【畢業(yè)學位論文】（Word原稿）基于模擬技術(shù)的南方建筑節(jié)能集成系統(tǒng)研究-熱能工程

分類號 密級 編號 中國科學院研究生院 碩士學位論文 基于模擬技術(shù)的南方建筑節(jié)能集成系統(tǒng)研究 指導教師 研究員 中國科學院廣州能源研究所 申請學位級別 碩士 學科專業(yè)名稱 熱能 工程 論文提交日期 論文答辯日期 培養(yǎng)單位 中國科學院 廣州能源研究所 學位授予單位 中國科學院研究生院 答辯委員會主席 - I - 摘 要 本文圍繞“南方地區(qū)建筑節(jié)能”這一命題，進行了計算機模擬實驗和現(xiàn)場測量實驗，實現(xiàn)了“理論歸納 實踐應用 個體模擬校驗” 這一整體流程。 基于模擬技術(shù)的計算機實驗，通過對南方地區(qū)有代表性特色的三種窗墻比建筑建立模型，歸納各自的節(jié)能要點和適用措施，最終給出各自適宜的節(jié)能措施和合理熱工參數(shù)范圍。 利用所得結(jié)論，確定了已建的實際節(jié)能建筑的重點部位，對其進行了節(jié)能測試實驗，包括：墻體傳熱系數(shù)測試實驗、窗體太陽輻射得熱系數(shù)測試實驗和地源熱泵機組性能測試實驗。實驗結(jié)果顯示，三重點部位熱工參數(shù)符合初期設(shè)計要求。 在實驗所得具體數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，依實際建筑建立模型，對該棟別墅建筑進行個體節(jié)能模擬校驗，包含：建筑整體能耗模擬、夏季設(shè)計日逐時能耗模擬 和室內(nèi)光、風環(huán)境模擬，整體模擬過程充分考慮了實際建筑的地域、用途等個性化因素。模擬結(jié)果顯示，該建筑整體節(jié)能率達到 65，且整體性能在南方地區(qū)典型夏季設(shè)計日內(nèi)表現(xiàn)較好。 本文提出的三類典型建筑的適用節(jié)能措施和整體節(jié)能設(shè)計、校驗流程，為南方地區(qū)建筑節(jié)能的推廣應用打下了一定的理論和實踐基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：建筑節(jié)能；模擬；檢測 - of in on a is to A on in on as as as to A of to on of an on of At a of on a a of of of 5 is - 目錄 摘要 錄 第一章 引言 . 1 1 1 背景 . 1 1 2 選題依據(jù) . 2 1 3 目的和意義 . 2 1 4 創(chuàng)新點 . 3 1 5 研究內(nèi)容 . 3 第二章 研究背景 . 5 2 1 南方建筑節(jié)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 . 5 2 1 1 圍護結(jié)構(gòu) . 5 2 1 2 可再生能源應用 . 9 2 1 3 綠化 . 10 2 1 4 南方建筑節(jié)能技術(shù)在模擬計算中的要點 . 11 2 2 能耗計算算法的發(fā)展 . 12 2 3 建筑計算機模擬主流軟件 . 16 2 4 小結(jié) . 18 第三章 建筑動態(tài)熱過程模擬數(shù)理模型 . 19 3 1 物理模型 . 19 3 2 數(shù)學模型 . 20 3 3 求解算法的確定 . 21 3 4 數(shù)學方程離散化 . 22 3 4 1 墻體離散方程 . 22 3 4 2 窗體離散方程 . 25 3 4 3 室內(nèi)空氣離散方程 . 26 3 4 4 總熱平衡方程組 . 26 3 5 小結(jié) . 27 第四章 南方建筑節(jié)能模擬優(yōu)化分析 . 28 4 1 模擬對象、方法和對比指標 . 28 4 2 模擬優(yōu)化分析 . 29 4 2 1 朝向 . 29 4 2 2 墻體 . 30 4 2 3 屋頂 . 32 4 2 4 窗體 . 33 4 2 5 通風 . 35 4 2 6 建筑設(shè)備 . 35 4 3 小結(jié) . 35 4 3 1 模型 A小窗墻比建筑 . 36 - 4 3 2 模型 B行業(yè)標準中規(guī)定的上限窗墻比建筑 . 37 4 3 3 模型 C幕墻建筑 . 38 第五章 南方建筑節(jié)能集成系統(tǒng)實驗研究 . 41 5 1 墻體傳熱系數(shù)測試實驗 . 41 5 1 1 測試原理 . 41 5 1 2 測試實驗設(shè)置 . 42 5 1 3 測試結(jié)果分析 . 42 5 2 窗體太陽輻射得 熱系數(shù)測試實驗 . 46 5 2 1 測試原理 . 46 5 2 2 測試實驗設(shè)置 . 46 5 2 3 實驗結(jié)果分析 . 46 5 3 建筑設(shè)備性能測試實驗 . 47 5 3 1 測試原理 . 47 5 3 2 實驗設(shè)置 . 48 5 3 3 實驗結(jié)果分析 . 48 5 4 小結(jié) . 49 第六章 基于模擬技術(shù)的南方別墅建筑節(jié)能設(shè)計實踐 . 50 6 1 節(jié)能設(shè)計的對象和步驟 . 50 6 2 建筑參數(shù) . 50 6 3 建筑能耗模擬 . 51 6 4 夏季典型日逐時模擬 . 52 6 4 1 墻體節(jié)能效果對比分析 . 53 6 4 2 窗體節(jié)能效果分析 . 53 6 4 3 屋頂節(jié)能效果對比分析 . 54 6 4 4 通風節(jié)能效果對比分析 . 55 6 5 建筑采光照明模擬 . 55 6 6 建筑室內(nèi)通風模擬 . 57 6 7 小結(jié) . 58 第七章 總結(jié) . 59 附件 . 61 參考文獻 . 68 發(fā)表文章 . 71 致謝 . 72 第一章 引言 - 1 - 第一章 引言 1 1 背景 21世紀，能 源問題成為 國際社會 最關(guān)注的問題 之一 ，我國由于人口眾多和經(jīng)濟快速發(fā)展等原因，滿足可持續(xù)發(fā)展的能源供 給 正面臨巨大挑戰(zhàn)。 2005年，我國能源消耗年增長率為 2006年達到 雖然目前在總量上不如美國等發(fā)達國家（我國 2000年一次能源消費 全球總量 11%），但目前較高的能耗增長率將隨著經(jīng)濟體量的擴大而持續(xù)增高，如果控制不利，預計 2020 年我國一次能源消費 將達到 50 億噸標準煤， 給 經(jīng)濟的發(fā)展帶來沉重的負擔。在我國 工業(yè)、建筑和交通 三大用 能 領(lǐng)域 中，建筑能耗近年來一直因為市場因素等條件沒有 得到有力的控制。 2006 年，我國建筑能耗占全社會總能耗的 現(xiàn)有建筑中 約 95達不到節(jié)能標準，單位建筑面積能耗是發(fā)達國家的 2 至 3 倍，如上數(shù)據(jù)再次為建筑能耗敲響警鐘。此外，參考發(fā)達國 家經(jīng)驗，我國未來能源需求將面臨一次結(jié)構(gòu)性變化，三大用能領(lǐng)域 的比例將會出現(xiàn)調(diào)整，建筑用能比例較目前的不到 30%，將出現(xiàn)不可忽視的上升。因此，從總量和比例兩個角度，對建筑能耗的控制都是節(jié)能領(lǐng)域 不可忽視的重要 部分。 我國南方地區(qū)自改革開放以來，經(jīng)濟取得了長足的進步，但隨之而來的能源負擔已經(jīng)逐步開始制約經(jīng)濟前進的腳步。以南方代表性 省份廣東省為例， 人均擁有常規(guī)能源儲量不到全國人均儲量的 1/20，一次性能源約 90%需要外調(diào)或進口 。此外 2003年全省社會用電量高達 2022 億千瓦時，約占全國的 11%，而汽、柴油消耗占全國總消耗的 10%，燃料油消耗占全國的 33%。 如此高的能源消耗量固然很大程度上與 廣東省較為發(fā)達的工業(yè)經(jīng)濟 有關(guān) ，但另一方面，特殊氣候條件下建筑的巨大能耗也是不可忽略的原因。以南方代表性城市廣州市和深圳市為例， 2002年廣州市每百戶擁有空調(diào) 圳為 ，這說明由于建筑節(jié)能不到位，造成室內(nèi)環(huán)境不舒適，開發(fā)商變相把建 筑功能投資轉(zhuǎn)嫁給消費者。同時，大量的空調(diào)使用，造成電量需求升高。 2006年 廣東省夏季用電持續(xù)緊張，電力缺口 約 達 400萬千瓦 。由于建筑節(jié)能不達標，造成直接 能耗空調(diào)負荷等和間接能耗平抑空調(diào)負荷帶來的峰谷差 等，浪費較 大 ?；谀M技 術(shù)的南方建筑節(jié)能集成系統(tǒng)研究 - 2 - 因此，南方地區(qū) 要想在節(jié)能工作上取得成效，對建筑耗能的有效控制是至關(guān)重要的。 1 2 選題依據(jù) 目前南方地區(qū)建筑節(jié)能研究和應用領(lǐng)域主要存在以下技術(shù)障礙： 1、 現(xiàn)階段建筑節(jié)能設(shè)計工作以設(shè)計院為主體，由于設(shè)計周期要求較短，因此設(shè)計過程較多的 依賴經(jīng)驗性數(shù)據(jù)； 2、 建筑節(jié)能設(shè)計是一個多技術(shù)相交匯的平 臺，涉及建筑材料、結(jié)構(gòu)、熱工和設(shè)備等多 方面因素，欲達到較好的綜合效果，需要各部分相互匹配； 3、 建筑完工后的節(jié)能檢測一直存在規(guī)范不統(tǒng)一、操作性較差和針對性不強等實際問題； 4、 建筑整體的節(jié)能效果難于量化 。 針對以上 障礙， 本文嘗試以南方別墅建筑為研究對象，以 “模擬技術(shù)”作為研究手段，通過“集成系統(tǒng)”將各種建筑節(jié)能應用技術(shù)綜合利用， 形成包含理論歸納、實踐應用和模擬校驗等多方面結(jié)合的節(jié)能設(shè)計流程。 1 3 目的和意義 目前，我國建筑節(jié)能評價指標主要分為兩類，一類是對建筑參數(shù)進行范圍規(guī)定的“硬性”指標，如圍護結(jié)構(gòu)的 熱工參數(shù)等，此類指標便于貫徹，但一則缺乏靈活性，二則難以在整體上把握建筑節(jié)能效果；第二類評價指標是對比型，如“節(jié)能 50%”，該指標充分考慮了建筑個性，包括地域、當?shù)貧夂虻纫蛩?，但國家標?2003 中明確指明需要計算機模擬技術(shù)保證其準確性。本課題的研究目的，就是從該標準的實際要求出發(fā)，通過模擬來指導實際工程，以模擬結(jié)果修正和完善節(jié)能設(shè)計，得出適用于南方地區(qū)典型建筑的若干節(jié)能措施，為開發(fā)商和相關(guān)政府部門提供理論與實踐相結(jié)合的例證。 此外，本課題的研究意義在于，可以推動建筑節(jié)能設(shè)計從規(guī)定性指標向性能化指 標發(fā)展，在建筑節(jié)能設(shè)計環(huán)節(jié)擺脫以往以經(jīng)驗性設(shè)計為主的模式，以理論和計算機計算為支持，豐富了設(shè)計內(nèi)容，使其更加嚴謹科學。在宏觀上，可以為南方地區(qū)典型建筑的節(jié)能設(shè)計提供有力理論支持，對于改善該地區(qū)人居熱第一章 引言 - 3 - 環(huán)境、節(jié)約能源、保護環(huán)境、推動整個社會可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。 1 4 創(chuàng)新點 本文主要創(chuàng)新之處如下： 1、 針對南方地區(qū) 高溫、高濕、高輻照強度的 氣候特色， 提出 以窗墻比為 主要模擬 分類條件， 近 而 針對三種代表性 窗墻比 建筑 ， 進行了基于模擬技術(shù)的建筑能耗分析； 2、 將分析所得結(jié)論應用于實際工程項目設(shè)計，形成可視化效果較強 的針對別墅建筑的個性化建筑節(jié)能設(shè)計方案； 3、將本文模擬所得主要結(jié)論應用至 實際工程，首次在南方地區(qū)別墅建筑采用 “ 地源熱泵太陽能節(jié)能型圍護結(jié)構(gòu) ” 的節(jié)能集成技術(shù)系統(tǒng)，通過理論模擬與實地測試 的數(shù)據(jù)驗證 ，該別墅建筑能耗降低 65。 1 5 研究內(nèi)容 本課題的研究內(nèi)容主要為利用數(shù)值模擬技術(shù)對南方地區(qū)典型建筑進行節(jié)能設(shè)計模擬，并以其中結(jié)論指導實際工程。 按照研究步驟 分為以下幾項： 1） 前期調(diào)研 首先對近年來建筑模擬領(lǐng)域的應用算法進行總結(jié)，確定其中領(lǐng)先者，保證課題的領(lǐng)先性；其次，對與算法對應的模擬軟件進行總結(jié)，通過對比， 確定使用工具；最后，對南方地區(qū)近年來應用的節(jié)能技術(shù)進行總結(jié)，確立模擬時使用的技術(shù)措施。 2） 能耗模擬 建立數(shù)理模型，梳理對應算法，建立三種典型建筑的幾何模型，導入模擬軟件，對各種單項技術(shù)和建筑整體進行優(yōu)化分析模 擬，量化節(jié)能率指標，給出適用三種窗墻比典型建筑的綜合節(jié)能措施策略和重點節(jié)能部位。 3）節(jié)能檢測 依據(jù)能耗模擬得出的結(jié)論 ，確定建筑節(jié)能重點部位 ，對完工項目進行現(xiàn)場檢測，確定 實際 建筑的熱工參數(shù)。 基于模擬技 術(shù)的南方建筑節(jié)能集成系統(tǒng)研究 - 4 - 4） 工程實踐 利用模擬提供的推薦節(jié)能措施，依托粵港關(guān)鍵領(lǐng)域重點突破項目，對一棟實際建筑進行計算機輔助節(jié)能設(shè)計，包括 ： 建筑全年 能耗分析、 夏季典型設(shè)計日逐時能耗分析、 室內(nèi)照明采光分析和室內(nèi)風環(huán)境分析，最終給出完整的 適用該項目的“個性化” 節(jié)能設(shè)計。 綜合以上，可以看出研究內(nèi)容主要遵循兩條主線，橫向上對南方地區(qū)不同窗墻比 典型建筑的模擬分析得出各自適用的整體節(jié)能方案，縱向上以一棟實體建筑為研究對象，嘗試建立基于數(shù)值模擬技術(shù)的整體建筑節(jié)能設(shè)計流程。通過橫縱交織，可以為以后南方地區(qū)典型建筑節(jié)能設(shè)計研究奠定理論基礎(chǔ)，提供實踐經(jīng)驗。 第二章 研究背景 - 5 - 第二章 研究背景 2 1 南方建筑節(jié)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 每一個地區(qū)建筑節(jié)能技術(shù)的發(fā)展與其所在地自然條件密不 可分。在我國 熱工分區(qū)中，夏熱冬暖地區(qū)是典型意義上的南方地區(qū)，夏季炎熱且時間持續(xù)長，冬季溫和，日照率在 35以上，除北區(qū)外，基本不用考慮供暖。季候風旺盛，風向多為東南風，風速在 1。晝夜溫差較小，夏季 只有 4 5。該地區(qū)典型城市氣象特征值如 表 2 1所示 2： 表 2 1 典型城市氣象特征值 城市 年平均溫度（ C） 最熱月平均溫度（ C） 最熱月平均相對濕度（） 夏季平均室外風速（ m/s） 冬季日照率 （） 南寧 3 16 30 廣州 3 18 40 福州 8 29 36 ?？?82 28 39 臺北 7 28 港 1 53 44 廣州作為該地區(qū)代表城市，最冷月的平均溫度 C，C， 日平均溫度大于 25 64天，常年濕度較大，全年日照時數(shù)在 1770 1940照百分率為 41 44 3，陽光充足。 綜合以上，可以將 南方地區(qū)氣候 特點簡要概括為“高溫、高濕、高輻照強度”，正是 如此的氣候特點決定了南方夏熱冬暖地區(qū)建筑節(jié)能的重點 是 ：防止夏季得熱 改善墻體、窗體和屋頂熱工性能，重視遮陽的設(shè)置，通過自然通風的引入來改善室內(nèi)熱舒適性；重視綜合綠化對微氣候的調(diào)節(jié)；此外，應積極關(guān)注可再生能源與南方建筑相結(jié)合的技術(shù)。 2 1 1 圍護結(jié)構(gòu) 南方地區(qū)，建筑熱過程為室外綜合溫度（太陽輻射和室外空氣溫度）作用下的一種非穩(wěn)態(tài)傳熱，太陽輻射是圍護結(jié)構(gòu)主要得熱來源，如圖 2 1所示。龔明啟、冀兆良 4計算了夏熱冬暖地區(qū)代表城市廣州的圍護結(jié)構(gòu)特性，得出西向基于模擬技 術(shù)的南方建筑節(jié)能集成系統(tǒng)研究 - 6 - 室外綜合溫度最高可達 C，因此 ， 如果墻體 的隔熱措施不好，室內(nèi)的熱舒適性是較差的。南方圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能的重點是減少輻射得熱、加強外表面反射和圍護結(jié)構(gòu)隔熱。 圖 2 1 圍護結(jié)構(gòu)熱過程 (1) 墻體 墻體節(jié)能技術(shù)，主要是從材料或是構(gòu)造入手提高墻體熱工性能，降低外墻傳熱系數(shù)，從而減少南方地區(qū)室內(nèi)空調(diào)負荷，改善室內(nèi)熱舒適性。孟慶林等 5對廣州某一住宅區(qū)兩個典型房間進行了現(xiàn)場測量，對比了墻體有無隔熱措施對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，有隔熱措施較無隔熱措施的房間室內(nèi)溫度降低了 C，可見墻體隔熱的重要性。 a）墻體材料 墻體 材料，應避免使用傳統(tǒng)紅磚等磚材，大力推行新型墻材。傳統(tǒng)磚材熱工性能差，欲達到建筑節(jié)能規(guī)范，厚度往往超過工程習慣做法和人們可以接受的厚度 6。任俊 3對比了廣州地區(qū)幾種墻體的傳熱系數(shù)，且依照國家標準，指出只有陶粒混凝土砌塊和加氣混凝土砌塊接近標準指標的要求，因此，其認為需對灰砂磚產(chǎn)品進行改進，大力發(fā)展加氣混凝土砌塊和陶粒混凝土砌塊。 b）墻體構(gòu)造 是否使用復合墻體，很大程度上依賴于單一墻體材料的革新，目前觀點多有分歧。任俊 3認為，現(xiàn)階段在廣州市，外墻仍應以單一墻體材料改進為主，不宜提倡復合墻體。丘建明 6 則認為，目前主流單一墻材不能滿足節(jié)能指標，必須在原墻體材料的基礎(chǔ)上增設(shè)保溫構(gòu)造層，形成復合外墻。 盡管存在是否使用復合墻體的爭議，但是對于外保溫和內(nèi)保溫這兩種常見墻體保溫結(jié)構(gòu)在南方建筑中應用效果的研究，卻在持續(xù)進行。對于外保溫，文梓蕓 7對廣州市帶有外墻外保溫和不帶有該系統(tǒng)的 兩棟建筑進行了實測，結(jié)果顯示有外保溫的建筑，其室溫穩(wěn)定度好， 室 內(nèi)濕度平均值有所下降，熱舒適性第二章 研究背景 - 7 - 得到改善，空調(diào)采暖 按月統(tǒng)計用電量可以節(jié)省 35 40。龔明啟等 4計算了各種常用墻體材料及其熱工性能，對比了它們的反應系數(shù)（ 得出這樣的結(jié)論，加隔熱層可以提高圍護結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性，同時有利于降低維護結(jié)構(gòu)因傳熱引起的空調(diào)負荷，且外隔熱的效果較內(nèi)隔熱更好。對于內(nèi)保溫， 陳振基等 8認為，南方地區(qū)墻體主要是隔絕外部熱量進入室內(nèi)，因此內(nèi)保溫在北方地區(qū)使用中出現(xiàn)的缺陷在南方并不明顯，把保溫材料做在墻體內(nèi)表面，在內(nèi)外墻交界處和過梁的位置，由于沒有保溫材料的“保護”可能形成“熱橋”，但不會產(chǎn)生水蒸氣冷凝，對外墻的平均傳熱系數(shù)影響也不大。此外，他們在深圳既有建筑的改造中使用?；⒅楸厣皾{內(nèi)保溫等措施驗證了節(jié)能效果。 (2) 窗體 南方地區(qū)，夏 季白天太陽輻射是熱負荷的主要來源。由于普通窗體相對于墻體，熱阻較小，成為了輻射進入室內(nèi)的重要“通道”。以我國住宅常用材料進行比較，窗體單位面積熱損為磚墻的近 4 倍 9。如不加以重視，節(jié)能整體效果將會 大幅下降。 a) 窗體材料 適用于南方地區(qū)的各項節(jié)能規(guī)范，都對窗體有比較細致和靈活的規(guī)定，如公共建筑節(jié)能設(shè)計標準（ 2005） 10，但南方地區(qū)窗體節(jié)能現(xiàn)狀卻不盡人意。以常規(guī)公共建筑不同朝向平均窗墻比取 準規(guī)定傳熱系數(shù)應 )，而南方地區(qū)常用的 6玻窗，其傳熱 系數(shù) k 約為 6w / ()，是無法達標的。且由于我國對窗體的節(jié)能標準普遍落后于發(fā)達國家 11，實際能耗是較大的。因此，采用高效節(jié)能窗來降低窗體得熱是勢在必行。 通過對鑲嵌材料的調(diào)研，可以看出近年來，中空玻璃和鍍膜玻璃因其優(yōu)良的熱工特性得到越來越多的關(guān)注。任俊 3認為夏熱冬暖地區(qū)采用低輻射（ 璃可以有效降低太陽輻射得熱，不宜提倡簡單采用中空普通玻璃降低窗戶傳熱系數(shù)的做法。黃夏東等 12通過 2程序?qū)ο臒岫貐^(qū)典型住宅進行了窗體的對比模擬。結(jié)果顯示，對比普通鋁合金單玻窗，熱反射鍍 膜玻璃鋁窗使室內(nèi)冷負荷降低 通過對窗框材料的調(diào)研，可以看出，隨著對窗體節(jié)能研究的深入，一些文獻 12 13陸續(xù)提出應該提高窗框的隔熱性能和窗體整體氣密性。盡管窗框所傳熱量占窗總傳熱量的比重不大，但在要求較高的場合使用隔熱鋁型材還是必需的。 基于模擬技 術(shù)的南方建筑節(jié)能集成系統(tǒng)研究 - 8 - 隨著鑲嵌玻璃材料和窗框材料熱工性能的提升，采用新型節(jié)能 窗技術(shù)來加強南方地區(qū)建筑節(jié)能效果已經(jīng)成為一種趨勢。研究人員通過 模擬或?qū)Ρ葘崪y的辦法，對其節(jié)能效果進行了檢測。付祥釗等 14利用 序計算多種 深圳市典型居住建筑的能耗，通過空調(diào)年耗電量對比，安裝新型節(jié)能窗體相對于基本對比模型（沒有節(jié)能措施）能明顯降低建筑能耗。孟慶林等 5對廣州某住宅區(qū)兩個房間進行了對比測量，其中有隔熱措施的房間采用單框雙層玻璃鋁合金窗 ，通過測量發(fā)現(xiàn)，該窗能有效阻擋 60的太陽輻射進入室內(nèi)。 b) 遮陽措施 遮陽是南方地區(qū)傳統(tǒng)節(jié)能措施，是人們在實踐中自發(fā)摸索而成的節(jié)能技術(shù)。通過設(shè)置各種形式的遮陽裝置，有效降低了太陽輻射，有利于營造涼爽舒適的室內(nèi)環(huán)境。對于南方地區(qū)，遮陽已經(jīng)成為建筑節(jié)能必不可少的一道措施。據(jù)廣州西向房間的試驗資料 1，在閉窗情況下，遮陽對防止室溫上升的作用明顯。有無遮陽，室溫最大差值達 2 C，平均差 C。 付祥釗等 14利用 序?qū)τ袩o外遮陽的建筑方案進行了對比，相對沒有遮陽的方案，外遮陽建筑方案節(jié)能率達 這說明外遮陽可以優(yōu)化原有節(jié)能體系，降低建筑外窗夏季的輻射透過率。內(nèi)遮陽雖能阻擋部分輻射，但由于大 部分輻射能量已經(jīng)進入室內(nèi)，轉(zhuǎn)化為對流的方式來影響室內(nèi)熱環(huán)境， 綜合有近 50的太陽輻射透過了內(nèi)遮陽系統(tǒng)進入室內(nèi) 15，因此 ， 內(nèi)遮陽一般只作為輔助措施使用。范偉等人提出一種南方地區(qū)適用的內(nèi)遮 陽措施 16，可以取得很好的熱反射隔熱效果。 (3) 玻璃幕墻 單層玻璃幕墻，將其應用于建筑外表面而得到的大面積透明建筑外觀，曾一度得到開發(fā)商和建筑設(shè)計單位的青睞，但由于南方地區(qū)輻射充足的自然條件，而被實踐證明會大大增加室內(nèi)空調(diào)負荷，對建筑節(jié)能不利。為了改變能耗高、影響室內(nèi)空氣質(zhì)量等不利因素，雙層玻璃幕墻開始被大量應用。李保峰等 12對玻璃幕墻做了大量實測試驗，該試驗數(shù)據(jù)顯示，采用“雙層皮”幕墻的室內(nèi)溫度比“單層皮”的室內(nèi)溫度低 6 C，降低空調(diào)使用時間，節(jié)約了能源。李凌燕17分析了玻璃幕墻下對應冷負 荷的計算公式，得出各參數(shù)之間的關(guān)系，提出夏熱冬暖地區(qū)玻璃幕墻若干節(jié)能措施。 (4) 屋頂 第二章 研究背景 - 9 - 南方地區(qū)由于多雨和太陽輻射強的特點，對建筑屋頂?shù)姆烙攴莱狈里L等基本功能提出了更高要求。同時 ， 在南方地區(qū)建筑物受太陽輻射的各個外表面相比較，屋頂受輻射得熱是最多的，相當于東西墻體的 2 3倍 6。廣州地區(qū)傳統(tǒng)建筑，由于沒有機械通風措施，所以傾向于營造自然通風的結(jié)構(gòu)，室內(nèi)設(shè)較高的層高，屋面采用各種簡便的隔熱措施，其中有代表性的是大階磚通風屋面，起到較好的隔熱效果 3。 90 年代后采用 8珍珠巖或陶粒等輕質(zhì)材料，效果較 好 1。近年來，種植屋頂亦成為研究熱點。 大階磚通風屋頂，其原理是讓夏季主導風向穿過大階磚與屋面形成的通風間層，靠對流實現(xiàn)自然換熱，帶走太陽輻射積聚在屋面的熱量，冷卻屋頂表面，從而達到降低屋頂表面溫度、改善住宅室內(nèi)熱環(huán)境的目的。但有文獻認為 6，大階磚屋頂近年來由于女兒墻的加高，提高了風阻，降低空氣層流動性，夏季頂層房間有烘烤感?？梢姡瑢Υ箅A磚的使用也要依據(jù)屋頂?shù)臉?gòu)造而進行調(diào)整。 種植屋頂，其原理是通過綠化屋頂?shù)闹参锏墓夂献饔?、蒸騰作用和呼吸作用來吸收太陽輻射投射到屋頂上的熱量，改善屋頂微環(huán)境。從熱工角 度講，種植屋頂遮擋了太陽輻射，且隔熱能力得到加強。從環(huán)保角度講，每平方米的綠化面積，一天可以吸收 100出 73 1000萬 以滿足 26萬至 34萬城市居民的 氧氣需求 ，且可以滯留空中粉塵 1。但屋頂種植層需考慮荷重限制。此外，針對屋頂有可能被覆土造成的長期化學環(huán)境所侵蝕，應設(shè)置復合防水層，同時保證排水通暢。 2 1 2 可再生能源應用 廣東省是較早進行地熱和太陽能等可再生能源研究的地區(qū)之一，但近幾年，可再生能源的普及率卻沒有隨著經(jīng)濟的發(fā)展而同步提高。中國城市居民家庭太陽能 熱水器市場占有率為 而在廣東這一普及率僅為 3%。 2006 年 1月 1日，中國實施可再生能源法 ，隨后，廣東省建設(shè)廳編制了公共和居住建筑太陽能熱水系統(tǒng)一體化設(shè)計、施工及驗收規(guī)程等地方性規(guī)范，這 些文件的出臺，必然會給予可再生能源在建筑節(jié)能中的應用以極大的推動力 。 地源熱泵是以淺層地熱能作為熱泵夏季制冷的冷卻源、冬季采暖的低溫熱源，能同時實現(xiàn)采暖、制冷和生活用熱水的一種系統(tǒng) 18。對于賓館、酒店、醫(yī)院基于模擬技 術(shù)的南方建筑節(jié)能集成系統(tǒng)研究 - 10 - 等長期需要大量生活熱水的建筑類型，極其適用。通常這類建筑通過燃油鍋爐來進行生活用水的加熱，不僅嚴重浪 費資源，使運營成本加高，同時在能源緊張時期，對燃油的過度依賴更會造成經(jīng)營的癱瘓。因此，通過熱泵來收集低品位熱能加以利用，付出一定量的電能，可以避免燃燒柴油帶來經(jīng)濟和環(huán)保上的雙重損失。以廣東省肇慶市一四星級酒店為例 19，通過用地源熱泵替代原有燃油鍋爐，每年直接在經(jīng)濟上節(jié)省 60余萬元，回收期短，同時避免了污染，滿足了肇慶市作為全國首批優(yōu)秀旅游城市對環(huán)境的較高要求。 太陽能光熱轉(zhuǎn)化技術(shù)，即將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能加以利用，通過吸熱體吸收太陽輻射后溫度升高，再將所得熱能通過傳熱工質(zhì)傳遞，加以利用 20。南方地區(qū) 普遍采用太陽能熱水系統(tǒng)，但以往建筑設(shè)計和太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計存在脫節(jié)，造成外觀上的不協(xié)調(diào)，因此太陽能與建筑一體化的設(shè)計成為近年來南方建筑節(jié)能的研究熱點。 目前限于太陽能間歇性和不穩(wěn)定等因素，只是在示范性建筑中應用。以廣東省江門市太陽能空調(diào)制冷系統(tǒng)為例 21，通過將太陽能空調(diào)與提供生活熱水相結(jié)合，可以保證全年產(chǎn)生效益，同比燃油和用電的方案，降低了運行成本。 太陽能光電轉(zhuǎn)化技術(shù)，即利用各種太陽能電池將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能。目前成本是光伏大規(guī)模應用的主要障礙之一，但由于太陽能無污染和可再生等優(yōu)勢，很多研究人員致力于 將其與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，形成光伏建筑一體化設(shè)計（ 以南方代表性城市深圳市內(nèi)的一棟建筑為例 22，采用 網(wǎng)發(fā)電光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能通過雙向逆變器供給該用戶的部分家電負荷，取得較好的社會和經(jīng)濟效益。 在實際建筑工程中，更多的是多種可再生能源技術(shù)彼此聯(lián)合使用，或是可再生能源與常規(guī)能源相互補充使用，這樣可彼此彌補，優(yōu)化節(jié)能效果，提高可再生能源的利用率。 2 1 3 綠化 隨著城市規(guī)模的擴大，城市熱環(huán)境出現(xiàn)惡化的趨勢。有研究數(shù)據(jù)表明，以南方地區(qū)代表性城市廣州為例，郊區(qū)溫度比市中心低 1 2 C1。龔 明啟 4對地面風速垂直變化率進行了比較，結(jié)果顯示對“熱島”現(xiàn)象有抑止作用的風，在進入城市后風速明顯衰減。城市大環(huán)境的惡化，勢必影響到城市中每個居民的第二章 研究背景 - 11 - 熱感受，居住者的建筑如果不能