馮國會，遲丹丹，徐小龍，竇寶月，王悅
沈陽建筑大學 市政與環境工程學院

        【摘  要】近零能耗建筑設計階段墻體和屋頂的保溫厚度、窗戶的熱工性能、以及窗墻比（WWR）是影響建筑全年運行能耗和全生命周期經濟費用（LCC）的關鍵，針對這些性能參數進行設計優化是實現近零能耗目標的重要途徑。本文以沈陽建筑大學近零能耗居住建筑示范中心為研究平臺，先后采用單目標單變量、雙目標多變量的優化方法，通過對EnergyPlus能耗模擬結果以及LCC計算結果的分析，分別研究了圍護結構保溫厚度、窗戶的熱工性能對嚴寒地區近零能耗居住建筑能耗的影響，以及圍護結構保溫厚度、窗戶的熱工性能、WWR不同組合方案對嚴寒地區近零能耗居住建筑能耗和LCC的影響。結果表明：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%。

        【關鍵詞】近零能耗建筑；圍護結構；設計優化

       【基金項目】國家十三五重點研發計劃項目(2017YFC0702600)  

0 引言

       近零能耗建筑過去五年在推廣方面發展很快，《住房城鄉建設事業“十三五”規劃綱要》中指出：“在不同氣候區盡快建設一批超低能耗或近零能耗建筑示范工程，發揮建筑能效提升標桿引領作用”。在發展近零能耗建筑的進程中，各個國家對“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，各國都在尋找適合本國的近零能耗建筑技術體系和優化路徑。我國近零能耗建筑技術起步較晚，尚處于起步示范階段，需要根據近零能耗建筑性能參數的研究和結論來建立和完善符合中國國情的近零能耗建筑技術體系，而圍護結構的性能則是決定近零能耗建筑是否達到“近零能耗”這一目標的源頭。關于建筑圍護結構的節能設計，前人做了大量研究。

       其中，Eike Musall^[1]等的研究結果表明高性能保溫結構、熱泵技術和太陽能熱水系統在被動式住房中應用較多，其次是自然采光、遮陽系統以及被動通風等被動式技術。Chvatal^[2]等人研究了圍護結構保溫層厚度的增加對夏季空調能耗的影響，研究結果表明若圍護結構保溫層厚度增加，要避免夏季室內空調能耗的增加就有必要控制建筑日射得熱以及室內熱源散熱的強度。Daouas^[3]等人從節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結構保溫的最佳厚度，并且確定了該最佳厚度所對應的建筑節能量以及圍護結構保溫的投資回收期。Martin Thalfeldt等^[4]研究了寒冷地區Estoni近零能耗建筑圍護結構的設計優化，最終得出能效和經濟性雙優的方案為保溫厚度200mm，三層Low-E玻璃東、南、西窗墻比23.9%，北向窗墻比37.5%。窗體傳熱系數越小能耗越低，并且供冷能耗主導著能耗需求。龔新智[5]將中國依據氣候條件分為7個區域，使用正交法和列表法以能耗為目標函數得到7種被動技術措施適用的優先性排序，指出除了夏熱冬暖地區，屋頂保溫厚度、外墻保溫厚度對能耗的影響分別占到70%和10%，應優先考慮。

       以上大量的研究進一步證明了圍護結構對于建筑節能的重要性，但大都是以能耗為目標進行的各參數設計優化，而在近零能耗建筑的發展過程中，性能化設計原則不只強調單一因素的節能設計優化，還應考慮綜合的設計方案以及優化方案所帶來的節能效益和經濟效益，關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、外窗及其窗墻比對嚴寒地區近零能耗居住建筑能耗以及全生命周期經濟費用的影響，并對各性能參數及其組合方案進行優化選擇。

1 建立模型

       本文以沈陽建筑大學近零能耗居住建筑示范中心為研究平臺，在此基礎上用EnergyPlus進行能耗模擬，主體結構為鋼框架+現澆聚苯顆粒泡沫混凝土墻體，主體H型鋼結構，為平屋頂，體形系數為0.54，建筑尺寸長×寬×高為18m×8.4m×6.9m，共兩層，總面積為302.4m²。其中該建筑圍護結構熱工性能如表1所示。EnergyPlus基于熱工區域（Thermal Zone）模擬建筑能耗。由于本研究對象是以能耗為目標的近零能耗建筑，不進行個別房間的具體深入研究，所以在建模的時候，將相同功能的房間（臥室、衛生間和樓梯間）設為一個熱工區域，其他功能房間分別設置不同的熱工區域，如圖1所示，建筑模型中共有九個熱工區域，不同的熱工區域顏色各不相同，其中樓梯間以及機房統一不進行供熱制冷，因此設置為非空調區域，剩余熱分區均為空調區域。

圖1 建筑熱工分區模型圖

       同時，該建筑采用帶有長效蓄能裝置的熱泵和太陽能耦合系統作為冷熱源，末端采用風機盤管加獨立新風熱回收系統、低溫地板輻射系統，風機盤管只在供冷季供冷，且新風不承擔室內熱濕負荷，低溫地板輻射系統只在供暖季供暖。暖通空調系統模型設置如圖2所示，其中圖2（a）為Air Loop模型圖，圖2（b）、（c）分別為Plant Loop-熱水環路、冷水環路模型圖，圖2（d）為Plant Loop-水源側模型圖。氣候參數選擇ASHRAE中的ShenYang^[6]，根據《被動式超低能耗綠色建筑技術導則(試行)(居住建筑)》^[7]（以下簡稱“技術導則”），照明功率密度值取3W/m²，除照明外的建筑內部得熱取2 W/m²，換氣次數取0.4次/h。

表1 圍護結構熱工參數

2 能耗模擬

       2.1 保溫厚度的模擬優化

       “技術導則”中對嚴寒地區近零能耗建筑圍護結構規定外墻、屋面傳熱系數為0.1-0.2W/(m²·K)，本文分別以各圍護結構的保溫厚度為變量進行能耗模擬，在EnergyPlus中統一設定保溫厚度為140-400mm，模擬變量步長為20mm，對應的外墻傳熱系數為0.189-0.079W/(m²·K)，屋面傳熱系數為0.164-0.065W/(m²·K)，保溫厚度設定值以及與其對應的各圍護結構傳熱系數值如表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地位，其次是供冷能耗，保溫厚度在140-400mm范圍內，總能耗都不超過技術導則中規定的65.3GJ，但當外墻保溫厚度小于260mm，即傳熱系數大于0.115W/(m²·K)時，或當屋頂保溫厚度小于220mm，即傳熱系數大于0.112W/(m²·K)時，供熱能耗超出規定值19.6GJ。由此可見，即便外墻和屋頂的傳熱系數符合嚴寒地區近零能耗建筑的設計要求，供熱能耗也可能超出標準，所以在設計階段，不能盲目的只按技術標準取值，這很可能導致能耗超標，能源浪費。

       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，供熱、總能耗減小，且變化趨勢相近并趨于平緩，而供冷能耗雖然增大但沒有明顯的變化，可見外墻保溫厚度對冬季供暖的影響大于夏季供冷，當保溫厚度小于260mm時，供熱能耗都大于19.6GJ超標，當保溫厚度大于320mm時，能耗基本沒有變化。

       圖6可知，屋面保溫厚度不斷增加時，供熱、供冷、總能耗的變化趨勢與圖5相似。當保溫厚度小于220mm時，供熱能耗都大于19.6GJ超標，當保溫厚度大于300mm時，能耗基本沒有變化。所以本文建議嚴寒地區近零能耗居住建筑設計時，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 典型外窗的模擬優化

       技術導則中規定嚴寒地區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寒地區近零能耗建筑外窗，為近零能耗建筑的發展提供有力的數據支持。通過查閱大量案例和網站，再參照《被動式低能耗建筑產品選用目錄》，確定了目前嚴寒地區近零能耗建筑示范項目廣泛應用的，比較受歡迎的五款被動窗，如表3所示。

       其中第一款窗戶雖然生產出來了但并沒有應用，作為對比研究。模擬結果為無論是哪種窗戶，供熱能耗都占主導地位，其次是供冷、照明能耗，傳熱系數在0.6-0.9W/(m²·K)總能耗變化不大，但由表3可知價格相差3000元/m²，在0.9-1.0W/(m²·K)能耗變化最明顯，價格僅相差200元/m² ，1.0-1.1W/m²·K能耗變化不明顯，價格相差100元/m²，綜上所述，傳熱系數為0.9W/m2·K的B品牌PAS125系列外窗節能效果和經濟性雙優。

3 優化方案的確定

       基于前面的結論，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）四個參數，每個參數有三個變量，進行組合研究，如此，將會有81中不同的組合方案待模擬和研究。同時引入全生命周期經濟費用（LCC）研究經濟效益。全生命周期經濟費用主要包括初始費用和運行費用，按式（1）計算：

       LCC=TC_i+TC₀     （1）

       式中：LCC——近零能耗建筑全生命周期經濟費用，元；TC_i——初始費用，元；TC₀——運行費用，元。

       初始費用按式（2）計算：

       

       C_s=C_re+C_h+C_HVAC    （3）

       運行費用按式（4）計算：

       

       式中：C_b——基礎墻體的成本，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——系統的成本，元；C_re——新風系統的成本，元；C_h——熱泵系統的成本，元；C_HVAC——暖通空調系統的成本，元；E——全年運行總能耗，kWh/m²；A——建筑總面積，m²；C_e——電價，元/ kWh；r——貼現率；y_i、z_i——全生命周期內第次更換所在的年限；j——建筑使用壽命的第j年。

       在計算時，建筑壽命設為50年，外墻保溫、屋面保溫和外窗按全生命周期第25年更換一次計算，新風、熱泵、空調按全生命周期第17年和第34年更換兩次計算。其中基礎墻體的成本價為400元/m²，外墻保溫EPS的成本價為289元/m²，屋面保溫XPS的成本價是661元/m²，新風、熱泵、暖通空調系統的初始價格16萬元。貼現率是指將未來支付改變為現值所使用的利率，本文按常用值6%計算?？紤]煤電鏈中電力產生的外部費用計入電價附加值中，由此計算我國煤電鏈中外部成本為0.38元/kWh^[8]，沈陽電價按0.50元/kWh，那么電價為0.88元/kWh。

       全生命周期費用值隨全年運行總能耗的變化如圖9所示，橫坐標是這些方案的全年運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行總能耗和全生命周期費用都相對較低的方案，那么從圖中可以看出，隨著全年運行總能耗的增加，全生命周期費用呈波動性變化，能耗在53.65GJ和54.26GJ區間全生命周期費用波動不明顯，當能耗從54.26GJ增至54.28GJ時，全生命周期費用有明顯的下降，而從54.28GJ到54.89GJ之間全生命周期費用波動不大，但當能耗從54.89GJ增至55.56GJ時，全生命周期費用有一個明顯的升高，所以全年運行總能耗和全生命周期費用雙優的設計方案就落在能耗從54.28GJ到54.89GJ的區間，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，匯總全年運行能耗和全生命周期費用值，如表5所示。從表中可知，這些方案全年運行能耗和全生命周期費用相差都不大，全年運行能耗最大的和最小的兩個方案相差0.61GJ，全生命周期費用最多的和最少的兩個方案相差0.71萬元，所以本文折中取能耗和費用都居中的設計方案，雖然折中的方案應該是第40號，但第58號方案相比第40號方案而言，全年運行能耗能耗和全生命周期費用都較低，所以本文節能效果和經濟效益雙優的方案取第58號方案，即外墻保溫厚度為320mm，屋面保溫厚度為260mm，窗戶為傳熱系數0.9W/(m²·K)的，窗墻比為12.5%。

4 結論

       本文以沈陽建筑大學近零能耗居住建筑為基礎，通過對多性能參數變量的能耗模擬和LCC計算，分別得到嚴寒地區近零能耗居住建筑設計時，各變量的節能參數參考范圍，以及多變量組合方案節能效果最優、經濟效益最優、節能+經濟雙優的參考值。得出如下結論：

       （1）嚴寒地區近零能耗居住建筑設計時外墻的保溫厚度考慮在280-320mm；屋頂的保溫厚度考慮在260-300mm；外窗宜選擇傳熱系數為0.9W/(m²·K)的B品牌PAS125或與之熱工參數相近的外窗。

       （2）嚴寒地區近零能耗居住建筑最節能的圍護結構方案為：外墻保溫厚度為320mm，屋面保溫厚度為300mm，傳熱系數為0.8W/(m²·K)的A品牌P120外窗，窗墻比為12.5%。

       （3）嚴寒地區近零能耗居住建筑經濟效益最優的圍護結構方案為：外墻保溫厚度為280mm，屋面保溫厚度為260mm，傳熱系數為1.0 W/(m²·K)的B品牌78系列外窗，窗墻比為12.5%。

       （4）嚴寒地區近零能耗居住建筑節能效果和經濟效益雙優的圍護結構方案為：外墻保溫厚度為320mm，屋面保溫厚度為260mm，窗戶為傳熱系數0.9W/m²·K的B品牌PAS125，窗墻比為12.5%。

參考文獻

       [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] 《被動式超低能耗綠色建筑技術導則(試行)(居住建筑)》印發[J]. 建設科技,2015,(23):17.
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       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。