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提高阿联酋医院建筑的表皮性能

作者：哈南·塔勒布

迪拜英国大学工学部

摘要

这项研究是对位于阿拉伯联合酋长国阿布扎比的医院大楼建筑外表皮的分析，主要是对建筑围护结构的改造。它选取了建筑物的一部分，研究其在8月和最冷月份的需求。选定的区域在第四层，并且具有南北轴的屋顶和在北部、南部合理数量的玻璃窗的优点。通过使用计算机模拟来研究能源绩效缺点，对案例研究进行了年度能源绩效的详细分析，并将其定义为“基准案例”。然后将基础案例的能量消耗与新提出的建筑物表皮的能量消耗进行比较。新的策略包括遮阳，外墙设计改造，降温屋顶，新型玻璃和屋顶绿化。这些策略是从美国采暖制冷与空调工程师学会的医院建筑指南中获得的，新的结果被定义为“有效案例”。未来的建议认为绿色屋顶是最合适的策略，因为它可以使能源消耗显着降低。通过外部传导增益突出显示，从基本情况下的29 kW变为具有绿色屋顶的21 kW。结果将告诉建筑师和设计师各种策略的节能潜力。

关键词：

建筑表皮；医院建筑；阿布扎比；美国采暖制冷和空调工程师学会；CFD；IES软件

1.介绍

与建筑物相关的能源消耗对环境有重大影响。为此，作为建筑物内部和外部以及建筑和城市空间之间的交流者，建筑表皮起着尤为重要的作用。它提供了基本的保护，并划定私有财产，同时也创造隐私。更重要的是，它控制太阳辐射的进入。建筑表皮的可持续设计将有助于在能量消耗和热舒适性方面实现最佳性能[1]。随着越来越多的人意识到气候变化是由温室气体排放引起的，因此必须立即采取行动避免对后代造成危险的后果[ 2 ]。建筑是一个主要的能源消费者，因此它们对环境的潜在影响是相当大的，而且低能耗建筑的应用也是最重要的[2]。在过去的十年中，一个全玻璃幕墙的建筑已经成为迪拜的象征。每个外墙大面积的玻璃都需要防过热和夏天的太阳眩光。最近的研究[ 1 ]强调，设计不当，加上选择不佳的玻璃类型，不仅有可能导致建筑室内环境采光差，而且对疲劳，失眠，季节性情感障碍有显着影响，尤其是增加了二氧化碳排放。 这对于医院建筑来说，将成为一个更重要的问题，因为他们必须服务和支持许多不同的用户和利益相关者。可持续建筑的目标是在具有最小能量消耗的房间中实现热，视觉和声学的舒适度。这对于节能和用户的健康非常重要。因此，建筑物表皮的最重要的功能之一是控制物理环境因素，例如光和热，以便为让用户（主要是医生和患者）理解在最低水平的能量消耗下所定义的舒适条件。

2.文献综述

2.1.通过改造实现能源减少

越来越明显的是，通过改造建筑来减少能源需求成为一个优先选项[3]。最近的研究表明，在某些情况下，精心的设计改造可以实现高达百分之五十的能源减少[4]。有人认为，建筑围护毫无疑问是实现节能和低碳改造的最重要的机会。然而，一些最近的办公楼外墙改造研究，提出了反对概念，因为实现的能量减少不像文献所阐述的那样显著。当考虑碳减排时，由于特定的研究地理背景的不同，能量组合和转化因子的改进变得微不足道。研究还指出，对于“可持续性”或“环境友好”的改造，在某种程度上，额外的绝缘材料，高性能的DGUs和遮阳设备是失败的[5]。由于建筑屋顶被认为是建筑表皮的一部分，一些节能策略，如绿色屋顶，已被证明能够导致能耗减少。最近关于在干燥的地中海大陆性气候区域应用绿色屋顶的研究表明，它们的传热系数（U值）从0.97降低到1.40 W /（m2 K）[6]。另一项研究[7]证明，在建筑物围护的早期设计阶段，特别是重新思考加热，冷却和照明能量的性能分析可以使任何类型的建筑物都能大量节能。

2.2.阿联酋的现状

在海湾地区进行的以往研究[8]表明，由于过度使用玻璃幕墙，采光系数非常高，阿联酋的建筑物是不可持续地的。本研究涵盖了最近建成的高层办公楼，评估所选择的玻璃是否为IES标准所提供的建议日光因子（DF）和日光水平（DL）。结果[8]显示，玻璃在中等和低性能群体的70％的建筑中被滥用，这导致更多的能量消耗。阿联酋自2006年以来一直是第一个采取可持续发展绿色标准的国家。阿联酋绿色建筑委员会（Emirates GBC）[8]负责在炎热的气候国家，如阿联酋，鼓励可持续发展规范，以改善建筑物的室内环境质量，减少能源消耗和保护环境。这形成了一个可持续的未来计划的设计，使阿联酋在2015年成为一个可持续发展的国家。在阿联酋政府的赞助下完成的努力包括出版绿色建筑规章和规范[10]。其重点是设计可持续建筑的主要考虑因素。条例强调了不同的建筑功能，其中包括医疗设施。关于可持续发展的问题，阿联酋的报纸发表了关于阿联酋五十二个公共协会的城市水和环境决议，指示他们对他们的建筑应用绿色法规[11]。这些决议集中在改善工程服务，包括照明和暖通空调的性能，以减少建筑物的能源消耗。

2.3.为什么选择医院建筑？

研究建筑围护结构对于阿联酋所有类型的建筑和医院建筑都至关重要，因为越来越多的医院对可持续的医疗设计方案越来越感兴趣。

不幸的是，最近的政府决议没有注意到围护结构设计在改善健康环境方面的重要性，特别是在现有建筑物方面。在高能耗方面最敏感的环境之一是医院。阿布扎比卫生局发布了医院法规和规范，旨在专注于医院建筑工的程服务、建筑用途、循环功能。因此，在这样敏感的规范上突出建筑围护结构的重要性是罕见的，这证实了这项研究的重要性[12]。因此，该项目将主要侧重于改善医院的现有围护结构及其对热舒适和能耗的影响。该研究将评估Al Cornich医院作为一个案例研究，同时提出了依赖于ASHRAE标准的改善围护结构性能解决方案。

3.研究方法

建筑围护结构起到了保护住户免受外部环境干扰和控制室内环境以保持室内热舒适条件和能量效率的关键作用。 [14]。

许多最近发表的论文已经使用模拟软件来评估建筑围护结构，如墙体和屋顶保温，窗户玻璃阴影和面积和热质量属性，达到减少能源消耗目的。 [15]。

如前所述，在阿联酋的医院建筑被选择作为这项研究的案例研究。作为主要目标，借助建筑图纸和多次实地考察，对医院进行了彻底分析，结果形成了“基础案例”。基本情况作为许多建筑表皮重新设计建议的参考点，包括对玻璃、墙壁和屋顶的改变。该项目在很大程度上依赖于IES模拟软件来评估前后的性能。策略包括使用绿色屋顶作为隔热和推荐可持续发展的特点，可以有助于减少热增益。关于选定的软件，IES被认为是可用于评估和调查适宜的生物气候策略的最强大的软件之一。它是用户认可、国际上被接受最为领先的模拟工具之一，并已在全球范围内使用。它包括一组集成分析工具，可以调查一个建筑的能源性能[16]。 2009年的一项研究表明，IES VE模拟软件被列为十个软件模拟和建模程序中最好的，并且有85％体现在是对用户友好的软件上，提供根据用户的能力创建空间、活动和一般热性能的模板，显示了程序的强大和能力。IES不仅被认为是可以在概念和设计开发阶段使用的工具，而且还是一个可以在设计开发和设计优化阶段用于详细分析的工具[17]。输出是冷却能量需求/冷却负载，需要考虑具有恒定设定点的理想系统。IES具有进行此研究模拟所需的大多数建筑材料，并且结果将有助于表示现有状态和可能的改进。IES软件被学术界和实践者广泛使用。最近发表的论文采用IES仿真工具作为评估建筑物表皮的主要工具。例如，一项研究[18]分析了办公室翻新的双皮层外墙的生命周期的能量和碳排放评估。另一篇研究论文[19]预测在巴西气候下具有双层外墙的自然通风办公楼中的热接收。

3.1.阿布扎比 - 气候分析

阿联酋以热带和干旱气候而闻名，但阿拉伯海湾海岸的阿布扎比位置显示了微观层面的天气差异。温度，湿度和太阳辐照度是阿联酋最有影响力的气候因素，国家统计局[13]记录了8月最高年平均温度为44°C，1月最低气温只有13°C。 12月最高相对湿度平均为百分之八十四，而五月份的最低相对湿度为百分之十三。 图1提供了关于常用气候因素的更多细节。

3.2.改造范围

建筑围护结构是这次改造研究的主要目标。首先，快速定义建筑物的当前状况，然后将在其新条件中改进和评估每个元素。最后，将通过集成所有新的设计元素来分析新的改进策略。 为了验证所使用的软件，从安装在医院屋顶上的气象站获得实际温度读数。 一年中，将结果与来自IES软件的天气数据进行比较。 图2示出示出了实际测量和综合气象数据之间的最小的差异。

3.3.选定的医院建筑

Al Cornich医院是该国历史最悠久、规模最大的产妇和新生儿的医院（图3和图4）。 五个病房位于不同的楼层，可容纳300张病床，而一楼用于公共服务，并有公用设施面积。更详细的，一楼包括X射线部门，实验室，门诊区，药房，诊所，洗衣房和厨房。二楼包括行政办公室，病房A和B，图书馆和主护理单位。三楼包括D区和C区（高产前部），一个特殊护理婴儿单位和手术室。 四楼有病房，皇家套房，正常的护理单位和HVAC冷冻室。 图4示出了用于模拟研究的所选区域。

Al cornich医院要想成为一个绿色建筑面临着许多挑战，主要是因为它的旧设计和工程服务系统。在2008年，一些通过改造提高性能的限制出现在暖通空调和建筑表皮规范中。本研究将主要集中在改善建筑表皮，通过分析建筑方向和当前设计，同时应用解决方案以改善建筑性能和减少能量消耗。即使建筑朝向是东北方向，所有的窗户都很小，完全被砖墙遮蔽。考虑到热增益是这种炎热气候的主要问题，有必要在8月 - 这一年最热的月份审查气候因素。值得一提的是，8月的降水量只有1.5毫米，平均日长为13小时。平均气温为34°C，平均相对湿度为63％，绝对最大风速为18.0公里/小时。选定的区域在四楼，具有南北轴线的优势，有一个屋顶，在北面和南面都有合理数量的玻璃窗。

3.4.模拟输入和假设

所有分析中使用的外部结构与建议的基线建筑相同。在进行建筑分析时，重要的是使用剖面图并获得代表医院建筑物如何在现实中使用的特征。国家计算方法（NCM）活动数据库被用作内部增益假设的起始点，涉及根据当前医院入住密度和设备增益进行分析的调查。分析中使用的概况基于调查结果。对于能量分析，假设每人每秒10升的最小新鲜空气供应，并且将阿布扎比的实际天气数据集成到IES模拟工具中。根据良好实践标准建造的自然通风建筑，根据CIBSE TM23：2000中的计算假定建筑物的入渗率为0.1 ach。现场没有天然气，所以电空调是主要的冷却源。WC和淋浴都具有提取物通风，仅具有0.8W / l / s的特定风扇功率。表1总结了用于IES模拟的案例研究和边界条件的规范。

表格1

用于IES模拟的案例研究和边界条件的规范。

3.5.ASHRAE小型医院的先进节能设计

本研究将使用ASHRAE高级能源设计为小型医院和医疗设施设计指南[20]。ASHRAE提供关于改善现有的小型医疗保健设施的指南，限于27432平方米。该研究显示了先进的解决方案，以尽量减少百分之三十的建筑能耗，相信它通过改进以后能成为一个零能耗建筑。本研究将围护结构，照明和暖通空调系统作为实现绿色能源的主要关键因素，同时将其与北美的气候条件相关联。建筑围墙被分为墙壁，屋顶和玻璃窗。因此，本研究将遵循与ASHRAE相同的分类，同时显示在热气候下测试这些解决方案的优先级。在这里值得一提的是，医院建筑根据阿联酋标准在十九世纪八十年代建造，传统建筑系统甚至不包括预制墙壁。

4.结果

4.1.基本情况

一般来说，建筑受到敏感（与材料传导，对流和辐射有关）和潜热（与湿度有关）的影响。由于这些原因，本研究将主要集中在分析热能，特别是建筑围护层的热增益能力，将不考虑能源空调负荷。应该注意的是，默认冷却HVAC用于本研究，而冷却继续，没有特殊的配置文件作为医院的旧HVAC示意性建议。当考虑外表皮时，仿真过程中也触及内部增益，占用，家具，设备和照明。然而，它们不是这一研究的主要焦点。在冷却模式中，显热是主要考虑因素，潜热效应低到可以忽略不计。考虑与阿布扎比气候相关的建筑围护结构的所有有效参数，如图6 分析了8月的参数。该图考虑了直接太阳辐射，干球温度和相对湿度率作为该试验的有效气候因素。

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