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；研究外圍護結構傳熱系數、遮陽系數、換氣次數、建筑朝向、室內空調供暖設備對居住建筑能耗的影響。結果表明：實際能耗遠低于居住建筑用能限值的主要原因是空調間歇運行、居民開窗通風、居民的忍受極限。降低外圍護結構的傳熱系數、利用自然通風、選擇好的遮陽形式、提高空調供暖系統能效比都會有好的節(jié)能效果。關鍵詞：居住建筑；輸入參數；節(jié)能；限值1引言據統計，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構熱工狀況普遍較差，屋面：非透光部分屋面?zhèn)鳠嵯禂禐?.44～1.62W/（㎡·K），透光部分屋面?zhèn)鳠嵯禂狄话銥?.4～6.4W/（㎡·K）；外墻：傳熱系數為1.11～2.47W/（㎡·K）,240磚墻的傳熱系數為2.2～2.4W/（㎡·K）；地面：底部接觸室外空氣地面的傳熱系數1.0～3.63W/（㎡·K）；外窗：單層鋼窗的建筑居多，傳熱系數一般在6.4W/（㎡·K），圖1武漢市居民家庭每百戶空調器擁有量遮蔽系數一般大于0.8?？照{供暖以家用分體空調為主，也有部分居民用電取暖器，省直機關以集中供暖為主。圖1圖1武漢市居民家庭每百戶空調器擁有量國內外已有大量的文獻討論居住建筑圍護結構、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、能耗調查與測試的基礎上，以某居住建筑群為研究對象，運用清華大學研發(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，改變遮陽形式，改變朝向、改變圍護結構熱工參數等）以及改變空調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)能綜合指標限值[1]相差甚遠的原因，為新建居住建筑節(jié)能與既有建筑節(jié)能改造提供依據。2建筑的信息和參數設置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。此建筑的體形系數為0.371，其窗墻比見表1。建筑立面圖和標準層平面圖如圖2、圖3所示。2.2參數設定建筑能耗模擬的輸入參數主要有房間功能、內部熱擾狀況、室內環(huán)境控制參數、通風次數、空調模式等的設定。1.圍護結構圖2建筑立體圖（1）非節(jié)能型住宅:根據對武漢市居住建筑的調查、依照《居住建筑節(jié)能設計標準（夏熱冬冷地區(qū)）宣貫教材》提供的上世紀80圖2建筑立體圖（2）節(jié)能型住宅:根據湖北省地方《居住建筑節(jié)能設計標準》[2]規(guī)定性指標要求，取符合節(jié)能50％標準限值的熱工參數，兩種類型住宅建筑圍護結構參數設置見表2。圖3建筑標準層平面圖2.圖3建筑標準層平面圖表2建建筑圍護結結構熱工參參數圍護結構傳熱系數（W/m2·K）傳熱系數限值（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。依據房間功能設置室內人員、照明、設備以及空調供暖運行時間（廚房、洗手間為非供暖空調房間）。（1）人員熱擾設起居室和餐廳的人數為3人，主臥室的人數為2人，次臥室的人數為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%?！げ蛷d：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。·客廳：19:00～22:00?！げ蛷d：18:00～19:00?！N房：18:00～20:00?！ばl(wèi)生間：6:00～7:00、20:00～21:00。（3）設備熱擾房間的設備（不含分體空調）功率按4.3W/㎡來計算，房間設備的作息時間見表3。表3設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.通風次數空調器采暖和制冷時的換氣次數為1.0ac/h（滿足基本衛(wèi)生要求）。過渡季節(jié)換氣次數為7.0ac/h，即窗戶全部打開[3]～[6]。4.室內環(huán)境控制參數與室外氣象參數空調室溫設定值為26℃，供暖室溫設定值為18℃；室內相對濕度設定值為40%～60%。模擬計算所采用的武漢市典型氣象年數據是采用Medpha軟件生成的全年逐時氣象數據[7]。表4是武漢地區(qū)空調采暖高出或低于室內設定參數的小時數。表4室外溫度度高出設定定值的小時時數月份1月2月3月5月6月7月8月9月11月12月比較參數<18℃>26℃<18℃小時數/h7446726334153795485942575857445.空調采暖系統運行模式表5空調供暖暖系統全年年運行時間間表季節(jié)系統工作時間供暖11月1日～次次年3月15日空調5月15日～10月月1日空調采暖系統運行必須同時滿足以下條件：·在表5所示的時間段?！な覂葴囟瘸^28℃（夏天）或者低于16℃（冬天）；·日運行時間與室內人員同步。6.空調供暖能效比普通家用空氣源熱泵空調器，冬季采暖、夏季制冷。·節(jié)能型建筑：空調器制冷額定能效比取2.3，供暖額定能效比取1.9?！げ还?jié)能型建筑：空調器制冷額定能效比取2.2，電取暖器能效比取1.0。表6不不同換氣次次數的能耗耗統計統計項目單位1.0次換氣1.5次換氣節(jié)能量/%建筑負荷面積指指標全年最大熱負荷荷W/m2102.22114.4310.67%全年最大冷負荷荷W/m2101.01109.657.88%全年累計熱負荷荷kW·h/m2254.1065.7817.76%全年累計冷負荷荷kW·h/m2242.7250.3315.11%耗電量面積指標標-全年累計供暖耗耗電量kW·h/m2254.1065.7817.76%全年累計空調耗耗電量kW·h/m2219.4222.8815.12%供暖空調耗電量量kW·h/m2273.5288.6617.08%※空調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圍護結構為普通非節(jié)能型建筑，換氣系數分別為1.0次、1.5次。全年負荷模擬結果見表6。從表6可以看出，當換氣次數減少0.5次時，節(jié)能17.08%。因此，提高圍護結構的密封性，可以減少供暖和空調耗電量，但室內新風量必須滿足室內人員的健康要求。2.圍護結構熱工參數對能耗的影響在1.0次換氣條件下，依據表1設置節(jié)能型住宅和非節(jié)能型住宅圍護結構的輸入參數，其模擬結果見表7。從表7可知道，供暖節(jié)能量大于空調節(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%，達到通過改變圍護結構熱工參數節(jié)能25%左右的要求。3.空調采暖能效比對能耗的影響表8空調供暖設備能效比對能耗的影響。當供暖設備能效比從1提高到1.9時，節(jié)能47.37%；當空調設備能效比從2.2提高到2.3時，節(jié)能4.35%；共節(jié)能35.03%，滿足通過提高空調采暖設備能效比節(jié)能25%左右的要求。表7節(jié)能能住宅與非非節(jié)能住宅宅的能耗統統計統計項目單位節(jié)能住宅非節(jié)能住宅節(jié)能量建筑負荷指標全年最大熱負荷荷指標W/m287.59114.4323.46%全年最大冷負荷荷指標W/m287.90109.6519.84%全年累計熱負荷荷指標kW·h/m2243.7665.7833.47%全年累計冷負荷荷指標kW·h/m2238.6850.3323.13%耗電量指標累計供暖耗電量量kW·h/m2223.0334.6233.47%累計空調耗電量量kW·h/m2216.8221.8823.13%供暖空調耗電量量kW·h/m2239.8556.5029.47%※空調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%供暖空調能耗//kW··h/m239.8561.3435.03%表9是不同方式下所得到的空調供暖能耗。其中：①本文模擬的空調采暖能耗——簡稱模擬；②《湖北省居住建筑節(jié)能設計標準-50%》給出的限值——簡稱標準；③實際調查的居民能耗簡稱——實際。從表中可知，模擬的采暖空調能耗僅占《標準》的采暖空調能耗限值的62.22%（節(jié)能建筑），實際的空調供暖能耗僅占限值的20.14%（節(jié)能建筑）。出現這種差距的主要原因是《標準》的模擬條件與客觀事實嚴重不符，具體表現在以下三個方面:表9不同同方式下所所得到的空空調供暖能能耗項目標準模擬實際③模擬/標準實際/標準HDD1816901628-CDD26227272-供暖基礎建筑72.0854.112.9①75.06%17.90%節(jié)能建筑35.7923.03/7.1②64.35%36.04%空調基礎建筑31.2121.883.670.11%41.33%節(jié)能建筑28.2516.8259.54%45.66%供暖空調基礎建筑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空空調方式供供暖;③按當量值值折算。（1）《標準》的能耗限值對應的采暖空調設備24小時連續(xù)運行，空調采暖時間段滿足室內溫度設定要求；本文的模擬能耗對應的采暖空調設備間歇運行，且超過限制才開機；而實際情況下供暖空調設備間歇運行；市民一般高于30℃才開啟所在房間的空調。因此，供暖空調的實際運行時間遠小于《標準》對應的運行時間。（2）夏季室內設定溫度為26℃，冬季室內設定溫度為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)和剛進入空調季時，居民會開窗加強自然通風，以改善室內熱環(huán)境，這時的換氣次數就不止1.0次/小時，可達到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（改變換氣次數）無論是《標準》還是《模擬》的參數設置，全年換氣次數均為1.0ac/h，而在實際情況中，當居民打開窗戶通風時，換氣次數可以達到7.0ac/h～10.0ac/h。分別模擬1.0ac/h和7.0ac/h換氣條件下的室內基礎溫度（空調不運行），室內溫度高于28℃的起止時間見表10。從表中可知，當改變換氣次數后，空調天數減少了35天。空調能耗變化見表11。從表中可以很直觀的看出，當利用自然通風（改變換氣次數）時，縮短了空調天數，空調季節(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)能設計標準》中的空調采暖時間、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)不同換氣氣次數的空空調能耗項目1次換氣7次換氣空調累計冷負荷荷指標/kkW·h/㎡34.6130.94空調年耗電量//kW·h/㎡15.0513.45空調季節(jié)能率//%-14.15表10空調調系統運行行時間房間名稱換氣次數空調起始運行日期空調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遮陽類型傳熱系數K/W/㎡?K遮陽系數SC無內外遮陽4.70.65內遮陽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。良好的遮陽設計既能節(jié)能，又能調節(jié)室內光線分布，還可以美觀建筑立面。表12為不同遮陽形式下的遮陽系數。表13不同遮遮陽形式下下建筑能耗耗統計內容統計項目單位統計值節(jié)能住宅非節(jié)能住宅無內外遮陽固定遮陽內遮陽活動外遮陽1.5次換氣建筑負荷面積指指標全年累計熱熱負荷指標標kW·h/㎡43.7645.9143.7643.7665.78全年累計冷冷負荷指標標38.6836.7935.9433.7450.33建筑面積耗電量量指標累計采暖耗電量量指標23.0324.1623.0323.0334.62累計空調耗電量量指標16.8216.0015.6314.6721.88采暖空調耗電量量指標之和和39.8540.1638.6637.7056.50節(jié)能率相對于無內外遮遮陽的節(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果。從表中可知，當增加內遮陽和活動外遮陽時，相對于無內外遮陽的節(jié)能型建筑節(jié)能率分別為2.99%和5.40%；當增加固定遮陽時，由于冬季入射得熱的減少導致冬季能耗增加，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計統計項目單位統計值東向東北向偏東10度西北向西向建筑負荷面積指指標全年累計熱熱負荷指標標kW·h/㎡45.2444.4043.7644.3745.06全年累計冷冷負荷指標標kW·h/㎡42.7341.2238.6841.3143.07耗電量指標全年累計供供暖耗電量量kW·h/㎡23.8123.3723.0323.3523.71全年累計空空調耗電量量kW·h/㎡18.5817.9216.8217.9618.73采暖空調耗電量量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，其模擬統計結果見表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)劃建設時，選擇建筑朝向在最佳朝向范圍之內，并進行合