夏熱冬暖地區(qū)居住建筑應(yīng)對氣候變化節(jié)能適應(yīng)性*

宋鑫焱，葉燦滔，馬偉斌

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣州 510640；4. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

夏熱冬暖地區(qū)居住建筑應(yīng)對氣候變化節(jié)能適應(yīng)性*

宋鑫焱1，2，3，4，葉燦滔1，2，3?，馬偉斌1，2，3

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣州 510640；4. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

為研究夏熱冬暖地區(qū)居住建筑應(yīng)對氣候變化的適應(yīng)性，運用TRNSYS動態(tài)能耗模擬軟件對該地區(qū)典型居住建筑能耗進行仿真，制定了居住建筑節(jié)能星級評估體系。以廣州市為例，分析預(yù)測了廣州2020年、2050年及2080年的氣候變化，并提出應(yīng)對氣候變化的節(jié)能措施。研究表明：氣溫上升1℃，4.0、5.5及6.5星級建筑能耗將分別增長25%、20%及20%；到2080年，氣溫上升近3.5℃，4.0星級建筑CO2年排放量達53 t/m2，將4.0星建筑升級到5.5和6.5星級，每年可相應(yīng)減排19.5 t/m2和23.2 t/m2；若以4.0星級建筑當前的CO2排放量為控制目標，則需把建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能提升到6.5星級水平，可以實現(xiàn)未來70年減排45%。

夏熱冬暖；居住建筑；氣候預(yù)測；星級評估；氣候變化適應(yīng)性

0 前 言

能源與氣候是當今世界最為關(guān)注的熱點問題之一，建筑能耗因氣候而生，氣候變化對建筑能源的消耗產(chǎn)生決定性影響，自1980年以來，全球變暖顯著，建筑能耗必將隨之發(fā)生變化［1］。2015年，全球碳排放量總量為335.1億t，中國碳排放量為91.5億t，占世界碳排放量的 27.3%，成為碳排放量最多的國家［2-3］。卞家濤等［4］提出，通過大幅度降低建筑能耗、開發(fā)利用CO2捕集和封存技術(shù)，是減排溫室氣體的最佳途徑之一。我國建筑能源消耗約為全國總能源消耗的三分之一，在建筑能耗中，空調(diào)能耗（制冷或供熱）與氣候變化直接相關(guān)，所占能耗比例較大，具有重要研究意義［5-6］。研究氣候變化應(yīng)建立在一定的情景條件下，目前被廣泛使用的是 IPCC在《排放情景特別報告中》公布的SRES情景，包括A1、A2、B1及B2四個場景。劉濤［7］基于SRES情景預(yù)測法中的B1情景，利用NetCDF軟件計算出西安市2050年的氣象數(shù)據(jù)，并利用Energy Plus分析了氣候變化對建筑能耗的影響。REN等［8］用Morphing降尺度方法預(yù)測出包括悉尼在內(nèi)的6座城市未來氣候變化對建筑能耗的影響，并提出了節(jié)能應(yīng)對措施。

本文利用TRNSYS動態(tài)能耗模擬軟件計算建筑能耗，對夏熱冬暖地區(qū)典型居住建筑制定了星級評估體系。首先，有別于傳統(tǒng)研究中對于建筑結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)采取逐項達標再強化的方式，從總能耗水平對各星級的建筑進行定量優(yōu)化分析，具有更好的經(jīng)濟效益，為建筑節(jié)能研究探索了新的思路；其次，在應(yīng)對未來氣候變化中，對各星級建筑進行節(jié)能減排量化，具有更好的實用性。

1 建筑模型建立

本文研究的居住建筑模型取自《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》［9］，典型居住建筑圍護結(jié)構(gòu)各項基本參數(shù)如下：建筑體形：一梯兩戶平面布局，高6層，每戶80 m2，矩形建筑；建筑外墻：相當于180 mm磚墻，傳熱系數(shù)2.17 W/（m2·K），太陽輻射吸收系數(shù)0.7；樓板：100 mm鋼筋混凝土樓板，加10 mm聚苯乙烯泡沫塑料外保溫隔熱，太陽輻射吸收系數(shù)0.7；窗墻比：南43%，北30%，東、西均15%；外窗：鋁合金窗，傳熱系數(shù)5.61 W/（m2·K），遮陽系數(shù)0.9；室內(nèi)環(huán)境：溫度為冬天16℃以上，夏天26℃以下，換氣次數(shù)1.5次/h。建筑立面及平面如圖1所示。

圖1 夏熱冬暖地區(qū)典型居住建筑模型Fig. 1 3D model and plain figure of the studied building

TRNSYS所用的逐時氣象數(shù)據(jù)庫為自帶的典型年氣象數(shù)據(jù)庫［10］。根據(jù)典型居住建筑的各項物理參數(shù)，在 TRNSYS動態(tài)能耗仿真平臺中建立如圖 1a所示的建筑模型，計算模型能耗，并依據(jù)規(guī)范值來校核模型。根據(jù)《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》中的能耗結(jié)果，空調(diào)能耗264.0 MJ/（m2·a），采暖能耗55.9 MJ/（m2·a），總能耗319.9 MJ/（m2·a）。本平臺計算結(jié)果為：空調(diào)能耗300.2 MJ/（m2·a），采暖能耗38.6 MJ/（m2·a），總能耗338.8 MJ/（m2·a）。二者總能耗百分比誤差約5.9%，在合理的誤差范圍內(nèi)［11］。

2 居住建筑模型

2.1 居住建筑節(jié)能星級評估體系

為定量分析居住建筑的節(jié)能潛力，降低建筑能耗水平，本文開展夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能星級評估體系研究。以廣東省為例，根據(jù)調(diào)研和走訪，結(jié)合廣東省各氣象臺站數(shù)據(jù)的空間完整性和時間連續(xù)性，以及典型氣象年（TMY）的干球溫度、相對濕度、風速、風向、太陽輻射五要素最大值、最小值、平均值的相關(guān)性，最后篩選的氣象數(shù)據(jù)臺站為12個，所在的行政區(qū)分別為韶關(guān)、清遠、肇慶、廣州、河源、梅州、汕頭、深圳、江門、陽江、茂名以及湛江，每一個氣象站覆蓋的氣象范圍代表一個獨立的氣候區(qū)，其氣候區(qū)劃分如圖2所示。

根據(jù) 12個氣候區(qū)內(nèi)典型居住建筑的能耗特征值，將居住建筑節(jié)能等級分為20檔，從0.5到10.0星級（Lv0.5～Lv10.0），星級間隔為0.5，低級別代表能耗高、舒適度較差的建筑，高級別代表能耗低、舒適度較好的建筑。具體步驟為：

（1）參考澳大利亞 NatHERS評級制度［12］，取Lv4.0為星級達標底線，對應(yīng)《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》（JGJ 75-2012）中的居住建筑模型；

（2）根據(jù)表1中的參數(shù)，逐一調(diào)整仿真平臺中Lv0.5、Lv5.5、Lv6.0以及Lv10.0等級建筑物圍護結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)（Lv0.5建筑代表超高能耗建筑，Lv10.0建筑代表近零能耗建筑，Lv5.5建筑表示相對Lv4.0建筑節(jié)能30%，Lv6.0建筑為在Lv5.5基礎(chǔ)上，僅將普通鋁合金窗框白玻璃更換為木質(zhì)窗框中空玻璃得到的建筑模型）。

圖2 廣東省12個氣候區(qū)Fig. 2 The 12 climate regions in Guangdong province

表1 TRNSYS模型參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameters of TRNSYS simulation model

（3）計算各氣候區(qū)4個級別模型的年能耗值，參考澳大利亞NatHERS星級圖譜，構(gòu)建Weibull模型，確定其余16檔節(jié)能星級的能耗水平。

Weibull模型是概率統(tǒng)計學(xué)中的一個著名的分布［13］，該預(yù)測模型具有較好的實用性，在生態(tài)環(huán)保變化預(yù)測、人口數(shù)量變動、城市化水平等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。其圖線在前期發(fā)展階段呈加速度增長趨勢，發(fā)展到一定程度后出現(xiàn)一個拐點，最終趨于一個有限值。Weibull分布的數(shù)學(xué)表達式如下。

式中：y為各星級建筑的年能耗，MJ/（m2·a）；t為星級級別；α與曲線的漸進性有關(guān)；β與截距有關(guān)；γ與相應(yīng)變量從初值到終值的變化速度有關(guān)；δ與數(shù)據(jù)擬合模型的靈活性有關(guān)。α、β、γ和δ的值由Lv0.5、Lv5.5、Lv6.0以及Lv10.0的年能耗值算出。將α、β、γ和δ的值帶入Weibull模型表達式中，得到其余16個星級建筑的能耗水平，然后得到12個氣候區(qū)Lv0.5～Lv10.0節(jié)能星級對應(yīng)的年能耗水平，如圖3所示。

圖3 廣東省居住建筑節(jié)能評估星級能耗水平圖譜Fig. 3 Guangdong provincial house energy consumption rating scheme

2.2 未來典型氣象數(shù)據(jù)預(yù)測

建筑能耗需求隨著全球氣溫逐漸上升而日趨加劇，進行氣候變化情景預(yù)估的主要工具是全球氣候系統(tǒng)模式［14］。目前，國際上對未來情景進行模擬研究時，應(yīng)用較為廣泛的為時間序列調(diào)整——Morphing方法［15-16］。該方法通過伸縮和位移，將氣候變化與已有氣象參數(shù)時間序列相結(jié)合，生成新的氣象參數(shù)文件。文中對于未來氣候的預(yù)測，主要包括干球溫度、相對濕度和太陽輻射，數(shù)學(xué)表達式為式（2）～式（4）［8］。

式中：T、T0分別為未來和現(xiàn)在的逐時干球溫度，℃；〈T0〉m、〈T0max〉m和〈T0min〉m分別是月平均干球溫度、每日最大干球溫度和最小干球溫度，℃；ΔTm、ΔTMAX，m和ΔTMIN，m分別是月平均干球溫度變化、每日最大干球溫度變化和每日最小干球溫度變化，℃；HR和HR0分別是未來和現(xiàn)在的逐時相對濕度；I和I0分別是未來和現(xiàn)在的逐時太陽輻射，W/m2；αTm、αHm和αRm分別是干球溫度、相對濕度、太陽輻射的降尺度伸縮系數(shù)。由南安普頓大學(xué)開發(fā)的CCWorldWeatherGen是基于Morphing方法來預(yù)測未來氣候的軟件［17］，通過輸入氣候區(qū)的歷史氣象數(shù)據(jù)，計算各區(qū)域的未來氣象數(shù)據(jù)。以廣州市為例，其2010年、2020年、2050年和2080年的干球溫度如圖4所示。

圖4 廣州市干球溫度預(yù)測Fig. 4 Predicted ambient dry-bulb temperature in Guangzhou

由計算結(jié)果可知，廣州地區(qū)2020、2050及2080年平均干球溫度（Ta）分別較2010年上升了0.82℃、1.91℃和 3.41℃。居住建筑能耗中，照明、熱水家電等對于氣候變暖敏感性比空調(diào)能耗小，研究氣候變化對于居住建筑降低空調(diào)、采暖的能耗具有重要作用。

3 未來預(yù)測氣候下的節(jié)能途徑

3.1 未來氣候?qū)τ诮ㄖ芎牡挠绊?/p>

在TRNSYS中導(dǎo)入CCWorldWeatherGen預(yù)測的未來氣象數(shù)據(jù)，設(shè)定建筑中空調(diào)系統(tǒng)COP值為2.5，計算出各星級建筑在未來氣候條件下的建筑總能耗和CO2排放量，包括空間加熱和冷卻、照明和其他用電設(shè)施的能耗。廣州地區(qū)在未來氣候條件下的能耗情況如圖5所示。

圖5 廣州地區(qū)氣候變化（a）對4.0星級建筑能耗的影響，（b）對5.5星級建筑能耗影響，（c）對4.0、5.5、6.5星級建筑總能耗的影響Fig. 5 Effects of climate change on （a） energy consumption of 4.0-star building，（b） energy consumption of 5.5-star building，（c）general energy consumption of 4.0-，5.5-，and 6.5-star buildings in Guangzhou

基于以上模型計算結(jié)果，分析可知，由于冷卻能耗顯著增加，增加的總能耗中存在加熱和冷卻的互補抵消區(qū)。大氣溫度上升1℃，4.0星級建筑能耗增長25%，5.5星級建筑能耗增長20%，6.5星建筑能耗增長20%。

對于廣州地區(qū)居住建筑的未來能源消耗，5.5星級建筑可以應(yīng)對氣溫上升 3℃的節(jié)能需求，即當氣溫上升3℃時，5.5星級建筑的能耗與當前4.0星級建筑的能耗相當；當氣溫上升1℃時，6.5星級建筑的能耗將超過5.5星級建筑的當前能耗，6.5星級建筑不滿足氣溫升高1℃時維持5.5星級當前能耗的節(jié)能需求。

在氣候變化溫度上升3.5℃的條件下，5.5星級建筑的能耗將高于當前4.0星級建筑能耗，6.5星級建筑能耗水平與當前4.0星級建筑能耗水平相當，6.5星級建筑滿足氣溫升高3.5℃時維持4.0星級當前能耗的節(jié)能需求。

3.2 氣候變暖條件下的節(jié)能途徑

一般而言，在不改變居民行為的情況下，減少建筑能耗主要有四種方式：

（1）提高建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能，降低建筑能源需求；

（2）采用節(jié)能、高能效產(chǎn)品；

（3）使用可再生能源及其產(chǎn)品，如太陽能組件，風力渦輪機，地熱能等；

（4）使用替代燃料、低溫室氣體排放的電器。

對于建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能，通過提高圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能星級水平，可以實現(xiàn)溫室氣體減排。電能的碳排放系數(shù)取 0.785 kgCO2/（kW·h）［18］，則計算結(jié)果如表2所示。

表2 提高圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能星級的CO2減排量Table 2 The reduction of CO2emission by enhancing the star level of envelope

由表2可知，廣州地區(qū)4.0星級建筑在當前和氣候變化溫度上升3.5℃時的CO2年排放量分別為30.6 t/m2和 53 t/m2；在當前氣候條件下，將 4.0星級建筑升級到5.5和6.5星級，每年可分別減排10.6 t/m2和13 t/m2；當氣溫升高3.5℃時，將4.0星級建筑升級到5.5和6.5星級，每年可分別減排19.5 t/m2、23.2 t/m2。應(yīng)對全球氣候變暖，加強建筑節(jié)能適應(yīng)能力，可以從以下兩個方面著手：

（1）對于既有建筑的改造，將 4.0星級建筑升級到5.5星級，具體改進措施為：熱阻由55%屋頂面積的R1.0提升到100%屋頂面積的R2.0，外墻磚貼面升級到R1.0保溫面磚貼面。

（2）對于新建建筑，建筑的標準從 5.5星級提升到6.5星級，具體提升措施為：熱阻由屋頂R4.0降低到R3.5，外墻提升到R2.0，外墻磚貼面升級到R3.0保溫面磚貼面，外窗窗框由鋁合金升級到木質(zhì)窗框，采用雙玻璃窗。

實施節(jié)能改造措施后，各星級建筑適應(yīng)氣候變化的能耗情況如圖6所示。

圖 6 節(jié)能改造前后建筑應(yīng)對未來氣候變化的能耗水平Fig. 6 Energy consumption of the original and retrofitted buildings on condition of predicted weather data

在2050年末，氣溫將上升2.0℃，由圖6可知，為維持建筑物的能源消耗在其使用壽命內(nèi)不超過原設(shè)計水平，只需把目前建筑按照 5.5星級施工。對于2080年末，氣溫上升近3.5℃，若以該時期的建筑能耗為控制目標，則需把目前建筑圍護結(jié)構(gòu)提升到 6.5星級水平，通過提高圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能來實現(xiàn)減排的目的。

4 結(jié) 論

本文依據(jù)夏熱冬暖地區(qū)居住建筑設(shè)計標準設(shè)立了典型居住建筑模型，通過對居住建筑模型進行能耗模擬，建立了廣東省居住建筑節(jié)能評估星級，并預(yù)測出廣東省未來氣象數(shù)據(jù)的變化，計算出各星級建筑在未來氣候條件下的能耗水平，并制定出相應(yīng)的節(jié)能減排措施，結(jié)果表明：

（1）廣東省居住建筑節(jié)能星級分為Lv0.5～10.0級，Lv0.5星級表示高能耗建筑，星級越高建筑能耗水平越低。

（2）廣東省氣溫呈上升趨勢，以廣州為例，該地區(qū)2020、2050及2080年平均干球溫度較2010年分別提升了 0.82℃、1.91℃和 3.41℃。在大氣氣溫上升1℃的情況下，4.0、5.5及6.5星級建筑能耗增長 25%、20%及 20%；若氣溫上升 2.0℃，將當前建筑按照 5.5星級施工，可以維持既有建筑物的能源消耗在其使用壽命內(nèi)不超過原設(shè)計水平；氣溫上升3.5℃時，將4.0星級建筑升級到5.5和6.5星級，每年可分別減排CO219.5 t/m2和23.2 t/m2。

（3）若以當前的CO2排放量為控制目標，則需把目前建筑圍護結(jié)構(gòu)提升到6.5星級水平，未來70年可以實現(xiàn)節(jié)能45%，為實現(xiàn)國家制定的節(jié)能65%的目標研究做了一定的探索。

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Climate Change Adaptation Pathways for Residential Buildings in Hot Summer and Warm Winter Zone in China

SONG Xin-yan1，2，3，4，YE Can-tao1，2，3，MA Wei-bin1，2，3
（1. Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；2. Key Laboratory of Renewable Energy，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；3. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development，Guangzhou 510640，China；4. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

In order to investigate the climate change adaptation pathways for residential buildings in hot summer warm winter zone in China，the building energy consumption rating schemes in this area were built based on the dynamic thermal performance of residential buildings by using TRNSYS software. The future climate change of Guangzhou in 2020s，2050s and 2080s was analyzed，and then adaptation pathways were put forward. The results showed that an increase of 1oC in global warming will induce the energy consumptions of 4.0-，5.5-，and 6.5-star buildings by 25%，20%，and 20%，respectively. And if an increase of 3.5oC comes true in 2080s，annual CO2emission of the 4.0-star building will reach 53 t/m2. However，if we retrofit and update the building to 5.5- or 6.5-star，19.5 or 23.2 t/m2reduction of CO2emission can be obtained accordingly. Moreover，45% reduction of CO2emission in the future 70 years is available if the envelopes of current buildings can be retrofitted to 6.5-star.

hot summer and warm winter zone；residential building；climate prediction；house energy rating；climate change adaptation

TK-9；TU831.6

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2016.05.012

2095-560X（2016）05-0411-06

宋鑫焱（1990-），女，碩士研究生，主要從事建筑節(jié)能研究。

葉燦滔（1980-），男，高級工程師，主要從事建筑節(jié)能、可再生能源建筑一體化研究。

馬偉斌（1959-），男，研究員，主要從事地熱能發(fā)電、制冷和太陽能發(fā)電、供熱研究。

2016-06-27

2016-07-26

廣東省重大科技專項（2013A011404007）；廣東省科技計劃項目（2013B091500026）

? 通信作者：葉燦滔，E-mail：yect@ms.giec.ac.cn