引言我国寒冷地区和严寒地区建筑围护结构热工性能对能耗影响方面已有较多研究成果，主要结论是建筑外墙、外窗和屋面的传热系数在技术和经济成本允许的情况下应尽可能降低，对外窗太阳得热系数没有严格要求。但夏热冬冷地区气候条件与寒冷地区有明显差异，建筑节能设计应采取夏季隔热、冬季保温并重的原则[1]。武汉地区推行超低能耗公共建筑不能照搬北方标准，需要做进一步地研究，为武汉地区超低能耗公共建筑围护结构热工性能最优设计给出参考。1分析方法采用计算机模拟方法，以武汉地区某办公建筑围护结构为研究对象，运用eQuest能耗模拟软件，采用单因素分析方法。分别对不同屋面传热系数、外墙传热系数、外窗传热系数和外窗太阳得热系数条件下的建筑能耗，进行全年动态模拟，定量分析建筑围护结构各部位热工性能对建筑能耗的影响[2]。2基准模型构建和参数设置研究对象为一栋11层高办公楼，建筑基本信息如表1所示，办公楼建筑模型图及平面图如图1所示。建筑围护结构热工参数如表2所示，建筑各个分区室内设计参数如表3所示。建筑运行时间表按照《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）进行设置。建筑供暖空调冷热源采用地源热泵系统，供冷工况COP=5.55，供热工况COP=4.8，空调水泵变频控制，风侧采用风机盘管+独立新风系统，水泵耗电输冷（热）比、风机单位风量耗功率满足《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）要求。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.003.T001表1建筑基本信息建筑层数建筑面积/m2体型系数层高/m进深/m1111 9490.123.65~810.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.003.F001图1办公楼建筑模型图及平面图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.003.T002表2建筑围护结构热工参数构件名称传热系数/［W/（m2·K）］窗墙比传热系数/［W/（m2·K）］太阳得热系数屋面0.5———外墙0.8———外挑或架空楼板0.7———外窗（包括透明幕墙）东向—0.242.40.35南向—0.422.40.35西向—0.272.40.35北向—0.242.40.3510.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.003.T003表3室内设计参数房间类型夏季温度/℃冬季温度/℃人员密度/（m2/人）照明功率密度/（W/m2）设备功率密度/（W/m2）新风量/［m3/（h·人）］大堂2619109—15办公2520882036会议室252038—30走道2620502——卫生间2620—2——设备间———2——3屋面热工性能对建筑能耗的影响分析3.1单因素分析模型设置为研究屋面热工性能对建筑能耗的影响，本次模拟参照有关标准[3]，将《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）屋面限值作为基准模型0的限值，建立8个试验模型。各模型屋面传热系数0.1~0.5之间。除屋面传热系数外，其他参数保持不变。分析模型屋面传热系数取值如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.003.T004表4分析模型屋面传热系数取值模型012345678屋面传热系数0.50.450.40.350.30.250.20.150.1［W/（m2·K）］3.2模拟结果对不同模型模拟分析结果如表5所示。由表5可知，供暖空调能耗随着屋面传热系数的降低缓慢降低，屋面传热系数每降低0.1 W/(m2·K)，制热能耗降低约1.8%，制冷能耗降低约0.1%，供暖空调能耗降低约0.35%。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.003.T005表5不同屋面传热系数全年能耗统计模型供暖空调水泵风机供暖空调029 193131 94839 34654 614255 101128 928131 84239 29654 510254 576228 688131 75539 29754 411254 151328 419131 67339 27654 311253 679428 162131 60539 25354 214253 234527 910131 55439 21354 127252 804627 645131 50839 19654 042252 391727 389131 43739 15353 958251 937827 107131 37439 10553 876251 462kWh3.3经济性分析基准模型0的屋面保温采用60 mm挤塑聚苯乙烯泡沫板。为达到表4中不同屋面传热系数，对应的保温层厚度及造价增量如表6所示。其中挤塑聚苯乙烯泡沫板单价按400 元/m3计算，建筑屋面面积1 122.56 m2。根据不同模型能耗计算，对比基准建筑模型，相应能耗减少量、运行成本减少量及投资回收期，如表7所示。武汉市一般工商业电价按照0.665 7 元/kWh计算。从表6和表7看出，随着屋面传热系数降低，屋面造价增量不断上升，且上升趋势不断增大；投资回收期随着屋面传热系数降低而延长；屋面传热系数由0.5 W/(m2·K)降至0.35 W/(m2·K)时，投资回收期都在15 a以内，屋面传热系数继续降低时，需大幅增加保温层厚度，因此投资回收期也显著增加。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.003.T006表6不同屋面保温层厚度、传热系数及造价增量模型保温层厚度/mm实际传热系数/［W/（m2·K）］造价增量/万元0600.50501700.4430.4492800.3940.8983900.3551.34741100.2972.24551350.2463.36861700.1994.93972300.1497.63383500.10013.02210.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.003.T007表7不同屋面传热系数能耗、运行成本减少量及投资回收期模型能耗减少量/kWh运行成本减少量/万元投资回收期/a15250.034912.8529500.06214.2031 4220.094 714.2341 8670.124 318.0652 2970.152 922.0262 7100.180 427.3873 1640.210 636.2483 6390.242 253.75综上所述，屋面传热系数降低对制热能耗的影响较制冷大。现行节能标准中，屋面传热系数限值较为经济合理，进一步提高屋面传热系数对供暖空调的能耗影响不大。如仅基于超低能耗建筑目标仍考虑进一步提升屋面热工性能，但传热系数不宜低于0.35 W/(m2·K)。4外墙热工性能对能耗的影响分析4.1单因素分析模型设置为研究外墙热工性能对建筑能耗的影响，本次模拟将《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）限值作为基准模型1的限值，建立7个试验分析模型。各模型外墙传热系数取值在0.8~0.1之间，具体取值如表8所示。除外墙传热系数外，其他参数保持不变。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.003.T008表8分析模型外墙传热系数取值模型12345678外墙传热系数0.80.70.60.50.40.30.20.1［W/（m2·K）］4.2模拟结果对外墙传热系数进行模拟分析，结果如表9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.003.T009表9不同外墙传热系数全年能耗统计模型供暖空调水泵风机供暖空调132 880141 77639 71255 707270 075231 169141 49739 44055 095267 201329 367141 29039 31654 482264 455427 494141 13139 18953 865261 679525 628140 96039 23053 240259 058623 789140 83139 14852 608256 376721 906140 67439 03251 971253 583820 073140 61138 99051 328251 002kWh由表9可知，供暖空调能耗随着外墙传热系数的降低而降低，外墙传热系数每降低0.1 W/(m2·K)，制热能耗降低约7.5%，制冷能耗降低约0.1%，供暖空调能耗降低约1.1%。4.3经济性分析基准模型1的外墙保温采用15 mm厚挤塑聚苯乙烯泡沫板。为达到表9中不同外墙传热系数，对应保温层厚度及造价增量如表10所示。挤塑聚苯乙烯泡沫板单价按400 元/m3计算，建筑外墙面积3 881.01 m2。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.003.T010表10不同外墙传热系数保温层厚度及造价增量模型保温层厚度/mm实际传热系数/［W/（m2·K）］造价增量/万元1150.82502250.71.5523350.63.1054500.55.4335750.49.31461100.314.74871850.226.39184100.161.320根据表9中不同外墙传热系数下的能耗计算，对比基准建筑模型，能耗减少量、运行成本减少量及投资回收期如表11所示。武汉市一般工商业电价按照0.665 7 元/kWh计算。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.003.T011表11不同外墙传热系数能耗、运行成本减少量及投资回收期模型能耗减少量/kWh运行成本减少量/万元投资回收期/a100022 8740.1918.1135 6200.3748.3048 3960.5599.72511 0170.73312.70613 6990.91216.17716 4921.09824.04819 0731.27048.30从表10和表11可以看出，随着外墙传热系数降低，外墙造价增量不断增大；投资回收期随着外墙传热系数的降低而变长，且变长的趋势越来越大；外墙传热系数由0.8 W/(m2·K)降至0.5 W/(m2·K)时，投资回收期变化幅度较小，都低于10 a以内，进一步降低外墙传热系数需大幅增加保温层的厚度，投资回收期也显著增加。综上所述，外墙传热系数的降低对供暖空调能耗的降低存在一定的影响，对于超低能耗建筑，可考虑将外墙传热系数降至0.5 W/(m2·K)，不宜进一步降低，否则增加投资成本。5外窗热工性能对能耗的影响分析5.1单因素分析模型设置本次模拟将《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）限值作为基准模型0的限值，建立8个试验分析模型。各模型外窗传热系数在0.8~2.4之间，具体取值如表12所示。除外窗传热系数外，其他参数保持不变。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.003.T012表12分析模型外窗传热系数取值模型012345678外窗传热系数2.42.221.81.61.41.210.8［W/（m2·K）］5.2模拟结果对外窗传热系数进行模拟分析结果如表13所示，不同外窗传热系数供暖空调单位面积能耗如图2所示。由表13可知，制热能耗随着外窗传热系数降低缓慢降低，制冷能耗却随着外窗传热系数的降低缓慢升高。图2表明，供暖空调能耗随着外窗传热系数的降低先缓慢降低，当传热系数大于1.6后缓慢升高。原因是外窗的热惰性较差，蓄冷蓄热性差，传热系数的高低对建筑夏季夜间散热量影响大，当外窗热工性能非常好时，建筑夜间热量聚集，直接导致第二天空调负荷的增加。外窗传热系数每降低0.1 W/(m2·K)，制热能耗降低约3%，制冷能耗升高约0.05%，供暖空调能耗先降低后升高。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.003.T013表13不同外窗传热系数全年能耗统计模型供暖空调水泵风机供暖空调029 030131 88139 32454 549254 784127 548132 98739 45854 568254 561226 068134 16039 70154 586254 515324 545135 34939 72554 604254 223423 013136 66639 83454 699254 212521 534138 09140 04754 802254 474619 918139 57240 17354 906254 569718 270141 14540 31955 027254 761816 659142 84540 55955 120255 183kWh10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.003.F002图2不同外窗传热系数供暖空调单位面积能耗综上所述，武汉地区提高外窗传热系数对供暖空调能耗影响不大，且传热系数过低的外窗反而会增加供暖空调能耗，故建议外窗传热系数在当前2.4 W/(m2·K)条件下可进一步降低，但不应低于1.6 W/(m2·K)。6外窗太阳得热系数对能耗的影响分析6.1单因素分析模型设置为研究外窗太阳得热系数对建筑能耗的影响，本次模拟将《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）限值作为基准模型1的限值，建立7个试验分析模型。各模型外窗太阳得热系数在0.45~0.1之间，具体取值如表14所示。除外窗太阳得热系数外，其他参数保持不变。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.003.T014表14分析模型外窗太阳得热系数取值模型12345678外窗太阳得热系数（SHGC）0.450.40.350.30.250.20.150.16.2模拟结果对外窗太阳得热系数模拟分析，结果如表15所示。由表15可知，制冷能耗随着外窗太阳得热系数降低明显降低，制热能耗却随着外窗太阳得热系数的降低缓慢升高，供暖空调能耗呈下降趋势。外窗太阳得热系数每降低0.1，制冷能耗降低约10%，制热能耗升高约10%，供暖空调能耗整体降低约6.6%。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.003.T015表15不同外窗太阳得热系数全年能耗统计模型供暖空调水泵风机供暖空调126 416146 62241 49960 563275 100227 575139 31040 42857 570264 883329 030131 88139 32454 549254 784430 862125 01539 09751 928246 902532 308118 26538 01049 268237 851633 881111 50436 97046 600228 955735 707104 81235 97443 950220 443837 58598 40935 07441 628212 696kWh综上所述，武汉地区提升外窗遮阳隔热性能，降低外窗太阳得热系数对供暖空调能耗影响非常明显。但遮阳性能提升带来采光不佳的问题，因此，武汉地区最佳的改善外窗得热措施为可调节外遮阳措施，根据隔热和采光的需求灵活进行调节，满足节能和采光的双向需求。7模拟结果汇总及分析7.1各因素对供暖能耗的影响建筑供暖能耗随围护结构热工性能提升的变化趋势如图3所示。由图3可知，降低屋面传热系数对制热能耗影响不大；降低外墙和外窗的传热系数，供暖能耗下降明显；降低外窗太阳得热系数，供暖能耗显著上升。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.003.F003图3各因素对供暖能耗的影响7.2各因素对空调能耗的影响建筑空调能耗随围护结构热工性能提升的变化趋势如图4所示。由图4可知，降低屋面传热系数和外墙传热系数对制冷能耗影响不大；降低外窗太阳得热系数，空调能耗下降明显；降低外窗传热系数，空调能耗不降反升。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.003.F004图4各因素对空调能耗的影响7.3各因素对供暖空调能耗的整体影响建筑供暖空调总能耗随围护结构热工性能提升的变化趋势如图5所示。由图5可知，降低屋面传热系数和外窗传热系数对供暖空调总能耗影响不大；降低外墙传热系数供暖空调总能耗随之降低，但需结合经济性权衡外墙传热系数的取值；降低外窗太阳得热系数供暖空调总能耗下降明显。各因素热工性能提升对供暖空调能耗的降低贡献：外窗太阳得热系数＞外墙传热系数＞屋面传热系数，降低外窗的传热系数，供暖空调能耗先降后升。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.003.F005图5各因素对供暖空调能耗的影响7.4各因素“单位”变量对供暖空调能耗的影响各因素热工性能“单位”提升时，对供暖空调的能耗影响汇总如表16所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.003.T016表16各因素“单位”变量对供暖空调能耗影响屋面传热系数每降低0.1 W/（m2·K）外墙传热系数每降低0.1 W/（m2·K）外窗传热系数每降低0.1 W/（m2·K）外窗太阳得热系数每降低0.1降低0.35%降低1.10%先降0.03%后升高0.05%降低6.60%屋面传热系数每降低0.1 W/(m2·K)，供暖空调能耗仅降低约0.35%；外墙传热系数每降低0.1 W/(m2·K)，供暖空调能耗降低约1.10%；外窗传热系数每降低0.1 W/(m2·K)，供暖空调能耗先降低，降幅约0.03%，而后升高，升幅约0.05%；外窗太阳得热系数每降低0.1，供暖空调能耗降低约6.60%。8结语通过以上模拟分析可以看出，武汉地区超低能耗公共建筑在围护结构热工性能提升方面应遵循以下几点：（1） 在公共建筑节能设计标准的基础上，可不对屋面热工性能再做提升，若需进一步提升，屋面传热系数不宜低于0.35 W/(m2·K)；（2） 在公共建筑节能设计标准的基础上，可对外墙热工性能进行一定提升，但外墙传热系数不宜低于0.5 W/(m2·K)；（3） 外窗传热系数可适当降低，但不应低于1.6 W/(m2·K)；（4） 应尽量降低外窗的太阳得热系数，且建议采用可调节遮阳措施对夏季和冬季的外窗太阳得热灵活调控，在满足自然采光和人体感受的前提下夏季尽量控制太阳辐射得热，冬季尽量引入太阳辐射热。