胡達(dá)明

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南方地區(qū)居住建筑節(jié)能65%目標(biāo)的可行性探討及技術(shù)分析

胡達(dá)明

福建省建筑科學(xué)研究院

該文首先選取南方地區(qū)典型建筑模型，采用DOE-2軟件對建筑進(jìn)行全年能耗模擬，比較分析得出了影響建筑能耗的主要因素，并針對關(guān)鍵因素進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化。而后在建筑節(jié)能50%參照建筑的基礎(chǔ)上，探討配合空調(diào)設(shè)備的能效比及圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的改善來實現(xiàn)建筑節(jié)能65%，并進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)分析。

建筑節(jié)能 南方地區(qū) 圍護(hù)結(jié)構(gòu) 節(jié)能65%

1 背景

我國的建筑節(jié)能工作是由北向南逐漸推進(jìn)的，南方地區(qū)的建筑節(jié)能工作起步較晚。北方從上世紀(jì)八十年代就開始抓建筑節(jié)能，而南方到2003年10月1日起實施《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 75-2003）（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》），為實現(xiàn)建筑節(jié)能50%，對建筑外墻的熱工性能指標(biāo)作出了明確的規(guī)定，使得今后新建、改建和擴建的住宅建造得更科學(xué)、居住起來更舒適[1]

國家擬定的建筑節(jié)能三步走的目標(biāo)是：在20世紀(jì)80年代建筑能耗水平基礎(chǔ)上，第一步要求新建建筑比20世紀(jì)80年代房屋節(jié)能30%，第二步要求節(jié)能50%，第三步實現(xiàn)節(jié)能65%。目前北京、天津等地已經(jīng)率先開始實行65%的節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。試點工程證明，我國的建筑節(jié)能還有很大的潛力[2～3]。在這種形勢下，南方地區(qū)的建筑節(jié)能正處于第2階段，在今后的幾年中將不可避免地實現(xiàn)節(jié)能65%的第三步目標(biāo)。

2 節(jié)能因素分析

建筑節(jié)能的目標(biāo)主要由改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能和提高空調(diào)采暖設(shè)備效率來分擔(dān)。目前南方地區(qū)建筑節(jié)能材料發(fā)展已經(jīng)取得長足進(jìn)步，空調(diào)設(shè)備性能明顯提高，這為實現(xiàn)建筑節(jié)能65％的目標(biāo)提供了必要條件。

2.1 節(jié)能50%建筑

分析建筑節(jié)能50％條件下各種節(jié)能因素的影響對研究節(jié)能65％有很好的借鑒作用。根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》，“基準(zhǔn)建筑”是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)成、傳熱系數(shù)以及換氣次數(shù)，都按照以往傳統(tǒng)做法的建筑；“參照建筑”是用來進(jìn)行對比評定的假想節(jié)能建筑，該建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)滿足本《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的指標(biāo)要求，因此是符合節(jié)能50%要求的建筑。

圖1 基準(zhǔn)建筑外形

選定一典型住宅建筑作為南方地區(qū)能耗分析的基準(zhǔn)建筑與參照建筑，見圖1。這一住宅建筑的概況見表1。

把基準(zhǔn)建筑與參照建筑模型置于夏熱冬暖地區(qū)廣州、福州、柳州、南寧和湛江地區(qū)氣候條件下，采用DOE-2能耗計算分析軟件進(jìn)行計算，可知，與基準(zhǔn)建筑相比較參照建筑的能耗有明顯降低，節(jié)能效率為48.43%～53.71%不等，平均節(jié)能率為50.34%，與節(jié)能50％的目標(biāo)相差不大，驗證了按照《標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定性指標(biāo)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能50％的目標(biāo)。同時通過模擬還可以得出，雖然都地處夏熱冬暖地區(qū)，但是其能耗構(gòu)成上存在地域差異，如：廣州、湛江空調(diào)能耗占全年能耗比重很大；而福州的采暖能耗比重較大，甚至超過了空調(diào)能耗。從這一點上，可以看出，夏熱冬暖不同地區(qū)，建筑節(jié)能存在一定程度的差異。

表1 基準(zhǔn)建筑與參照建筑概況

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)對能耗的影響

對于基準(zhǔn)建筑和參照建筑，分別采用節(jié)能型圍護(hù)結(jié)構(gòu)及傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，得出各自的節(jié)能率，見表2。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率分析

通過建筑能耗模擬，可以得出在節(jié)能50%的條件下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)對建筑節(jié)能率的影響分別為：屋面2.99%～4.59%；門窗11.48%～21.50%；外墻12.48%～21.32%?？梢钥闯鲩T窗和外墻為南方地區(qū)建筑節(jié)能的重中之重。

2.3 外窗對能耗的影響

圖2 門窗綜合遮陽系數(shù)對節(jié)能率的影響

圖3 門窗K對節(jié)能率的影響

在北方地區(qū)，門窗的熱工性能很大程度體現(xiàn)在傳熱系數(shù)上，而在南方地區(qū)，由于緯度低，太陽輻射較強，不能單靠傳熱系數(shù)來衡量門窗的性能[4～5]，還應(yīng)該充分考慮綜合遮陽系數(shù)，其對節(jié)能率的影響見圖2、3?？梢钥闯?，除了福州以外的地區(qū)，傳熱系數(shù)已經(jīng)不再是影響門窗節(jié)能性能的首要指標(biāo)，而綜合遮陽系數(shù)是傳熱系數(shù)對節(jié)能率的影響的2.2～5.4倍，故綜合遮陽系數(shù)的減小對南方地區(qū)建筑節(jié)能率的提高起著至關(guān)重要的作用。

3 節(jié)能65%條件下技術(shù)措施分析

在以上的分析中，南方地區(qū)建筑節(jié)能的關(guān)鍵因素為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能主要為門窗和外墻的熱工性能的改善。所以要節(jié)能65%，門窗和外墻的節(jié)能措施是首要問題。但是單純通過改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能實現(xiàn)建筑節(jié)能65%，存在較大難度，而另一方面，空調(diào)設(shè)備和技術(shù)的不斷進(jìn)步使得人們在討論進(jìn)一步節(jié)能目標(biāo)時，可以考慮空調(diào)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)及南方地區(qū)空調(diào)采暖的現(xiàn)狀，即將空調(diào)能效比提高到3.0[6]，冬季采暖能效比提高到2.0[7]；同時考慮到參照建筑中門窗性能指標(biāo)的傳熱系數(shù)為3.5 W/(m2·K)已經(jīng)是比較高的要求，且對南方地區(qū)絕大部分地區(qū)而言，改善遮陽是門窗節(jié)能的關(guān)鍵，故考慮降低門窗的綜合遮陽系數(shù)來提高門窗熱工性能；另外建筑外墻節(jié)能采用降低其外墻傳熱系數(shù)來實現(xiàn)。

在參照建筑節(jié)能50%的基礎(chǔ)上，通過改善空調(diào)設(shè)備的能效比及門窗的熱工性能，得出外墻保溫性能與節(jié)能率的關(guān)系見圖4～7?？梢钥闯觯?) 隨著外墻傳熱系數(shù)的增加，節(jié)能率出現(xiàn)非線性增長，當(dāng)外墻傳熱系數(shù)增大到一定程度后，節(jié)能率曲線接近水平，說明此時一味地增加外墻熱阻并不能取得顯著的節(jié)能效果，相反，這樣做會提高節(jié)能成本[8－9]。2)對比分析圖4～7中福州、柳州的節(jié)能曲線與節(jié)能65%曲線的位置關(guān)系，可以看出，當(dāng)綜合遮陽系數(shù)小于0.6時，隨著其值的減小，北區(qū)節(jié)能率變化不明顯，說明北區(qū)建筑節(jié)能設(shè)計時該值不宜低于0.6。3) 在綜合遮陽系數(shù)比較大時，要達(dá)到節(jié)能65%，湛江、廣州兩地需配合性能較高的外墻，見圖4。而在綜合遮陽系數(shù)比較小時，外墻熱工性能指標(biāo)可以大大放寬。這表明在湛江、廣州兩地的節(jié)能必須在改進(jìn)外墻熱工性能的同時，改進(jìn)門窗綜合遮陽系數(shù)，后者顯得尤為重要。這是由于湛江、廣州兩地緯度較低，能耗受太陽輻射影響較大。4) 由分析結(jié)果不難得出，在參照建筑的基礎(chǔ)上實現(xiàn)建筑節(jié)能65%的目標(biāo)，外墻系數(shù)要達(dá)到表3的要求。

表3 節(jié)能65%的前提下對外墻傳熱系數(shù)K的要求[單位：W/(m2·K)]

注：表中Sw為外窗綜合遮陽系數(shù)，外窗傳熱系數(shù)取K＝3.5W/(m2·K)。

從以上的分析可以看出，南方地區(qū)建筑對外墻、外窗及空調(diào)采暖設(shè)備進(jìn)行節(jié)能改善可以達(dá)到節(jié)能65%，若能對建筑節(jié)能的其它影響因素進(jìn)一步進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，那么節(jié)能65%的目標(biāo)將更加容易實現(xiàn)。

4 結(jié)論

外墻和外窗的節(jié)能改善對南方地區(qū)建筑節(jié)能率的提高起著舉足輕重的作用，是建筑節(jié)能65%必須考慮的首要問題。在建筑節(jié)能50%的基礎(chǔ)上，要實現(xiàn)未來節(jié)能65%的目標(biāo)，應(yīng)該在充分考慮外墻熱工性能改善的同時，注重外窗綜合遮陽系數(shù)的改善，在南區(qū)該問題尤為突出。結(jié)合綜合遮陽系數(shù)的改善及空調(diào)設(shè)備性能的提高，提高外墻傳熱系數(shù)后，完全能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能65%的目標(biāo)。

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