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摘要：为研究建筑围护结构属性对同一热工分区不同城市节能建筑负荷影响的敏感性，以同属于寒冷地区的兰州和郑州为研究目标所在城市，在节能65%的前提下将4种外墙、3种外窗和4种窗墙比进行组合得到了48个可能的办公建筑围护结构计算房间。分别计算了这些房间的冷负荷、热负荷和全年总负荷并分析了各热工参数对负荷的影响。通过与基准房间负荷对比，获得了具有不同热工性能的计算房间的节能率及最优的办公建筑围护结构。
关键词：寒冷地区；建筑节能；围护结构；建筑负荷；优化设计
中图分类号：TU832文献标志码：A文章编号：16744764（2015）03010808
Abstract：Two cities located in cold zone， Lanzhou and Zhengzhou were selected to study the relationship between the building envelope properties and the building heating and cooling load.Under the condition of energy efficient rate 65%， four types of walls， three types of windows and four windowtowall ratios were assembled into 48 types of office building envelopes as the calculating rooms. The annual heating and cooling loads of the calculating rooms were obtained and the influence of thermal performance on building load was analyzed. The energy saving ratio and the optimal building envelope for each city were determined by comparing with the annual total load of baseline room，.
Key words：cold zone； building energy efficient； building envelope；heating and cooling load； optimization design
建筑围护结构对室外条件的热反应取决于其各组成部分材料的热性能和它的自身结构，其热工性能是影响建筑能效的决定性因素[12]。随着建筑节能目标的不断提升，与建筑围护结构有关的研究也取得了大量的成果[38]。文献[9]对现有公共节能建筑围护结构进行了热工性能优化，从建筑方位、窗墙比、保温材料和窗户类型几个方面对优化方案进行了技术经济分析。文献[10]研究了中国夏热冬冷地区4个城市高层建筑围护结构热工性能在不同季节的主要影响因素。文献[11]分析了不同建筑围护结构外表面装饰材料在太阳辐射作用下对建筑耗热的影响。文献[12]对112种墙和屋顶不同材料组合构成的建筑物进行计算，得到了满足节能建筑标准要求的隔热层参数，并对计算结果进行了实验验证。文献[13]在分析了建筑围护结构中6个因素对建筑运行能耗影响的基础上，采用正交试验设计方法对建筑围护结构进行了优化设计。由于中国寒冷地区在地域和低温时段上的大跨度特点，决定了建筑围护结构热工性能在不同城市必然表现出不同的耗能特性[14]。那么，对于具有同一热工属性的围护结构建筑物在同一热工分区不同城市负荷间的差异究竟如何呢？关于这一问题，目前还未见报道。本文选取同属寒冷地区的兰州和郑州作为研究目标所在城市，因它们分别属于中温带大陆性气候区和暖温带亚湿润季风气候区[15]，在耗能方式和对能耗影响的敏感程度也会有所不同，以此为基础进行建筑围护结构优化设计，以获得同一热工分区不同城市最佳节能建筑。
1建筑模型
1.1基准房间
为了对不同围护结构计算房间综合性能进行评价，引入一个外形、大小、朝向、内部空间划分和使用功能等基本信息与计算房间相同的假想房间，即为基准房间。兰州、郑州两地的基准房间外墙采用300 mm厚黏土多孔砖，窗户为6 mm单层玻璃塑钢窗，南北向窗墙比取0.35。该基准建筑没有采取任何保温、遮阳措施，其热工参数如表1所示。
1.2计算房间
计算房间如图1所示，其进深×开间×高=6.3 m×4.0 m×3.3 m。该房间位于一幢6层办公楼的3层西南角位置，西墙和南墙为外墙。窗户在南墙上。墙体内壁面换热系数取8.7 W/（m2·K），外壁面换热系数在不同地区受风速影响较大，应按季节根据文献[16]中给定值采用内插法来确定，如表2所示。围护结构均按节能65%标准要求进行设计，其热工参数如表3和表4所示。建筑体形系数为0.25，窗墙比分别取0.15、0.20、025、0.30，均符合文献[17]要求。以下计算分析中，不考虑邻室传热。
2负荷计算
2.1供暖期与空调期确定
供暖期以兰州和郑州当地政府关于供暖起止日期的文件规定为准，兰州供暖期为11月1日至次年3月31日，共150 d；郑州供暖期为11月15日至次年3月15日，共120 d。
建筑能耗分析用的DOE2软件中，是将5月1日至10月31日设定为空调期。实际上由于建筑气候环境的多变性及复杂性，各地的经济水平、人们的生活习惯等各不相同，使得这一设定的空调期在不同城市能耗统计中均存在较大误差。考虑到所研究城市气候特点并不需要整日连续开启空调，室外白天高温温度波经围护结构的延迟导致晚间室内温度可能较高，这可以通过开窗等措施以自然通风方式来降低室内温度。因此，根据文献[18]中的统计数据，将兰州在6月1日至8月31日期间逐时温度高于26 ℃的小时数折算为20个空调连续运行日；将郑州在6月1日至9月15日期间逐时温度高于26 ℃的小时数折算为49个空调连续运行日。这一确定方法和当地实际气温变化以及人们日常生活中的节约行为是一致的。 2.2热负荷计算
供暖房间热负荷包括围护结构耗热量、冷风渗透耗热量。分别计算如下：
2.2.1围护结构耗热量 围护结构耗热量包括围护结构基本耗热量和附加耗热量两部分。
围护结构基本耗热量：
2.5热工参数对负荷的影响
表3中4种外墙类型、表4中3种外窗类型以及4个窗墙比组合，形成48个不同热工属性的围护结构计算房间。按照2.1～2.3节计算过程，可得不同房间在不同季节位于不同城市时的年累积供暖热负荷、年累积空调冷负荷以及全年总负荷。下面给出其他条件不变，外墙类型、外窗类型以及窗墙比变化时不同计算房间负荷计算结果。
2.5.1外墙类型对负荷的影响
图2为外墙传热系数变化时计算房间在两地的负荷计算结果，兰州和郑州地区各12种方案。图2（a）为外窗1、窗墙比取0.15、4种外墙类型对应的负荷计算结果；图2（b）为外窗2、窗墙比取0.2时4种外墙
类型对应的负
荷计算结果；图2（c）为外窗3、窗墙比取0.25时4种外墙类型对应的负荷计算结果。图2（a）中4个方案对应热负荷均在7.0×106～8.5×106 kW之间变化；图2（b）中4个方案对应热负荷均在8.3×106～9.7×106 kW之间变化；图2（c）中4个方案对应热负荷均超过了9.8×106 kW。各方案对应的空调冷负荷在兰州和郑州地分别稳定在2×106和6.0×106 kW左右。外墙传热系数增大274%，窗墙比为0.15时，方案4比方案1的供暖期累积热负荷在兰州和郑州地区分别增大了190%和20.4%，窗墙比为0.2时，方案20比方案17的供暖期累积热负荷在兰州和郑州地区分别增大了15.8%和171%，窗墙比为0.25时，方案36比方案33的供暖期累积热负荷在兰州和郑州地区分别增大了13.2%和14.4%。这说明即使按照65%的节能标准选择围护结构，具有不同参数的围护结构组合对应的热负荷差异也很大，而且，同一围护结构建筑物在郑州地区的热负荷对外墙类型的敏感性要高于在兰州地区的情况。这也为地方设计规范和节能标准的制定、实施提供了思路。
2.5.2外窗类型对负荷的影响
图3为不同外窗类型时计算房间在两地的负荷计算结果，兰州和郑州地区各12种方案。图3（a）为外墙1、窗墙比取015时4种外窗类型对应的负荷计算结果；图3（b）为外墙2、窗墙比取02时4种外窗类型对应的负荷计算结果；图3（c）为外墙3、窗墙比取025时4种外窗类型对应的负荷计算结果；图3（d）为外墙4、窗墙比取03时4种外窗类型对应的负荷计算结果。各方案对应的空调冷负荷在兰州地区基本上稳定在2×106 kW左右，在郑州地区基本上稳定在60×106 kW左右。外窗传热系数增大74%，窗墙比为015时，方案9比方案1的供暖期累积热负荷在兰州和郑州地区分别增大了119%和127%，窗墙比为02时，方案22比方案14的供暖期累积热负荷在兰州和郑州地区分别增大了138%和149%，窗墙比为025时，方案35比方案27的供暖期累积热负荷在兰州和郑州地区分别增大了154%和169%，窗墙比为03时，方案48比方案40的供暖期累积热负荷在兰州和郑州地区分别增大了168%和183%。可以看出，外窗属性对郑州地区建筑热负荷的影响要比兰州地区明显一些，但随着外墙传热系数和窗墙比的同时增大，这一差异在逐渐减小。
2.5.3不同窗墙比下负荷比较
图4为不同窗墙比时计算房间在两地的负荷计算结果，兰州和郑州地区各12种方案。图4（a）为外墙1、外窗1时4种窗墙比对应的负荷计算结果；图4（b）为外墙2、外窗2时4种窗墙比对应的负荷计算结果；图4（c）为外墙3、外窗3时4种窗墙比对应的负荷计算结果。各方案对应的空调冷负荷在兰州和郑州地区分别在2×106 和6.0×106 kW左右。窗墙比增大了100%，方案37比方案1的供暖期累积热负荷在兰州和郑州地区分别增大了23.8%和19.9%，方案42比方案6的供暖期累积热负荷在兰州和郑州地区分别增大了25.7%和22.7%，方案47比方案11的供暖期累积热负荷在兰州和郑州地区分别增大了28.3%和25.4%。窗墙比对兰州地区建筑热负荷的影响要比郑州明显一些，但随着外窗和外墙传热系数同时增大，窗墙比对建筑热负荷的影响在逐渐减弱。
2.5.4各因素综合影响下负荷及节能率比较
图5为各因素综合影响下48种围护结构构造方案对应的建筑负荷在兰州和郑州两地区的变化趋势。可以看出，兰州地区的冷负荷随各因素变化很微弱，但热负荷变化显著，呈锯齿状分布，年总负荷变化趋势与热负荷变化趋势比较接近；郑州地区的冷负荷随各因素变化也很微弱，热负荷变化较显著，也呈锯齿状分布，年总负荷变化趋势与热负荷变化趋势比较接近。对于前24种方案，郑州的全年累积总负荷稍高于兰州地区的水平，后面24种方案，两者基本持平。
图6为不同方案构造围护结构对应的负荷与基准建筑围护结构对应的负荷相比较所得节能率计算结果。可以看出，兰州地区的节能率变化范围基本上在35%～58%之间波动，在48种构造方案中，方案1的节能率最高，为58%，方案48的节能率最低，为35%；郑州地区的节能率变化范围基本上在29%～49%之间波动，在48种构造方案中，方案1的节能率最高，为49%，方案48的节能率最低，为29%。这说明围护结构热工性能对建筑负荷的敏感性是与气候条件密切相关图6节能率比较
Fig.6Comparison of energy saving的，如何合理结合当地气候特征优化建筑围护结构是建筑节能工作的重要内容之一。
3结论
以兰州和郑州地区作为研究对象所在城市，4种外墙类型、3种外窗类型及4个窗墙比组合形成48种可能的围护结构，计算了年热负荷、年冷负荷以及全年总负荷，比较了各计算房间在兰州和郑州地区的节能率。得到了如下主要结论： 1） 按照65%的节能标准选择围护结构，具有不同参数的围护结构组合对应的热负荷差异也很大，而且，同一围护结构建筑物在郑州地区的热负荷对外墙类型的敏感性要高于在兰州地区的情况。
2） 外窗类型对郑州地区建筑热负荷的影响要比对兰州地区建筑热负荷的影响明显，但随着外墙传热系数和窗墙比的同时增大，这一差异在逐渐减小。
3） 窗墙比对兰州地区建筑热负荷的影响要比对郑州地区建筑热负荷的影响明显，但随着窗户和外墙传热系数的同时增大，窗墙比对建筑热负荷的影响在逐渐减弱。
4） 获得了同属寒冷地区的兰州和郑州地区的最优建筑围护结构，相对于本文构造的基准建筑，在兰州和郑州地区的节能率分别为58%和49%。
参考文献：
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[15] 中华人民共和国建设部. GB 50178—1993建筑气候区划标准[S].北京：中国计划出版社，1993.
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（编辑王秀玲）
关键词：寒冷地区；建筑节能；围护结构；建筑负荷；优化设计
中图分类号：TU832文献标志码：A文章编号：16744764（2015）03010808
Abstract：Two cities located in cold zone， Lanzhou and Zhengzhou were selected to study the relationship between the building envelope properties and the building heating and cooling load.Under the condition of energy efficient rate 65%， four types of walls， three types of windows and four windowtowall ratios were assembled into 48 types of office building envelopes as the calculating rooms. The annual heating and cooling loads of the calculating rooms were obtained and the influence of thermal performance on building load was analyzed. The energy saving ratio and the optimal building envelope for each city were determined by comparing with the annual total load of baseline room，.
Key words：cold zone； building energy efficient； building envelope；heating and cooling load； optimization design
建筑围护结构对室外条件的热反应取决于其各组成部分材料的热性能和它的自身结构，其热工性能是影响建筑能效的决定性因素[12]。随着建筑节能目标的不断提升，与建筑围护结构有关的研究也取得了大量的成果[38]。文献[9]对现有公共节能建筑围护结构进行了热工性能优化，从建筑方位、窗墙比、保温材料和窗户类型几个方面对优化方案进行了技术经济分析。文献[10]研究了中国夏热冬冷地区4个城市高层建筑围护结构热工性能在不同季节的主要影响因素。文献[11]分析了不同建筑围护结构外表面装饰材料在太阳辐射作用下对建筑耗热的影响。文献[12]对112种墙和屋顶不同材料组合构成的建筑物进行计算，得到了满足节能建筑标准要求的隔热层参数，并对计算结果进行了实验验证。文献[13]在分析了建筑围护结构中6个因素对建筑运行能耗影响的基础上，采用正交试验设计方法对建筑围护结构进行了优化设计。由于中国寒冷地区在地域和低温时段上的大跨度特点，决定了建筑围护结构热工性能在不同城市必然表现出不同的耗能特性[14]。那么，对于具有同一热工属性的围护结构建筑物在同一热工分区不同城市负荷间的差异究竟如何呢？关于这一问题，目前还未见报道。本文选取同属寒冷地区的兰州和郑州作为研究目标所在城市，因它们分别属于中温带大陆性气候区和暖温带亚湿润季风气候区[15]，在耗能方式和对能耗影响的敏感程度也会有所不同，以此为基础进行建筑围护结构优化设计，以获得同一热工分区不同城市最佳节能建筑。
1建筑模型
1.1基准房间
为了对不同围护结构计算房间综合性能进行评价，引入一个外形、大小、朝向、内部空间划分和使用功能等基本信息与计算房间相同的假想房间，即为基准房间。兰州、郑州两地的基准房间外墙采用300 mm厚黏土多孔砖，窗户为6 mm单层玻璃塑钢窗，南北向窗墙比取0.35。该基准建筑没有采取任何保温、遮阳措施，其热工参数如表1所示。
1.2计算房间
计算房间如图1所示，其进深×开间×高=6.3 m×4.0 m×3.3 m。该房间位于一幢6层办公楼的3层西南角位置，西墙和南墙为外墙。窗户在南墙上。墙体内壁面换热系数取8.7 W/（m2·K），外壁面换热系数在不同地区受风速影响较大，应按季节根据文献[16]中给定值采用内插法来确定，如表2所示。围护结构均按节能65%标准要求进行设计，其热工参数如表3和表4所示。建筑体形系数为0.25，窗墙比分别取0.15、0.20、025、0.30，均符合文献[17]要求。以下计算分析中，不考虑邻室传热。
2负荷计算
2.1供暖期与空调期确定
供暖期以兰州和郑州当地政府关于供暖起止日期的文件规定为准，兰州供暖期为11月1日至次年3月31日，共150 d；郑州供暖期为11月15日至次年3月15日，共120 d。
建筑能耗分析用的DOE2软件中，是将5月1日至10月31日设定为空调期。实际上由于建筑气候环境的多变性及复杂性，各地的经济水平、人们的生活习惯等各不相同，使得这一设定的空调期在不同城市能耗统计中均存在较大误差。考虑到所研究城市气候特点并不需要整日连续开启空调，室外白天高温温度波经围护结构的延迟导致晚间室内温度可能较高，这可以通过开窗等措施以自然通风方式来降低室内温度。因此，根据文献[18]中的统计数据，将兰州在6月1日至8月31日期间逐时温度高于26 ℃的小时数折算为20个空调连续运行日；将郑州在6月1日至9月15日期间逐时温度高于26 ℃的小时数折算为49个空调连续运行日。这一确定方法和当地实际气温变化以及人们日常生活中的节约行为是一致的。 2.2热负荷计算
供暖房间热负荷包括围护结构耗热量、冷风渗透耗热量。分别计算如下：
2.2.1围护结构耗热量 围护结构耗热量包括围护结构基本耗热量和附加耗热量两部分。
围护结构基本耗热量：
2.5热工参数对负荷的影响
表3中4种外墙类型、表4中3种外窗类型以及4个窗墙比组合，形成48个不同热工属性的围护结构计算房间。按照2.1～2.3节计算过程，可得不同房间在不同季节位于不同城市时的年累积供暖热负荷、年累积空调冷负荷以及全年总负荷。下面给出其他条件不变，外墙类型、外窗类型以及窗墙比变化时不同计算房间负荷计算结果。
2.5.1外墙类型对负荷的影响
图2为外墙传热系数变化时计算房间在两地的负荷计算结果，兰州和郑州地区各12种方案。图2（a）为外窗1、窗墙比取0.15、4种外墙类型对应的负荷计算结果；图2（b）为外窗2、窗墙比取0.2时4种外墙
类型对应的负
荷计算结果；图2（c）为外窗3、窗墙比取0.25时4种外墙类型对应的负荷计算结果。图2（a）中4个方案对应热负荷均在7.0×106～8.5×106 kW之间变化；图2（b）中4个方案对应热负荷均在8.3×106～9.7×106 kW之间变化；图2（c）中4个方案对应热负荷均超过了9.8×106 kW。各方案对应的空调冷负荷在兰州和郑州地分别稳定在2×106和6.0×106 kW左右。外墙传热系数增大274%，窗墙比为0.15时，方案4比方案1的供暖期累积热负荷在兰州和郑州地区分别增大了190%和20.4%，窗墙比为0.2时，方案20比方案17的供暖期累积热负荷在兰州和郑州地区分别增大了15.8%和171%，窗墙比为0.25时，方案36比方案33的供暖期累积热负荷在兰州和郑州地区分别增大了13.2%和14.4%。这说明即使按照65%的节能标准选择围护结构，具有不同参数的围护结构组合对应的热负荷差异也很大，而且，同一围护结构建筑物在郑州地区的热负荷对外墙类型的敏感性要高于在兰州地区的情况。这也为地方设计规范和节能标准的制定、实施提供了思路。
2.5.2外窗类型对负荷的影响
图3为不同外窗类型时计算房间在两地的负荷计算结果，兰州和郑州地区各12种方案。图3（a）为外墙1、窗墙比取015时4种外窗类型对应的负荷计算结果；图3（b）为外墙2、窗墙比取02时4种外窗类型对应的负荷计算结果；图3（c）为外墙3、窗墙比取025时4种外窗类型对应的负荷计算结果；图3（d）为外墙4、窗墙比取03时4种外窗类型对应的负荷计算结果。各方案对应的空调冷负荷在兰州地区基本上稳定在2×106 kW左右，在郑州地区基本上稳定在60×106 kW左右。外窗传热系数增大74%，窗墙比为015时，方案9比方案1的供暖期累积热负荷在兰州和郑州地区分别增大了119%和127%，窗墙比为02时，方案22比方案14的供暖期累积热负荷在兰州和郑州地区分别增大了138%和149%，窗墙比为025时，方案35比方案27的供暖期累积热负荷在兰州和郑州地区分别增大了154%和169%，窗墙比为03时，方案48比方案40的供暖期累积热负荷在兰州和郑州地区分别增大了168%和183%。可以看出，外窗属性对郑州地区建筑热负荷的影响要比兰州地区明显一些，但随着外墙传热系数和窗墙比的同时增大，这一差异在逐渐减小。
2.5.3不同窗墙比下负荷比较
图4为不同窗墙比时计算房间在两地的负荷计算结果，兰州和郑州地区各12种方案。图4（a）为外墙1、外窗1时4种窗墙比对应的负荷计算结果；图4（b）为外墙2、外窗2时4种窗墙比对应的负荷计算结果；图4（c）为外墙3、外窗3时4种窗墙比对应的负荷计算结果。各方案对应的空调冷负荷在兰州和郑州地区分别在2×106 和6.0×106 kW左右。窗墙比增大了100%，方案37比方案1的供暖期累积热负荷在兰州和郑州地区分别增大了23.8%和19.9%，方案42比方案6的供暖期累积热负荷在兰州和郑州地区分别增大了25.7%和22.7%，方案47比方案11的供暖期累积热负荷在兰州和郑州地区分别增大了28.3%和25.4%。窗墙比对兰州地区建筑热负荷的影响要比郑州明显一些，但随着外窗和外墙传热系数同时增大，窗墙比对建筑热负荷的影响在逐渐减弱。
2.5.4各因素综合影响下负荷及节能率比较
图5为各因素综合影响下48种围护结构构造方案对应的建筑负荷在兰州和郑州两地区的变化趋势。可以看出，兰州地区的冷负荷随各因素变化很微弱，但热负荷变化显著，呈锯齿状分布，年总负荷变化趋势与热负荷变化趋势比较接近；郑州地区的冷负荷随各因素变化也很微弱，热负荷变化较显著，也呈锯齿状分布，年总负荷变化趋势与热负荷变化趋势比较接近。对于前24种方案，郑州的全年累积总负荷稍高于兰州地区的水平，后面24种方案，两者基本持平。
图6为不同方案构造围护结构对应的负荷与基准建筑围护结构对应的负荷相比较所得节能率计算结果。可以看出，兰州地区的节能率变化范围基本上在35%～58%之间波动，在48种构造方案中，方案1的节能率最高，为58%，方案48的节能率最低，为35%；郑州地区的节能率变化范围基本上在29%～49%之间波动，在48种构造方案中，方案1的节能率最高，为49%，方案48的节能率最低，为29%。这说明围护结构热工性能对建筑负荷的敏感性是与气候条件密切相关图6节能率比较
Fig.6Comparison of energy saving的，如何合理结合当地气候特征优化建筑围护结构是建筑节能工作的重要内容之一。
3结论
以兰州和郑州地区作为研究对象所在城市，4种外墙类型、3种外窗类型及4个窗墙比组合形成48种可能的围护结构，计算了年热负荷、年冷负荷以及全年总负荷，比较了各计算房间在兰州和郑州地区的节能率。得到了如下主要结论： 1） 按照65%的节能标准选择围护结构，具有不同参数的围护结构组合对应的热负荷差异也很大，而且，同一围护结构建筑物在郑州地区的热负荷对外墙类型的敏感性要高于在兰州地区的情况。
2） 外窗类型对郑州地区建筑热负荷的影响要比对兰州地区建筑热负荷的影响明显，但随着外墙传热系数和窗墙比的同时增大，这一差异在逐渐减小。
3） 窗墙比对兰州地区建筑热负荷的影响要比对郑州地区建筑热负荷的影响明显，但随着窗户和外墙传热系数的同时增大，窗墙比对建筑热负荷的影响在逐渐减弱。
4） 获得了同属寒冷地区的兰州和郑州地区的最优建筑围护结构，相对于本文构造的基准建筑，在兰州和郑州地区的节能率分别为58%和49%。
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（编辑王秀玲）