严寒地区被动式建筑保温系统的优化分析

1、严寒地区被动式建筑保温系统的优化分析摘要:在沈阳地区气候参数条件下，利用模拟软件建立模型，针对不同保温材料 及厚度分别模拟出对建筑能耗的影响，模拟结果分析得出外墙保温材料及厚度的 优化。在此基础上，同传统的65 %节能建筑能耗对比分析，被动式建筑节能 63.61 %，年节约电费6.7万元，减少二氧化碳排放量115.33吨。关键字：建筑节能；被动式建筑；保温材料；模拟分析；0引言随着我国城镇化进程加快，建筑业成为了社会三大能源消耗行业之一，每平 米的建筑能耗已经是发达国家能源消耗的3倍,节能任务已经由建筑全部来承担。 被动式建筑的提出有效促进绿色建筑低能耗的发展。大部分被动式住宅建造在德国，德国

2、对被动式住宅认证评估的标准，进一 步推进了被动式建筑的发展。近年来，国内也在积极探索和发展被动式房屋建筑， 例如秦皇岛的被动式建筑在水一方”，节能效果显著。大力推广被动式超低能耗 绿色建筑，进一步提高建筑节能水平。研究表明，我国绝大部分(北纬25以北)，其冬季都不同程度地可以利用被 动式太阳能采暖【1】。此次模拟以沈阳地区为例，进行被动式建筑能耗模拟分 析。1建筑模型建立与同纬度发达国家城市的气候条件相比，我国严寒地区的地理纬度与德国的 相似，而且严寒地区都以多层住宅形式为主，以多层住宅为研究对象，根据沈阳 当地的气候条件参数对建筑模型进行模拟分析。1.1建筑基本信息模型建筑为地上18层，层高

3、为3m，总建筑面积为6750皿，空调面积为 6300皿，体型系数0.21，综合窗墙面积比0.33，住宅楼采用钢筋混凝土剪力墙结 构。根据居住建筑节能设计标准，设置住户内部人员、灯光、设备的热扰参 数，对建筑进行能耗模拟分析，建筑模型如图1.1：图1.1:三维模型建筑示意图1.2气候参数设定沈阳市位于中国东北地区南部，辽宁省中部，温带季风气候，四季气候分明，年平均气 温变化较大。2015年日最高气温29 C，日最低气温出现在1月-17 C，全年降水量600 mm800 mm，如下图所示：图1.2：沈阳地区全年温度曲线变化图2模拟参数设置2.1围护结构及保温材料参数设置经学者研究，在采用相同保温层

4、厚度的情况下，不同保温材料对建筑能耗的影响不同。 保温材料的导热系数越小，热阻越大，建筑的采暖能耗越小。相同厚度的保温材料，导热系 数小的保温材料节能效果相对较好【2】。钢筋混凝土的导热系数0.99 W/m-k，厚度为180 mm。石墨聚苯板的导热系数0.033W/m-k，聚乙烯泡沫塑料的导热系数为0.047 W/m-k，通过计算软件得出不同保温厚度情况下， 围护护结构的综合传热系数如下表2.1：三层Low-e玻璃，玻璃间充满惰性气体(氩气或氪气)玻璃Ug值为0.7 W/ (E k)，窗 框通常为高效的发泡芯材保温多腔框架，其Uf值达到0.7 W/ (E k)，窗户的U值达到0.8W/ (E

5、k),夏季通过设置外遮阳，减少能耗损失。表2.1：不同保温材料厚度传热系数传热系数(W/E*)材料10 mm50 mm80 mm100mm120 mm150 mm200 mm250 mm300 mm400mm石墨聚 苯板1.720.550.360.290.250.20.150.120.10.08聚乙烯泡 沫塑料1.970.680.40.380.320.260.20.160.130.12.2房间热扰参数设置人员密度设置5 E/人，人均最低新风量为30 /h；人员工作日为逐时作息，1代表人员 活动，0代表无人员活动。设置周末全天为人员活动，灯光最大功率1W,最小功率为0,灯 光全年逐时作息时间设置

6、与住宅一致。图2.1：人员全天逐时作息曲线2.3基础参数依据被动式建筑作为一种典型的低能耗建筑，要实现真正意义上的被动房需要按照被动房的 节能标准去设计，模拟计算具体指标依据表2.2，由于不同地区气候差异，不能完全依据德 国被动房的能耗指标建议。真正被认证为被动房建筑必须要满足2条标准：采暖一次性能源需求量15 kWh/(E a);采暖(制冷)生活热水和家庭用电的年一次能源消耗120 kWh/(E a)。表2.2:被动式住宅的主要性能指标【3】3建筑全年模拟负荷分析沈阳冬季采暖期从11月1日至次年的4月1日，模拟时刻全年逐时模拟；夏季空调季期 从7月4日至8月31日，下表为不同保温材料及厚度下

7、，建筑全年负荷模拟统计情况：表2.3:不同保温厚度建筑全年负荷变化项目分 类保温 材料及厚 度全年 最大热 负荷(kw)全年 最大 冷负 荷(kw)采暖季累计热负荷(kw/a)空调季累计冷负荷(kw/a)全年 最大 热负 荷指标(w/ E)全年 最大 冷负 荷指标(w/ E)采暖 季累 计热 负荷 指标 (kwh/ E a)空调季累计冷负荷 指标(kwh/Ea)一次 能源 消耗 (kwh/ E a)50 mm石 墨 聚 苯板146.3361.86134354.516162.7323.229.8221.332.57127.73聚 乙 烯161.58565.206162628.516429.362

8、5.6510.3525.812.60136.4 080 mm石125.4057.6197501.315841.019.99.1415.472.51116.3墨 聚 苯 板388166聚 乙 烯136.08859.783115908.216000.0121.6 09.4918.402.54122.05石 墨 聚 苯板117.08755.94183899.1315725.4518.588.8813.322.49112.2 0聚 乙 烯127.84858.103101630.315875.0820.299.2216.132.52117.68石 墨 聚 苯板113.31155.1677991.8315

9、673.8617.988.7612.382.48110.38聚 乙 烯120.70553.08289733.5115771.4919.158.4314.242.50113.99石 墨 聚 苯板107.37552.48369059.0915597.1717.048.3310.962.47107.63聚 乙 烯114.17352.79979323.5815686.1318.128.3812.592.48110.79石 墨 聚 苯板101.89 452.72461198.5715524.3916.178.369.712.46105.22聚 乙 烯107.37552.48269059.0915597.

10、1717.048.3310.962.48107.64石墨98.61350.97656644.3715483.6615.658.098.992.46103.82100mm120mm150mm200mm250mm聚苯板聚烯103.1550.9562980.115544.516.38.099.992.48105.7石300m墨聚苯板97.91252.0155677.315475.515.58.268.832.45103.5m聚烯99.83749.5058333.815502.115.87.869.252.46104.3从表2.3可以看出，不同保温层厚度，建筑模型全年的负荷变化。依据被动 房能耗指标的

11、两个必要标准，石墨聚苯板保温材料厚度为100 mm时，采暖季累 计负荷指标13.32 kWh/皿 a，一次能源消耗量112.20 kWh/ (皿*)，此时聚乙烯 泡沫塑料需要保温厚度为120 mm。在指标设置不变的情况下，两种不同保温材料，改变保温层厚度，模拟采暖 季热负荷指标及一次性能源消耗量变化情况，如图所示：图3.1：不同保温建筑能耗指标变化从图3.1可以看出，在采暖热负荷指标小于15 kWh/(E a)条件下，保温材料厚度在 100mm300mm范围内，当保温层厚度达到250300 mm范围时，保温层厚度对保温效果变 化不明显。在满足表2.1情况下，需要石墨聚苯板厚度200 mm，聚乙

12、烯泡沫塑料厚度为250 mm。4节能效益分析在满足被动房指标标准情况下，石墨聚苯板厚度为200 mm，全年累计总能源需求量 12.17 kWh/(E a)，在相同建筑模型下，通过模拟计算65 %建筑节能标准的全年累计总能源需 求量为33.45 kWh/此 相比65 %节能建筑，被动房节能率达到63.61 %。由于建筑模型的空调面积为6300 E，每年节约累计总能量134100 kWh，预计采暖和空 调每年能耗节约44.9吨标煤，减少二氧化碳排放115.33吨，如果按电费单价0.5元/度计算， 每年节省电费约为6.7万元，体现了建筑绿色节能、低碳环保的特性，由此可以看出，被动 式低能耗建筑建设可充分达到建筑节能减排的作用。5结论参照被动式建筑指标标准，通过模拟软件计算分析，沈阳地区被动式房屋建筑，保温材 料选用石墨聚苯板时，需要保温材料厚度200 mm。导热系数越大需要保温材料厚度越大； 此建筑模型与我国节