247廣州地區(qū)建筑遮陽與夜間通風(fēng)系統(tǒng)模擬分析與經(jīng)濟性評價

1、第18頁廣州地區(qū)建筑遮遮陽與夜間通通風(fēng)系統(tǒng)模擬分析與經(jīng)濟濟性評價清華大學(xué)建筑技技術(shù)科學(xué)系 王旭輝 高巖 吳彥彥廷 秦蓉 吳如宏 燕燕達(dá)摘要 針對一一棟位于廣州州的典型商業(yè)業(yè)建筑模型，用用能耗模擬軟軟件DeSTT對其遮陽系系統(tǒng)與夜間通通風(fēng)系統(tǒng)的不不同配備情況況與運行模式式進行模擬分分析，從節(jié)能能性及經(jīng)濟性性方面分析比比較10種方方案。結(jié)果表表明：遮陽和和夜間通風(fēng)能能有效減小建建筑負(fù)荷，減減少空調(diào)系統(tǒng)統(tǒng)初投資和運運行費；在110種方案中中，綜合應(yīng)用用帶控制的內(nèi)內(nèi)遮陽和夜間間通風(fēng)的方案案具有最佳經(jīng)經(jīng)濟性。關(guān)鍵詞 遮陽陽 夜間通通風(fēng) 經(jīng)濟濟性1 引言隨著我國經(jīng)濟的的飛速發(fā)展和和人們對建筑筑環(huán)境要求的的

2、不斷提高，用用于實現(xiàn)建筑筑室內(nèi)環(huán)境調(diào)調(diào)控的空調(diào)能能耗不斷提高高，降低空調(diào)調(diào)能耗、實現(xiàn)現(xiàn)健康可持續(xù)續(xù)的發(fā)展，成成為了建筑物物與空調(diào)系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計中亟待待解決的重要要問題。與窗戶結(jié)合的遮遮陽系統(tǒng)可以以有效的減少少進入室內(nèi)的的太陽輻射得得熱量，降低低空調(diào)能耗；而夜間通風(fēng)風(fēng)能夠有效利利用夜間室外外冷量，通過過建筑物蓄冷冷降低白天空空調(diào)負(fù)荷峰值值。如能針對對以上兩者采用用適當(dāng)?shù)目刂浦品桨?，它們都都是非常有效的的?jié)能措施，將能在降低空調(diào)能耗方面發(fā)揮巨大功效。為考察遮陽系統(tǒng)統(tǒng)與夜間通風(fēng)風(fēng)的不同運行行模式對建筑筑能耗的影響響，本文將利用計計算機模擬分分析工具，針針對采用了法國尚尚飛（SOMFY）公司司的遮陽控制系

3、系統(tǒng)和夜間通風(fēng)窗窗控制系統(tǒng)的的廣州地區(qū)典典型商用建筑筑，從節(jié)能性性及經(jīng)濟性方方面分析比較較不同的遮陽陽與夜間通風(fēng)風(fēng)方案，以提提出節(jié)能而經(jīng)經(jīng)濟的運行方方案。2 模擬方案利用模擬軟件對對建筑進行動動態(tài)模擬，能能夠準(zhǔn)確地再再現(xiàn)建筑物復(fù)復(fù)雜的熱過程程，對輔助建筑設(shè)計計具有重要的的意義。本文文應(yīng)用的模擬擬軟件為清華華大學(xué)建筑技技術(shù)科學(xué)系開開發(fā)的DeSST軟件11，該軟件支持持各種建筑物物與環(huán)境控制制系統(tǒng)的動態(tài)態(tài)模擬分析，其計算準(zhǔn)確性已得到全面驗證2。為更好地考察建建筑遮陽與夜夜間通風(fēng)的不不同方案的節(jié)節(jié)能效果和經(jīng)經(jīng)濟性，本文文選擇廣州作作為建筑所在在地，采用廣廣州典型氣象象年逐時數(shù)據(jù)據(jù)3對一典型商用用建筑

4、模型進進行模擬。針針對不同遮陽陽方式、夜間間通風(fēng)方式，本本文設(shè)計了110種典型組組合方案進行行模擬分析。2.1 建筑模模型本文采用的建筑筑模型是一棟棟位于廣州的的典型商業(yè)建建筑，其立體體圖和平面圖圖如圖1、22所示，該建建筑長40mm，寬35m，南北北朝向，共有有8層，總建建筑面積111200m2。整個建筑筑包括電梯間、走走廊、衛(wèi)生間間等構(gòu)成的建建筑核心筒區(qū)區(qū)域以及周邊邊辦公室區(qū)域域，建筑中的的每個房間都都可以設(shè)置遮遮陽控制裝置置和夜間通風(fēng)風(fēng)控制裝置。圖1 建筑模型型三維立體圖圖圖2 建筑模型型平面圖建筑的圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)參數(shù)見表11和表2：表1 建筑墻墻體、屋面和和樓板參數(shù)圍護結(jié)構(gòu)名稱圍護結(jié)構(gòu)材料

5、傳熱系數(shù)W/(m2 K)外墻24磚墻+聚苯苯板內(nèi)保溫0.564內(nèi)墻陶?；炷了嗌皾{1.515屋面加氣混凝土保溫溫屋面0.812樓板鋼筋混凝土樓板板3.055表2 建筑筑外窗參數(shù)外窗結(jié)構(gòu)6mm玻璃+99mm空氣層層+6mm玻璃中空雙層玻璃窗窗傳熱系數(shù) W/(m2 K)3.1遮陽系數(shù)SC0.67太陽得熱系數(shù)SSHGC0.583建筑室內(nèi)設(shè)計參參數(shù)如表3：表3 建筑筑室內(nèi)設(shè)計參參數(shù)房間類型夏季冬季溫度（）相對濕度（%）溫度（）相對濕度（%）辦公室242660202250空房間182660182635走廊2028652028552.2 遮陽與與夜間通風(fēng)方方案本文所模擬的110種遮陽與與夜間通風(fēng)組組合

6、方案如表表4所示：表4 遮陽與與夜間通風(fēng)的的10種組合合方案方案遮陽裝置外遮陽百葉角度度內(nèi)遮陽卷簾夜間通風(fēng)冬季遮陽率夏季遮陽率方案1無方案2外遮陽百葉90方案3外遮陽百葉45方案4內(nèi)遮陽卷簾0100無方案5內(nèi)遮陽卷簾050無方案6內(nèi)遮陽卷簾0100固定換氣次數(shù)：2次/小時時方案7內(nèi)遮陽卷簾0遮陽控制系統(tǒng)，控控制室內(nèi)自然然采光照度到到300Lxx無方案8內(nèi)遮陽卷簾0遮陽控制系統(tǒng)，控控制室內(nèi)自然然采光照度到到300Lxx固定換氣次數(shù)：2次/小時時方案9內(nèi)遮陽卷簾0遮陽控制系統(tǒng)，控控制室內(nèi)自然然采光照度到到300Lxx (房間無無人且空調(diào)系系統(tǒng)未關(guān)閉時時：100%)無方案10內(nèi)遮陽卷簾0遮陽控制系統(tǒng)

7、，控控制室內(nèi)自然然采光照度到到300Lxx (房間無無人且空調(diào)系系統(tǒng)未關(guān)閉時時：100%)固定換氣次數(shù)：2次/小時時注：遮陽率指遮遮陽裝置的使使用比率，1100%表示示全部使用。外遮陽百葉角度指百葉與水平面的夾角。各方案間的比較較關(guān)系如圖33所示，具體體解釋如下：方案1沒有采取取遮陽及通風(fēng)風(fēng)措施，作為為與其它方案案比較的基準(zhǔn)準(zhǔn)案例；方案2和方案33分別代表配配備不同角度度的外遮陽百葉但沒沒有控制系統(tǒng)統(tǒng)的情況，用用于體現(xiàn)采用用外遮陽措施施的效果；方案4和方案55分別代表配配備不同遮陽陽率的內(nèi)遮陽陽卷簾但沒有控控制系統(tǒng)的情情況，用于體體現(xiàn)采用內(nèi)遮遮陽措施的效效果；方案6是在方案案4的基礎(chǔ)上上增加了

8、通風(fēng)風(fēng)窗控制系統(tǒng)統(tǒng)；方案7用于模擬擬設(shè)有遮陽控控制系統(tǒng)，通通過控制室內(nèi)內(nèi)自然采光照照度到3000Lx，自動動調(diào)整室內(nèi)遮遮陽裝置的開開啟率的工況況；方案8是在方案案7的基礎(chǔ)上上再增加通風(fēng)風(fēng)窗控制系統(tǒng)統(tǒng)；方案9用于模擬擬遮陽控制系系統(tǒng)與房間內(nèi)內(nèi)部監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)的聯(lián)動控制制的工作模式式（當(dāng)房間內(nèi)內(nèi)部監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)監(jiān)測到房間間無人并且空空調(diào)系統(tǒng)沒有有關(guān)閉時，為為了實現(xiàn)節(jié)能能控制模式，并并維持室內(nèi)溫溫度處于一定定的舒適范圍圍，故將室內(nèi)內(nèi)空調(diào)設(shè)定溫溫度提高2，例如有人人時的工作時時間空調(diào)設(shè)定定溫度為266，而無人時時為28）；方案10是在方方案9的基礎(chǔ)礎(chǔ)上增加通風(fēng)風(fēng)窗控制系統(tǒng)統(tǒng)。圖3 十種方方案之間的比比較關(guān)系3

9、 模擬結(jié)果分分析3.1 建筑負(fù)負(fù)荷比較考察以上10種種方案對建筑筑負(fù)荷的影響響，各方案的的全年累計耗耗冷耗熱量如圖4，冷熱負(fù)荷荷峰值如圖55：圖4 各方案建建筑全年累計計耗冷耗熱量量比較圖5 各方案建建筑全年冷熱熱負(fù)荷峰值比比較由圖4和圖5可可見，在廣州州冷負(fù)荷遠(yuǎn)大大于熱負(fù)荷，因因此冷負(fù)荷是是影響全年能能耗的主要因因素。遮陽設(shè)設(shè)備對于尖峰峰負(fù)荷的影響響比較明顯，各各種設(shè)置了遮遮陽的方案的的最大冷負(fù)荷荷均比沒有設(shè)設(shè)置遮陽的方方案1低；從方案55、7、9的的比較可見，遮遮陽時間越長長（975），全年年累計冷負(fù)荷荷以及冷負(fù)荷荷的峰值就越越小，其中遮遮陽時間最長長的方案9比比起無遮陽的的方案1全年年累

10、計耗冷量量降低了122。對于夜間通風(fēng)的的效果，分別別比較方案44和6、7和8、9和10，每一組組都采用了相相同的遮陽形形式和控制策策略，而后者者均加入了夜夜間通風(fēng)?？梢钥吹郊蛹尤胍归g通風(fēng)風(fēng)之后，全年年累計耗冷量量分別降低了了6.7、22.1和22.0，可可見在廣州由由于晝夜溫差差較小，夜間通風(fēng)的的效果并不十十分明顯。3.2 照度比比較考察不同的遮陽陽控制方式下下室內(nèi)照度情情況。以方案案5和方案77為例，兩者者全年累計能能耗以及冷負(fù)負(fù)荷峰值相差差不多，方案案5的遮陽使使用率保持550不變，而而方案7則根根據(jù)室內(nèi)照度度來調(diào)控遮陽陽設(shè)備。圖66和圖7分別是方案案5和方案77在6月299日及9月2日，

11、西南向房房間的逐時室室內(nèi)自然采光光照度。圖6 6月229日兩方案案室內(nèi)逐時照照度比較圖7 9月22日兩方案室室內(nèi)逐時照度度比較通過以上兩圖的的比較可見，方方案5由于不不對遮陽設(shè)備備進行控制，室室內(nèi)照度隨時時間變化較大大，而且在很很多時刻低于于300Lxx，為維持室內(nèi)照照度，可能導(dǎo)導(dǎo)致照明電耗耗增加；而方案案7則能夠充充分利用自然然光滿足室內(nèi)內(nèi)照度需求，維維持較為穩(wěn)定定的室內(nèi)照度度環(huán)境，從而而減小照明用電消耗?？梢姡捎煤线m適的遮陽控制制方案，有利利于改善室內(nèi)內(nèi)照度環(huán)境和和減小照明電電耗。3.3 經(jīng)濟性性分析要考察某一節(jié)能能措施的經(jīng)濟濟性，必須在在初投資和運運行費用的計計算上將該措措施所帶來的的

12、影響全部考考慮進去，不不論是遮陽還還是夜間通風(fēng)風(fēng)，由于改變變了建筑負(fù)荷荷，勢必會對對整個空調(diào)系系統(tǒng)的選型和和運行帶來影影響，從而改改變暖通空調(diào)調(diào)系統(tǒng)的初投投資和運行費費用，因此下下文進行遮陽陽和夜間通風(fēng)風(fēng)的經(jīng)濟性分分析時，初投投資和運行費費用的計算都都將涵蓋整個個暖通空調(diào)系系統(tǒng)。初投資的計算除除了包括暖通通空調(diào)系統(tǒng)主主要設(shè)備、材材料的購置費費，暖通空調(diào)系系統(tǒng)施工的人人工費、機械械費、材料費費等，還需要要按照北京京市建設(shè)工程程概算定額4的要求，計算系統(tǒng)工程的其它直接費、施工臨時設(shè)施費、現(xiàn)場經(jīng)費、企業(yè)管理費、利潤、稅金等。本文的暖通空調(diào)系統(tǒng)初投資按下面的公式，根據(jù)實際產(chǎn)品價格計算：暖通空調(diào)系統(tǒng)總總

13、投資=直接接費其它直直接費臨時時設(shè)施費現(xiàn)現(xiàn)場管理費企業(yè)管理費費利潤稅稅金。3.3.1 經(jīng)經(jīng)濟性分析參參數(shù)的設(shè)定由于本文涉及的的內(nèi)容只是對對一假設(shè)的建建筑分析其遮遮陽設(shè)備的經(jīng)經(jīng)濟性，建筑筑所采用何種種空調(diào)系統(tǒng)等等信息無法確確定，所以，在在計算空調(diào)運運行費用時假假設(shè)采用常規(guī)電制制冷的方式，假定冷機綜合COP為3.0，根據(jù)計算的耗冷量對冷機電耗進行折算，電價按照商業(yè)用電的綜合電價計入；假設(shè)采暖采用燃?xì)忮仩t，采暖運行費用的計算采用將熱負(fù)荷折算到標(biāo)準(zhǔn)燃?xì)饬康姆椒?，燃?xì)鈨r格按照市政燃?xì)馐召M標(biāo)準(zhǔn)計入。詳細(xì)經(jīng)濟性參數(shù)設(shè)定如表5：表5 與暖暖通空調(diào)系統(tǒng)統(tǒng)運行費相關(guān)關(guān)的經(jīng)濟性參參數(shù)空調(diào)系統(tǒng)綜合CCOP電價 (￥/

14、kWh)熱值(kcal/NNm3)燃?xì)忮仩t效率燃?xì)鈨r格 (￥/Nm33)3.00.883740.842.0根據(jù)SOMFYY公司提供的的資料5，遮陽設(shè)備備的經(jīng)濟性參參數(shù)如表6：表6 SOMMFY遮陽設(shè)設(shè)備的經(jīng)濟性性參數(shù)外遮陽百葉內(nèi)遮陽卷簾自控窗通風(fēng)自控系統(tǒng)（包括人工費）單位元/平米窗面積積元/平米窗面積積元元/套價格1, 5004002, 000272, 5000注：電動窗的大大小、開啟方方式變化較大大，每個開窗窗機能控制的的開窗面積很很難確定，本本文采用的方案案是每個房間間設(shè)置兩個電電動開窗機；外遮陽百葉葉和內(nèi)遮陽卷卷簾的初投資資按照建筑四四個立面均遮遮陽計算（窗窗面積36772m2）。3.3

15、.2 各各方案的初投投資和運行費費用按照上述方法和和參數(shù)計算各各種方案的初初投資和運行行費如表7：表7各方案案初投資和運運行費采暖能耗 (kkWh/年)空調(diào)能耗 (kkWh/年)照明運行費(萬萬元/年)空調(diào)系統(tǒng)運行費費(萬元/年)遮陽設(shè)備初投資資(萬元)空調(diào)系統(tǒng)初投資資(萬元)空調(diào)系統(tǒng)和照明明總運行費(萬元/年)遮陽設(shè)備和空調(diào)調(diào)系統(tǒng)總初投投資(萬元)方案1125992308826622.553.10285.675.6285.6方案2236021687633331.739.1367.2273.870.8641.0方案3140832108448827.748.5367.2312.676.2679.

16、8方案4126101984776629.845.7128.5226.475.5354.9方案5126012145962226.149.4128.5259.275.5387.7方案6126471852064429.842.6147.7227.472.4375.1方案7125992073663322.547.7153.5239.870.2393.3方案8126142030127722.546.7172.7240.869.2413.5方案9126002034773319.746.8153.5237.366.5390.9方案10126171993295519.745.9172.7238.465.641

17、1.13.3.3 外外遮陽百葉的的經(jīng)濟性方案2和3使用用了外遮陽百百葉，比較它它們與方案11的初投資和和運行費，并并計算投資回回收期，如表表8：表8 外遮陽陽百葉的經(jīng)濟濟性分析方案照明運行費(萬萬元/年)空調(diào)系統(tǒng)運行費費(萬元/年)遮陽設(shè)備和空調(diào)調(diào)系統(tǒng)總初投投資(萬元)投資回收期（年年）方案122.553.1285.6-方案2（與方案1比較較）31.7(+99.2)39.1(-114)641.0 (+355.4)74方案3（與方案1比較較）27.7(+55.2)48.5 (-4.6)679.8 (+394.2)n/a n/a表示該方案運行費大于或等于被比較的基準(zhǔn)方案，投資回收期為無限大，下同在

18、安裝了外遮陽陽百葉（無控控制裝置）的的情況下，相相對于方案11，空調(diào)、采采暖費用有所所降低，但照照明電耗卻有有所增加。但但比較突出的的是，由于外外遮陽百葉的的初投資過大大，甚至大大大超過空調(diào)系系統(tǒng)的初投資資，從而造成成采用外遮陽陽百葉的方案案從經(jīng)濟性上上來講是不合合理的。3.3.4 內(nèi)內(nèi)遮陽卷簾（無無自控）的經(jīng)經(jīng)濟性方案4和5使用用了不帶自控控的內(nèi)遮陽卷卷簾，比較它它們與方案11的初投資和和運行費，并并計算投資回回收期，如表表9：表9 內(nèi)遮陽陽卷簾的經(jīng)濟濟性分析方案照明運行費(萬萬元/年)空調(diào)系統(tǒng)運行費費(萬元/年)遮陽設(shè)備和空調(diào)調(diào)系統(tǒng)總初投投資(萬元)投資回收期（年年）方案122.553.1

19、285.6-方案4（與方案1比較較）29.8(+77.3)45.7(-77.4)354.9(+69.3)n/a方案5（與方案1比較較）26.1(+33.6)49.4(-33.7)387.7(+102.11)n/a相對于無任何遮遮陽措施的方方案，在加設(shè)設(shè)了內(nèi)遮陽卷卷簾后，室內(nèi)內(nèi)光環(huán)境得到到改善，但卷卷簾的初投資資較高，并且且在沒有室內(nèi)內(nèi)照度控制的的條件下，始始終處于固定定位置內(nèi)遮陽陽卷簾會帶來來照明電耗的的增高。因此雖然其其帶來部分空空調(diào)運行費用用的減少，但但總運行費與與無任何遮陽陽措施的方案案幾乎相等，其總體經(jīng)濟性較差。3.3.5 遮遮陽控制系統(tǒng)統(tǒng)的經(jīng)濟性根據(jù)前文分析，雖然由于初投資過高而經(jīng)濟

20、性不佳，但遮陽設(shè)備所帶來的光環(huán)境的改善以及給使用者帶來的舒適性，使其成為一種必要。下面分析在采用了遮陽設(shè)備（內(nèi)遮陽卷簾）以后配備遮陽控制系統(tǒng)的經(jīng)濟性。方案7和9均采采用了帶自控控的內(nèi)遮陽卷卷簾，比較它它們與不帶自自控的方案44的初投資和和運行費，并并計算投資回回收期，如表表10：表10 遮陽自自控系統(tǒng)的經(jīng)經(jīng)濟性分析方案照明運行費(萬萬元/年)空調(diào)系統(tǒng)運行費費(萬元/年)遮陽設(shè)備和空調(diào)調(diào)系統(tǒng)總初投投資(萬元)投資回收期（年年）方案429.845.7354.9-方案7（與方案4比較較）22.5(-77.3)47.7(+22)393.3(+38.4)7方案9（與方案4比較較）19.7(-110.1)

21、46.8(+11.1)390.9(+35.9)4在不考慮內(nèi)遮陽陽卷簾的初投投資影響后，具具有遮陽控制制裝置的遮陽陽系統(tǒng)雖然在在空調(diào)、采暖暖費用上相對對于方案4有有所增加，但但照明電耗都都有所降低，其其結(jié)果是包括括照明及空調(diào)調(diào)、采暖運行行費用的整體體運行費用降降低。遮陽控控制系統(tǒng)具有有良好的靜態(tài)態(tài)回收期。這這表明，如果果建筑方案決決定采納遮陽陽卷簾的遮陽陽形式后，使使用遮陽控制制系統(tǒng)對遮陽陽系統(tǒng)的經(jīng)濟濟性是有利的的。3.3.6通風(fēng)風(fēng)窗的經(jīng)濟性性方案7和8、方方案9和100分別為是否否采用夜間通通風(fēng)的對比方方案，分別比比較它們的初初投資和運行行費，計算采采用通風(fēng)窗的的方案（8和和10）的經(jīng)經(jīng)濟性，

22、如表表11：表11 通風(fēng)窗窗的經(jīng)濟性分分析方案空調(diào)系統(tǒng)運行費費(萬元/年)遮陽設(shè)備和空調(diào)調(diào)系統(tǒng)總初投投資(萬元)投資回收期（年年）方案747.7393.320方案8(與方案7比較較)46.7(-11)413.5(+20.2)方案946.8390.923方案10(與方案9比較較)45.9(-00.9)411.1(+20.3)采用通風(fēng)窗后總總初投資有二二十多萬的增增加，但使用用通風(fēng)窗使建建筑在夏季夜夜間通風(fēng)能節(jié)節(jié)省大約一萬萬元左右的空空調(diào)、采暖運運行費用，所所以對于方案案7和方案99，使用通風(fēng)風(fēng)窗的靜態(tài)經(jīng)經(jīng)濟回收期大大約為20年年和23年。4 結(jié)論綜合以上模擬分分析結(jié)果，得得到以下5點結(jié)論論：遮陽設(shè)備能夠有有效減小冷負(fù)負(fù)荷，采用遮遮陽設(shè)備的方方案，其空調(diào)調(diào)系統(tǒng)和照明明設(shè)備的總運運行費用比不不用遮陽設(shè)備備的方案少77%13%（方案710與方案案1比較）。遮陽設(shè)備能夠極極大改善室內(nèi)內(nèi)光環(huán)境，避避免室內(nèi)照度度過高而產(chǎn)生生眩光，但同同時也增加了了維持室內(nèi)照照度所需的照照明能耗。應(yīng)用了自控系統(tǒng)統(tǒng)的遮陽設(shè)備備能夠使室內(nèi)內(nèi)照度的改變變更加均勻。當(dāng)當(dāng)室內(nèi)照度偏偏高的時候，遮遮陽設(shè)備關(guān)閉閉以減少進入入室內(nèi)的自然然光；當(dāng)室內(nèi)內(nèi)照度偏低的的時候，遮陽陽設(shè)備打開以以更多地利用用自然光進行行照明。帶自自控的遮陽設(shè)設(shè)備能減小空空調(diào)系統(tǒng)和照照明系統(tǒng)的能能耗，并