南方地區居住建筑節能65%目標的可行性探討及技術分析

胡達明

?

南方地區居住建筑節能65%目標的可行性探討及技術分析

胡達明

福建省建筑科學研究院

該文首先選取南方地區典型建筑模型，采用DOE-2軟件對建筑進行全年能耗模擬，比較分析得出了影響建筑能耗的主要因素，并針對關鍵因素進行節能優化。而后在建筑節能50%參照建筑的基礎上，探討配合空調設備的能效比及圍護結構熱工性能的改善來實現建筑節能65%，并進行相應的技術分析。

建筑節能 南方地區 圍護結構 節能65%

1 背景

我國的建筑節能工作是由北向南逐漸推進的，南方地區的建筑節能工作起步較晚。北方從上世紀八十年代就開始抓建筑節能，而南方到2003年10月1日起實施《夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準》（JGJ 75-2003）（以下簡稱《標準》），為實現建筑節能50%，對建筑外墻的熱工性能指標作出了明確的規定，使得今后新建、改建和擴建的住宅建造得更科學、居住起來更舒適[1]

國家擬定的建筑節能三步走的目標是：在20世紀80年代建筑能耗水平基礎上，第一步要求新建建筑比20世紀80年代房屋節能30%，第二步要求節能50%，第三步實現節能65%。目前北京、天津等地已經率先開始實行65%的節能設計標準。試點工程證明，我國的建筑節能還有很大的潛力[2～3]。在這種形勢下，南方地區的建筑節能正處于第2階段，在今后的幾年中將不可避免地實現節能65%的第三步目標。

2 節能因素分析

建筑節能的目標主要由改善圍護結構熱工性能和提高空調采暖設備效率來分擔。目前南方地區建筑節能材料發展已經取得長足進步，空調設備性能明顯提高，這為實現建筑節能65％的目標提供了必要條件。

2.1 節能50%建筑

分析建筑節能50％條件下各種節能因素的影響對研究節能65％有很好的借鑒作用。根據《標準》，“基準建筑”是圍護結構的構成、傳熱系數以及換氣次數，都按照以往傳統做法的建筑；“參照建筑”是用來進行對比評定的假想節能建筑，該建筑的圍護結構滿足本《標準》規定的指標要求，因此是符合節能50%要求的建筑。

圖1 基準建筑外形

選定一典型住宅建筑作為南方地區能耗分析的基準建筑與參照建筑，見圖1。這一住宅建筑的概況見表1。

把基準建筑與參照建筑模型置于夏熱冬暖地區廣州、福州、柳州、南寧和湛江地區氣候條件下，采用DOE-2能耗計算分析軟件進行計算，可知，與基準建筑相比較參照建筑的能耗有明顯降低，節能效率為48.43%～53.71%不等，平均節能率為50.34%，與節能50％的目標相差不大，驗證了按照《標準》的規定性指標進行節能設計，能夠實現節能50％的目標。同時通過模擬還可以得出，雖然都地處夏熱冬暖地區，但是其能耗構成上存在地域差異，如：廣州、湛江空調能耗占全年能耗比重很大；而福州的采暖能耗比重較大，甚至超過了空調能耗。從這一點上，可以看出，夏熱冬暖不同地區，建筑節能存在一定程度的差異。

表1 基準建筑與參照建筑概況

2.2 圍護結構對能耗的影響

對于基準建筑和參照建筑，分別采用節能型圍護結構及傳統圍護結構，得出各自的節能率，見表2。

表2 圍護結構節能率分析

通過建筑能耗模擬，可以得出在節能50%的條件下，圍護結構對建筑節能率的影響分別為：屋面2.99%～4.59%；門窗11.48%～21.50%；外墻12.48%～21.32%?？梢钥闯鲩T窗和外墻為南方地區建筑節能的重中之重。

2.3 外窗對能耗的影響

圖2 門窗綜合遮陽系數對節能率的影響

圖3 門窗K對節能率的影響

在北方地區，門窗的熱工性能很大程度體現在傳熱系數上，而在南方地區，由于緯度低，太陽輻射較強，不能單靠傳熱系數來衡量門窗的性能[4～5]，還應該充分考慮綜合遮陽系數，其對節能率的影響見圖2、3?？梢钥闯觯烁Ｖ菀酝獾牡貐^，傳熱系數已經不再是影響門窗節能性能的首要指標，而綜合遮陽系數是傳熱系數對節能率的影響的2.2～5.4倍，故綜合遮陽系數的減小對南方地區建筑節能率的提高起著至關重要的作用。

3 節能65%條件下技術措施分析

在以上的分析中，南方地區建筑節能的關鍵因素為建筑圍護結構，而圍護結構的節能主要為門窗和外墻的熱工性能的改善。所以要節能65%，門窗和外墻的節能措施是首要問題。但是單純通過改善圍護結構熱工性能實現建筑節能65%，存在較大難度，而另一方面，空調設備和技術的不斷進步使得人們在討論進一步節能目標時，可以考慮空調系統的貢獻及南方地區空調采暖的現狀，即將空調能效比提高到3.0[6]，冬季采暖能效比提高到2.0[7]；同時考慮到參照建筑中門窗性能指標的傳熱系數為3.5 W/(m2·K)已經是比較高的要求，且對南方地區絕大部分地區而言，改善遮陽是門窗節能的關鍵，故考慮降低門窗的綜合遮陽系數來提高門窗熱工性能；另外建筑外墻節能采用降低其外墻傳熱系數來實現。

在參照建筑節能50%的基礎上，通過改善空調設備的能效比及門窗的熱工性能，得出外墻保溫性能與節能率的關系見圖4～7。可以看出：1) 隨著外墻傳熱系數的增加，節能率出現非線性增長，當外墻傳熱系數增大到一定程度后，節能率曲線接近水平，說明此時一味地增加外墻熱阻并不能取得顯著的節能效果，相反，這樣做會提高節能成本[8－9]。2)對比分析圖4～7中福州、柳州的節能曲線與節能65%曲線的位置關系，可以看出，當綜合遮陽系數小于0.6時，隨著其值的減小，北區節能率變化不明顯，說明北區建筑節能設計時該值不宜低于0.6。3) 在綜合遮陽系數比較大時，要達到節能65%，湛江、廣州兩地需配合性能較高的外墻，見圖4。而在綜合遮陽系數比較小時，外墻熱工性能指標可以大大放寬。這表明在湛江、廣州兩地的節能必須在改進外墻熱工性能的同時，改進門窗綜合遮陽系數，后者顯得尤為重要。這是由于湛江、廣州兩地緯度較低，能耗受太陽輻射影響較大。4) 由分析結果不難得出，在參照建筑的基礎上實現建筑節能65%的目標，外墻系數要達到表3的要求。

表3 節能65%的前提下對外墻傳熱系數K的要求[單位：W/(m2·K)]

注：表中Sw為外窗綜合遮陽系數，外窗傳熱系數取K＝3.5W/(m2·K)。

從以上的分析可以看出，南方地區建筑對外墻、外窗及空調采暖設備進行節能改善可以達到節能65%，若能對建筑節能的其它影響因素進一步進行節能優化，那么節能65%的目標將更加容易實現。

4 結論

外墻和外窗的節能改善對南方地區建筑節能率的提高起著舉足輕重的作用，是建筑節能65%必須考慮的首要問題。在建筑節能50%的基礎上，要實現未來節能65%的目標，應該在充分考慮外墻熱工性能改善的同時，注重外窗綜合遮陽系數的改善，在南區該問題尤為突出。結合綜合遮陽系數的改善及空調設備性能的提高，提高外墻傳熱系數后，完全能夠實現節能65%的目標。

[1] 中華人民共和國建設部. JGJ 75-2003.夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準.北京:中國建筑工業出版社,2003.

[2] 涂逢祥.我國建筑節能應該實現跨越式發展[J].中華建設,2005,12(5): 12-17.

[3] 方展和.加快步伐向第三步建筑節能目標邁進[J].新型建筑材料,2004,31(1): 59-61

[4] Long E, Chen J. Are the annual relative variation rates of energy consumption approximate in different cities with the same shading coefficient?[J]. Building and Environment.2005, 40:507-515.

[5] 趙士懷, 黃夏東, 王新云. 夏熱冬冷地區外窗保溫隔熱性能對居住建筑采暖空調能耗和節能影響的分析[M]//涂逢祥.建筑節能（43）.北京:中國建筑工業出版社,2005,123-127.

[6] 馬一太,劉秋菊,劉圣春.空調能效比發展趨勢的研究[J].制冷與空調,2007,18(3):10-13.

[7] 董孟能,冷艷鋒,呂忠.提高空調采暖系統能效比對實現重慶市居建節能65％目標的影響分析[J].重慶建筑,2007,6(12): 10-13.

[8] 房樹田,高躍春.外保溫復合墻體的保溫層厚度設計研究[J].黑龍江工程學院學報(自然科學版),2004,18(1): 57-59.

[9] 胡達明,葉青,增文.等.深圳地區外保溫復合墻體基于能耗的經濟性研究[J].建筑砌塊與砌塊建筑,2005,23(5): 30-33.