居住建筑供暖能耗與供暖度日數(shù)關(guān)系研究

■ 張 露 ZHANG Lu 李永安 LI Yongan 劉學(xué)來(lái) LIU Xuelai

0 引言

能源是經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)于一個(gè)國(guó)家的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，世界各國(guó)的能源消耗量越來(lái)越高，而全球能源供應(yīng)也越來(lái)越緊張，生產(chǎn)力發(fā)展與能源緊缺之間的矛盾日益加劇，能源節(jié)約及綜合利用問(wèn)題受到各國(guó)廣泛關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在世界能源消費(fèi)不斷增長(zhǎng)的情況下，無(wú)論是發(fā)達(dá)國(guó)家還是發(fā)展中國(guó)家，建筑能耗占全國(guó)能源消費(fèi)總量的比重很大。

目前，中國(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，建筑行業(yè)消耗大量能源，對(duì)環(huán)境、能源產(chǎn)生極大的壓力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)建筑能耗占總能耗的26.7%，而且還在以每年1個(gè)百分點(diǎn)的速度增加[1]。在建筑物冬季供暖方面，隨著人們對(duì)居住條件以及生活質(zhì)量追求的不斷提高，對(duì)建筑物室內(nèi)環(huán)境的要求越來(lái)越高，維持建筑物室內(nèi)適宜溫度所產(chǎn)生的能耗也越來(lái)越高。我國(guó)冬季供暖面積正以年均約10%的增速飛速增長(zhǎng)，其中，北方地區(qū)集中供熱能耗占全國(guó)建筑總能耗的52%[2]。因此，降低建筑物能耗問(wèn)題，特別是北方地區(qū)冬季供暖能耗問(wèn)題迫在眉睫。本文將以山東地區(qū)符合現(xiàn)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的居住建筑為例，通過(guò)計(jì)算山東地區(qū)16個(gè)地級(jí)市的供暖期逐日熱負(fù)荷以及定量分析供暖能耗與供暖度日數(shù)的關(guān)系，為寒冷地區(qū)建筑物的供暖能耗深入研究奠定了良好基礎(chǔ)。

1 山東地區(qū)氣象特點(diǎn)

我國(guó)的建筑熱工分區(qū)根據(jù)各地氣候分為五個(gè)區(qū)，即：嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)。其中，寒冷地區(qū)地處我國(guó)長(zhǎng)城以南，秦嶺、淮河以北，新疆南部、青藏高原南部，屬于我們習(xí)慣上說(shuō)的供暖地區(qū)。本文研究的山東屬于寒冷地區(qū)。山東地處我國(guó)東部沿海地區(qū)，在渤海、黃海之濱，太行山以東，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，氣候子區(qū)橫跨寒冷A區(qū)、寒冷B區(qū)。其氣候特點(diǎn)是：降雨集中、雨熱同期，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。全省年平均氣溫基本上遵循從西南向東北遞減的規(guī)律，但區(qū)域差異不大，大部分在13℃左右?？梢钥闯觯綎|地區(qū)冬季寒冷，夏季炎熱，全年四季分明，供暖季與空調(diào)使用時(shí)間差不多。

2 供暖能耗分析

“建筑供暖能耗不僅與建筑本體的熱工性能相關(guān)，還與建筑內(nèi)人的使用行為模式、熱力管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)狀況、輸配管網(wǎng)效率以及熱源設(shè)備效率密切相關(guān)”[3]。我們通常所說(shuō)的建筑物供暖的能耗指的是在整個(gè)供暖期間建筑物供暖所消耗的能量，其中包含鍋爐及其附屬設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中消耗的熱量和電能，室外管網(wǎng)將熱量從熱源輸配到建筑物入口期間消耗的熱量，以及在供暖季期間由供暖系統(tǒng)實(shí)際輸送到建筑物的熱量，后者即為建筑物供暖耗熱量。因此，建筑物耗熱量?jī)H是供暖能耗里的一部分，它主要包括通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量和通過(guò)門窗縫隙的空氣滲透耗熱量。從提高鍋爐運(yùn)行效率、室外管網(wǎng)輸送效率及降低建筑物耗熱量等幾方面都可以降低供暖能耗，但前兩者的提高畢竟是有一定限度的。因此，從降低住宅建筑能耗的角度來(lái)看，必須嚴(yán)格控制建筑物的熱耗。故本文對(duì)供暖能耗的分析主要是針對(duì)建筑物耗熱量。

2.1 研究對(duì)象

我國(guó)居住建筑量大面廣。截止到2012年，我國(guó)嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的19個(gè)省、直轄市、自治區(qū)共134個(gè)地級(jí)以上大、中城市的集中供熱面積已達(dá)51.84億m2，其中，居住建筑供暖面積占70%左右[4]。供暖能耗是寒冷地區(qū)建筑能耗的最主要部分，由于既有住宅建筑大多保溫性能較差[5]，因此，冬季供暖能耗也是浪費(fèi)最為嚴(yán)重且節(jié)能潛力最大的部分；再加上經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，居民生活水平的大幅度提升，冬季供暖能耗日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。基于以上原因，本文針對(duì)性地選取山東省16個(gè)典型區(qū)域的居住建筑，以此開(kāi)展建筑供暖能耗分析工作。

2.2 建筑概況

山東省某8層小高層類型既有居住建筑，層高3.0m，一梯兩戶，戶型為三室兩廳兩衛(wèi)（圖1）單戶建筑總面積約為140.25m2，換氣次數(shù)為0.5次/h。根據(jù)《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 26－2010）和《山東省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DB 37/5026—2014），建筑熱工參數(shù)的選定詳見(jiàn)表1。

2.3 氣象資料來(lái)源及供暖熱負(fù)荷計(jì)算

為了能夠正確預(yù)測(cè)寒冷地區(qū)居住建筑冬季整個(gè)供暖期的能耗，作為供暖能耗分析基礎(chǔ)的氣象參數(shù)就必須具有長(zhǎng)期氣候代表性。山東建筑大學(xué)李永安教授根據(jù)濟(jì)南近10年的氣象資料，確定了構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)年各平均月的選取原則[6、7]。本文利用DeST軟件對(duì)寒冷地區(qū)16個(gè)地市不同室外氣象參數(shù)的建筑物進(jìn)行能耗預(yù)測(cè)。DeST是清華大學(xué)江億院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制的大型建筑能耗分析軟件，其氣象參數(shù)采用的是標(biāo)準(zhǔn)年，并以標(biāo)準(zhǔn)氣象年作為建筑能耗模擬分析的全年模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1 某居住建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

根據(jù)《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 26－2010），該居住建筑室內(nèi)計(jì)算溫度設(shè)定為18℃，換氣次數(shù)為0.5次/h。依據(jù)山東地區(qū)典型區(qū)域冬季供暖期的室外氣象條件，計(jì)算山東16個(gè)地市典型戶型供暖期逐日熱負(fù)荷。山東省供暖時(shí)間是當(dāng)年11月15日～翌年3月15日，供暖熱負(fù)荷計(jì)算可按照《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50736—2012）中熱負(fù)荷計(jì)算方法進(jìn)行。以濟(jì)南、青島為例，整個(gè)供暖期逐日熱負(fù)荷見(jiàn)圖2、3。

通過(guò)模擬計(jì)算，得到濟(jì)南市居住建筑該戶整個(gè)供暖季總耗熱量QH1＝9 373.97kWh，年單位建筑面積耗熱量qH1＝66.84kWh/(m2a)；青島市居住建筑該戶整個(gè)供暖季總耗熱量QH2＝10 320.20kWh，年單位建筑面積耗熱量qH2＝73.58kWh/(m2a)。山東省其它14個(gè)地級(jí)市的整個(gè)供暖期熱負(fù)荷計(jì)算方法同上，其計(jì)算結(jié)果匯總詳見(jiàn)表2。將整個(gè)供暖期內(nèi)通過(guò)軟件模擬計(jì)算得到的逐日熱負(fù)荷值相加求和，即可得到建筑物的供暖全年耗熱量。由于我國(guó)供暖用的化石能源主要是煤炭，故選用標(biāo)準(zhǔn)煤來(lái)計(jì)算能耗指標(biāo)是符合我國(guó)實(shí)際情況的。兩者之間的具體換算關(guān)系是：1kWh=3.6×106J，而1kg標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值是29 260kJ，因此，每1kWh能耗相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤的 質(zhì) 量 為： 3.6×106J÷29 260J/g=123.03g=0.123kg。表2中所列的HDD指的是供暖度日數(shù)。根據(jù)度日數(shù)的算法可知，采暖度日數(shù)與氣溫有關(guān)[8、9]。

度日數(shù)的定義是，每日平均溫度與規(guī)定基準(zhǔn)溫度每日1℃的高差[10]。在度日數(shù)的統(tǒng)計(jì)過(guò)程中，一般選擇比較長(zhǎng)的時(shí)期作為統(tǒng)計(jì)周期，使其具有代表性，如20年、30年甚至更久，而不是任意選取某一年的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。另外，在實(shí)踐過(guò)程中，通常的工程設(shè)計(jì)較多選用建立在穩(wěn)定傳熱理論基礎(chǔ)上的簡(jiǎn)易估算法，該方法不需要詳細(xì)掌握熱耗隨時(shí)間變化的具體情況。度日數(shù)法即是簡(jiǎn)易估算法的一種，通?？捎脕?lái)估算建筑的全年供暖能耗。

圖2 濟(jì)南市居住建筑供暖期逐日熱負(fù)荷

圖3 青島市居住建筑供暖期逐日熱負(fù)荷

表2 山東地區(qū)16個(gè)地級(jí)市居住建筑供暖耗熱量匯總表

筆者依據(jù)山東省不同地級(jí)市冬季供暖全年耗熱量及供暖度日數(shù)HDD的相關(guān)數(shù)據(jù)，從定量方面分析供暖度日數(shù)與供暖能耗的關(guān)系，以此來(lái)尋求供暖度日數(shù)HDD與建筑供暖能耗之間的關(guān)系，從而為居住建筑供暖能耗的計(jì)算找到便捷路徑。

從圖4可以看出，隨著供暖度日數(shù)的增加，建筑物的供暖耗熱量也相應(yīng)增加，且樣本點(diǎn)的分布緊緊圍繞在一條直線上下，表明供暖度日數(shù)與建筑物供暖能耗的關(guān)系存在非常密切的線性正相關(guān)關(guān)系。因此，建筑物供暖能耗Y與供暖度日數(shù)X的回歸方程應(yīng)該是個(gè)一元線性回歸方程。

對(duì)圖3中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到表示供暖度日數(shù)與供暖能耗之間關(guān)系的回歸方程：Y＝0.004X－0.7502，回歸系數(shù)為0.9584，即供暖度日數(shù)可以解釋熱負(fù)荷變化的95.8%以上（R2=0.958)。此結(jié)果可以看出，用供暖度日數(shù)可以準(zhǔn)確地反映寒冷地區(qū)居住建筑供暖期供暖能耗的熱負(fù)荷特征，因而利用供暖度日數(shù)HDD分析氣候變化對(duì)寒冷地區(qū)居住建筑供暖能耗的影響是可行的。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文依據(jù)冬季不同的室外氣象條件，針對(duì)山東地區(qū)居住建筑，計(jì)算得到了居住建筑整個(gè)供暖期逐日熱負(fù)荷，進(jìn)而對(duì)供暖度日數(shù)與居住建筑供暖能耗之間的關(guān)系進(jìn)行了較為深入的研究，最后對(duì)使用供暖度日數(shù)進(jìn)行居住建筑供暖能耗估計(jì)的適用性進(jìn)行了探討。研究結(jié)果表明，供暖度日數(shù)可以反映寒冷地區(qū)居住建筑的熱負(fù)荷特征。

筆者雖然對(duì)山東地區(qū)16個(gè)地市的典型建筑供暖能耗進(jìn)行了計(jì)算研究，但近年來(lái)，供暖方式傾向多元化。本文只討論了傳統(tǒng)供暖能耗的相關(guān)問(wèn)題，有些新的問(wèn)題，尚需今后進(jìn)行更深入的研究。

在當(dāng)下清潔供暖進(jìn)程穩(wěn)步推進(jìn)的同時(shí)，我們應(yīng)對(duì)各種建筑能耗影響因素和節(jié)能措施進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，努力開(kāi)發(fā)并廣泛應(yīng)用建筑節(jié)能新技術(shù)，來(lái)降低建筑能耗，才能在經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間取得合理的平衡，從而實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的可持續(xù)發(fā)展。

圖4 山東省居住建筑供暖耗熱量與供暖度日數(shù)之間的關(guān)系