■ 張 露 ZHANG Lu 李永安 LI Yongan 劉學來 LIU Xuelai

0 引言

能源是經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要物質基礎，對于一個國家的發(fā)展起著至關重要的作用。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，世界各國的能源消耗量越來越高，而全球能源供應也越來越緊張，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)約及綜合利用問題受到各國廣泛關注。據(jù)統(tǒng)計，在世界能源消費不斷增長的情況下，無論是發(fā)達國家還是發(fā)展中國家，建筑能耗占全國能源消費總量的比重很大。

目前，中國城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，建設規(guī)模不斷擴大，建筑行業(yè)消耗大量能源，對環(huán)境、能源產(chǎn)生極大的壓力。據(jù)統(tǒng)計，我國建筑能耗占總能耗的26.7%，而且還在以每年1個百分點的速度增加[1]。在建筑物冬季供暖方面，隨著人們對居住條件以及生活質量追求的不斷提高，對建筑物室內(nèi)環(huán)境的要求越來越高，維持建筑物室內(nèi)適宜溫度所產(chǎn)生的能耗也越來越高。我國冬季供暖面積正以年均約10%的增速飛速增長，其中，北方地區(qū)集中供熱能耗占全國建筑總能耗的52%[2]。因此，降低建筑物能耗問題，特別是北方地區(qū)冬季供暖能耗問題迫在眉睫。本文將以山東地區(qū)符合現(xiàn)行節(jié)能標準的居住建筑為例，通過計算山東地區(qū)16個地級市的供暖期逐日熱負荷以及定量分析供暖能耗與供暖度日數(shù)的關系，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。

1 山東地區(qū)氣象特點

我國的建筑熱工分區(qū)根據(jù)各地氣候分為五個區(qū)，即：嚴寒地區(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)地處我國長城以南，秦嶺、淮河以北，新疆南部、青藏高原南部，屬于我們習慣上說的供暖地區(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?，山東地區(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，還與建筑內(nèi)人的使用行為模式、熱力管網(wǎng)系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)狀況、輸配管網(wǎng)效率以及熱源設備效率密切相關”[3]。我們通常所說的建筑物供暖的能耗指的是在整個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備運行過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，建筑物耗熱量僅是供暖能耗里的一部分，它主要包括通過圍護結構的傳熱耗熱量和通過門窗縫隙的空氣滲透耗熱量。從提高鍋爐運行效率、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看，必須嚴格控制建筑物的熱耗。故本文對供暖能耗的分析主要是針對建筑物耗熱量。

2.1 研究對象

我國居住建筑量大面廣。截止到2012年，我國嚴寒和寒冷地區(qū)的19個省、直轄市、自治區(qū)共134個地級以上大、中城市的集中供熱面積已達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最為嚴重且節(jié)能潛力最大的部分；再加上經(jīng)濟的快速發(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注的焦點。基于以上原因，本文針對性地選取山東省16個典型區(qū)域的居住建筑，以此開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)《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》（JGJ 26－2010）和《山東省居住建筑節(jié)能設計標準》（DB 37/5026—2014），建筑熱工參數(shù)的選定詳見表1。

2.3 氣象資料來源及供暖熱負荷計算

為了能夠正確預測寒冷地區(qū)居住建筑冬季整個供暖期的能耗，作為供暖能耗分析基礎的氣象參數(shù)就必須具有長期氣候代表性。山東建筑大學李永安教授根據(jù)濟南近10年的氣象資料，確定了構成標準年各平均月的選取原則[6、7]。本文利用DeST軟件對寒冷地區(qū)16個地市不同室外氣象參數(shù)的建筑物進行能耗預測。DeST是清華大學江億院士帶領團隊研制的大型建筑能耗分析軟件，其氣象參數(shù)采用的是標準年，并以標準氣象年作為建筑能耗模擬分析的全年模擬基礎數(shù)據(jù)。

圖1 某居住建筑標準層平面圖

表1 圍護結構熱工參數(shù)

根據(jù)《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》（JGJ 26－2010），該居住建筑室內(nèi)計算溫度設定為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，計算山東16個地市典型戶型供暖期逐日熱負荷。山東省供暖時間是當年11月15日～翌年3月15日，供暖熱負荷計算可按照《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》（GB 50736—2012）中熱負荷計算方法進行。以濟南、青島為例，整個供暖期逐日熱負荷見圖2、3。

通過模擬計算，得到濟南市居住建筑該戶整個供暖季總耗熱量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個地級市的整個供暖期熱負荷計算方法同上，其計算結果匯總詳見表2。將整個供暖期內(nèi)通過軟件模擬計算得到的逐日熱負荷值相加求和，即可得到建筑物的供暖全年耗熱量。由于我國供暖用的化石能源主要是煤炭，故選用標準煤來計算能耗指標是符合我國實際情況的。兩者之間的具體換算關系是：1kWh=3.6×106J，而1kg標準煤的熱值是29 260kJ，因此，每1kWh能耗相當于標準煤的 質 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[8、9]。

度日數(shù)的定義是，每日平均溫度與規(guī)定基準溫度每日1℃的高差[10]。在度日數(shù)的統(tǒng)計過程中，一般選擇比較長的時期作為統(tǒng)計周期，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)進行統(tǒng)計。另外，在實踐過程中，通常的工程設計較多選用建立在穩(wěn)定傳熱理論基礎上的簡易估算法，該方法不需要詳細掌握熱耗隨時間變化的具體情況。度日數(shù)法即是簡易估算法的一種，通常可用來估算建筑的全年供暖能耗。

圖2 濟南市居住建筑供暖期逐日熱負荷

圖3 青島市居住建筑供暖期逐日熱負荷

表2 山東地區(qū)16個地級市居住建筑供暖耗熱量匯總表

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

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增加，且樣本點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系存在非常密切的線性正相關關系。因此，建筑物供暖能耗Y與供暖度日數(shù)X的回歸方程應該是個一元線性回歸方程。

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

3 結語

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

筆者雖然對山東地區(qū)16個地市的典型建筑供暖能耗進行了計算研究，但近年來，供暖方式傾向多元化。本文只討論了傳統(tǒng)供暖能耗的相關問題，有些新的問題，尚需今后進行更深入的研究。

在當下清潔供暖進程穩(wěn)步推進的同時，我們應對各種建筑能耗影響因素和節(jié)能措施進行系統(tǒng)優(yōu)化，努力開發(fā)并廣泛應用建筑節(jié)能新技術，來降低建筑能耗，才能在經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護之間取得合理的平衡，從而實現(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)之間的關系