CC BY
46
УДК 628.9:721
А.К. Соловьёв, Сунь Ифэн
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
ВЛИЯНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СВЕТОПРОЕМА НА ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ ОФИСНОГО ЗДАНИЯ В КЛИМАТИЧЕСКОЙ ЗОНЕ С ЖАРКИМ ЛЕТОМ И ХОЛОДНОЙ ЗИМОЙ В КИТАЕ
Представлено годовое энергопотребление офисного здания в зависимости от различных видов светопроема в климатической зоне с жарким летом и холодной зимой. Расчетная модель офиса была разработана и серия моделирования энергопотребления здания была проведена для различных параметров светопроема.
Ключевые слова: энергоэффективность окна, моделирование энергетических систем здания, йОЕ-2, совмещенное освещение, офисное здание.
На сегодняшний день энергетическая проблема стала глобальной проблемой. В строительном секторе политика энергосбережения требует минимизировать расход невозобновляемых источников энергии при выполнении соответствующих функций зданием [1]. Одним из мероприятий, направленных на снижение энергозатрат офисного здания, является рациональное использование светопроема.
Зона с жарким летом и холодной зимой является самым густонаселенным и экономически развитым регионом в Китае, здесь проживает 40 % населения страны и производится около 48 % валового внутреннего продукта страны. Расход энергии в этом регионе колоссальный, при этом значительная доля энергозатрат (около 38 %), связанных с эксплуатацией здания приходится на окна. В офисных зданиях энергозатраты на электрическое освещение и связанные с ним затраты энергии на систему охлаждения могут составить 30... 40 % общих энергозатрат. Кроме того, в отличие от северных и южных регионов, в этой климатической зоне отмечаются как длинный отопительный период, так и длинный период кондиционирования воздуха, это значит, что в зданиях присутствуют существенные нагрузки на систему отопления и кондиционирование воздуха [2].
В табл. 1 представлены значения градус-суток отопительного периода и периода кондиционирования воздуха, а также среднее значение суточной солнечной радиации в пяти характерных городах рассматриваемой климатической зоны [3].
Табл. 1. Климатические данные исследуемых городов
Город Местоположение Градус-суток Среднее значение суточной солнечной радиации
С.Ш. в.д. НББ18 СББ26 Суммарная, Вт/м2 Прямая, Вт/м2
Чунцин 29,5С 106,5В 1069 251 1950 621
Чэнду 30,7С 104,0В 1426 32 2324 1049
Шанхай 31,2С 121,4В 1707 166 2885 1761
Нанкин 32,0С 118,8В 1995 179 3070 2107
Ухань 30,6С 114,1В 1695 222 2887 1669
Примечание. НББ18 — ГСОП при расчетной температуре внутреннего воздуха 18 °С; СББ26 — градус-суток периода кондиционирования воздуха при расчетной температуре внутреннего воздуха 26 °С.
© Соловьёв А.К, Сунь Ифэн, 2012
31
Известно, что со светопрозрачной конструкцией тесно связаны энергопотребление системы искусственного освещения, системы вентиляции, отопления и кондиционирования воздуха. Но на сегодняшний день не существует метода, который бы позволил нам с легкостью определить оптимальные параметры светопроема для каждых конкретных случаев, в связи со сложным взаимодействием между светопрозрачной конструкцией и внутренними системами здания [4].
В данной работе мы исследовали влияния различных параметров светопроема на энергопотребление офисного здания в 5 городах, находящихся в рассматриваемой климатической зоны.
Метод математического моделирования. Внедрение компьютерной программы детального моделирования дало возможность подробно описать анализируемое здание и провести точное детальное комплексное моделирование. С ее помощью дизайнеры могут найти оптимальные решения. Программа детального моделирования включает в себя набор математических моделей, которые стремятся объяснять поведение каждого компонента здания при заданных условиях. В процессе моделирования расчет нагрузок и энергетических характеристик здания выполняется с шагом, равным 1-му часу для периода одного года или 8960 ч. По завершении моделирования определяются годовая энергетическая нагрузка и годовое энергопотребление здания.
Для проведения анализа применялась компьютерная программа динамического энергетического моделирования БОЕ-2, разработанная Лабораторией Лоуренса Беркли при Калифорнийском университете (США). Данная программа широко применяется в разных частях мира для анализа энергозатрат и энергосберегающих мероприятий здания. Программа БОЕ-2 была выбрана потому, что она представляет большие возможности для моделирования широкого спектра конструктивных решений и меры по энергосбережению. К тому же, программа БОЕ-2 прошла валидацию путем сравнения ее результатов с измеренными энергозатратами в актуальных зданиях и с расчетными результатами [5].
Расчетная модель представляет собой типичное помещение офиса (рис. 1), расположенное в верхних этажах условного многоэтажного офисного здания, т.е. при отсутствии затенения окружающей застройки. Наружная стена помещения состоит
из пеноблоков и имеет южную ориентацию. Принято, что через потолочную плиту перекрытия, плиту перекрытия пола и внутренние стены помещения теплообмен не происходит, из-за отсутствия температурного перепада в смежных помещениях, но способность накапливания тепла в этих конструкциях сохраняется.
В помещении офиса предусмотрены 9 рабочих мест. Внутренние теплопоступления от оргтехники приняты равными 20 Вт/м2. Количество свежего приточного воздуха составляет 30 м3/чел.-ч.
В офисе предусмотрено совмещенное освещение, при котором недостаточное по нормам естественное освещение дополняется искусственным освещением. Нормированная искусственная освещенность для офисов Е = 300 лк [6]. Для ограничения слепящего действия солнца в случае превышения уровня ослепленности над до-
Расчетная точка •
Расчетная точка
Рис. 1. План и разрез типичного офисного помещения
пустимым значением автоматически опускаются жалюзи, коэффициент направленного пропускания света Тиб которых составил 0,35.
Кондиционер типа «сплит-система» использован как для охлаждения, так и для обогрева, мощность кондиционера устанавливается исходя из пиковой тепловой нагрузки. Для настоящего исследования был подобран кондиционер с холодопроизво-дительностью 7,6 кВт.
Характерный график пребывания людей для офисного здания задан согласно нормам [7]. Зимой, во время пребывания людей в помещении, поддерживается температура, равная 20 °С, при их отсутствии система отопления поддерживает температуру в 12 °С. Летом система охлаждения поддерживает температуру в 26 °С, а во время отсутствия людей система выключается.
В настоящем исследовании рассмотрены 8 разных видов стекол (табл. 2), для которых принято 7 вариантов площади остекления: 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60 % (соотношение остекленной части стены ко всей площади стены, далее WWR).
Табл. 2. Варианты остекления
№ Варианты остекления SHGC Tvis U
О1 Однослойное прозрачное стекло (Б0Б-1001) [8] 0,81 0,88 6,17
О2т Однослойное окрашенное в массе стекло зеленого цвета (Б0Б-1203) [8] 0,61 0,75 6,17
Д1 Двухслойный стеклопакет из прозрачного стекла с воздушной прослойкой (Б0Б-2003) [8] 0,69 0,78 3,16
Д2т Двухслойный стеклопакет из окрашенного в массе стекла зеленого цвета с заполнением аргона (Б0Б-2208) [8] 0,61 0,74 2,61
Э1 Двухслойный стеклопакет из низкоэмиссионного прозрачного стекла с воздушной прослойкой (Б0Б-2660) [8] 0,44 0,70 2,38
Э2т Двухслойный стеклопакет из низкоэмиссионного окрашенного в массе стекла с воздушной прослойкой (Б0Б-2666) [8] 0,31 0,41 2,41
Э3т Двухслойный стеклопакет из низкоэмиссионного окрашенного в массе стекла с воздушной прослойкой (Б0Б-2667) [8] 0,28 0,41 1,67
Примечание. БИОС — коэффициент направленного пропускания солнечного тепла; Ту1б — коэффициент направленного пропускания света; и — коэффициент теплопередачи центральной части остекления, Вт/м2-к.
В табл. 3 приведены основные параметры для моделирования в программе Б0Б-2.
Табл. 3. Основные параметры моделируемого офисного помещения
Параметры Значение
1. Конструкции
Коэффициенты теплопередачи внутренних стен, потолка и пола Адиабатические
Коэффициент теплопередачи наружной стены, Вт/м2-к 1
Коэффициент поглощения солнечной энергии наружной стеной 0,7
2. Тепловой режим и тепловые нагрузки
Мощность оборудования, Вт/м2 20
Мощность искусственного освещения 11 Вт/м2
Количество людей 9
Теплоизбытки от людей, Вт 117
Приток наружного воздуха, м3/чел.ч 30
Наружная температура срабатывания охлаждения, °С 26
Окончание табл. 3
Параметры Значение
Наружная температура срабатывания отопления, °С 20
Коэффициент преобразования кондиционера при охлаждении 2,6
Коэффициент преобразования кондиционера при обогреве 1,9
3. Географические параметры
Ориентация, азимут Юг, 180°
Описание разработанной климатической модели для рассматриваемой климатической зоны изложено в [3].
Результаты и анализ. На рис. 2 представлена зависимость годового суммарного потребление электроэнергии офиса от значения WWR при разных видах остекления. Очевидно, что во всех 5 городах применение любого вида остекления с оптимальной площадью может снизить электропотребление по сравнению со случаем отсутствия окна (WWR = 0, т.е. глухая стена). Это происходит за счет значительной экономии затрат электроэнергии на искусственное освещение при совмещенном освещении.
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 ^ СОС (Ш¥Ю
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 СОС
£
4100
§ 3900
а 3700 =
! 3500
о 3300 &
Ц 3100
§ 2900
■О1 *О2т *Д1 *Д2т *Э1 +"Э2т "*Э3т
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 СОС С№«ПЙ.)
Рис. 2. Годовое суммарные электрозатраты офиса
При применении видов остекления О1, О2т, Д1, Д2т, Э1 по мере возрастания WWR суммарное годовое энергопотребление в начале снизилось, а затем возросло. На рис. 3 показано годовое потребление электроэнергии на искусственное освещение, оргтехники и кондиционера в г. Шанхай при применении вида остекления Д2т. По мере возрастания WWR от 0 до 0,2, в результате увеличения количества естественного освещения энергопотребление на искусственное освещение резко снизилось, потребление электроэнергии на эксплуатацию кондиционера выросло незначительно, суммарное годовое энергопотребление офиса снизилось. При достижении WWR значения 0,2, суммарное годовое энергопотребление достигло минимального значения; при дальнейшем возрастании WWR, когда достаточный уровень естественного освещения уже был достигнут, потребление электроэнергии на искусственное освещение почти не снизилось, но электропотребление кондиционера стабильно увеличилось, в результате чего выросли годовые энергозатраты офиса.
При вариантах остекления Э2т, Э3т значение годового потребления электроэнергии офиса при маленькой площади остекления (0 < WWR < 0,1) почти не изменилось, при дальнейшем возрастании WWR оно резко снизилось, а после достижения минимального значения начало медленно расти. На рис. 4 видим, что по мере возрастания WWR энергопотребление на искусственное освещение снизилось. В то же время энергопотребление кондиционера увеличилось сравнительно медленно. Это объясняется тем, что остекление Э2т, Э3т с низкими коэффициентами Ту1б меньше пропускают видимую часть спектра естественного света, энергопотребление на искусственное освещение при этих видах остекления стало менее чувствительным к изменению WWR, а низкий коэффициент БИвС способствовал значительному сокращению тепловой нагрузки от солнечной радиации.
СОС (WWR) •-Освещение -»-Оргтехника -^-Кондиционер
СОС (WWR) -Освещение -»-Оргтехника -^-Кондиционер
Рис. 3. Годовое энергопотребление на освещения, оргтехники и кондиционер в г. Шанхай при варианте остекления Д2т
Рис. 4. Годовое электропотребление электрического освещения, оргтехники и кондиционера в г. Шанхай при варианте остекления Э3т
2500
2000
1500
1000
500
0
На рис. 2 мы видим, что по мере возрастания WWR, О1, О2т, Д1, Д2т с высокими коэффициентами Тиб достигли минимума энергопотребления при сравнительно маленькой площади остекления 0 , 1 < WWR < 0,2; остекление Э1 со средним Ту1б достиг минимума энергопотребления при 0,15 < WWR < 0,3; остекление Э2т, Э3т с наиболее низкими Ту1б достигли минимума энергопотребления при большей площади остекления 0,3 < WWR < 0,4. Для лучшего понимания эффективности использования естественного освещения введем понятие «эффективного светопроема», равного произведению Ту1б и WWR [9]. «Эффективный светопроем» (ЭС) оказывает прямое влияние на энергопотребление искусственного освещения. На рис. 5 представлена зависимость годового потребления энергии на искусственное освещение от величины
параметра «эффективный светопроем» для г. Шанхай при разных вариантах остекления. Уровень естественного освещения в помещении оптимальный при приблизительном значении Tvis*WWR = 0,16, так как при дальнейшем возрастании эффективного светопроема почти не снизилось энергопотребление искусственного освещения.
Типы остекления О2т и Д2т, Э2т и Э3т имеют почти одинаковые 8НвС и Tvis, но отличаются коэффициентом теплопередачи и. Из рис. 6 и 7 видно, что при использовании остеклении О2т и Э2т с более высокими коэффициентами теплопередачи годовое энергопотребление системы охлаждения ниже, чем при использовании остеклении Д2т и Э3т с более низкими коэффициентами теплопередачи. Это объясняется тем, что утром и вечером, когда температура наружного воздуха опускается ниже температуры внутреннего воздуха, через остекление с более высоким коэффициентом быстрее происходит теплопередача из комнаты наружу [10], снижая потребность в работе кондиционера. Подогрева воздуха в этот период не требуется.
900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
»»»о-
1400 -1200 -
г. Чэнду
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0, Эффективный светопроем (ЭС = COC*Tvis)
СОС СИТГО) ^Охлаждение (О2т) -♦-Охлаждение (Д2т) ^Отопление (О2т) ^Отопление (Д2т)
Рис. 5. Зависимость годового энергопотре- Рис. 6. Годовое электропотребление
бления на искусственное освещение от эффек- кондиционера, работающего в режимах тивного светопроема для г. Шанхай при всех ва- обогрева и охлаждения при вариантах
риантах остекления
остекления О2т, Д2т для г. Чэнду
1000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0
г. Чэнду
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
СОС (WWR) •"Охлаждение (Э2т) ^Охлаждение (Э3т) ^Отопление (Э2т) ^Отопление (Э3т)
Рис. 7. Годовое электропотребление кондиционера, работающего в режимах обогрева и охлаждени при вариантах остекления Э2т, Э3т для г. Чэнду
тематического моделирования, можно рекомендовать оптимальные размеры боковых светопроемов в офисных зданиях. Учет автоматического регулирования совмещенного освещения, который будет проведен в дальнейших исследованиях, позволит еще более повысить энергоэффективность светопроемов в многоэтажных офисных зданиях.
При одинарном остеклении и при двухслойных стеклопакетах из обычного стекла, в т.ч. и окрашенного в массе зеленого цвета, соотношение площадей остекления и стены является наиболее энергоэффективным при величине WWR(СОС) около 0,2. Для Шанхая, Нанкина и Уханя оно составляет примерно 0,15. Это связано с климатическими условиями зимнего периода в этих городах.
Проведя светотехнические расчеты с определением величины КЕО в расчетной точке и сравнив полученные результаты с нормируемыми значениями по нормам России и КНР, а также с результатами проведенного ма-
1000
800
600
400
200
0
0
0
Библиографический список
1. Selkowits S. Influence of windows on building energy use LBL-18663. 1984.
2. John Hogan, Robert Watson, Joe huang, Lang Siwei, Fu Xiangzhao, Lin Haiyin Development of China's energy efficiency design standard for residential buildings in the "Hot-summer/cold-winter" zone, 2001.
3. Zhang Qingyuan, Joe Huang, Lang Siwei Development of Chinese Weather Data for Building Energy Calculations LBNL-51435, 2001.
4. Johnson R., Selkowitz S., Sullivan R. How fenestration can significantly affect energy use in commercial buildings LBL-17330, 1984.
5. DOE-2.2 Building Energy Use and Cost Analysis Program / Volume 1: Basics, October 2004, P. 1—5.
6. Standard for daylighting design of buildings GB/T 50033-2001.
7. Design Standard for Energy Efficiency of Public Buildings GB 50189-2005, P. 28—32.
8. DOE-2.2 Building Energy Use and Cost Analysis Program / Volume 4: Libraries & Reports, March 2009, P. 21—24.
9. Sullivan R., Lee E.S., Selkowitz S. A Method of Optimizing Solar Control and Daylighting Performance in Commercial Office Buildings LBL-32931, September 1992.
10. SullivanR., FrostK., ArastehD., SelkowitzS. Window U-Value Effects on Residential Cooling Load LBL-34648, September 1993.
Поступила в редакцию в июле 2012 г.
Об авторах: Соловьёв Алексей Кириллович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой архитектуры промышленных и гражданских зданий, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, +7 (495) 287-49-14, agpz@mgsu.ru;
Сунь Ифэн — аспирант кафедры архитектуры промышленных и гражданских зданий, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, +7 (495) 287-49-14, caselysun@gmail.com.
Для цитирования: Соловьёв А.К., Сунь Ифэн. Влияния характеристик светопроема на энергопотребление офисного здания в климатической зоне с жарким летом и холодной зимой в Китае // Вестник МГСУ. 2012. № 9. С. 31—38.
A.K. Solov'ev, Sun Yifeng
INFLUENCE OF FENESTRATION PROPERTIES ONTO THE ENERGY CONSUMPTION RATE OF AN OFFICE BUILDING IN THE HOT SUMMER/COLD WINTER CLIMATIC ZONE IN CHINA
The climatic zone that has hot summers and cold winters is the most populated and economically developed area of China. Therefore, responses to the power consumption growth within the construction industry require the assessment of the energy conservation potential and the use of daylight for the purposes of illumination of premises of office buildings.
In the article, the authors analyze the annual energy consumption pattern based on varying office fenestration patterns in the hot summer/cold winter zone. A pilot office module was developed and a series of building energy consumption simulation sessions were completed on the basis of varied fenestration parameters. A substantial portion of electric lighting can be saved by switching off the electric light in response to the available daylight. The extent to which the daylight may reduce the energy consumption rate depends primarily on the visible transmittance and dimensions of windows.
Key words: window, energy efficiency, building energy simulation, DOE-2, daylight, office building.
References
1. Selkowits S. Influence of Windows on Building Energy Use LBL-18663, 1984.
2. John Hogan, Robert Watson, Joe Huang, Lang Siwei, Fu Xiangzhao, Lin Haiyin. Development of China's Energy Efficiency Design Standard for Residential Buildings in the "Hot-summer/Cold-winter" Zone, 2001.
ВЕСТНИК 9/2012
3. Zhang Qingyuan, Joe Huang, Lang Siwei. Development of Chinese Weather Data for Building Energy Calculations LBNL-51435, 2001.
4. Johnson R., Selkowitz S., Sullivan R. How Fenestration Can Significantly Affect Energy Use in Commercial Buildings. LBL-17330, 1984.
5. DOE-2.2 Building Energy Use and Cost Analysis Program. Basics. Vol. 1, October, 2004, pp. 1—5.
6. Standard for Daylighting Design of Buildings GB/T 50033-2001.
7. Design Standard for Energy Efficiency of Public Buildings GB 50189-2005, pp. 28—32.
8. DOE-2.2 Building Energy Use and Cost Analysis Program. Libraries & Reports, vol.4, March 2009, pp. 21—24.
9. Sullivan R., Lee E.S., Selkowitz S. A Method of Optimizing Solar Control and Daylighting Performance in Commercial Office Buildings. LBL-32931, September, 1992.
10. Sullivan R., Frost K., Arasteh D., Selkowitz S. Window U-Value Effects on Residential Cooling Load. LBL-34648, September, 1993.
About the authors: Solov'ev Aleksey Kirillovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Chair, Department of Architecture of Industrial and Residential Buildings, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; agpz@ mgsu.ru, +7 (495) 287-49-14;
Sun Yifeng — postgraduate student, Department of Architecture of Industrial and Residential Buildings, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; caselysun@gmail.com, +7 (495) 287-49-14.
For citation: Solov'ev A.K., Sun Yifeng. Vliyaniya kharakteristik svetoproema na energopotreblenie ofisnogo zdaniya v klimaticheskoy zone s zharkim letom i kholodnoy zimoy v Kitae [Influence of Fenestration Properties onto the Energy Consumption Rate of an Office Building in the Hot Summer/Cold Winter Climatic Zone in China]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 9, pp. 31—38.
