特别是一些夏热冬冷地区住宅建筑,该类建筑通常安装了供暖降温设备,其能耗强度也是远超其他地区[2]。虽然夏热冬冷地区受地区限制,一年四季建筑的能耗巨大,但是利用率却非常低[3]。有鉴于此,解决我国住宅建筑的高能耗和低能效的问题,已经成为了相关领域研究的热点。由于住宅建筑围护结构的材料使用与建筑朝向等原因,以往由于技术材料上的限制,使得住宅建筑用能长期处于一种粗放式管理状态[4]。随着科技的发展,装配式低能耗技术材料逐渐开始被广泛应用,有效的指导了建筑节能方向,并使资源利用率进一步得到了提升[5]。因此,以装配式低能耗结构进行设计模型,进行节能优化探究,旨在改善当地居民居住条件并为类似的研究课题提供一定的参考。
1.1 促进装配式节能优化的研究方法与技术
分别以装配式能耗模拟与节能优化为主题各自展开讨论。建筑住宅的节能与多方面的因素有关,研究主要讨论外墙、窗以及门窗与墙体之间的连接对装配式住宅节能的影响[6]。其中墙体设计见图1。
图1 预制空气间层的保温墙体设计图
图1中墙体内部预制混凝土层厚度为60mm,墙体外部预制混凝土层厚度则为180mm。这样设计是为了保证外部墙体比内部墙体厚以预防保暖时,暖气流失[7-8]。而空气间层厚度为40mm,带孔塑料袋厚度为20mm。研究设计墙体线性传导热量的系数计算见式(1)。
(1)
式(1)中,Km表示住宅墙体传热系数的平均值,K表示住宅墙体主断面对应的传热系数,ψj表示住宅墙体上第j个结构性热桥的线传热系数,lj表示计算长度,A代表每一个单位墙体所含面积[9]。研究拟设计外保温窗帘,提升房屋居住的舒适度。窗帘设计见图2。
图2 保温窗帘盒设计图
图2中窗帘盒分为平板式与垂直式保温设计。图(a)是在窗台板内添加保温板设计,并利用条形袋装条在保温板层中组合成W形帘体,加入能够通过加热实现发泡的保温材料。建造过程中在窗帘内侧进行铝薄膜的包扎设计,加强室内的保温效果,防止暖气的流失与热的传递。图(b)中在保温卷帘盒中隐藏设计有升降器安装在窗户上顶,过程中需要对窗帘进行升降时,操作完成后不需要人工便可以自动化的回位控制。设计中保温窗帘通过使用棉布提高保温系数,可以保证室内的温度变化较小,以便实现节能效果。为了减小墙体与窗帘口连接处缝隙的存在而影响保温效果,对二者的连接也进行设计,连接构造见图3。
图3 轻质蒸汽加压板外墙体与窗口的连接构造设计图
在图3中,采用轻质蒸汽加压混凝土修建外墙体,在外墙体上预留门与窗的卡槽孔,并将门窗的连接点与预留的门窗卡槽孔采用焊接进行连接。使用不会因为受热而燃烧的加热发泡剂填充其中的缝隙,所有加热板与所有钢结构的材料梁柱的缝隙均为重点,全部满足密封、防火、防水以及装配要求进行建造。
1.2 低能耗住宅能耗模拟设计方法
对于装配式低能耗建筑而言,建筑墙体是耗能最高的。对于装配式低能耗住宅墙体整个生命周期的能耗情况计算方式见式(2)。
E=E1+E2+E3+E4+E5
(2)
式(2)中,E表示装配式低能耗住宅墙体整个生命周期的总能耗,E1表示准备建材时期,E2表示建造住宅时期,E3表示住宅使用时期,E4表示住宅拆除时期,E5则表示墙体报废处理时期。利用revit软件来建设合理的建筑信息模型,不仅可以使建模效率提高,还可以更好的掌控模拟的结果。研究首先对模型进行不同精细度模型的划分,并将所构建模型进行命名,分为A,B,C,D四种类型。在体型系数方面而言,四种模型的体形系数与窗地比等特征相同,见表1。
表1 能耗模拟对应模型的精细度的划分表
由表1可知,4种模型的体型系数在差异中不同类型按照顺序递进,A类模型仅有外围护结构,而B类,C类,D类模型均在结钱模型基础上分别添加了楼板、内部隔墙以及功能区的设定。对应的4种模型便有不同的功能,分别反映所有模型不同的建模进度。A,B,C三种模型根据功能的不同来设置模型的能耗模拟,D模型则将房间进行主次的划分,加上温度的设定。接着基于revit软件建立相应的部件参数数据库,也可以从数据库中直接选择合适的应用软件来实现构建参数的目的。住宅模型构造参数见表2。
表2 住宅模型构造参数表
表2中,屋面、外墙、楼板、内墙以及玻璃的构造大多由钢筋混凝体与黏土空心砖构成。并且可以发现屋面的传热系数最差,仅为0.254,而玻璃的传热系数则最高,达到1.969。这是由于屋面处于住宅室内,日常住宅门窗关闭,并不与外界热量有直接关联;而玻璃是住宅窗户的主要组成部分,日常吸收太阳热量进而传递热量,系数较高。这时计算能耗模拟先得对住宅室内每平方米热气发散的能量进行计算,单位为W/m2,假设住宅白天使用状态而夜晚无人,单位耗热量见式(3)。
(3)
式(3)中,Qhm代表住宅热力入口的总的供热量;ti表示建筑采暖期住宅室内的平均温度,研究设定温度为15℃;te表示建筑采暖期住宅室外的平均温度,研究设定温度为-10℃;tia表示建筑实测时住宅室内的平均温度;tie表示建筑实测时住宅室外的平均温度;Ao表示采暖面积;Hr表示采暖持续时间。利用气象观测站,对住宅室外的温度与湿度进行数据变化记录;接着使用BES-G对住宅建筑外围护价格传热能量与住宅表面内外的温度差进行数据监控;住宅室内的平均温度与湿度的变化则使用BES-02进行实时监控测试;住宅总用电量使用则根据电流表的转动量进行记录;采暖能耗基于全部实测数据进行计算。
为节约土地,将住宅人均居住面积设置在90m2,使用装配式低能耗钢结构复合墙体为构造原型,对住宅所有耗能进行统计计算并比较节能前后的电气与燃气消耗对比见图4。
图4 节能优化前后能电气与燃料消耗对比图
图4可以看出在节能前后,年度电气终端消耗中灯的占比始终是最大的,其次便是夏季日常生活中所需要用的风扇的使用消耗。与节能前相比风扇的使用降低了0.3个百分比;在年度燃料的用途中,空间供暖的使用燃料率由81.50%降低至80.00%,整体降低了1.5个百分点,以上结果均表明研究所提材料墙体的设计一定程度上对于节约能耗是有益的。对墙体优化方案与原始墙体进行能耗对比分析见图5。
图5 优化后墙体方案与原墙体方案能耗对比分析
图5中,优化后墙体空间层的构造与原始墙体相比在整个生命周期能源消耗方面有明显的降低。将优化后的墙体构造中的设空气间层的外保温墙体构造带入revit模型,通过GBS软件进行能耗模拟分析得到以下数据。图4通过原墙体构造、墙体构造以及节能优化设计后的预制空气间层的外保温墙体分别进行能耗数据对比分析,得到最终最优结果见表3。
表3 预制空气间层保温墙体能耗分析性能系数及结果
表3中住宅每年总能源使用强度为633MJ/m2,燃料能源使用强度则为4402429MJ,生命周期燃料消耗量表示为133110566kW,与前面得到的数据相比均有所减小。预制空气层外保温墙总节能效果逐渐被优化。对建筑整年负荷进行模拟计算,计算结果如图6所示。
图6 建筑随温度变化的能耗
由图6可以看出,在温度靠近零下5℃与温度为35℃时有明显密集的能耗出现,温度越增加,能耗越加大,普遍高于1500t/万kW·h。这是因为在冬季该地区最低温度可达零下5℃以及高温时常达到35℃,因此当冬夏季这两个温度时,建筑能耗最高是符合设计的。
建筑领域的持续发展要求建筑材料具有节能可持续利用的能力。因此对住宅节能优化与能耗模拟进行设计;然后将方法应用于能耗模拟的系统中得到节能前后数据对比。结果显示节能后风扇耗能占比下降0.3个百分比;而年度空间供暖的使用燃料率由81.50%降低至80.00%,整体降低了1.5个百分点。并且预制空间层保温墙体能耗分析中,燃料能源使用强度为4402429MJ,生命周期燃料消耗量为133110566kW,与原墙体耗能相比有显著降低效果。在节能应用后,建筑随着温度的增加能耗也逐渐增加,但总体上来说,不会超过预测数据值。
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