公共建筑围护结构与空调能耗的关系

１．屋面冷负荷；２．西墙冷负荷； ３．东墙冷负荷；４．南墙冷负荷；
５．北墙冷负荷；６．总冷负荷
图１ 单位面积外墙与屋面 逐时空调冷负荷
１．基础建筑；２．节能建筑
图２ 节能建筑与非基础 建筑外墙和屋面空调冷
负荷比较
１．１．１．２ 外窗引起的冷负荷 （１）外窗瞬变传热引起的冷负荷 在室内外温差作用下，通过外玻璃窗瞬变传热
（木 子）
建筑
表３ 外围护结构的空调热负荷（Ｗ／ｍ２）
外围护 结构
ＥＳ Ｓ ＷＳ Ｅ
Ｗ ＷＮ Ｎ ＥＮ 屋面
基础 外墙
节能
基础 外窗
节能
５９．０ ２９．５ １８８．８ ７５．６
５４．０
３６．５
２７．０
１７．０
１７２．８
－
８２．６
－
１．基础建筑；２．节能建筑 图６ 基础与节能围护结构冷负荷比较
表４ 单位建筑面积空调热负荷（Ｗ／ｍ２）
Ｑ２（τ）引起的冷负荷为： Ｑ２（τ）＝Ｆ２·Ｋ·２ （ｔｃ＇ － ｔｎ） 式中，Ｆ２为窗口面积（ｍ２）；Ｋ２为外窗的传热系数
［Ｗ（／ ｍ２·℃）］；ｔｃ＇ 为外窗冷负荷计算温度逐时值（℃）；ｔｎ 为室内设计温度（℃）。Ｋ２值要根据窗框等情况不同进 行修正。
（２）透过玻璃窗的日射得热引起冷负荷的计算方法 透过玻璃窗的日射得热分为两部分，一部分是透
据专家研究，我国大型公共建筑单位建筑面积能 计算空调冷负荷。
耗大约是普通居住建筑的１０倍左右。武汉市的商业和 １．１．１ 围护结构引起的空调冷负荷
居民电力消费量已占全市电力消费量的２２．４％。公共
影响围护结构冷负荷的因素主要有室外气象参
建筑体量大、类型多、结构复杂、涉及面广，而且能耗 数（太阳辐射强度、室外空气温度、湿度、风速等）。
２０：００
１０．２
１０：００
空调房间的冷负荷包括建筑围护结构传入室内
Ｓ
２２．０
２２：００
６．７
１２：００
热量（太阳辐射进入的热量和室内外温差经围护结构
ＳＷ
Ｗ
传入的热量）形成的冷负荷、人体散热形成的冷负荷、
ＮＷ
灯光照明散热形成的冷负荷、以及计算机等设备形成
Ｎ
的冷负荷。冷负荷计算方法较多，主要有谐波分解法、
ＥＮ
２９．２
２３：００
１０．１
１３：００
３２．２
０：００
１２．３
１３：００
２６．８
０：００
１１．７
１３：００
１８．０
０：００
９．０
１１：００
２３．７
２０：００
１１．７
９：００
当量温差法和冷负荷系数法。目前，在我国暖通空调
屋面
４８．４
１７：００
０．９
７：００
工程中，常用冷负荷系数法。本文采用冷负荷系数法
外围护 建筑 新风负荷
结构
室内热源
内围护 总热负荷
结构
基础 建筑
节能 建筑
４４．０ ４０．１１％
４４．０ ６３．２５％
７３．５ ６６．９６％
３３．４ ４７．９１％
－ ９．９ － ８．９９％
－ ９．９ － １４．１８％
２．１ １．９２％
２．１ ３．０２％
１０９．８ １００．００％
６９．６ １００．００％
Ｑ＝ＦＫ（ｔｎ－ ｔｗ）# 式中，Ｑ为基本耗热量（Ｗ）；Ｆ为围护结构的表面积 （ｍ２）；Ｋ为围护结构的传热系数 ［Ｗ（／ ｍ２·℃）］；ｔｎ为冬季 室内计算温度（℃）；ｔｗ为冬季室外空气计算温度（℃）； #为围护结构的温差修正系数（℃）。围护结构的附加
耗热量主要是朝向修正率、风力附加、外门附加和高
度附加。武汉市的日照率为２６％，小于３５％，因此，只需
体材料，不仅加强了保温隔热性能，提高了建筑的整
该项目于２００１年７月经审批列入建设部“国家康
体节能效果，同时也减轻了荷载，减少了钢筋的用 居示范工程”，２００５年又列为建设部科技示范项目。
量，达到了节材目的。
“四节”址不占用耕地；利用山地地 了一套完整的产业系统。
建筑节能
公共建筑围护结构与空调能耗的关系
李玉云１ 李汉章２ 童明德２ 周维楚２
（１ ． 武汉科技大学，武汉 ４ ３ ０ ０ ０ ０ ；２ ． 武汉市建筑节能办，武汉 ４ ３ ０ ０ １ ５ ）
［摘 要］ 依据《公共建筑节能设计标准》，通过对典型办公建筑的空调负荷计算，得出采用节能 材料，围护结构的节能率至少可以达到１８．８％。该项目为２００４年武汉市建委建设科技项目。 ［关键词］ 建筑材料；空调能耗；公共建筑
大，节能潜力巨大。我国《公共建筑节能设计标准》中 １．１．１．１ 外墙和屋面瞬变传热引起的冷负荷
提出节能５０％的目标。其中，由北到南，围护结构分担
在日射和室外气温综合作用下，外墙和屋面瞬变
节能率约２５％～１３％，空调采暖系统节能率约２０％～ 传热引起的冷负荷为：
１６％，照明设备分担节能率约７％￣１８％。本文依据《公 共建筑节能设计标准》的各项指标，重点讨论建筑材 料（围护结构）与空调能耗的关系。
过玻璃窗直接进入室内的太阳辐射热和窗玻璃吸收 太阳辐射后传入室内的热量。其计算式为：
Ｑ３（τ）＝Ｃａ Ｆ３ ＣＳ ＤｊｍａｘＣＬＱ
１．东窗；２．西窗；３．南窗；４．北窗；５．总冷负荷 图３ 基础建筑的外窗空调冷负荷
①降低玻璃或透明材料的遮阳系数，可以减少进 入室内的太阳辐射得热，降低建筑空调能耗，但玻璃 或透明材料的遮阳系数过低，同样也会降低玻璃或透 明材料的可见光透射率。
要修正东南、西南和南向的修正率。
１．总冷负荷；２．日射得热冷负荷；３．瞬变传热冷负荷
单位外墙（或外窗）外围护结构的空调热负荷见
图５ 基础外窗与节能外窗冷负荷比较
１．１．１．３ 外围护结构空调冷负荷 外围护结构空调逐时冷负荷见图６。从图６中可
以看出，变化趋势由外窗决定，最大值发生在１６：００， 采用节能材料减少了外围护结构空调冷负荷４４．４％ ～５５．４％。
射５０％以上，节省能源２０％以上。
围护结构引起的围护结构耗热量包括基本耗热
④透明玻璃幕墙的空调能耗比外墙空调能耗增 加８５．０％以上。
图５为基础建筑外窗与节能建筑外窗的空调冷负 荷比较。采用节能玻璃减少了１５．１％～６７．５％的外窗空 调冷负荷。
量和附加耗热量两部分。基本耗热量的基本热量计算 公式为：
节水成套技术包括中水人工循环利用系统、地表水
面、外窗和入户门采用保温隔热措施，还对地面、楼 半自然循环利用系统和地下水自然循环利用系统，还采
梯间墙和分户隔墙进行保温处理的“单户封闭保温 用节水器具，形成了资源循环利用的生态水环境。
体系”；采用具有采暖蓄能效率高和散热均匀等特点
节材成套技术突出反映在一次性装修到位的产
②从空调能耗的角度考虑，希望尽可能降低太阳 辐射透过玻璃或透明材料进入室内，即希望遮阳系数 小；从照明的角度，希望提高可见光的透射率。但如果 单一追求节约照明能耗而尽可能地利用自然采光，也 会增加空调能耗。根据香港理工大学的有关研究，在 商厦中厅充分利用自然光，照明节能量可达６６％，但所 节约的能量却不足以补偿空调所增加的能量［３］。如果 光透射比过小，在日照率低的地区，所增加的室内照 明用电能耗将超过节约的采暖制冷能耗。所以要同时
·４４· ２００５年 ９ 期
建筑节能
１．１．２ 室内热源与新风冷负荷 依据《公共建筑节能设计标准》所推荐的人体、新
风、照明与设备发热量指标，可以计算出办公室各项 冷负荷指标，见表２。
表 ２ 单位建筑面积空调冷负荷（Ｗ／㎡）
室内 外围护 内围护 总冷 建筑 新风 人体 照明
设备 结构 结构 负荷
１．总冷负荷；２．日射得热冷负荷；３．瞬变传热冷负荷 图４ 日射得热与瞬变传热冷负荷比较
的低温辐射地板采暖体系；包括热源系统、传输系 业化装修上，采用工厂生产、现场装配的装修方式，实
统、受热本体于一体的供暖节能体系，节能率达到 现了规模化生产、标准化配套。
６８．４４％。此外“大有恬园”的住宅结构体系采用异型
环境保护成套技术包括小区污水零排放，实现生
框架体系，围护结构和内隔断结构全部应用新型墙 态式水循环，加强绿化等措施。
供应的冷量称为冷负荷；相反，为了补偿房间失热量 需向房间供应的热量称为热负荷；为维持房间相对湿 度恒定需从房间除去的湿量称为湿负荷。下面以一典 型建筑讨论围护结构与空调负荷［１，２］的关系。
Ａ楼是一座办公大楼，高１３４ｍ，地上３３层，地下２ 层。建筑面积为２６８２２㎡（不含地下室），空调面积为 ２０７４７．７㎡，窗墙比为０．４８，体形系数为０．１１６。
图３为基础建筑的单位外窗空调冷负荷。从图３中 可以看出，东窗的最大值为２１１．７Ｗ／ｍ２，发生在８：００；西 窗的最大值为２４７．８Ｗ／ｍ２，发生在１６：００。外窗空调冷负 荷由大到小的变化趋势为Ｗ＞ＮＷ＞ＳＷ＞Ｅ＞ＮＥ＞ＳＥ＞Ｓ＞ Ｎ。如果没有遮阳，东与西向（或南与北）的日射得热空 调冷负荷相同；当有内遮阳时，则西向（或南）的空调 冷负荷大于东向（或北）的空调冷负荷。图４为基础建 筑日射得热空调冷负荷与瞬变传热空调冷负荷的比 较。从图４中可以看出，外窗最大日射得热冷负荷大于 外窗瞬变传热空调冷负荷。因此，评价玻璃的隔热性 能应该有两个指标，即传热系数与玻璃的遮阳系数。 但要注意以下几点：
总
２５．２
２１：００
１１．１
１０：００
２００５年 ９ 期 ·４３·
建筑节能
结果。从表１中可以看出，各朝向最大值出现的时刻不 同，１７：００￣０：００点；最小值出现早上至中午。因此，空调 区域的最大冷负荷不是各项最大值的简单叠加，而是 取逐时冷负荷的综合最大值。图１为单位面积外墙与屋 面的逐时空调冷负荷。从图１中可以看出，空调冷负荷 成正弦规律变化。最大值与最小值均发生在屋面（水平 面）。图２为节能建筑（外墙，屋面）与非基础建筑的外墙 和屋面的逐时冷负荷。从图２中可以看出，由于采用了 节能材料，虽然空调冷负荷仍然呈正弦规律变化，但冷 负荷值不仅减小了，而且最大值出现的时间也变了，最 大值为１０．９Ｗ／ｍ２，出现在２３：００，减少了２６．０％～６３．１％的 外墙冷负荷。