嚴(yán)寒地區(qū)建筑綠色改造技術(shù)的節(jié)能敏感性及潛力研究

滕佳穎，慕曉飛，王 婉

（吉林建筑大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，長(zhǎng)春130118）

0 引 言

建筑能耗約占世界能源消耗的40%［1］，建筑節(jié)能已成為節(jié)能減排的重點(diǎn)［2-4］。中國(guó)北方的供熱期較長(zhǎng)，能源消耗逐年增加，占中國(guó)建筑能耗總量的24.0%［5］。研究嚴(yán)寒地區(qū)非節(jié)能建筑的綠色改造尤為重要。

常用的綠色改造技術(shù)，如M3 和M4 等主動(dòng)節(jié)能措施以及M1 和M2 等被動(dòng)節(jié)能措施，可以提高建筑物的能源效益［6-10］。許多學(xué)者對(duì)現(xiàn)有建筑的節(jié)能改造技術(shù)進(jìn)行了研究，如Yang 等［11］提出夏熱冬暖地區(qū)采用氣凝膠超低導(dǎo)熱性外墻可大幅改善墻體熱性能，降低建筑能耗；也有學(xué)者提出建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造，如外墻采用外保溫，外遮陽設(shè)計(jì)［12］，可有效節(jié)約能源消耗［13-15］。周鵬忠等［16］深入研究了新疆地區(qū)鍋爐房供暖系統(tǒng)的改造，從源頭降低供暖系統(tǒng)能耗問題。近年來，綠色節(jié)能技術(shù)已廣泛應(yīng)用于建筑節(jié)能改造，逐步成為推動(dòng)節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)。

目前，針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)綠色改造技術(shù)的節(jié)能敏感性及潛力的研究較少，本文綜合嚴(yán)寒地區(qū)的住宅和公共建筑仿真模型，從典型的綠色改造技術(shù)：M1、M2、M3和M4 著手，深入分析綠色改造技術(shù)對(duì)于建筑能耗的節(jié)能敏感性及其節(jié)能潛力，明確嚴(yán)寒地區(qū)建筑綠色節(jié)能改造的關(guān)鍵方向。對(duì)高效降低嚴(yán)寒地區(qū)建筑能耗，進(jìn)一步探究低能耗建筑有重要的意義。

1 研究對(duì)象-工程仿真模型

本文選取設(shè)計(jì)位于嚴(yán)寒地區(qū)的典型住宅建筑和公共建筑仿真模型，探討嚴(yán)寒地區(qū)建筑綠色（被動(dòng)和主動(dòng)）改造技術(shù)的節(jié)能敏感度及其節(jié)能潛力。

第1 個(gè)是4 層住宅建筑仿真模型，框架結(jié)構(gòu)，總建設(shè)面積為681 m2，如圖1（a）、（b）所示。第2 個(gè)是4 層公共建筑仿真模型，框架結(jié)構(gòu)，總建設(shè)面積3 638 m2，如圖1（c）、（d）所示。

圖1 基于Desginbuilder手繪仿真模型

2 研究方法及方案設(shè)置

2.1 研究方法及流程

研究嚴(yán)寒地區(qū)綠色改造技術(shù)的節(jié)能敏感性及其節(jié)能潛力，為嚴(yán)寒地區(qū)建筑的被動(dòng)和主動(dòng)節(jié)能改造設(shè)計(jì)提供理論支持和指導(dǎo)。具體研究方法及流程如圖2所示。

圖2 研究方法及流程

2.2 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（T）

兩個(gè)研究對(duì)象的傳統(tǒng)方案（長(zhǎng)春地區(qū)）設(shè)置如表1所示。

2.3 綠色改造技術(shù)方案（M1 ～M4）

綠色改造技術(shù)主要包括：

被動(dòng)技術(shù)。改變外窗、外墻、樓板、屋面、遮陽等。主動(dòng)技術(shù)。改變照明器具和HVAC 系統(tǒng)等方面，均可改變嚴(yán)寒地區(qū)建筑的能源效益。本文兩個(gè)研究對(duì)象分別采用4 種（M1 ～M4）綠色改造技術(shù)方案，見表2。表2 中M1 ～M4 方案是基于傳統(tǒng)方案（T）的綠色改造技術(shù)。

表1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

表2 綠色改造技術(shù)方案

3 研究結(jié)果及分析

3.1 M1 ～M4 運(yùn)營(yíng)期年能耗及節(jié)能量仿真結(jié)果

3.1.1 住宅樓M1 ～M4 的仿真結(jié)果

基于Designbuilder 建模（圖1）和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（見表1），采用表2 中綠色節(jié)能改造技術(shù)方案，分別更換M1 ～M4，進(jìn)行4 次模擬，輸出住宅建筑綠色改造技術(shù)M1 ～M4 的年度能耗模擬結(jié)果，如圖3 所示，及運(yùn)行期間的年度節(jié)能情況，如圖4 所示。

圖3 T、M1 ～M4運(yùn)行期的年度能耗

圖4 M1 ～M4運(yùn)行期的年度節(jié)能量

基于Designbuilder建模（見圖1）和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（見表1），采用表2 中綠色節(jié)能改造技術(shù)方案，分別更換M1 ～M4，并進(jìn)行4 次模擬，輸出公共教學(xué)建筑綠色改造技術(shù)M1 ～M4 的年度能耗模擬結(jié)果，如圖5 所示，運(yùn)行期的年度節(jié)能情況，如圖6 所示。

圖5 T、M1-M4運(yùn)行期的年度能耗

圖6 M1-M4運(yùn)行期的年度節(jié)能量

3.2 M1 ～M4 的節(jié)能敏感性及節(jié)能潛力分析

3.2.1 住宅樓M1 ～M4 的節(jié)能敏感性及潛力

基于圖3 仿真數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)方案（T）相比，進(jìn)行了4種綠色改造技術(shù)（M1 ～M4）節(jié)能敏感性分析。節(jié)能敏感性指不同改造技術(shù)下，能耗因素（采暖用電、房間用電、設(shè)備用電、照明用電和生活熱水用電）節(jié)能百分比的變化（敏感）程度，如圖7 所示。

圖7 M1 ～M4對(duì)能耗因素的節(jié)能敏感性

M1、M4 可有效降低住宅建筑的采暖能耗；M3 可有效降低住宅建筑的照明用電能耗，M2 雖然對(duì)改變住宅建筑能耗較敏感，但在嚴(yán)寒地區(qū)采用遮陽技術(shù)后導(dǎo)致采暖能耗上升，故嚴(yán)寒地區(qū)（長(zhǎng)春）住宅建筑不建議采用遮陽設(shè)施。值得注意的是，在更換了不同的綠色改造技術(shù)方案（M1 ～M4）后，設(shè)備、房間和生活熱水用電的節(jié)能百分比幾乎沒有變化。

基于圖4 仿真數(shù)據(jù)，開展4 種綠色改造技術(shù)方案M1 ～M4 對(duì)于住宅建筑總能耗的節(jié)能潛力分析。節(jié)能潛力分析的衡量指標(biāo)是某綠色技術(shù)改造方案所帶來的年度總節(jié)能量與傳統(tǒng)方案年度總能耗量的百分比，如圖8 所示。

圖8 M1 ～M4對(duì)建筑總能耗的節(jié)能潛力

與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案T 相比，M4 方案的年采暖節(jié)能量非常明顯，其次是M1 方案，M2 和M3 方案的采暖用電反而增加，整體上來說M2 和M3 技術(shù)方案并不適合嚴(yán)寒地區(qū)（長(zhǎng)春）住宅建筑。

圖8 顯示，在M1 ～ M4 中，M4 方案的總能耗具有最大的節(jié)能潛力，達(dá)到37.08%；M2 的總能耗節(jié)能潛力最?。ú膳緦?dǎo)致室內(nèi)溫度降低，增加采暖能耗，節(jié)能效果降低），- 3. 92%；M3 的節(jié)能潛力分別為6.10%和-0.31%。

總之，住宅建筑的綠色改造技術(shù)方案M1、M4 對(duì)于采暖用電的節(jié)能敏感性高；M3 對(duì)于照明用電的節(jié)能敏感性高；改變HVAC 系統(tǒng)M4 和圍護(hù)結(jié)構(gòu)M1 的總能耗節(jié)能潛力大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)M1 被動(dòng)節(jié)能技術(shù)和HVCA系統(tǒng)M4 主動(dòng)節(jié)能技術(shù)適用于嚴(yán)寒地區(qū)住宅建筑的節(jié)能改造，且對(duì)降低采暖用電起到至關(guān)重要的作用。嚴(yán)寒地區(qū)住宅建筑節(jié)能改造的重點(diǎn)應(yīng)是暖通空調(diào)HVAC系統(tǒng)的主動(dòng)節(jié)能設(shè)計(jì)，同時(shí)有效運(yùn)用改造外窗、外墻、樓板和屋面等被動(dòng)節(jié)能技術(shù)。

3.2.2 教學(xué)樓M1 ～M4 的節(jié)能敏感性及潛力

基于圖5 的仿真數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)方案（T）相比，對(duì)4種綠色改造技術(shù)（M1 ～M4）的節(jié)能敏感性進(jìn)行了分析，如圖9 所示。

圖9 M1 ～M4對(duì)能耗因素的節(jié)能敏感性

M1 可以有效降低公共建筑采暖用電能耗，M3 可有效降低照明用電能耗；M4 雖然對(duì)改變公共建筑能耗較敏感，但是公共建筑采用HVAC 系統(tǒng)M4 后導(dǎo)致采暖能耗明顯上升，故嚴(yán)寒地區(qū)（長(zhǎng)春）公共建筑不建議采用加熱地板。值得注意的是，在更換不同綠色改造技術(shù)方案（M1 ～M4）后，設(shè)備、房間和生活熱水用電的節(jié)能百分比幾乎沒有變化。

基于圖6 仿真數(shù)據(jù)，開展4 種綠色改造技術(shù)方案M1 ～M4 對(duì)于公共建筑總能耗的節(jié)能潛力分析，如圖10 所示。

圖10 M1 ～M4對(duì)建筑總能耗的節(jié)能潛力

與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案T 相比，M1 方案的采暖年節(jié)能量相對(duì)明顯，其次是M3 方案；M4 方案的采暖能耗增加明顯，M2 方案的采暖能耗稍有增加。整體上來說M2、M4 技術(shù)方案并不適合嚴(yán)寒地區(qū)（長(zhǎng)春）公共建筑。圖10 顯示，M1 ～ M4 中，M1、M3 的節(jié)能潛力分別為10.45%和3.26%。

總之，公共建筑的綠色改造技術(shù)方案：M1、M3 對(duì)于兩種能耗因素具有很高的節(jié)能敏感性：即采暖用電和照明用電；改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)M1 的總能耗節(jié)能潛力大，其次是改變照明器具M(jìn)3，即M1 被動(dòng)節(jié)能改造和M3主動(dòng)改造技術(shù)適用于嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑，可以在降低公共建筑的采暖和照明能耗方面發(fā)揮重要作用。改造的重點(diǎn)應(yīng)是完善圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如外窗、外墻、樓板和屋面等被動(dòng)節(jié)能設(shè)計(jì)，結(jié)合LED 照明設(shè)備，有效降低嚴(yán)寒地區(qū)公共建筑的能耗。

4 結(jié) 語

基于典型的嚴(yán)寒地區(qū)住宅和公共建筑仿真模型，深入分析了4 種綠色改造技術(shù)方案的節(jié)能敏感性及其節(jié)能潛力，進(jìn)一步拓展了節(jié)能分析的研究范圍?；诜抡姘咐芯?，得到如下結(jié)論：

（1）住宅建筑的綠色改造技術(shù)方案：改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)M1 和改變HVAC系統(tǒng)M4 方案對(duì)建筑采暖用電能耗因素具有較高的節(jié)能敏感性；改變照明器具M(jìn)3 方案對(duì)建筑照明用電能耗因素具有較高的節(jié)能敏感性；M4、M1 方案對(duì)于建筑總能耗的節(jié)能潛力大，分別達(dá)到37.08%和6.10%。

（2）公共建筑的綠色改造技術(shù)方案：改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)M1 和改變照明器具M(jìn)3 方案對(duì)建筑采暖用電和照明用電兩種能耗因素具有較高的節(jié)能敏感性；改變HVAC 系統(tǒng)M4 方案導(dǎo)致公共建筑采暖能耗明顯增加；M1、M3 方案對(duì)于建筑總能耗的節(jié)能潛力大，分別達(dá)到10.45%和3.26%。

（3）針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)采暖能耗較高的現(xiàn)狀，完善圍護(hù)結(jié)構(gòu)這種綠色被動(dòng)改造技術(shù)較適用于嚴(yán)寒地區(qū)高效降低建筑采暖能耗的需求。嚴(yán)寒地區(qū)節(jié)能改造的關(guān)鍵是要合理完善圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)，比如推廣如節(jié)能外窗、外墻、樓板和屋面等被動(dòng)節(jié)能改造技術(shù)，有效地結(jié)合高效照明器具和HVAC 系統(tǒng)，降低嚴(yán)寒地區(qū)建筑能耗。

本文研究成果為有效降低嚴(yán)寒地區(qū)建筑能耗提供了一定的實(shí)踐性指導(dǎo)，對(duì)推進(jìn)嚴(yán)寒地區(qū)節(jié)能減排和進(jìn)一步研究低能耗建筑具有重要意義。