武漢市居住建筑節(jié)能

武漢市居住建筑節(jié)能分析摘要：通過對武漢市居住建筑的建筑信息與能耗的調(diào)查，以武漢市某居住建筑為研究對象，采用Dest-h進行能耗模擬，研究居住建筑用能限值與實際能耗的誤差及原因；研究外圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、遮陽系數(shù)、換氣次數(shù)、建筑朝向、室內(nèi)空調(diào)供暖設(shè)備對居住建筑能耗的影響。結(jié)果表明：實際能耗遠(yuǎn)低于居住建筑用能限值的主要原因是空調(diào)間歇運行、居民開窗通風(fēng)、居民的忍受極限。降低外圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)、利用自然通風(fēng)、選擇好的遮陽形式、提高空調(diào)供暖系統(tǒng)能效比都會有好的節(jié)能效果。關(guān)鍵詞：居住建筑；輸入?yún)?shù)；節(jié)能；限值1引言據(jù)統(tǒng)計，截至2007年低，武漢城區(qū)房屋建筑542955棟，總占地面積10259.54萬㎡，總建筑面積31286.31萬㎡，其中武漢城區(qū)既有建筑19150.58萬㎡，住宅建筑11353.21萬㎡，人均住宅建筑面積為26.86㎡/人。既有建筑中95%以上是高能耗建筑；每年新建建筑800～1200萬㎡，節(jié)能建筑為10%左右。武漢市既有建筑的圍護結(jié)構(gòu)熱工狀況普遍較差，屋面：非透光部分屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.44～1.62W/（㎡·K），透光部分屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)一般為5.4～6.4W/（㎡·K）；外墻：傳熱系數(shù)為1.11～2.47W/（㎡·K）,240磚墻的傳熱系數(shù)為2.2～2.4W/（㎡·K）；地面：底部接觸室外空氣地面的傳熱系數(shù)1.0～3.63W/（㎡·K）；外窗：單層鋼窗的建筑居多，傳熱系數(shù)一般在6.4W/（㎡·K），圖1武漢市居民家庭每百戶空調(diào)器擁有量遮蔽系數(shù)一般大于0.8?？照{(diào)供暖以家用分體空調(diào)為主，也有部分居民用電取暖器，省直機關(guān)以集中供暖為主。圖1圖1武漢市居民家庭每百戶空調(diào)器擁有量國內(nèi)外已有大量的文獻(xiàn)討論居住建筑圍護結(jié)構(gòu)、窗墻比對能耗的影響，但基本是討論相對節(jié)能量變化，其模擬能耗值與實際能耗相差較大。筆者在武漢市居住建筑信息、能耗調(diào)查與測試的基礎(chǔ)上，以某居住建筑群為研究對象，運用清華大學(xué)研發(fā)的Dest-h能耗模擬軟件，通過不同節(jié)能手段（如利用自然通風(fēng)，改變遮陽形式，改變朝向、改變圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)等）以及改變空調(diào)供暖運行時間的模擬比較，研究武漢市居住建筑的節(jié)能措施，分析居民實際耗能與居住建筑節(jié)能綜合指標(biāo)限值[1]相差甚遠(yuǎn)的原因，為新建居住建筑節(jié)能與既有建筑節(jié)能改造提供依據(jù)。2建筑的信息和參數(shù)設(shè)置2.1建筑信息表1窗墻墻比朝向東南西北綜合窗墻比0.070.170.070.120.12該建筑群占地面積11273.86㎡，建筑面積74247.92㎡，共有10棟，均為條式單元住宅建筑，戶型分別為四室兩廳一廚兩衛(wèi)、三室兩廳一廚兩衛(wèi)，坐北朝南（偏東10○）。圖2為某棟建筑，其戶型為三室兩廳一廚兩衛(wèi)，總建筑面積為6820.14㎡，空調(diào)面積為4580.50㎡，層高為3.0m，共6+1層，一梯2戶，每層8戶，共48戶。一至五層戶型相同，都是三室兩廳一廚兩衛(wèi)，六層用戶帶有夾層房間。此建筑的體形系數(shù)為0.371，其窗墻比見表1。建筑立面圖和標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖2、圖3所示。2.2參數(shù)設(shè)定建筑能耗模擬的輸入?yún)?shù)主要有房間功能、內(nèi)部熱擾狀況、室內(nèi)環(huán)境控制參數(shù)、通風(fēng)次數(shù)、空調(diào)模式等的設(shè)定。1.圍護結(jié)構(gòu)圖2建筑立體圖（1）非節(jié)能型住宅:根據(jù)對武漢市居住建筑的調(diào)查、依照《居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（夏熱冬冷地區(qū)）宣貫教材》提供的上世紀(jì)80圖2建筑立體圖（2）節(jié)能型住宅:根據(jù)湖北省地方《居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[2]規(guī)定性指標(biāo)要求，取符合節(jié)能50％標(biāo)準(zhǔn)限值的熱工參數(shù)，兩種類型住宅建筑圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置見表2。圖3建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面圖2.圖3建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面圖表2建建筑圍護結(jié)結(jié)構(gòu)熱工參參數(shù)圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)（W/m2·K）傳熱系數(shù)限值（W/m2·K）普通非節(jié)能型住住宅外墻1.9042.0屋面1.451.5內(nèi)墻1.9892.00外窗6.4//SCC0.8556.4-節(jié)能型住宅外墻0.9871.0屋面0.7770.8內(nèi)墻1.9892.00外窗4.7/SC00.654.7/SC00.65住宅建筑的房間功能主要有客廳、餐廳、臥室、廚房、洗手間等。依據(jù)房間功能設(shè)置室內(nèi)人員、照明、設(shè)備以及空調(diào)供暖運行時間（廚房、洗手間為非供暖空調(diào)房間）。（1）人員熱擾設(shè)起居室和餐廳的人數(shù)為3人，主臥室的人數(shù)為2人，次臥室的人數(shù)為1人。人員在室率如下：·臥室：22:00～次日6:00，人員在室率100%?！た蛷d：工作日19:00～22:00，人員在室率60%；假日8:00～12:00、13:00～18:00,人員在室率60%,19:00～22:00，人員在室率100%。·餐廳：工作日7:00～8:00、18:00～19:00，人員在室率100%；假日7:00～8:00、12:00～13:00、18:00～19:00，人員在室率100%。（2）照明熱擾起居室、主臥室、次臥室、餐廳、廚房的照明密度為7W/㎡，衛(wèi)生間的照明密度為6W/㎡，樓梯間的照明密度為5W/㎡。房間照明的運行時間如下?！づP室：6:00～7:00、21:00～22:00?！た蛷d：19:00～22:00。·餐廳：18:00～19:00。·廚房：18:00～20:00?！ばl(wèi)生間：6:00～7:00、20:00～21:00。（3）設(shè)備熱擾房間的設(shè)備（不含分體空調(diào)）功率按4.3W/㎡來計算，房間設(shè)備的作息時間見表3。表3設(shè)備逐時使使用率房間類別時間123456789101112131415161718192021222324起居室工作日010節(jié)假日00.500.510書房工作日010節(jié)假日00.500.50廚房工作日00.5010.50節(jié)假日010100.510.50衛(wèi)生間工作日00.5010節(jié)假日00.50103.通風(fēng)次數(shù)空調(diào)器采暖和制冷時的換氣次數(shù)為1.0ac/h（滿足基本衛(wèi)生要求）。過渡季節(jié)換氣次數(shù)為7.0ac/h，即窗戶全部打開[3]～[6]。4.室內(nèi)環(huán)境控制參數(shù)與室外氣象參數(shù)空調(diào)室溫設(shè)定值為26℃，供暖室溫設(shè)定值為18℃；室內(nèi)相對濕度設(shè)定值為40%～60%。模擬計算所采用的武漢市典型氣象年數(shù)據(jù)是采用Medpha軟件生成的全年逐時氣象數(shù)據(jù)[7]。表4是武漢地區(qū)空調(diào)采暖高出或低于室內(nèi)設(shè)定參數(shù)的小時數(shù)。表4室外溫度度高出設(shè)定定值的小時時數(shù)月份1月2月3月5月6月7月8月9月11月12月比較參數(shù)<18℃>26℃<18℃小時數(shù)/h7446726334153795485942575857445.空調(diào)采暖系統(tǒng)運行模式表5空調(diào)供暖暖系統(tǒng)全年年運行時間間表季節(jié)系統(tǒng)工作時間供暖11月1日～次次年3月15日空調(diào)5月15日～10月月1日空調(diào)采暖系統(tǒng)運行必須同時滿足以下條件：·在表5所示的時間段?！な覂?nèi)溫度超過28℃（夏天）或者低于16℃（冬天）；·日運行時間與室內(nèi)人員同步。6.空調(diào)供暖能效比普通家用空氣源熱泵空調(diào)器，冬季采暖、夏季制冷?！す?jié)能型建筑：空調(diào)器制冷額定能效比取2.3，供暖額定能效比取1.9。·不節(jié)能型建筑：空調(diào)器制冷額定能效比取2.2，電取暖器能效比取1.0。表6不不同換氣次次數(shù)的能耗耗統(tǒng)計統(tǒng)計項目單位1.0次換氣1.5次換氣節(jié)能量/%建筑負(fù)荷面積指指標(biāo)全年最大熱負(fù)荷荷W/m2102.22114.4310.67%全年最大冷負(fù)荷荷W/m2101.01109.657.88%全年累計熱負(fù)荷荷kW·h/m2254.1065.7817.76%全年累計冷負(fù)荷荷kW·h/m2242.7250.3315.11%耗電量面積指標(biāo)標(biāo)-全年累計供暖耗耗電量kW·h/m2254.1065.7817.76%全年累計空調(diào)耗耗電量kW·h/m2219.4222.8815.12%供暖空調(diào)耗電量量kW·h/m2273.5288.6617.08%※空調(diào)器制冷額定定能效比取取2.2，電電取暖器能能效比取11。3模擬結(jié)果及分析3.1節(jié)能型住宅與非節(jié)能型住宅比較分析1.門窗密封性對能耗的影響設(shè)圍護結(jié)構(gòu)為普通非節(jié)能型建筑，換氣系數(shù)分別為1.0次、1.5次。全年負(fù)荷模擬結(jié)果見表6。從表6可以看出，當(dāng)換氣次數(shù)減少0.5次時，節(jié)能17.08%。因此，提高圍護結(jié)構(gòu)的密封性，可以減少供暖和空調(diào)耗電量，但室內(nèi)新風(fēng)量必須滿足室內(nèi)人員的健康要求。2.圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)對能耗的影響在1.0次換氣條件下，依據(jù)表1設(shè)置節(jié)能型住宅和非節(jié)能型住宅圍護結(jié)構(gòu)的輸入?yún)?shù)，其模擬結(jié)果見表7。從表7可知道，供暖節(jié)能量大于空調(diào)節(jié)能量，節(jié)能型住宅相對于非節(jié)能型住宅的節(jié)能率為29.47%，達(dá)到通過改變圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)節(jié)能25%左右的要求。3.空調(diào)采暖能效比對能耗的影響表8空調(diào)供暖設(shè)備能效比對能耗的影響。當(dāng)供暖設(shè)備能效比從1提高到1.9時，節(jié)能47.37%；當(dāng)空調(diào)設(shè)備能效比從2.2提高到2.3時，節(jié)能4.35%；共節(jié)能35.03%，滿足通過提高空調(diào)采暖設(shè)備能效比節(jié)能25%左右的要求。表7節(jié)能能住宅與非非節(jié)能住宅宅的能耗統(tǒng)統(tǒng)計統(tǒng)計項目單位節(jié)能住宅非節(jié)能住宅節(jié)能量建筑負(fù)荷指標(biāo)全年最大熱負(fù)荷荷指標(biāo)W/m287.59114.4323.46%全年最大冷負(fù)荷荷指標(biāo)W/m287.90109.6519.84%全年累計熱負(fù)荷荷指標(biāo)kW·h/m2243.7665.7833.47%全年累計冷負(fù)荷荷指標(biāo)kW·h/m2238.6850.3323.13%耗電量指標(biāo)累計供暖耗電量量kW·h/m2223.0334.6233.47%累計空調(diào)耗電量量kW·h/m2216.8221.8823.13%供暖空調(diào)耗電量量kW·h/m2239.8556.5029.47%※空調(diào)器制冷額定定能效比取取2.3，電電取暖器能能效比取11.9。表8空空調(diào)供暖能能效比對能能耗的影響響能效比1.91節(jié)能率供暖能耗/kkW·h/m223.0343.7647.37%能效比2.302.20供冷能耗/kkW·h/m216.8217.584.35%供暖空調(diào)能耗//kW··h/m239.8561.3435.03%表9是不同方式下所得到的空調(diào)供暖能耗。其中：①本文模擬的空調(diào)采暖能耗——簡稱模擬；②《湖北省居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)-50%》給出的限值——簡稱標(biāo)準(zhǔn)；③實際調(diào)查的居民能耗簡稱——實際。從表中可知，模擬的采暖空調(diào)能耗僅占《標(biāo)準(zhǔn)》的采暖空調(diào)能耗限值的62.22%（節(jié)能建筑），實際的空調(diào)供暖能耗僅占限值的20.14%（節(jié)能建筑）。出現(xiàn)這種差距的主要原因是《標(biāo)準(zhǔn)》的模擬條件與客觀事實嚴(yán)重不符，具體表現(xiàn)在以下三個方面:表9不同同方式下所所得到的空空調(diào)供暖能能耗項目標(biāo)準(zhǔn)模擬實際③模擬/標(biāo)準(zhǔn)實際/標(biāo)準(zhǔn)HDD1816901628-CDD26227272-供暖基礎(chǔ)建筑72.0854.112.9①75.06%17.90%節(jié)能建筑35.7923.03/7.1②64.35%36.04%空調(diào)基礎(chǔ)建筑31.2121.883.670.11%41.33%節(jié)能建筑28.2516.8259.54%45.66%供暖空調(diào)基礎(chǔ)建筑103.2973.5216.571.18%12.49%節(jié)能建筑64.0539.85/10.762.22%20.14%建筑能耗---44.02

集中供熱;②空空調(diào)方式供供暖;③按當(dāng)量值值折算。（1）《標(biāo)準(zhǔn)》的能耗限值對應(yīng)的采暖空調(diào)設(shè)備24小時連續(xù)運行，空調(diào)采暖時間段滿足室內(nèi)溫度設(shè)定要求；本文的模擬能耗對應(yīng)的采暖空調(diào)設(shè)備間歇運行，且超過限制才開機；而實際情況下供暖空調(diào)設(shè)備間歇運行；市民一般高于30℃才開啟所在房間的空調(diào)。因此，供暖空調(diào)的實際運行時間遠(yuǎn)小于《標(biāo)準(zhǔn)》對應(yīng)的運行時間。（2）夏季室內(nèi)設(shè)定溫度為26℃，冬季室內(nèi)設(shè)定溫度為18℃。在實際情況中，夏季室溫稍高于26℃，例如28℃；冬季室溫稍低于18℃時，例如15℃。（3）換氣次數(shù)全年為1.0次/小時，而在實際情況中，過渡季節(jié)和剛進入空調(diào)季時，居民會開窗加強自然通風(fēng)，以改善室內(nèi)熱環(huán)境，這時的換氣次數(shù)就不止1.0次/小時，可達(dá)到7.0次/小時，甚至是10.0次/小時。3.2節(jié)能措施3.2.1自然通風(fēng)（改變換氣次數(shù)）無論是《標(biāo)準(zhǔn)》還是《模擬》的參數(shù)設(shè)置，全年換氣次數(shù)均為1.0ac/h，而在實際情況中，當(dāng)居民打開窗戶通風(fēng)時，換氣次數(shù)可以達(dá)到7.0ac/h～10.0ac/h。分別模擬1.0ac/h和7.0ac/h換氣條件下的室內(nèi)基礎(chǔ)溫度（空調(diào)不運行），室內(nèi)溫度高于28℃的起止時間見表10。從表中可知，當(dāng)改變換氣次數(shù)后，空調(diào)天數(shù)減少了35天?？照{(diào)能耗變化見表11。從表中可以很直觀的看出，當(dāng)利用自然通風(fēng)（改變換氣次數(shù)）時，縮短了空調(diào)天數(shù)，空調(diào)季節(jié)的能耗減少了14.15%。表10和表11也同時說明《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中的空調(diào)采暖時間、能耗與湖北武漢的實際情況完全脫節(jié)。表11過渡季節(jié)節(jié)不同換氣氣次數(shù)的空空調(diào)能耗項目1次換氣7次換氣空調(diào)累計冷負(fù)荷荷指標(biāo)/kkW·h/㎡34.6130.94空調(diào)年耗電量//kW·h/㎡15.0513.45空調(diào)季節(jié)能率//%-14.15表10空調(diào)調(diào)系統(tǒng)運行行時間房間名稱換氣次數(shù)空調(diào)起始運行日期空調(diào)停止運行日期綜合考慮16月3日9月26日76月17日9月5日3.2.2增加遮陽表12不不同遮陽形形式下的遮遮陽系數(shù)遮陽類型傳熱系數(shù)K/W/㎡?K遮陽系數(shù)SC無內(nèi)外遮陽4.70.65內(nèi)遮陽4.70.39活動外遮陽4.70.2由于夏季太陽輻射是造成室內(nèi)得熱的主要途徑，因此，建筑外窗隔熱是建筑節(jié)能的重要手段之一。良好的遮陽設(shè)計既能節(jié)能，又能調(diào)節(jié)室內(nèi)光線分布，還可以美觀建筑立面。表12為不同遮陽形式下的遮陽系數(shù)。表13不同遮遮陽形式下下建筑能耗耗統(tǒng)計內(nèi)容統(tǒng)計項目單位統(tǒng)計值節(jié)能住宅非節(jié)能住宅無內(nèi)外遮陽固定遮陽內(nèi)遮陽活動外遮陽1.5次換氣建筑負(fù)荷面積指指標(biāo)全年累計熱熱負(fù)荷指標(biāo)標(biāo)kW·h/㎡43.7645.9143.7643.7665.78全年累計冷冷負(fù)荷指標(biāo)標(biāo)38.6836.7935.9433.7450.33建筑面積耗電量量指標(biāo)累計采暖耗電量量指標(biāo)23.0324.1623.0323.0334.62累計空調(diào)耗電量量指標(biāo)16.8216.0015.6314.6721.88采暖空調(diào)耗電量量指標(biāo)之和和39.8540.1638.6637.7056.50節(jié)能率相對于無內(nèi)外遮遮陽的節(jié)能能建筑%0.00-0.77%2.99%5.40%-相對于非節(jié)能建建筑29.47%28.92%31.58%33.27%-表13為不同遮陽的能耗結(jié)果。從表中可知，當(dāng)增加內(nèi)遮陽和活動外遮陽時，相對于無內(nèi)外遮陽的節(jié)能型建筑節(jié)能率分別為2.99%和5.40%；當(dāng)增加固定遮陽時，由于冬季入射得熱的減少導(dǎo)致冬季能耗增加，從而使得建筑總能耗增加。該建筑采取遮陽措施所得到的節(jié)能率較小，其原因是該建筑的窗墻比很小。3.2.3建筑朝向表14不同朝向向建筑能耗耗統(tǒng)計統(tǒng)計項目單位統(tǒng)計值東向東北向偏東10度西北向西向建筑負(fù)荷面積指指標(biāo)全年累計熱熱負(fù)荷指標(biāo)標(biāo)kW·h/㎡45.2444.4043.7644.3745.06全年累計冷冷負(fù)荷指標(biāo)標(biāo)kW·h/㎡42.7341.2238.6841.3143.07耗電量指標(biāo)全年累計供供暖耗電量量kW·h/㎡23.8123.3723.0323.3523.71全年累計空空調(diào)耗電量量kW·h/㎡18.5817.9216.8217.9618.73采暖空調(diào)耗電量量kW·h/㎡42.3941.2939.8541.3142.44通過對東向，東北向，西向，西北向以及偏東10度五種朝向的模擬得到不同朝向的建筑能耗，其模擬統(tǒng)計結(jié)果見表14。從表中可看出，建筑朝向為偏東10度時，建筑供暖空調(diào)能耗最小的，西向最大，其次是東向。因此進行小區(qū)規(guī)劃建設(shè)時，選擇建筑朝向在最佳朝向范圍之內(nèi)，并進行合