《公共建筑节能设计标准》应用中的简易权衡判断法(一)

    提  要  本文根据建筑围护结构节能设计原理，提出了《公共建筑节能设计标准》GB50189应用中的简易权衡判断法，可用于玻璃幕墙设计中。


    关键词 公共建筑，节能设计，权衡判断

    1．前言

    为降低建筑能源消耗，减少能源浪费，国家建设部和国家质量监督检验检疫总局联合发布了《公共建筑节能设计标准》GB50189，并于2005年7月1日在全国实施。该标准节能目标50%由改善围护结构热工性能，提高空调采暖设备和照明设备效率来分担，其中改善围护结构热工性能分担13~25%。门窗和玻璃幕墙的热工性能远低于普通外墙，为达到节能目标，该标准对建筑的窗墙面积比和屋顶透明部分的面积有明确的规定：建筑每个朝向窗（包括透明幕墙）墙面积比均不应大于0.7；屋顶透明部分的面积不应大于屋顶总面积的20%；当不满足这两项条文规定时，必须进行权衡判断。上述这些条文为强制性条文，必须严格遵守。


    权衡判断是一种性能化设计方法，具体做法是先构想出一栋虚拟建筑，称之为参考建筑，然后分别计算参考建筑和实际设计建筑的全年采暖和空调能耗，并依据这两个能耗的比较结果做出判断。当实际设计建筑能耗大于参考建筑能耗时，调整部分设计参数，例如提高窗户和玻璃幕墙的保温隔热性能、缩小窗户和玻璃幕墙的面积，甚至是调整整个建筑围护结构的保温隔热性能，重新计算所设计建筑的能耗，直至设计建筑的能耗不大于参考建筑的能耗为止。围护结构热工性能的权衡计算很复杂，一般要采用动态软件进行计算，不易实现。本文提出的简易权衡判断法可省去权衡计算的复杂过程，调整前后节能机理简单、明确，计算方法简便，可用于工程实践中。


    2．简易权衡判断　　围护结构的外窗、透明幕墙和屋顶透明部分的热工性能一般用传热系数K和遮阳系数SC表征，外墙、非透明幕墙和屋顶非透明部分的热工性能仅用传热系数K表征。设建筑物某朝向的总面积为S，透明部分（包括外窗和透明幕墙）面积为S₁，透明部分的传热系数和遮阳系数分别为K₁和SC₁，非透明部分（包括外墙和非透明幕墙）面积为S₂，非透明部分的传热系数为K₂，S=S₁+S₂，室内外温差为ΔT，太阳辐射照度为I，则通过该朝向由室外传入室内的热量Q₁为：

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

　　将透明部分的面积加大至S₃，透明部分的传热系数和遮阳系数分别调整为SC₂和K₃，则非透明部分的面积缩小至S₄，非透明部分的传热系数仍为K₂，S=S₃+S₄，室内外温差和太阳辐射照度不变，则通过该朝向由室外传入室内的热量Q₂为:

　　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）式两边，得
　　SC₁×S₁/S=SC₂×S₃/S （5）
　　则S₁/S和S₃/S分别为两种情况的窗墙面积比，设其分别为e₁和e₂，由（5）式得，
　　SC₂=SC₁×e₁/e₂ （6）

　　在《公共建筑节能设计标准》GB50189中，对于寒冷地区、夏热冬冷地区和夏热冬暖地区，当窗墙面积比e₁=0.7时，对于不同朝向，遮阳系数都有限值要求，令SC₁取限值，记为SC₁*，当窗墙面积比e₂＞0.7时，只要透明部分的遮阳系数按（6）式取值，则可保证太阳光透过透明部分射向室内的热量与窗墙面积比为0.7，遮阳系数取限值的透明部分传递的太阳能严格相同，与太阳辐射照度无关，即在任何地区、任何季节、任何时候，两者都成立，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）式两边，得
　　K₁×S₁/S=K₃×S₃/S （9）
　　则S₁/S和S₃/S分别为两种情况的窗墙面积比，设其分别为e₁和e₂，由（9）式得，
　　K₃=K₁×e₁/e₂ (10)

　　在《公共建筑节能设计标准》GB50189中，对于不同地区，当窗墙面积比e₁=0.7时，传热系数都有限值要求，令K₁取限值，记为K₁*，当窗墙面积比e₂＞0.7时，只要透明部分的传热系数按（10）式取值，则可保证通过透明部分传递的环境热量与窗墙面积比为0.7，传热系数取限值的透明部分传递的环境热量严格相同，与室内外温差无关，即在任何地区、任何季节、任何时候，两者都成立，即
　　ΔT×K₃×S₃=ΔT×K₁*×S₃×e₁/e₂=ΔT×K₁*×S₃×S₁/S×S/S₃=ΔT×K₁*×S₁
　　对于非透明部分，由于窗墙面积比大于0.7时的面积S₄小于窗墙面积比为0.7时的S₂，所以有
　　ΔT×K₂×S₄＜ΔT×K₂×S₂

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