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  应用科技  2017, Vol. 44 Issue (4): 82-86  DOI: 10.11991/yykj.201701011
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引用本文  

张姝, 张希浩. 严寒地区既有居住建筑节能改造策略研究[J]. 应用科技, 2017, 44(4), 82-86. DOI: 10.11991/yykj.201701011.
ZHANG Shu, ZHANG Xihao. Energy-efficiency renovation strategys of existingresidential buildings in severe cold area[J]. Applied Science and Technology, 2017, 44(4), 82-86. DOI: 10.11991/yykj.201701011.

基金项目

国家自然科学基金项目(51306031)

通信作者

张希浩, E-mail:dbsyzxh@163.com

作者简介

张姝(1979-), 女, 副教授, 博士;
张希浩(1988-), 男, 硕士研究生

文章历史

收稿日期:2017-01-11
网络出版日期:2017-03-29
严寒地区既有居住建筑节能改造策略研究
张姝, 张希浩    
东北石油大学 土木建筑工程学院, 黑龙江 大庆 163318
摘要:为适应国家第三阶段建筑节能政策要求,减少严寒地区既有住宅建筑的热损失。以节能65%为改造目标,利用DeST-h软件对哈尔滨地区某典型住宅的冬季逐时负荷进行模拟,系统分析了外墙、屋顶、外窗、地面不同保温性能时建筑耗热量的变化规律。通过计算建筑设计热负荷,可知主要耗热量所占比例分别是冷风渗透44.2%、外窗30.9%、外墙20.7%和屋顶3.3%;增加保温层厚度可降低建筑能耗,但增加到一定厚度时,再继续增加节能意义不大。严寒地区应采用低传热系数且高遮阳系数类型的外窗。
关键词严寒地区    居住建筑    围护结构    节能改造    权重    建筑能耗    影响因素    DeST-h模拟    
Energy-efficiency renovation strategys of existingresidential buildings in severe cold area
ZHANG Shu, ZHANG Xihao    
School of Civil Engineering and Architecture, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China
Abstract: The purpose of this study is to meet the requirements of energy conservation policy for the third phase building of our country, and reduce the heat loss of existing residential buildings in cold regions. Regarding energy saving 65% as the target of reform, the winter hourly load of a typical residential area in Harbin were simulated by DeST-h. The change rule of building heat consumption was analyzed systematically when outer wall, roof, outer window and floor were different in thermal insulation performance. By calculating the design heat load of building, it can be seen that the proportion of main heat consumption is 44.2% of cold air infiltration, 30.9% of outer window, 20.7% of outer wall and 3.3% of roof, respectively. Increasing the thickness of insulation layer can reduce building energy consumption, but when it is added to a certain thickness, it will not have the meaning to further increase energy conservation. The outer window with low heat transfer coefficient and high shading coefficient should be used in severe cold area.
Key words: severe cold areas    residential building    building envelope    energy conservation reconstruction    weight of index    building energy consumption    influencing factors    DeST-h simulation    

自各阶段节能目标提出以来,不同院校、研究机构分别针对各地区、各类型的建筑节能开展了相当规模的研究。居住建筑占全国严寒和寒冷地区建筑面积的80%左右[1],因此对既有居住建筑的节能改造成为严寒和寒冷地区建筑节能的重要研究内容。马超、刘艳峰等[2-3]对西北农村住宅建筑外围护结构热工性能和建筑能耗进行分析,提出了适宜西北农村住宅建筑节能及采暖策略,不过更多的适用于新建农宅。郑武幸等[4]提出了7种适合于不同时期建造的居住建筑围护体系节能改造方案,同时对各方案节能性、经济性和适用性进行了分析。朱晓菲[5]以寒冷地区住宅建筑为研究对象,指出各围护结构在整个建筑能耗中所占比例,墙体和门窗是影响外围护结构的主要因素,得出围护结构的节能设计使所研究项目能耗减少23%的结论。马跃林[6]分析釆暖方式对沈阳地区农宅室内热环境与围护结构建筑节能的影响,并验证农村住宅节能改造的巨大潜力。李刚等[7-8]首先对沈阳地区农村住宅围护结构现状、采暖方式、能源利用情况、冬季室内热环境进行分析,并提出相应的改良建议;其次,对各节能改造方案进行模拟计算,提出全面节能方案。郑玉瑭[9]从低能耗建筑围护结构设计和新能源利用两个方面,探讨严寒地区低能耗建筑的节能设计。董馨潞[10]选择适合严寒地区的外围护节能改造技术进行深入研究,提出了适宜东北严寒地区的农村住宅外围护结构节能改造方案,并进行了节能评估。考虑到居民住宅所处地域特征、经济文化、气候特点的多样性,如何结合当地特色找到最适合本地区的建筑节能方案才是研究的重点。文中对哈尔滨市周边住宅小区进行实地调研,以某小区的其中一栋中层住宅楼为依据,结合建筑节能规范和所调研居住建筑特点,适当改进建筑物外围护结构及其保温性能,以期能以最经济、合理的方式满足65%的节能指标。利用DeST-h系统分析了住宅建筑围护结构不同保温性能时的能耗变化规律。

1 建筑模型的建立

文中模拟的建筑物位于哈尔滨市,地处气候分区的严寒A区,为某一9层住宅建筑物,层高3.0 m,2个单元,一梯两户,建筑面积约为4 184.64 m2,体形系数为0.3,综合窗墙比0.21。用DeST软件建立模型时,为便于统计负荷,以户为单位划分房间,楼梯间单独为一个房间,因此每层有设定6个房间,全楼共有54个房间。所建模型如图 1所示。

图 1 建筑物三维立体图
2 建筑物全年动态负荷模拟计算 2.1 建筑围护结构

根据《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ26-2010),对保温外墙各参数设定如表 1所示,其传热系数为0.34 W/(m2·K);内墙采用240 mm厚陶粒混凝土,内外抹20 mm厚水泥砂浆, 传热系数为1.27 W/(m2·K);屋顶除保温厚度为100 mm,其他构造与外墙一样,其传热系数为0.28 W/(m2·K);楼板的钢筋混凝土厚(120 mm)是外墙的一半,保温厚度20 mm,其他构造与外墙一样,传热系数为1.05W/(m2·K);外窗采用单框三层中空推拉式塑钢窗,传热系数为2.00 W/(m2·K),遮阳系数为0.85;外门采用成品保温防盗门,传热系数为1.50 W/(m2·K)。外墙、楼顶均采用外保温,且保温材料采用挤塑聚苯板(XPS板)。

表 1 保温外墙围护结构参数
2.2 建筑模拟计算

利用DeST-h软件对上述住宅模型的供暖期进行模拟,供暖期从10月15日至4月10日,共178 d。供暖期户内温度设定为18 ℃,楼梯间温度设定为16 ℃,哈尔滨全年平均室外温度为4.12 ℃,供暖期室外平均气温-9.39 ℃。通过模拟计算可知,总供热量1 104.82 GJ,热负荷指标17.17 W/m2

图 2为各月供热量,从图中可见1月供热量最大,为308.46 GJ。12月、1月和2月供热量之和为796.59 GJ,占供暖季总供热量的72%。

图 2 供暖期各月供热量

2016年,哈尔滨市强制要求按65%的节能标准对非节能居住建筑进行改造。从表 2可以看出,本次模拟能够达到节能65%以上的要求,同时比规范要求第3阶段供暖日增加了11天,提高了室内舒适性。

表 2 哈尔滨节能指标
3 围护结构对热负荷的综合影响分析

现对外围护结构各部分散热量占建筑总能耗的权重比例进行研究。其他设计条件同上文所述,冷风渗透设置为0.5次/h, 对模型建筑进行热负荷计算。结果如表 3所示。

表 3 建筑设计热负荷计算结果

图 3给出了建筑设计热负荷的组成。可以看出冷风渗透所占的比例最大为44.2%,外窗其次,尽管采用了三玻中空外窗但耗热量仍达到总耗热量的30.9%,外墙耗热量位居第三。由此可见,冷风渗透、外窗、外墙的耗热量之和占总耗热量的96%。地面和屋顶耗热量仅占总耗热量的4%。

图 3 建筑设计热负荷的组成

规范规定为了保证住宅建筑的室内卫生需求,通过外窗渗透的通风换气量不能低于0.5次/h。在除了冷风渗透之外,各围护结构占能耗比例如图 4所示。外窗耗热量比例超过50%,地面耗热最小仅占1.3%。因此,加强围护结构的保温,特别是加强外墙和屋顶的保温,窗户以及门的保温性和气密性是节约采暖能耗的关键。

图 4 围护结构设计热负荷的组成
4 围护结构节能措施分析 4.1 外墙节能分析

哈尔滨冬季气温较低,在保证围护结构安全的前提下,宜优先选用外保温结构,其他条件同前述模型。不同保温层厚度时热工参数见表 4

表 4 外墙和屋顶不同保温厚度传工参数

图 5为外墙不同保温层厚度时总供热量的比较情况,保温层从40 mm增加到120 mm,总供热量依次减小10%、6.5%、4.5%、3.4%。可见,外墙保温层增加到一定厚度,继续增加则保温效果提高减缓。

图 5 外墙不同保温层厚度时的总供热量比较

图 6为外墙不同保温层厚度时各月份供热量的比较,也表现出随保温层厚度增加,各月供热量增加幅度逐步减小的变化趋势。其中1月变化最为明显。保温层从40 mm增加到120 mm,总供热量依次减小32.77、19.44、12.87和9.12 GJ。

图 6 外墙不同保温层厚度时各月份供热量比较
4.2 屋顶节能分析

对屋顶不同XPS板保温层厚的建筑物进行模拟计算所得结果如图 7所示,顶层供暖季平均热负荷随着保温层厚度增加,平均热负荷值逐步减小,但减小幅度逐步缩小,当保温层增加到120 mm时,平均热负荷仍然在21.5 W/m2以上,此时再进一步增加20 mm保温层厚度,顶层平均热负荷减小幅度将低于2.86%。可见,采暖季屋顶散热量较大,加强屋顶保温是减小顶层耗热量,提高顶层舒适性的重要途径,但保温层增加到一定厚度,再增厚的节能效果不明显。

图 7 屋顶不同保温层厚度时平均热负荷比较
4.3 地面节能分析

严寒地区,地面全部保温,有利于提高底层用户的地面温度,避免分区设置保温层造成地面开裂的问题[11]图 8为对地面不同XPS板保温层厚的建筑物模拟结果。

图 8 地面不同保温层厚度时一层供暖季平均热负荷比较

无保温地面增加80 mm保温层后,平均热负荷减少了2.5 W/m2,仅为无保温地面时建筑耗热量的1.68%。可见,高层建筑增加地面保温对全楼热负荷影响极小,但可显著减少一层耗热量,提高一层住户的热舒适性。

4.4 外窗节能分析

在严寒地区,外窗传热系数小,遮阳系数大有利于节约冬季供热能耗。目前居住建筑采用塑钢窗后,气密性增加,有利于降低建筑物整体能耗。但居住建筑采用塑钢窗后,换气次数一般小于0.2次/h,室内空气质量无法保障;若要达到0.5次/h应设置通风换气装置或其他可行的换气设施[11]。所选外窗结构及其参数见表 5

表 5 外窗结构及相关参数

不同外窗类型时,供暖季总供热量见图 9。建筑耗热量不一定随着传热系数的减小而降低,同时它还受到遮阳系数的影响。外窗的传热系数减小,如果遮阳系数也减小了,则总耗热量未必减小。如外窗1和外窗2的模拟结果,传热系数从2.9 W/(m2·K)降低到2.4 W/(m2·K),但同时遮阳系数也从0.83降低到0.56,结果耗热量反而增加了4 GJ。再如外窗5和外窗7,传热系数从1.7 W/(m2·K)降低到1.4 W/(m2·K),但同时遮阳系数也从0.83降低到0.57,结果耗热量增加了155 GJ。从这2组数据还可看出,遮阳系数降低情况基本一致,第1组传热系数降低0.5 W/(m2·K)大于第2组的0.3 W/(m2·K),但因遮阳系数也降低导致第1组耗热量增加0.3%,远小于第2组耗热量增加的15.7%。说明与传热系数在2.0~3.0之间相比,传热系数在1.0~2.0期间增加遮阳系数可以大幅度降低耗热量。

图 9 不同外窗类型时建筑总供热量比较
5 结论

1) 通过计算建筑设计热负荷,对各部分耗热量进行分析,发现冷风渗透所占的比例最大为44.2%,外窗为30.9%、外墙和屋顶分别为20.7%和3.3%,地面和外门共占0.9%。可见,主要影响耗热量的有冷风渗透耗热量、外窗耗热量、外墙和屋顶耗热量。

2) 详细分析了不同保温性能的外墙、屋顶、地面及外窗对建筑能耗的影响。发现增加保温层厚度即可减小外围护结构的传热系数,加强保温效果。但保温层增加到一定厚度时,再继续增加,对保温效果改善不大,还会造成投资提高。

3) 外窗保温性能主要取决于外窗的传热系数和遮阳系数,严寒地区更适宜用低传热系数高遮阳系数类型的外窗。

4) 综合分析建筑能耗的主要影响因素及其随保温性能的变化规律,可为下一步对建筑进行全面优化设计奠定理论基础。

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