《公共建筑節能設計標準》應用中的簡易權衡判斷法(一)

    提  要  本文根據建筑圍護結構節能設計原理，提出了《公共建筑節能設計標準》GB50189應用中的簡易權衡判斷法，可用于玻璃幕墻設計中。


    關鍵詞 公共建筑，節能設計，權衡判斷

    1．前言

    為降低建筑能源消耗，減少能源浪費，國家建設部和國家質量監督檢驗檢疫總局聯合發布了《公共建筑節能設計標準》GB50189，并于2005年7月1日在全國實施。該標準節能目標50%由改善圍護結構熱工性能，提高空調采暖設備和照明設備效率來分擔，其中改善圍護結構熱工性能分擔13~25%。門窗和玻璃幕墻的熱工性能遠低于普通外墻，為達到節能目標，該標準對建筑的窗墻面積比和屋頂透明部分的面積有明確的規定：建筑每個朝向窗（包括透明幕墻）墻面積比均不應大于0.7；屋頂透明部分的面積不應大于屋頂總面積的20%；當不滿足這兩項條文規定時，必須進行權衡判斷。上述這些條文為強制性條文，必須嚴格遵守。


    權衡判斷是一種性能化設計方法，具體做法是先構想出一棟虛擬建筑，稱之為參考建筑，然后分別計算參考建筑和實際設計建筑的全年采暖和空調能耗，并依據這兩個能耗的比較結果做出判斷。當實際設計建筑能耗大于參考建筑能耗時，調整部分設計參數，例如提高窗戶和玻璃幕墻的保溫隔熱性能、縮小窗戶和玻璃幕墻的面積，甚至是調整整個建筑圍護結構的保溫隔熱性能，重新計算所設計建筑的能耗，直至設計建筑的能耗不大于參考建筑的能耗為止。圍護結構熱工性能的權衡計算很復雜，一般要采用動態軟件進行計算，不易實現。本文提出的簡易權衡判斷法可省去權衡計算的復雜過程，調整前后節能機理簡單、明確，計算方法簡便，可用于工程實踐中。


    2．簡易權衡判斷　　圍護結構的外窗、透明幕墻和屋頂透明部分的熱工性能一般用傳熱系數K和遮陽系數SC表征，外墻、非透明幕墻和屋頂非透明部分的熱工性能僅用傳熱系數K表征。設建筑物某朝向的總面積為S，透明部分（包括外窗和透明幕墻）面積為S₁，透明部分的傳熱系數和遮陽系數分別為K₁和SC₁，非透明部分（包括外墻和非透明幕墻）面積為S₂，非透明部分的傳熱系數為K₂，S=S₁+S₂，室內外溫差為ΔT，太陽輻射照度為I，則通過該朝向由室外傳入室內的熱量Q₁為：

　　Q₁=0.889×SC₁×S₁×I+ΔT×K₁×S₁+ΔT×K₂×S₂ （1）

　　將透明部分的面積加大至S₃，透明部分的傳熱系數和遮陽系數分別調整為SC₂和K₃，則非透明部分的面積縮小至S₄，非透明部分的傳熱系數仍為K₂，S=S₃+S₄，室內外溫差和太陽輻射照度不變，則通過該朝向由室外傳入室內的熱量Q₂為:

　　Q₂=0.889×SC₂×S₃×I+ΔT×K₃×S₃+ΔT×K₂×S₄ （2）
　　令0.889×SC₁×S₁×I=0.889×SC₂×S₃×I （3）
　　有SC₁×S₁=SC₂×S₃ （4）
　　用S除（4）式兩邊，得
　　SC₁×S₁/S=SC₂×S₃/S （5）
　　則S₁/S和S₃/S分別為兩種情況的窗墻面積比，設其分別為e₁和e₂，由（5）式得，
　　SC₂=SC₁×e₁/e₂ （6）

　　在《公共建筑節能設計標準》GB50189中，對于寒冷地區、夏熱冬冷地區和夏熱冬暖地區，當窗墻面積比e₁=0.7時，對于不同朝向，遮陽系數都有限值要求，令SC₁取限值，記為SC₁*，當窗墻面積比e₂＞0.7時，只要透明部分的遮陽系數按（6）式取值，則可保證太陽光透過透明部分射向室內的熱量與窗墻面積比為0.7，遮陽系數取限值的透明部分傳遞的太陽能嚴格相同，與太陽輻射照度無關，即在任何地區、任何季節、任何時候，兩者都成立，即
　　0.889×SC₂×S₃×I=0.889×SC₁*×S₃×I×e₁/e₂=0.889×SC₁*×S₃×I×S₁/S×S/S₃=0.889×SC₁*×S₁×I
　　同理，令
　　ΔT×K₁×S₁=ΔT×K₃×S₃ （7）有
　　K₁×S₁=K₃×S₃ （8）
　　用S除（8）式兩邊，得
　　K₁×S₁/S=K₃×S₃/S （9）
　　則S₁/S和S₃/S分別為兩種情況的窗墻面積比，設其分別為e₁和e₂，由（9）式得，
　　K₃=K₁×e₁/e₂ (10)

　　在《公共建筑節能設計標準》GB50189中，對于不同地區，當窗墻面積比e₁=0.7時，傳熱系數都有限值要求，令K₁取限值，記為K₁*，當窗墻面積比e₂＞0.7時，只要透明部分的傳熱系數按（10）式取值，則可保證通過透明部分傳遞的環境熱量與窗墻面積比為0.7，傳熱系數取限值的透明部分傳遞的環境熱量嚴格相同，與室內外溫差無關，即在任何地區、任何季節、任何時候，兩者都成立，即
　　ΔT×K₃×S₃=ΔT×K₁*×S₃×e₁/e₂=ΔT×K₁*×S₃×S₁/S×S/S₃=ΔT×K₁*×S₁
　　對于非透明部分，由于窗墻面積比大于0.7時的面積S₄小于窗墻面積比為0.7時的S₂，所以有
　　ΔT×K₂×S₄＜ΔT×K₂×S₂

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