嚴寒地區(qū)住宅建筑通風及遮陽技術(shù)方案的節(jié)能率研究

滕佳穎，李明月，王 婉，慕曉飛

（吉林建筑大學 經(jīng)濟與管理學院，吉林 長春130118，E-mail：jiaying1016@foxmail.com）

我國嚴寒地區(qū)供熱周期長達約6 個月，隨著居民生活質(zhì)量的提高，典型住宅建筑的能耗需求逐年增加，嚴寒地區(qū)典型住宅建筑節(jié)能減排技術(shù)已成為研究熱點。近年來，被動技術(shù)的優(yōu)化已逐步成為推動節(jié)能減排，提高室內(nèi)舒適度的關(guān)鍵路徑。但是在不同的氣候區(qū)域，被動技術(shù)的節(jié)能應(yīng)用效果存在一定的差異[1]，被動節(jié)能技術(shù)是不借助機械設(shè)備與周邊環(huán)境進行能量交換的技術(shù)形式，無法根據(jù)環(huán)境的變化主動調(diào)節(jié)，具有被動適應(yīng)的特點，因此受氣候的影響比較明顯[2]，尤其是通風和遮陽兩種技術(shù)的節(jié)能效果受氣候影響較為明顯，因此尋求最適宜嚴寒地區(qū)典型住宅建筑的被動技術(shù)成為有待解決的問題。

目前，眾多學者對建筑的被動技術(shù)展開了研究，如有學者從理論上分析了不同氣候地區(qū)被動建筑節(jié)能技術(shù)的實用性[3~5]，被動技術(shù)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用可降低建設(shè)成本，提高經(jīng)濟效益[6]，從通風、遮陽和蒸發(fā)降溫的角度，研究被動節(jié)能技術(shù)的適老性設(shè)計[7]，提出被動優(yōu)先的校園建筑節(jié)能設(shè)計[8]，研究表明合理優(yōu)化窗墻比[9~11]和圍護結(jié)構(gòu)[12~15]，可有效降低建筑的能源消耗。此外，有學者針對通風和遮陽技術(shù)，展開室內(nèi)舒適度和節(jié)能效果的研究[16~18]。研究發(fā)現(xiàn)，對于嶺南地區(qū)，利用建筑互相的遮擋、外窗自身遮陽構(gòu)件可降低太陽輻射得熱，改善室內(nèi)舒適度，加強自然通風，可提高住宅生態(tài)性[2]。對于夏熱冬暖地區(qū)，對既有居住建筑加設(shè)遮陽構(gòu)件，能夠較好地達到節(jié)能改造目的[19]，另外自然通風和遮陽擋板在夏熱冬暖地區(qū)可明顯改善室內(nèi)熱環(huán)境，降低建筑能耗[20]。

本文基于嚴寒地區(qū)（長春）典型住宅建筑的仿真模型，從5 種通風方式和10 種遮陽方式著手，深入分析各個設(shè)計參數(shù)方案的節(jié)能率，明確嚴寒地區(qū)典型住宅建筑被動技術(shù)設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化方向，為嚴寒地區(qū)典型住宅建筑的被動技術(shù)優(yōu)化提供理論和方法的指導。

1 研究案例及研究方法

1.1 研究典型案例

本文選取位于嚴寒地區(qū)（長春）的典型住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計仿真模型，探討嚴寒地區(qū)住宅建筑關(guān)鍵能耗影響因素及其被動技術(shù)設(shè)計參數(shù)方案的節(jié)能率。研究案例為三層住宅建筑的仿真模型，框架結(jié)構(gòu)，總建設(shè)面積701.68 m2，基于Designbuilder 的手繪仿真模型如圖1 所示，包括三維立體圖和一層建筑平面圖。

圖1 基于Desginbuilder 手繪仿真模型

1.2 研究流程

基于嚴寒地區(qū)住宅建筑仿真模型，典型住宅建筑關(guān)鍵能耗影響因素、被動技術(shù)方案的綜合節(jié)能率的具體研究流程如圖2 所示。

（1）運用計算機仿真方法，構(gòu)建嚴寒地區(qū)典型住宅建筑仿真模型，分析典型住宅建筑能耗結(jié)果，明確典型住宅建筑關(guān)鍵能耗影響因素。

圖2 研究流程

（2）提出15 種典型被動技術(shù)設(shè)計參數(shù)方案（改變通風及遮陽設(shè)計參數(shù)），分別仿真分析各個方案運營期采暖能耗、全年總能耗。

（3）深入探討通風和遮陽技術(shù)方案節(jié)能率，綜合節(jié)能率以及提高嚴寒地區(qū)典型住宅建筑節(jié)能率的管理措施及建議。

2 典型住宅建筑能耗仿真及關(guān)鍵能耗影響因素研究

2.1 設(shè)計參數(shù)方案（T）

研究案例初始設(shè)計方案如表1 所示。

表1 初始設(shè)計參數(shù)方案（T）

2.2 典型住宅建筑能耗仿真結(jié)果

基于圖1 仿真模型及表1 初始設(shè)計方案，運用Designbuilder 仿真分析，得到如圖3 所示能耗仿真結(jié)果，主要包括采暖、房間用電、照明用電、設(shè)備用電、生活熱水用電5 個能耗影響因素。圖3 顯示12 個月各個能耗影響因素用電量變化趨勢。嚴寒地區(qū)長春四季分明，春季較短，干燥多風，夏季溫熱多雨，炎熱天氣不多，且持續(xù)時間較短，秋季涼爽，日夜溫差大，冬季漫長且較冷。因此，此地區(qū)典型住宅夏季多采用自然通風，并不存在制冷能耗，而冬季典型住宅的采暖能耗需求較大。

2.3 典型住宅建筑關(guān)鍵能耗影響因素分析

基于典型住宅建筑能耗仿真結(jié)果（見表2），利用帕累托分析法（20/80 定律），分析典型住宅建筑關(guān)鍵能耗影響因素。通過統(tǒng)計分析，可從圖4 清晰看出80%的能耗主要來源，針對典型住宅建筑的這些關(guān)鍵能耗影響因素采取一定節(jié)能（技術(shù)）措施，能夠達到高效節(jié)能的目的。

圖3 能耗仿真結(jié)果

表2 能耗關(guān)鍵影響因素

圖4 顯示嚴寒地區(qū)典型住宅建筑關(guān)鍵能耗影響因素來自三方面：采暖、生活熱水和設(shè)備用電能耗，達到86.62%，其中接近80%的能耗來自于采暖和生活熱水，采暖能耗達到66.87%，因此對于嚴寒地區(qū)典型住宅建筑節(jié)能重點在于降低采暖能耗。說明在嚴寒地區(qū)典型住宅被動設(shè)計時，可以適當減少對制冷能耗問題的考慮，重點解決冬季采暖能耗需求高的問題。

圖4 能耗貢獻度分析

被動技術(shù)是目前廣泛應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)，且所需增量成本較低，如改變圍護結(jié)構(gòu)，通風及遮陽方案等。我國《民用建筑節(jié)能條例》第28 條規(guī)定：實現(xiàn)既有建筑節(jié)能改造，應(yīng)符合民用建筑節(jié)能強制性標準，優(yōu)先采用遮陽、改善通風等低成本措施。因此本文著重研究通風及遮陽方案對嚴寒地區(qū)采暖能耗的節(jié)能效果，分析這兩種被動技術(shù)是否適合嚴寒地區(qū)節(jié)能改造。

3 住宅建筑通風及遮陽技術(shù)設(shè)計參數(shù)方案

3.1 通風設(shè)計參數(shù)的變動方案

通風設(shè)計參數(shù)變動方案如表3 所示，共包括5種變動方案，借助Designbuilder 仿真工具，在典型住宅建筑模型（見圖1）和初始設(shè)計方案（見表1）的基礎(chǔ)上，逐一改變通風設(shè)計參數(shù)，展開5 次仿真模擬，為深入探討5 種通風設(shè)計參數(shù)方案的節(jié)能率提供數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。

表3 通風設(shè)計參數(shù)的變動方案

3.2 遮陽設(shè)計參數(shù)的變動方案

遮陽方式設(shè)計參數(shù)變動方案如表4 所示，借助Designbuilder 仿真工具，在典型住宅建筑模型（見圖1）和初始設(shè)計方案（見表1）的基礎(chǔ)上，逐一改變遮陽設(shè)計參數(shù)，展開10 次仿真模擬，為深入探討10 種遮陽設(shè)計參數(shù)方案的節(jié)能率提供數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。

表4 遮陽設(shè)計參數(shù)的變動方案

4 通風及遮陽設(shè)計參數(shù)方案的節(jié)能率仿真結(jié)果及分析

4.1 通風設(shè)計參數(shù)方案節(jié)能率分析

基于DesignBuilder 能耗仿真平臺，分析得到初始方案（T），5 種通風技術(shù)方案（P1~P5）的采暖能耗、建筑總能耗，總能耗節(jié)能量，并對5 種通風設(shè)計參數(shù)方案的節(jié)能率展開分析與統(tǒng)計計算，具體結(jié)果如表5 所示。

表5 不同通風設(shè)計參數(shù)方案的節(jié)能率

變化不同的通風設(shè)計參數(shù)方案，確實能夠降低采暖能耗和全年總能耗，但是并沒有呈現(xiàn)顯著降低的趨勢，不同通風設(shè)計參數(shù)方案對嚴寒地區(qū)典型住宅建筑的節(jié)能效果并不明顯，P1~P5 的節(jié)能率僅為0.03%，且P1~P5 節(jié)能率并沒有變化，充分說明改變通風設(shè)計參數(shù)方案對住宅建筑節(jié)能并不敏感。主要原因是在嚴寒地區(qū)，冬季采暖期較長，雖然改變通風設(shè)計參數(shù)方案可使室內(nèi)溫度滿足舒適要求，營造良好的室內(nèi)環(huán)境，但是室內(nèi)外空氣流通，并不能明顯改善住宅建筑的采暖能耗。

通風方式分為自然通風和機械通風兩大類。仿真結(jié)果表明自然通風方式更適合嚴寒地區(qū)典型住宅建筑，主要是由于自然通風是由于溫差引起的熱壓和建筑物外氣流引起的風壓，不需要借助風機的動力，這樣更加經(jīng)濟。因此，建議嚴寒地區(qū)典型住宅在進行被動節(jié)能設(shè)計的時候，充分利用建筑物的自然通風，滿足人體熱舒適性的要求。當自然通風動力不足時，可適當減少窗扇的局部阻力系數(shù)來強化自然通風。

4.2 遮陽設(shè)計參數(shù)方案節(jié)能率分析

基于DesignBuilder 能耗仿真平臺，分析得到初始方案（T），10 種通風技術(shù)方案（Z1~Z10）的采暖能耗、建筑總能耗，總能耗節(jié)能量，并對10 種遮陽設(shè)計參數(shù)方案的節(jié)能率展開分析與統(tǒng)計計算，具體結(jié)果如表6 所示。

變化不同的遮陽設(shè)計參數(shù)方案，節(jié)能率均呈現(xiàn)負值，并不能降低采暖能耗和全年總能耗，反而呈現(xiàn)升高的趨勢。雖然遮陽可提高光舒適度，降低夏季室內(nèi)得熱，提高室內(nèi)舒適度，但是針對嚴寒地區(qū)，夏季溫度適中，冬季采暖期較長的氣候特征，不恰當?shù)恼陉枙p少冬季室內(nèi)得熱，增加采暖負荷。因此選擇不恰當?shù)恼陉柗绞讲蝗绮辉O(shè)置遮陽。

增加遮陽設(shè)施屬于被動節(jié)能設(shè)計，增量成本較低，遮陽對遮擋太陽輻射得熱的效果比較明顯，對防止室內(nèi)溫度上升有明顯作用，但是遮陽設(shè)施對節(jié)能的影響受多方面因素影響，比如建筑類型和地區(qū)氣候等，不同氣候地區(qū)的建筑應(yīng)權(quán)衡遮陽設(shè)施所帶來的節(jié)能率，合理選用。針對嚴寒地區(qū)典型住宅建筑仿真模型仿真結(jié)果顯示，改變不同的遮陽設(shè)計參數(shù)方案并不能帶來明顯的節(jié)能率，甚至會直接增加采暖負荷，因此建議不設(shè)置遮陽，最大限度節(jié)約住宅節(jié)能建筑的增量成本。

表6 不同遮陽設(shè)計參數(shù)方案的節(jié)能率

4.3 綜合節(jié)能率分析及節(jié)能管理措施

節(jié)能率表示參數(shù)變動后的模型與初始模型仿真能耗之差（即節(jié)能量）和初始模型仿真能耗之間的比值，反映參數(shù)的節(jié)能效果，取值越高，說明優(yōu)化通風和遮陽設(shè)計參數(shù)方案能夠帶來的建筑全年能耗變化越大，能耗改變效果越明顯。根據(jù)上述通風及遮陽設(shè)計參數(shù)方案的節(jié)能率分析，可得到節(jié)能率最高的通風和遮陽設(shè)計參數(shù)技術(shù)方案，進而，統(tǒng)計得到通風和遮陽設(shè)計參數(shù)方案的綜合節(jié)能率為0.03%，如表7 所示。

表7 最優(yōu)方案的綜合節(jié)能率

表7 顯示，當在嚴寒地區(qū)典型住宅建筑初始設(shè)計參數(shù)方案的基礎(chǔ)上，修改通風及遮陽設(shè)計參數(shù)技術(shù)方案后，能夠達到的綜合節(jié)能率僅為0.03%。充分表明嚴寒地區(qū)典型住宅更適合初始的自然通風及無遮陽被動技術(shù)設(shè)計方案。

嚴寒地區(qū)住宅建筑被動設(shè)計應(yīng)嚴格遵循節(jié)能設(shè)計標準，在提高被動節(jié)能意識的基礎(chǔ)上，加強被動設(shè)計方案的仿真分析，深入探討不同被動技術(shù)，如自然通風和遮陽技術(shù)在不同氣候地區(qū)的適宜性，而不應(yīng)盲目使用低成本被動技術(shù)。針對嚴寒地區(qū)典型住宅建筑，建議應(yīng)選在便于自然通風的位置，充分利用自然通風，減少夏季風扇或空調(diào)能耗。門窗應(yīng)布置在避風和向陽位置，能滿足基本的通風和采光即可。

為了實現(xiàn)更高水平的節(jié)能標準，嚴寒地區(qū)典型住宅建筑，應(yīng)采用因地制宜的被動技術(shù)，充分應(yīng)用“被動優(yōu)先，主動優(yōu)化，持續(xù)發(fā)展，經(jīng)濟適用”的建設(shè)節(jié)能管理模式，在顯著改善建筑室內(nèi)舒適度，提高節(jié)能率的基礎(chǔ)上，進一步推進嚴寒地區(qū)低能耗建筑的可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)語

基于嚴寒地區(qū)典型住宅建筑仿真模型，深入分析了5 種通風和10 種遮陽參數(shù)設(shè)計方案的節(jié)能率。基于嚴寒地區(qū)典型住宅建筑關(guān)鍵能耗影響因素分析，可知住宅建筑66.87%的能耗來自于采暖能耗，嚴寒地區(qū)節(jié)能重點在于降低采暖能耗。因此，在嚴寒地區(qū)典型住宅被動設(shè)計時，可以適當減少對制冷能耗問題的考慮，重點解決冬季采暖能耗需求大的問題。

改變嚴寒地區(qū)典型住宅建筑仿真模型的通風及遮陽設(shè)計參數(shù)方案，節(jié)能潛力并不明顯。因此，通風及遮陽設(shè)計參數(shù)改造方案不建議作為嚴寒地區(qū)住宅建筑被動技術(shù)設(shè)計參數(shù)優(yōu)化的重點。為了實現(xiàn)更高水平的節(jié)能標準，應(yīng)采用因地制宜的被動技術(shù)，運用“被動優(yōu)先，主動優(yōu)化，持續(xù)發(fā)展，經(jīng)濟適用”的建設(shè)節(jié)能管理模式。充分利用自然資源（自然通風、采光），圍護結(jié)構(gòu)（墻體保溫、門窗密閉性）降低節(jié)能率，合理輔助利用再生資源（光能、風能），經(jīng)濟、合理、高效降低嚴寒地區(qū)住宅能耗，確保良好的居住環(huán)境。本文研究成果為有針對性降低嚴寒地區(qū)住宅建筑能耗提供了一定的實踐性指導，對推進嚴寒地區(qū)被動技術(shù)參數(shù)優(yōu)化具有重要參考意義。