滕佳穎，李明月，王 婉，慕曉飛

（吉林建筑大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130118，E-mail：jiaying1016@foxmail.com）

我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)供熱周期長(zhǎng)達(dá)約6 個(gè)月，隨著居民生活質(zhì)量的提高，典型住宅建筑的能耗需求逐年增加，嚴(yán)寒地區(qū)典型住宅建筑節(jié)能減排技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，被動(dòng)技術(shù)的優(yōu)化已逐步成為推動(dòng)節(jié)能減排，提高室內(nèi)舒適度的關(guān)鍵路徑。但是在不同的氣候區(qū)域，被動(dòng)技術(shù)的節(jié)能應(yīng)用效果存在一定的差異[1]，被動(dòng)節(jié)能技術(shù)是不借助機(jī)械設(shè)備與周邊環(huán)境進(jìn)行能量交換的技術(shù)形式，無(wú)法根據(jù)環(huán)境的變化主動(dòng)調(diào)節(jié)，具有被動(dòng)適應(yīng)的特點(diǎn)，因此受氣候的影響比較明顯[2]，尤其是通風(fēng)和遮陽(yáng)兩種技術(shù)的節(jié)能效果受氣候影響較為明顯，因此尋求最適宜嚴(yán)寒地區(qū)典型住宅建筑的被動(dòng)技術(shù)成為有待解決的問(wèn)題。

目前，眾多學(xué)者對(duì)建筑的被動(dòng)技術(shù)展開(kāi)了研究，如有學(xué)者從理論上分析了不同氣候地區(qū)被動(dòng)建筑節(jié)能技術(shù)的實(shí)用性[3~5]，被動(dòng)技術(shù)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用可降低建設(shè)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益[6]，從通風(fēng)、遮陽(yáng)和蒸發(fā)降溫的角度，研究被動(dòng)節(jié)能技術(shù)的適老性設(shè)計(jì)[7]，提出被動(dòng)優(yōu)先的校園建筑節(jié)能設(shè)計(jì)[8]，研究表明合理優(yōu)化窗墻比[9~11]和圍護(hù)結(jié)構(gòu)[12~15]，可有效降低建筑的能源消耗。此外，有學(xué)者針對(duì)通風(fēng)和遮陽(yáng)技術(shù)，展開(kāi)室內(nèi)舒適度和節(jié)能效果的研究[16~18]。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于嶺南地區(qū)，利用建筑互相的遮擋、外窗自身遮陽(yáng)構(gòu)件可降低太陽(yáng)輻射得熱，改善室內(nèi)舒適度，加強(qiáng)自然通風(fēng)，可提高住宅生態(tài)性[2]。對(duì)于夏熱冬暖地區(qū)，對(duì)既有居住建筑加設(shè)遮陽(yáng)構(gòu)件，能夠較好地達(dá)到節(jié)能改造目的[19]，另外自然通風(fēng)和遮陽(yáng)擋板在夏熱冬暖地區(qū)可明顯改善室內(nèi)熱環(huán)境，降低建筑能耗[20]。

本文基于嚴(yán)寒地區(qū)（長(zhǎng)春）典型住宅建筑的仿真模型，從5 種通風(fēng)方式和10 種遮陽(yáng)方式著手，深入分析各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)方案的節(jié)能率，明確嚴(yán)寒地區(qū)典型住宅建筑被動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化方向，為嚴(yán)寒地區(qū)典型住宅建筑的被動(dòng)技術(shù)優(yōu)化提供理論和方法的指導(dǎo)。

1 研究案例及研究方法

1.1 研究典型案例

本文選取位于嚴(yán)寒地區(qū)（長(zhǎng)春）的典型住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仿真模型，探討嚴(yán)寒地區(qū)住宅建筑關(guān)鍵能耗影響因素及其被動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)方案的節(jié)能率。研究案例為三層住宅建筑的仿真模型，框架結(jié)構(gòu)，總建設(shè)面積701.68 m2，基于Designbuilder 的手繪仿真模型如圖1 所示，包括三維立體圖和一層建筑平面圖。

圖1 基于Desginbuilder 手繪仿真模型

1.2 研究流程

基于嚴(yán)寒地區(qū)住宅建筑仿真模型，典型住宅建筑關(guān)鍵能耗影響因素、被動(dòng)技術(shù)方案的綜合節(jié)能率的具體研究流程如圖2 所示。

（1）運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真方法，構(gòu)建嚴(yán)寒地區(qū)典型住宅建筑仿真模型，分析典型住宅建筑能耗結(jié)果，明確典型住宅建筑關(guān)鍵能耗影響因素。

圖2 研究流程

（2）提出15 種典型被動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)方案（改變通風(fēng)及遮陽(yáng)設(shè)計(jì)參數(shù)），分別仿真分析各個(gè)方案運(yùn)營(yíng)期采暖能耗、全年總能耗。

（3）深入探討通風(fēng)和遮陽(yáng)技術(shù)方案節(jié)能率，綜合節(jié)能率以及提高嚴(yán)寒地區(qū)典型住宅建筑節(jié)能率的管理措施及建議。

2 典型住宅建筑能耗仿真及關(guān)鍵能耗影響因素研究

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)方案（T）

研究案例初始設(shè)計(jì)方案如表1 所示。

表1 初始設(shè)計(jì)參數(shù)方案（T）

2.2 典型住宅建筑能耗仿真結(jié)果

基于圖1 仿真模型及表1 初始設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用Designbuilder 仿真分析，得到如圖3 所示能耗仿真結(jié)果，主要包括采暖、房間用電、照明用電、設(shè)備用電、生活熱水用電5 個(gè)能耗影響因素。圖3 顯示12 個(gè)月各個(gè)能耗影響因素用電量變化趨勢(shì)。嚴(yán)寒地區(qū)長(zhǎng)春四季分明，春季較短，干燥多風(fēng)，夏季溫?zé)岫嘤?，炎熱天氣不多，且持續(xù)時(shí)間較短，秋季涼爽，日夜溫差大，冬季漫長(zhǎng)且較冷。因此，此地區(qū)典型住宅夏季多采用自然通風(fēng)，并不存在制冷能耗，而冬季典型住宅的采暖能耗需求較大。

2.3 典型住宅建筑關(guān)鍵能耗影響因素分析

基于典型住宅建筑能耗仿真結(jié)果（見(jiàn)表2），利用帕累托分析法（20/80 定律），分析典型住宅建筑關(guān)鍵能耗影響因素。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，可從圖4 清晰看出80%的能耗主要來(lái)源，針對(duì)典型住宅建筑的這些關(guān)鍵能耗影響因素采取一定節(jié)能（技術(shù)）措施，能夠達(dá)到高效節(jié)能的目的。

圖3 能耗仿真結(jié)果

表2 能耗關(guān)鍵影響因素

圖4 顯示嚴(yán)寒地區(qū)典型住宅建筑關(guān)鍵能耗影響因素來(lái)自三方面：采暖、生活熱水和設(shè)備用電能耗，達(dá)到86.62%，其中接近80%的能耗來(lái)自于采暖和生活熱水，采暖能耗達(dá)到66.87%，因此對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)典型住宅建筑節(jié)能重點(diǎn)在于降低采暖能耗。說(shuō)明在嚴(yán)寒地區(qū)典型住宅被動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以適當(dāng)減少對(duì)制冷能耗問(wèn)題的考慮，重點(diǎn)解決冬季采暖能耗需求高的問(wèn)題。

圖4 能耗貢獻(xiàn)度分析

被動(dòng)技術(shù)是目前廣泛應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)，且所需增量成本較低，如改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)，通風(fēng)及遮陽(yáng)方案等。我國(guó)《民用建筑節(jié)能條例》第28 條規(guī)定：實(shí)現(xiàn)既有建筑節(jié)能改造，應(yīng)符合民用建筑節(jié)能強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)先采用遮陽(yáng)、改善通風(fēng)等低成本措施。因此本文著重研究通風(fēng)及遮陽(yáng)方案對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)采暖能耗的節(jié)能效果，分析這兩種被動(dòng)技術(shù)是否適合嚴(yán)寒地區(qū)節(jié)能改造。

3 住宅建筑通風(fēng)及遮陽(yáng)技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)方案

3.1 通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)的變動(dòng)方案

通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)變動(dòng)方案如表3 所示，共包括5種變動(dòng)方案，借助Designbuilder 仿真工具，在典型住宅建筑模型（見(jiàn)圖1）和初始設(shè)計(jì)方案（見(jiàn)表1）的基礎(chǔ)上，逐一改變通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)，展開(kāi)5 次仿真模擬，為深入探討5 種通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)方案的節(jié)能率提供數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。

表3 通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)的變動(dòng)方案

3.2 遮陽(yáng)設(shè)計(jì)參數(shù)的變動(dòng)方案

遮陽(yáng)方式設(shè)計(jì)參數(shù)變動(dòng)方案如表4 所示，借助Designbuilder 仿真工具，在典型住宅建筑模型（見(jiàn)圖1）和初始設(shè)計(jì)方案（見(jiàn)表1）的基礎(chǔ)上，逐一改變遮陽(yáng)設(shè)計(jì)參數(shù)，展開(kāi)10 次仿真模擬，為深入探討10 種遮陽(yáng)設(shè)計(jì)參數(shù)方案的節(jié)能率提供數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。

表4 遮陽(yáng)設(shè)計(jì)參數(shù)的變動(dòng)方案

4 通風(fēng)及遮陽(yáng)設(shè)計(jì)參數(shù)方案的節(jié)能率仿真結(jié)果及分析

4.1 通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)方案節(jié)能率分析

基于DesignBuilder 能耗仿真平臺(tái)，分析得到初始方案（T），5 種通風(fēng)技術(shù)方案（P1~P5）的采暖能耗、建筑總能耗，總能耗節(jié)能量，并對(duì)5 種通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)方案的節(jié)能率展開(kāi)分析與統(tǒng)計(jì)計(jì)算，具體結(jié)果如表5 所示。

表5 不同通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)方案的節(jié)能率

變化不同的通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)方案，確實(shí)能夠降低采暖能耗和全年總能耗，但是并沒(méi)有呈現(xiàn)顯著降低的趨勢(shì)，不同通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)方案對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)典型住宅建筑的節(jié)能效果并不明顯，P1~P5 的節(jié)能率僅為0.03%，且P1~P5 節(jié)能率并沒(méi)有變化，充分說(shuō)明改變通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)方案對(duì)住宅建筑節(jié)能并不敏感。主要原因是在嚴(yán)寒地區(qū)，冬季采暖期較長(zhǎng)，雖然改變通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)方案可使室內(nèi)溫度滿足舒適要求，營(yíng)造良好的室內(nèi)環(huán)境，但是室內(nèi)外空氣流通，并不能明顯改善住宅建筑的采暖能耗。

通風(fēng)方式分為自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)兩大類(lèi)。仿真結(jié)果表明自然通風(fēng)方式更適合嚴(yán)寒地區(qū)典型住宅建筑，主要是由于自然通風(fēng)是由于溫差引起的熱壓和建筑物外氣流引起的風(fēng)壓，不需要借助風(fēng)機(jī)的動(dòng)力，這樣更加經(jīng)濟(jì)。因此，建議嚴(yán)寒地區(qū)典型住宅在進(jìn)行被動(dòng)節(jié)能設(shè)計(jì)的時(shí)候，充分利用建筑物的自然通風(fēng)，滿足人體熱舒適性的要求。當(dāng)自然通風(fēng)動(dòng)力不足時(shí)，可適當(dāng)減少窗扇的局部阻力系數(shù)來(lái)強(qiáng)化自然通風(fēng)。

4.2 遮陽(yáng)設(shè)計(jì)參數(shù)方案節(jié)能率分析

基于DesignBuilder 能耗仿真平臺(tái)，分析得到初始方案（T），10 種通風(fēng)技術(shù)方案（Z1~Z10）的采暖能耗、建筑總能耗，總能耗節(jié)能量，并對(duì)10 種遮陽(yáng)設(shè)計(jì)參數(shù)方案的節(jié)能率展開(kāi)分析與統(tǒng)計(jì)計(jì)算，具體結(jié)果如表6 所示。

變化不同的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)參數(shù)方案，節(jié)能率均呈現(xiàn)負(fù)值，并不能降低采暖能耗和全年總能耗，反而呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)。雖然遮陽(yáng)可提高光舒適度，降低夏季室內(nèi)得熱，提高室內(nèi)舒適度，但是針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)，夏季溫度適中，冬季采暖期較長(zhǎng)的氣候特征，不恰當(dāng)?shù)恼陉?yáng)會(huì)減少冬季室內(nèi)得熱，增加采暖負(fù)荷。因此選擇不恰當(dāng)?shù)恼陉?yáng)方式不如不設(shè)置遮陽(yáng)。

增加遮陽(yáng)設(shè)施屬于被動(dòng)節(jié)能設(shè)計(jì)，增量成本較低，遮陽(yáng)對(duì)遮擋太陽(yáng)輻射得熱的效果比較明顯，對(duì)防止室內(nèi)溫度上升有明顯作用，但是遮陽(yáng)設(shè)施對(duì)節(jié)能的影響受多方面因素影響，比如建筑類(lèi)型和地區(qū)氣候等，不同氣候地區(qū)的建筑應(yīng)權(quán)衡遮陽(yáng)設(shè)施所帶來(lái)的節(jié)能率，合理選用。針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)典型住宅建筑仿真模型仿真結(jié)果顯示，改變不同的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)參數(shù)方案并不能帶來(lái)明顯的節(jié)能率，甚至?xí)苯釉黾硬膳?fù)荷，因此建議不設(shè)置遮陽(yáng)，最大限度節(jié)約住宅節(jié)能建筑的增量成本。

表6 不同遮陽(yáng)設(shè)計(jì)參數(shù)方案的節(jié)能率

4.3 綜合節(jié)能率分析及節(jié)能管理措施

節(jié)能率表示參數(shù)變動(dòng)后的模型與初始模型仿真能耗之差（即節(jié)能量）和初始模型仿真能耗之間的比值，反映參數(shù)的節(jié)能效果，取值越高，說(shuō)明優(yōu)化通風(fēng)和遮陽(yáng)設(shè)計(jì)參數(shù)方案能夠帶來(lái)的建筑全年能耗變化越大，能耗改變效果越明顯。根據(jù)上述通風(fēng)及遮陽(yáng)設(shè)計(jì)參數(shù)方案的節(jié)能率分析，可得到節(jié)能率最高的通風(fēng)和遮陽(yáng)設(shè)計(jì)參數(shù)技術(shù)方案，進(jìn)而，統(tǒng)計(jì)得到通風(fēng)和遮陽(yáng)設(shè)計(jì)參數(shù)方案的綜合節(jié)能率為0.03%，如表7 所示。

表7 最優(yōu)方案的綜合節(jié)能率

表7 顯示，當(dāng)在嚴(yán)寒地區(qū)典型住宅建筑初始設(shè)計(jì)參數(shù)方案的基礎(chǔ)上，修改通風(fēng)及遮陽(yáng)設(shè)計(jì)參數(shù)技術(shù)方案后，能夠達(dá)到的綜合節(jié)能率僅為0.03%。充分表明嚴(yán)寒地區(qū)典型住宅更適合初始的自然通風(fēng)及無(wú)遮陽(yáng)被動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)方案。

嚴(yán)寒地區(qū)住宅建筑被動(dòng)設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格遵循節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在提高被動(dòng)節(jié)能意識(shí)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)被動(dòng)設(shè)計(jì)方案的仿真分析，深入探討不同被動(dòng)技術(shù)，如自然通風(fēng)和遮陽(yáng)技術(shù)在不同氣候地區(qū)的適宜性，而不應(yīng)盲目使用低成本被動(dòng)技術(shù)。針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)典型住宅建筑，建議應(yīng)選在便于自然通風(fēng)的位置，充分利用自然通風(fēng)，減少夏季風(fēng)扇或空調(diào)能耗。門(mén)窗應(yīng)布置在避風(fēng)和向陽(yáng)位置，能滿足基本的通風(fēng)和采光即可。

為了實(shí)現(xiàn)更高水平的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)寒地區(qū)典型住宅建筑，應(yīng)采用因地制宜的被動(dòng)技術(shù)，充分應(yīng)用“被動(dòng)優(yōu)先，主動(dòng)優(yōu)化，持續(xù)發(fā)展，經(jīng)濟(jì)適用”的建設(shè)節(jié)能管理模式，在顯著改善建筑室內(nèi)舒適度，提高節(jié)能率的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步推進(jìn)嚴(yán)寒地區(qū)低能耗建筑的可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

基于嚴(yán)寒地區(qū)典型住宅建筑仿真模型，深入分析了5 種通風(fēng)和10 種遮陽(yáng)參數(shù)設(shè)計(jì)方案的節(jié)能率?；趪?yán)寒地區(qū)典型住宅建筑關(guān)鍵能耗影響因素分析，可知住宅建筑66.87%的能耗來(lái)自于采暖能耗，嚴(yán)寒地區(qū)節(jié)能重點(diǎn)在于降低采暖能耗。因此，在嚴(yán)寒地區(qū)典型住宅被動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以適當(dāng)減少對(duì)制冷能耗問(wèn)題的考慮，重點(diǎn)解決冬季采暖能耗需求大的問(wèn)題。

改變嚴(yán)寒地區(qū)典型住宅建筑仿真模型的通風(fēng)及遮陽(yáng)設(shè)計(jì)參數(shù)方案，節(jié)能潛力并不明顯。因此，通風(fēng)及遮陽(yáng)設(shè)計(jì)參數(shù)改造方案不建議作為嚴(yán)寒地區(qū)住宅建筑被動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化的重點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)更高水平的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)采用因地制宜的被動(dòng)技術(shù)，運(yùn)用“被動(dòng)優(yōu)先，主動(dòng)優(yōu)化，持續(xù)發(fā)展，經(jīng)濟(jì)適用”的建設(shè)節(jié)能管理模式。充分利用自然資源（自然通風(fēng)、采光），圍護(hù)結(jié)構(gòu)（墻體保溫、門(mén)窗密閉性）降低節(jié)能率，合理輔助利用再生資源（光能、風(fēng)能），經(jīng)濟(jì)、合理、高效降低嚴(yán)寒地區(qū)住宅能耗，確保良好的居住環(huán)境。本文研究成果為有針對(duì)性降低嚴(yán)寒地區(qū)住宅建筑能耗提供了一定的實(shí)踐性指導(dǎo)，對(duì)推進(jìn)嚴(yán)寒地區(qū)被動(dòng)技術(shù)參數(shù)優(yōu)化具有重要參考意義。