張 姝，張希浩，賈永英，李 棟，呂松炎,宮克勤

(東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318)

嚴(yán)寒地區(qū)居住建筑節(jié)能改造優(yōu)化模型探究

張 姝，張希浩，賈永英，李 棟，呂松炎,宮克勤

(東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318)

為推進(jìn)嚴(yán)寒地區(qū)建筑節(jié)能進(jìn)程，通過更經(jīng)濟(jì)的節(jié)能改造策略適應(yīng)不斷提高的建筑節(jié)能要求，針對哈爾濱市某9層住宅樓，以提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能和改設(shè)雙向通風(fēng)窗兩種策略建立兩類節(jié)能模型，利用能耗軟件模擬分析兩類模型較基本模型的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性。對比改用雙向通風(fēng)窗前后的能耗變化情況可知：基本模型節(jié)能率提高約15%，每年每平方米節(jié)約費(fèi)用1.87元；第一類模型節(jié)能率平均提高約13%，每年每平方米平均節(jié)約費(fèi)用1.42元。與提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能來達(dá)到節(jié)能效果的方式相比，采用雙向通風(fēng)窗即可在保證空氣品質(zhì)的同時(shí)，獲得較好的節(jié)能效果。研究結(jié)果可為嚴(yán)寒地區(qū)的居住建筑節(jié)能改造提供參考。

通風(fēng)與空調(diào)工程；嚴(yán)寒地區(qū)；居住建筑；雙向通風(fēng)窗；優(yōu)化模型

針對居住建筑高能耗、高污染、舒適性差的特點(diǎn)，國家提出建筑節(jié)能分步走戰(zhàn)略。自北京市實(shí)行建筑節(jié)能75%的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以來，天津、山東、河北、烏魯木齊等省市也制定了相應(yīng)節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并開始實(shí)施第4階段75%的節(jié)能目標(biāo)。隨著節(jié)能進(jìn)程的推進(jìn)，關(guān)于這方面的研究也在逐步深入。

作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，外墻、屋頂、外窗成為研究的重點(diǎn)。外墻研究主要集中在墻體構(gòu)造/材料和保溫材料的性能上[1-2]，屋頂除了加設(shè)保溫材料增加其保溫隔熱性能外，屋頂綠化也起到了一定的保溫、遮陽作用[3]。窗戶作為影響建筑物能耗的重要構(gòu)件，科研人員對與之相關(guān)的傳熱系數(shù)、遮陽系數(shù)、窗墻比、朝向等參數(shù)進(jìn)行了研究，分析單一因素、多重因素對某一氣候區(qū)、多個(gè)氣候區(qū)建筑物能耗的影響[4-9]。因建筑物能耗的大小是由其周邊或內(nèi)部多種因素共同作用和相互影響有關(guān)，所以不同類型的算法(如遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、粒子群優(yōu)化算法等)、正交試驗(yàn)法、層次分析法等被引入，用以多目標(biāo)優(yōu)化建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能參數(shù)的最佳匹配[10-13]。此外，有關(guān)學(xué)者就相變墻體對建筑物能耗的影響、通過合理的窗戶設(shè)計(jì)從而減少電氣照明能耗、氣候變化對建筑物能耗的影響等方面進(jìn)行了研究[14-16]。LIN等[17]建立了一套辦公建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能效配置模型決策支持系統(tǒng)，用于優(yōu)化建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最小施工預(yù)算。

寧志海[18]對西安地區(qū)住宅建筑節(jié)能75%設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的可行性進(jìn)行技術(shù)研究。楊穎等[19]通過改善外窗絕熱性能及降低窗墻比相結(jié)合的策略來實(shí)現(xiàn)天津市居住建筑75%的節(jié)能目標(biāo)。MA等[20]分析了不同參數(shù)對窗戶節(jié)能效果的影響，最后提出通過增加玻璃、窗框的層數(shù)，改進(jìn)窗框的材質(zhì)，合理控制窗墻比，設(shè)置遮陽等措施來提高窗戶的綜合性能。王麗穎等[21]從建筑朝向、體型系數(shù)、耗熱量指標(biāo)、維護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造等方面論述了嚴(yán)寒地區(qū)居住類建筑節(jié)能75%的關(guān)鍵技術(shù)。

本文以節(jié)能75%為目標(biāo)，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化組合，提出第一類節(jié)能建筑模型，并同當(dāng)前建筑進(jìn)行能耗比較；引入雙向通風(fēng)窗代替前述模型的普通中空玻璃窗提出了第二類節(jié)能建筑模型，雙向通風(fēng)窗的引入，解決了僅靠冷風(fēng)滲透所引起的新風(fēng)量不足以及在嚴(yán)寒地區(qū)加熱新風(fēng)耗熱量大的雙重問題。與此同時(shí)，通過對兩種模型的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，從而為嚴(yán)寒地區(qū)居住建筑實(shí)現(xiàn)75%的節(jié)能目標(biāo)提供參考。

1 基本建筑模型的建立

模擬的建筑物位于哈爾濱市，共9層、層高3.0 m，2個(gè)單元，1梯2戶，建筑面積約為4 184.64 m2，體形系數(shù)為0.3。利用DeST軟件建立模型如圖1所示。

圖1 建筑物三維立體圖Fig.1 Three-dimensional map of buildings

參照相關(guān)規(guī)范，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)各參數(shù)設(shè)定見表1。屋頂和外墻均采用外保溫。

表1 模擬建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 兩類節(jié)能模型的建立

2.1 第一類節(jié)能模型

在基本模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)各圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱的權(quán)重比例，增加其保溫性能，提出了節(jié)能建筑模型Ⅰ—模型Ⅲ。供暖期共178天，戶內(nèi)溫度設(shè)定為18 ℃，樓梯間溫度設(shè)定為16 ℃。房間的換氣次數(shù)為0.5次/h，外窗遮陽系數(shù)均為0.8。地面熱阻為1.311 (m2·K)/W。表2為節(jié)能模型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表2 節(jié)能模型參數(shù)

表3為模擬計(jì)算結(jié)果，從表3中數(shù)據(jù)可以看出，模型Ⅰ—模型Ⅲ的節(jié)能率均達(dá)到75%以上。

表3 節(jié)能模型模擬結(jié)果

按使用壽命為30年計(jì)算，各模型耗煤量如圖2所示。模型Ⅰ、模型Ⅱ和模型Ⅲ隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的逐步提高，節(jié)能率依次提高2.33%和1.78%，可見增加幅度逐步減小。隨著外墻保溫層的加厚，建筑用地和材料耗費(fèi)不斷增加，同時(shí)外窗傳熱性能的提高，也將大幅度增加初投資。經(jīng)調(diào)研可知，目前，哈爾濱地區(qū)用于外墻保溫的擠塑板為300～360元/m3，普通中空三玻窗250元/m2。采用充氬氣或Low-e低輻射玻璃可以提高保溫隔熱性能，整窗傳熱系數(shù)可達(dá)到0.8 W /(m2·K)以下，但由于品牌、技術(shù)、窗框、隔熱條、五金件等等多方面因素導(dǎo)致節(jié)能窗價(jià)格區(qū)間跨度很大，為500～5 000元/m2，投資無法準(zhǔn)確估算。因此，實(shí)際中應(yīng)依據(jù)具體需求進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選用合適的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

圖2 節(jié)能模型耗煤量的比較Fig.2 Comparison of coal consumption in energy saving model

由此可見，通過增加墻體及屋面的保溫層厚度，并采用保溫隔熱性能更好的新型節(jié)能窗可以顯著降低建筑的冬季耗熱量，提高建筑節(jié)能率。但當(dāng)擠塑板(XPS)保溫層達(dá)到140 mm以上或者節(jié)能窗傳熱系數(shù)小于1.0 W/(m2·K)時(shí)，保溫性能提高減緩并且投資費(fèi)用將顯著增加。嚴(yán)寒地區(qū)在常規(guī)住宅設(shè)計(jì)中為達(dá)到75%的節(jié)能目標(biāo)，可采用模型Ⅰ和模型Ⅱ的圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型，但因設(shè)計(jì)地點(diǎn)和建筑具體參數(shù)結(jié)構(gòu)的差異，需要進(jìn)一步進(jìn)行權(quán)衡計(jì)算來驗(yàn)證其節(jié)能指標(biāo)是否滿足要求。

2.2 第二類節(jié)能模型

隨著節(jié)能門窗保溫隔熱性能的不斷提高，建筑的氣密性也逐步加強(qiáng)，盡管這在很大程度上減少了建筑冷風(fēng)滲透耗熱，但同時(shí)也容易造成室內(nèi)新風(fēng)量無法滿足要求的境況，雙向通風(fēng)窗就是在減少建筑物能耗和提高室內(nèi)空氣品質(zhì)的雙重背景下提出的。

第二類節(jié)能模型正是在基本模型和第一類節(jié)能模型的基礎(chǔ)上，采用了雙向通風(fēng)窗。依據(jù)文獻(xiàn)研究結(jié)果可知，哈爾濱80 m2中間層住宅，采用雙向通風(fēng)窗時(shí)冬季能耗與采用普通中空三玻窗時(shí)能耗相比，節(jié)能率達(dá)到51.4%[22]。經(jīng)模擬分析得出，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)條件均相同的情況下，采用通風(fēng)窗的節(jié)能效果相當(dāng)于外窗熱回收效率為70%的情況。由雙向通風(fēng)窗的工作原理可知，其為顯熱回收裝置，為方便模擬計(jì)算，在0.5次/h換氣次數(shù)的情況下，將通風(fēng)窗70%熱回收效率折合成減少的換氣次數(shù)為0.325次/h，即采用通風(fēng)窗后，模擬能耗時(shí)其他參數(shù)不變,換氣次數(shù)為0.175次/h。

模擬住戶，共有4個(gè)房間均設(shè)通風(fēng)窗，考慮到同時(shí)有人的情況幾乎沒有，所以模擬中按照2個(gè)房間有人，通風(fēng)窗一直通風(fēng)換氣。然而，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，房間有人才開啟通風(fēng)，故工作日白天大部分時(shí)間是全關(guān)閉的。

目前，中國平均煤電發(fā)電效率是36.7%，電網(wǎng)效率是94.5%，因此，煤電效率按34.7%計(jì)算。集中供熱鍋爐熱效率和供熱管網(wǎng)熱效率都按90%計(jì)算，則集中供熱的熱效率為81%。風(fēng)機(jī)耗能計(jì)入到總耗能中。帶雙向通風(fēng)窗的基本模型和節(jié)能模型分別叫做新基本模型和新模型，其模擬結(jié)果如表4所示。對比使用雙向通風(fēng)窗改造前后的耗能情況，基本模型的節(jié)能率從65.5%提高到80.4%，提高了約15%，第一類節(jié)能模型節(jié)能率平均提高了約13%。改造前后節(jié)能率較大提高的原因是因?yàn)殡p向通風(fēng)窗中，送風(fēng)氣流可以吸收排風(fēng)氣流的熱量，同時(shí)吸收太陽輻射熱，使送風(fēng)溫度升高，減少了新風(fēng)能耗[22]。

圖3為通風(fēng)窗對供熱量的影響。通風(fēng)窗前后的總供熱量對比可以看出，增加通風(fēng)窗后各模型供熱量均有大幅度減少，且隨著保溫性能的提高，有通風(fēng)窗時(shí)建筑總供熱量比無通風(fēng)窗時(shí)供熱量減少幅度逐步增加，這是由于隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的提高，冷風(fēng)滲透耗熱量占總耗熱量比例逐步增大，因此，采用能夠熱回收的通風(fēng)窗時(shí)節(jié)能效果才更加顯著。

表4 第二類節(jié)能模型模擬結(jié)果

圖3 通風(fēng)窗對供熱量的影響Fig.3 Effect of ventilation window on heating capacity

圖4為通風(fēng)窗對節(jié)能率的影響。以20世紀(jì)80年代建筑及供熱標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，比較有無通風(fēng)窗時(shí)的節(jié)能情況。由圖4可知，增加通風(fēng)窗后，各模型建筑的節(jié)能率均有大幅度提高。其中基本模型變化幅度最大，約升高15%。新基本模型和新模型Ⅲ節(jié)能率分別達(dá)到80.1%和91.4%。遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過75%的第4階段節(jié)能目標(biāo)。

圖4 通風(fēng)窗對節(jié)能率的影響Fig.4 Effect of ventilation window on energy saving

圖5 不同措施下節(jié)能率的比較Fig.5 Comparison of energy efficiency under different measures

圖5是以無通風(fēng)窗為基準(zhǔn)，相應(yīng)模型加設(shè)通風(fēng)窗前后的節(jié)能率比較，通過對比可以看出，增加通風(fēng)窗后，各模型節(jié)能幅度隨保溫性能提高而增大，也說明了當(dāng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到一定的保溫程度時(shí)，再繼續(xù)提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)，保溫性能不如采用熱回收措施取得的節(jié)能效果顯著。

圖6為基本模型有無通風(fēng)窗時(shí)各層采暖季平均熱負(fù)荷比較?？梢钥吹剑黾油L(fēng)窗后一層、中間層和頂層的熱負(fù)荷依次減少了45.6%，51.6%和37.9%。中間層熱負(fù)荷減少幅度最大，這與冷風(fēng)滲透耗熱量占總耗熱量的比例有關(guān)，比例越大，減少幅度越大。

圖6 各層平均熱負(fù)荷比較Fig.6 Comparison of average heat load at each level

3 經(jīng)濟(jì)性分析

經(jīng)過前文的模擬結(jié)果可知，采用雙向通風(fēng)窗的第二類建筑模型的節(jié)能效果明顯高于未采用雙向通風(fēng)窗的第一類建筑模型，雙向通風(fēng)窗與普通中空三玻窗相比，結(jié)構(gòu)上主要相差2個(gè)風(fēng)機(jī)，分別用于送風(fēng)和排風(fēng)，因此也增加了設(shè)備投資和運(yùn)行耗電量。本次模擬建筑共9層，每層4住戶，每住戶3個(gè)臥室和1個(gè)客廳均需要設(shè)置一扇通風(fēng)窗。風(fēng)機(jī)額定功率為25 W，采用離心式通風(fēng)機(jī)，單價(jià)為150元/臺,安裝費(fèi)80元/臺。標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格逐年變化，現(xiàn)已接近時(shí)價(jià)的500元/t為計(jì)算基準(zhǔn)。以30年為建筑使用壽命，考慮到風(fēng)機(jī)的使用壽命無法達(dá)到30年，期間更換一次，更換風(fēng)機(jī)時(shí)，風(fēng)機(jī)的拆裝總費(fèi)用為120元/臺，以第一類節(jié)能模型為基準(zhǔn)，對第二類節(jié)能模型投資及運(yùn)行費(fèi)用等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)果見表5。由表5可知，各節(jié)能模型采用雙向通風(fēng)窗所增加的風(fēng)機(jī)投資和通風(fēng)耗電量都相等，節(jié)約的供熱費(fèi)用超過增加的費(fèi)用。供熱費(fèi)用降低的幅度隨著模型保溫性能的增加而減小，新基本模型節(jié)約的供熱費(fèi)用最大，總節(jié)約供熱費(fèi)用37.82萬元，除去投資和運(yùn)行費(fèi)用共節(jié)約23.52萬元，節(jié)約費(fèi)用1.87元/(m2·a)。第一類節(jié)能模型平均總節(jié)約供熱費(fèi)用32.13萬元，除去投資和運(yùn)行費(fèi)用，平均節(jié)約17.83萬元，節(jié)約費(fèi)用1.42元/(m2·a)。

表5 節(jié)能建筑模型經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

4 結(jié) 論

通過對兩類模型的模擬計(jì)算，得出如下結(jié)論。

1)以節(jié)能75%為基本目標(biāo)，提出第一類節(jié)能模型，隨著墻體和屋頂?shù)谋貙雍穸仍黾?，建筑?jié)能率從75.66%提高到79.77%，此時(shí)，依靠繼續(xù)提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能來實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)能，投資大并且節(jié)能效果不顯著。

2)從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)兩方面比較分析，筆者推薦新建建筑采用帶雙向通風(fēng)窗的新基本模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式。應(yīng)用雙向通風(fēng)窗，不但能夠保證室內(nèi)空氣品質(zhì)，而且節(jié)能效果顯著。

3)隨著對建筑節(jié)能要求的不斷提高，單單靠提高維護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能來滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，付出的成本會逐漸增大，不如轉(zhuǎn)而加大對雙向通風(fēng)窗、熱回收式新風(fēng)機(jī)組等新技術(shù)和地源熱泵、太陽能等新能源的探究和利用。

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Study on the optimization model of energy efficiency renovation of residential buildings in severe cold areas

ZHANG Shu, ZHANG Xihao, JIA Yongying, LI Dong, LYU Songyan, GONG Keqin

(School of Civil Engineering and Architecture, Northeast Petroleum University, Daqing, Heilongjiang 163318,China)

In order to promote the building energy saving process and adopt more economical energy-saving transformation strategy to meet the increasing demand for building energy efficiency in cold areas, two kinds of energy saving models are established for a nine-storey residential building with two strategies of improving the thermal insulation performance of the building envelope and changing to install the bidirectional ventilation windows(BVW) in Harbin. Energy consumption software is used to simulate and analyze the energy efficiency and economy of the two models. Compared to the use of the BVW before and after the energy consumption changes, the energy saving rate of the basic model is improved by about 15%, and the saved cost per square meter is 1.87 RMB annually. The energy saving rate of the first energy saving model is increased by about 13%, and the average saved cost per square meter is 1.42 RMB annually. Compared with the way of improving the insulation performance of the envelope to achieve energy saving effect, the use of the BVW can improve air quality and get better energy saving effect. The study result has some reference for energy efficiency renovation of residential buildings in severe cold areas.

ventilation and air conditioning engineering; extreme cold areas; residential building; bidirectional ventilation window; optimization model

1008-1534(2017)04-0270-06

2017-03-30;

2017-05-18；責(zé)任編輯：陳書欣

國家自然科學(xué)基金(51306031)

張 姝(1979—)，女，吉林長春人，副教授，博士，主要從事土壤源熱泵、建筑節(jié)能方面的研究。

張希浩。E-mail:dbsyzxh@163.com

TU111.19

A

10.7535/hbgykj.2017yx04007

張 姝，張希浩，賈永英，等.嚴(yán)寒地區(qū)居住建筑節(jié)能改造優(yōu)化模型探究[J].河北工業(yè)科技,2017,34(4):270-275. ZHANG Shu, ZHANG Xihao, JIA Yongying,et al.Study on the optimization model of energy efficiency renovation of residential buildings in severe cold areas[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(4):270-275.