武汉市居住建筑节能

武汉市居住建筑节能分析摘要：通过对武汉市居住建筑的建筑信息与能耗的调查，以武汉市某居住建筑为研究对象，采用Dest-h进行能耗模拟，研究居住建筑用能限值与实际能耗的误差及原因；研究外围护结构传热系数、遮阳系数、换气次数、建筑朝向、室内空调供暖设备对居住建筑能耗的影响。结果表明：实际能耗远低于居住建筑用能限值的主要原因是空调间歇运行、居民开窗通风、居民的忍受极限。降低外围护结构的传热系数、利用自然通风、选择好的遮阳形式、提高空调供暖系统能效比都会有好的节能效果。关键词：居住建筑；输入参数；节能；限值1引言据统计，截至2007年低，武汉城区房屋建筑542955栋，总占地面积10259.54万㎡，总建筑面积31286.31万㎡，其中武汉城区既有建筑19150.58万㎡，住宅建筑11353.21万㎡，人均住宅建筑面积为26.86㎡/人。既有建筑中95%以上是高能耗建筑；每年新建建筑800～1200万㎡，节能建筑为10%左右。武汉市既有建筑的围护结构热工状况普遍较差，屋面：非透光部分屋面传热系数为0.44～1.62W/（㎡·K），透光部分屋面传热系数一般为5.4～6.4W/（㎡·K）；外墙：传热系数为1.11～2.47W/（㎡·K）,240砖墙的传热系数为2.2～2.4W/（㎡·K）；地面：底部接触室外空气地面的传热系数1.0～3.63W/（㎡·K）；外窗：单层钢窗的建筑居多，传热系数一般在6.4W/（㎡·K），图1武汉市居民家庭每百户空调器拥有量遮蔽系数一般大于0.8。空调供暖以家用分体空调为主，也有部分居民用电取暖器，省直机关以集中供暖为主。图1图1武汉市居民家庭每百户空调器拥有量国内外已有大量的文献讨论居住建筑围护结构、窗墙比对能耗的影响，但基本是讨论相对节能量变化，其模拟能耗值与实际能耗相差较大。笔者在武汉市居住建筑信息、能耗调查与测试的基础上，以某居住建筑群为研究对象，运用清华大学研发的Dest-h能耗模拟软件，通过不同节能手段（如利用自然通风，改变遮阳形式，改变朝向、改变围护结构热工参数等）以及改变空调供暖运行时间的模拟比较，研究武汉市居住建筑的节能措施，分析居民实际耗能与居住建筑节能综合指标限值[1]相差甚远的原因，为新建居住建筑节能与既有建筑节能改造提供依据。2建筑的信息和参数设置2.1建筑信息表1窗墙墙比朝向东南西北综合窗墙比0.070.170.070.120.12该建筑群占地面积11273.86㎡，建筑面积74247.92㎡，共有10栋，均为条式单元住宅建筑，户型分别为四室两厅一厨两卫、三室两厅一厨两卫，坐北朝南（偏东10○）。图2为某栋建筑，其户型为三室两厅一厨两卫，总建筑面积为6820.14㎡，空调面积为4580.50㎡，层高为3.0m，共6+1层，一梯2户，每层8户，共48户。一至五层户型相同，都是三室两厅一厨两卫，六层用户带有夹层房间。此建筑的体形系数为0.371，其窗墙比见表1。建筑立面图和标准层平面图如图2、图3所示。2.2参数设定建筑能耗模拟的输入参数主要有房间功能、内部热扰状况、室内环境控制参数、通风次数、空调模式等的设定。1.围护结构图2建筑立体图（1）非节能型住宅:根据对武汉市居住建筑的调查、依照《居住建筑节能设计标准（夏热冬冷地区）宣贯教材》提供的上世纪80图2建筑立体图（2）节能型住宅:根据湖北省地方《居住建筑节能设计标准》[2]规定性指标要求，取符合节能50％标准限值的热工参数，两种类型住宅建筑围护结构参数设置见表2。图3建筑标准层平面图2.图3建筑标准层平面图表2建建筑围护结结构热工参参数围护结构传热系数（W/m2·K）传热系数限值（W/m2·K）普通非节能型住住宅外墙1.9042.0屋面1.451.5内墙1.9892.00外窗6.4//SCC0.8556.4-节能型住宅外墙0.9871.0屋面0.7770.8内墙1.9892.00外窗4.7/SC00.654.7/SC00.65住宅建筑的房间功能主要有客厅、餐厅、卧室、厨房、洗手间等。依据房间功能设置室内人员、照明、设备以及空调供暖运行时间（厨房、洗手间为非供暖空调房间）。（1）人员热扰设起居室和餐厅的人数为3人，主卧室的人数为2人，次卧室的人数为1人。人员在室率如下：·卧室：22:00～次日6:00，人员在室率100%。·客厅：工作日19:00～22:00，人员在室率60%；假日8:00～12:00、13:00～18:00,人员在室率60%,19:00～22:00，人员在室率100%。·餐厅：工作日7:00～8:00、18:00～19:00，人员在室率100%；假日7:00～8:00、12:00～13:00、18:00～19:00，人员在室率100%。（2）照明热扰起居室、主卧室、次卧室、餐厅、厨房的照明密度为7W/㎡，卫生间的照明密度为6W/㎡，楼梯间的照明密度为5W/㎡。房间照明的运行时间如下。·卧室：6:00～7:00、21:00～22:00。·客厅：19:00～22:00。·餐厅：18:00～19:00。·厨房：18:00～20:00。·卫生间：6:00～7:00、20:00～21:00。（3）设备热扰房间的设备（不含分体空调）功率按4.3W/㎡来计算，房间设备的作息时间见表3。表3设备逐时使使用率房间类别时间123456789101112131415161718192021222324起居室工作日010节假日00.500.510书房工作日010节假日00.500.50厨房工作日00.5010.50节假日010100.510.50卫生间工作日00.5010节假日00.50103.通风次数空调器采暖和制冷时的换气次数为1.0ac/h（满足基本卫生要求）。过渡季节换气次数为7.0ac/h，即窗户全部打开[3]～[6]。4.室内环境控制参数与室外气象参数空调室温设定值为26℃，供暖室温设定值为18℃；室内相对湿度设定值为40%～60%。模拟计算所采用的武汉市典型气象年数据是采用Medpha软件生成的全年逐时气象数据[7]。表4是武汉地区空调采暖高出或低于室内设定参数的小时数。表4室外温度度高出设定定值的小时时数月份1月2月3月5月6月7月8月9月11月12月比较参数<18℃>26℃<18℃小时数/h7446726334153795485942575857445.空调采暖系统运行模式表5空调供暖暖系统全年年运行时间间表季节系统工作时间供暖11月1日～次次年3月15日空调5月15日～10月月1日空调采暖系统运行必须同时满足以下条件：·在表5所示的时间段。·室内温度超过28℃（夏天）或者低于16℃（冬天）；·日运行时间与室内人员同步。6.空调供暖能效比普通家用空气源热泵空调器，冬季采暖、夏季制冷。·节能型建筑：空调器制冷额定能效比取2.3，供暖额定能效比取1.9。·不节能型建筑：空调器制冷额定能效比取2.2，电取暖器能效比取1.0。表6不不同换气次次数的能耗耗统计统计项目单位1.0次换气1.5次换气节能量/%建筑负荷面积指指标全年最大热负荷荷W/m2102.22114.4310.67%全年最大冷负荷荷W/m2101.01109.657.88%全年累计热负荷荷kW·h/m2254.1065.7817.76%全年累计冷负荷荷kW·h/m2242.7250.3315.11%耗电量面积指标标-全年累计供暖耗耗电量kW·h/m2254.1065.7817.76%全年累计空调耗耗电量kW·h/m2219.4222.8815.12%供暖空调耗电量量kW·h/m2273.5288.6617.08%※空调器制冷额定定能效比取取2.2，电电取暖器能能效比取11。3模拟结果及分析3.1节能型住宅与非节能型住宅比较分析1.门窗密封性对能耗的影响设围护结构为普通非节能型建筑，换气系数分别为1.0次、1.5次。全年负荷模拟结果见表6。从表6可以看出，当换气次数减少0.5次时，节能17.08%。因此，提高围护结构的密封性，可以减少供暖和空调耗电量，但室内新风量必须满足室内人员的健康要求。2.围护结构热工参数对能耗的影响在1.0次换气条件下，依据表1设置节能型住宅和非节能型住宅围护结构的输入参数，其模拟结果见表7。从表7可知道，供暖节能量大于空调节能量，节能型住宅相对于非节能型住宅的节能率为29.47%，达到通过改变围护结构热工参数节能25%左右的要求。3.空调采暖能效比对能耗的影响表8空调供暖设备能效比对能耗的影响。当供暖设备能效比从1提高到1.9时，节能47.37%；当空调设备能效比从2.2提高到2.3时，节能4.35%；共节能35.03%，满足通过提高空调采暖设备能效比节能25%左右的要求。表7节能能住宅与非非节能住宅宅的能耗统统计统计项目单位节能住宅非节能住宅节能量建筑负荷指标全年最大热负荷荷指标W/m287.59114.4323.46%全年最大冷负荷荷指标W/m287.90109.6519.84%全年累计热负荷荷指标kW·h/m2243.7665.7833.47%全年累计冷负荷荷指标kW·h/m2238.6850.3323.13%耗电量指标累计供暖耗电量量kW·h/m2223.0334.6233.47%累计空调耗电量量kW·h/m2216.8221.8823.13%供暖空调耗电量量kW·h/m2239.8556.5029.47%※空调器制冷额定定能效比取取2.3，电电取暖器能能效比取11.9。表8空空调供暖能能效比对能能耗的影响响能效比1.91节能率供暖能耗/kkW·h/m223.0343.7647.37%能效比2.302.20供冷能耗/kkW·h/m216.8217.584.35%供暖空调能耗//kW··h/m239.8561.3435.03%表9是不同方式下所得到的空调供暖能耗。其中：①本文模拟的空调采暖能耗——简称模拟；②《湖北省居住建筑节能设计标准-50%》给出的限值——简称标准；③实际调查的居民能耗简称——实际。从表中可知，模拟的采暖空调能耗仅占《标准》的采暖空调能耗限值的62.22%（节能建筑），实际的空调供暖能耗仅占限值的20.14%（节能建筑）。出现这种差距的主要原因是《标准》的模拟条件与客观事实严重不符，具体表现在以下三个方面:表9不同同方式下所所得到的空空调供暖能能耗项目标准模拟实际③模拟/标准实际/标准HDD1816901628-CDD26227272-供暖基础建筑72.0854.112.9①75.06%17.90%节能建筑35.7923.03/7.1②64.35%36.04%空调基础建筑31.2121.883.670.11%41.33%节能建筑28.2516.8259.54%45.66%供暖空调基础建筑103.2973.5216.571.18%12.49%节能建筑64.0539.85/10.762.22%20.14%建筑能耗---44.02

集中供热;②空空调方式供供暖;③按当量值值折算。（1）《标准》的能耗限值对应的采暖空调设备24小时连续运行，空调采暖时间段满足室内温度设定要求；本文的模拟能耗对应的采暖空调设备间歇运行，且超过限制才开机；而实际情况下供暖空调设备间歇运行；市民一般高于30℃才开启所在房间的空调。因此，供暖空调的实际运行时间远小于《标准》对应的运行时间。（2）夏季室内设定温度为26℃，冬季室内设定温度为18℃。在实际情况中，夏季室温稍高于26℃，例如28℃；冬季室温稍低于18℃时，例如15℃。（3）换气次数全年为1.0次/小时，而在实际情况中，过渡季节和刚进入空调季时，居民会开窗加强自然通风，以改善室内热环境，这时的换气次数就不止1.0次/小时，可达到7.0次/小时，甚至是10.0次/小时。3.2节能措施3.2.1自然通风（改变换气次数）无论是《标准》还是《模拟》的参数设置，全年换气次数均为1.0ac/h，而在实际情况中，当居民打开窗户通风时，换气次数可以达到7.0ac/h～10.0ac/h。分别模拟1.0ac/h和7.0ac/h换气条件下的室内基础温度（空调不运行），室内温度高于28℃的起止时间见表10。从表中可知，当改变换气次数后，空调天数减少了35天。空调能耗变化见表11。从表中可以很直观的看出，当利用自然通风（改变换气次数）时，缩短了空调天数，空调季节的能耗减少了14.15%。表10和表11也同时说明《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中的空调采暖时间、能耗与湖北武汉的实际情况完全脱节。表11过渡季节节不同换气气次数的空空调能耗项目1次换气7次换气空调累计冷负荷荷指标/kkW·h/㎡34.6130.94空调年耗电量//kW·h/㎡15.0513.45空调季节能率//%-14.15表10空调调系统运行行时间房间名称换气次数空调起始运行日期空调停止运行日期综合考虑16月3日9月26日76月17日9月5日3.2.2增加遮阳表12不不同遮阳形形式下的遮遮阳系数遮阳类型传热系数K/W/㎡•K遮阳系数SC无内外遮阳4.70.65内遮阳4.70.39活动外遮阳4.70.2由于夏季太阳辐射是造成室内得热的主要途径，因此，建筑外窗隔热是建筑节能的重要手段之一。良好的遮阳设计既能节能，又能调节室内光线分布，还可以美观建筑立面。表12为不同遮阳形式下的遮阳系数。表13不同遮遮阳形式下下建筑能耗耗统计内容统计项目单位统计值节能住宅非节能住宅无内外遮阳固定遮阳内遮阳活动外遮阳1.5次换气建筑负荷面积指指标全年累计热热负荷指标标kW·h/㎡43.7645.9143.7643.7665.78全年累计冷冷负荷指标标38.6836.7935.9433.7450.33建筑面积耗电量量指标累计采暖耗电量量指标23.0324.1623.0323.0334.62累计空调耗电量量指标16.8216.0015.6314.6721.88采暖空调耗电量量指标之和和39.8540.1638.6637.7056.50节能率相对于无内外遮遮阳的节能能建筑%0.00-0.77%2.99%5.40%-相对于非节能建建筑29.47%28.92%31.58%33.27%-表13为不同遮阳的能耗结果。从表中可知，当增加内遮阳和活动外遮阳时，相对于无内外遮阳的节能型建筑节能率分别为2.99%和5.40%；当增加固定遮阳时，由于冬季入射得热的减少导致冬季能耗增加，从而使得建筑总能耗增加。该建筑采取遮阳措施所得到的节能率较小，其原因是该建筑的窗墙比很小。3.2.3建筑朝向表14不同朝向向建筑能耗耗统计统计项目单位统计值东向东北向偏东10度西北向西向建筑负荷面积指指标全年累计热热负荷指标标kW·h/㎡45.2444.4043.7644.3745.06全年累计冷冷负荷指标标kW·h/㎡42.7341.2238.6841.3143.07耗电量指标全年累计供供暖耗电量量kW·h/㎡23.8123.3723.0323.3523.71全年累计空空调耗电量量kW·h/㎡18.5817.9216.8217.9618.73采暖空调耗电量量kW·h/㎡42.3941.2939.8541.3142.44通过对东向，东北向，西向，西北向以及偏东10度五种朝向的模拟得到不同朝向的建筑能耗，其模拟统计结果见表14。从表中可看出，建筑朝向为偏东10度时，建筑供暖空调能耗最小的，西向最大，其次是东向。因此进行小区规划建设时，选择建筑朝向在最佳朝向范围之内，并进行合