夏熱冬冷地區居住建筑水平式外遮陽節能效果

董 凱, 賴俊英, 錢曉倩, 詹樹林, 阮 方

(浙江大學 土木工程學系,浙江 杭州 310058)

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夏熱冬冷地區居住建筑水平式外遮陽節能效果

董 凱, 賴俊英, 錢曉倩, 詹樹林, 阮 方

(浙江大學 土木工程學系,浙江 杭州 310058)

為了準確模擬計算水平式外遮陽的全年節能率,針對夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準(JGJ 134-2010)規定的采暖計算期(90 d)過長的問題,基于相關國家標準,分析了杭州市1971～2000年的氣象數據,提出新的采暖計算期(40 d)及空調計算期(81 d),并采用Energy-Plus能耗模擬軟件對水平式外遮陽的全年節能率進行模擬計算.結果表明：采用此采暖計算期及空調計算期時,水平式外遮陽的全年節能率降為3.2 %,采暖電耗與空調電耗的比值為1.07,與調查所得的比值0.95接近.

水平式外遮陽；采暖計算期；空調計算期；夏熱冬冷地區

夏熱冬冷地區夏季炎熱,冬季濕冷,建筑節能以夏季隔熱為主,同時兼顧冬季保溫.居住建筑以板式結構為主,坐北朝南,南北通透,采光充分[1],特別是南向外墻開窗多、窗戶面積大.水平式外遮陽作為固定式外遮陽的一種,非常適合設置于南向外窗[2-3],是一種傳統、有效的節能措施.但根據現行行業標準《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準JGJ 134-2010》,采用Energy-Plus能耗模擬軟件進行模擬計算時,由于不切實際的采暖和空調計算期設定,導致水平式外遮陽的全年節能效果幾乎為零,甚至反節能,從而嚴重制約了水平式外遮陽的應用.設置水平式外遮陽后,夏季空調電耗降低的同時,冬季采暖電耗增加[4-6],因此,采用能耗模擬軟件計算分析水平式外遮陽的節能效果時,采暖、空調計算期的長短是決定采暖、空調電耗大小的核心因素.合理的采暖、空調計算期設定,是保證能耗模擬計算結果與實際相符的重要前提.

本文以杭州市為例,采用能耗模擬軟件Energy-Plus,研究了采暖、空調計算期長短設定對水平式外遮陽節能效果的影響.并根據相關國家標準及杭州市多年氣象數據,提出采暖、空調計算期,將之與夏熱冬冷地區現行行業標準[7]、浙江省工程建設標準[8]規定的采暖、空調計算期進行對比,對這3種采暖、空調計算期設定的合理性進行論證分析.

1 能耗模擬方案

1.1 參數定義

1)EER為空調器制冷能效比,其值為空調器制冷量與空調器制冷電耗的比值.

2)COP為空調器制熱能效比,其值為空調器制熱量與空調器制熱電耗的比值.

3)t1及t2分別為采暖計算期天數及空調計算期天數.

4)R表示全年節電率,計算方法如下：

(1)

式中：R為全年節電率；AE1為設置水平式外遮陽后的全年電耗(采暖電耗與空調電耗之和)；AE0為不設置水平式外遮陽時的全年電耗(采暖電耗與空調電耗之和).

5)r為采暖電耗與空調電耗的比值,計算方法如下：

(2)

式中： HE為采暖電耗；CE為空調電耗.

1.2 能耗模擬軟件

本文采用能耗模擬計算軟件Energy-Plus對建筑能耗進行模擬計算.Energy-Plus是在美國能源部的支持下,由勞倫斯·伯克利國家實驗室、伊利諾斯大學、美國軍隊建筑工程實驗室、俄克拉荷馬州立大學及其他單位共同開發的,首發版本發布于2001年.Energy-Plus不僅吸收了DOE-2和BLAST的優點,并且具備很多新的功能,被認為是用來代替DOE-2的新一代的建筑能耗分析軟件[9].與DOE-2相比,Energy-Plus主要具有下列優點[9-11]：Energy-Plus采用熱傳導傳遞系數法(CTF)計算墻體傳熱,CTF法本質上是一種反應系數法,但它的計算更為精確,因為他是基于墻體的內表面溫度,而不同于一般的基于室內空氣溫度的反應系數法；DOE-2在系統模擬時不可以調整系統結構,無法準確進行溫度計算,不可以模擬輻射頂板等,Energy-Plus對此做出了完善；Energy-Plus吸收了DOE-2的LSPE結構,并做出了改進,在管理模塊的監督下,負荷模塊、系統模塊及設備模塊彼此之間又反饋,不再是單純的順序結構,因此計算結果更為精確；Energy-Plus采用各向異性的天空模塊,對DOE-2的日光照明模型進行了改進,以更精確地模擬傾斜表面的天空散射強度；Energy-Plus具有更為先進的窗戶傳熱計算.

1.3 建筑模型

建筑模型選用杭州市某6層住宅樓,總建筑面積4 215 m2,無地下室,共一個標準層,層高3 m,南墻窗墻比為0.33,體形系數為0.30,標準層平面圖如圖1所示.廚房、電梯間、樓梯間為非用能空間,其他房間為連續用能空間(圖1陰影部分).

圖1 標準層平面圖Fig.1 Architectural plan of building for simulation

1.4 邊界條件

外墻選用EPS外保溫系統,傳熱系數為1.5 W/(m2·K)；內墻選用多孔磚隔墻,傳熱系數為2.0 W/(m2·K)；屋面選用XPS保溫系統,傳熱系數為0.8 W/(m2·K)；窗戶的輻射透過率(SHGC)為0.7,傳熱系數為2.8 W/(m2·K).室內得熱平均強度為4.3 W/m2,換氣次數為1.0 次/h.

夏熱冬冷地區現行行業標準[7]規定,冬天采暖室內計算溫度取18 ℃,夏季空調(制冷)室內計算溫度取26 ℃；浙江省工程建設標準[8]規定,冬天采暖室內計算溫度取16 ℃,夏季空調(制冷)室內計算溫度取26 ℃.本次研究以杭州地區為例,因此,按照浙江省工程建設標準[8],冬天采暖室內計算溫度取16 ℃,夏季空調(制冷)室內計算溫度取26 ℃.

夏熱冬冷地區住宅多采用家用空氣源熱泵空調器,同時擁有制冷和制熱功能.根據相關國家標準[12]的規定,家用空調器的制冷能效比(EER)不應低于3.0,然而并未對制熱能效比(COP)作出要求.夏熱冬冷地區現行行業標準[7]規定制冷能效比取2.3,制熱能效比取1.9.浙江、上海、江蘇、四川及重慶屬于夏熱冬冷地區,或省內部分地區屬于夏熱東地區.這些省市制定了居住建筑節能設計標準,然而這些標準及夏熱冬冷地區行業標準對制冷能效比及制熱能效比的取值各不相同,如表1所示.

表1 不同設計標準對EER及COP的取值

Tab.1 EER and COP required by different design standards

標準所屬地區EERCOPEER∶COP夏熱冬冷地區2.31.91.21浙江3.03.01.00上海2.82.31.22江蘇3.12.51.24四川2.51.91.32重慶2.82.81.00

目前,并沒有針對夏熱冬冷地區實際制熱能效比的調查研究.夏熱冬冷地區居民冬季采暖時部分采用制熱能效比約等于1(即電耗幾乎等量轉換成熱量)的電熱型采暖器,如電油汀等；且部分具有制熱功能的空調器,其制熱功能部分依賴于電阻絲輔熱.因此,依據我國現行空調能效比標準[12],制冷能效比取3.0,根據夏熱冬冷地區現行行業標準將制冷能效比與制熱能效比的比值確定為1.21,即制熱能效比取2.5.

夏熱冬冷地區的居住建筑多為板式結構[1],南北向外窗占了大部分,且水平式外遮陽最適宜設置于南向外窗,因此,本文對南向的水平式外遮陽展開研究.實驗組僅在所有南向外窗上設置水平式外遮陽,對照組不設立任何外窗外遮陽,其他條件與實驗組相同.水平式外遮陽構造如圖2所示,挑出系數X=A/B=0.4.

圖2 水平式外遮陽構造圖Fig.2 Picture of horizontal external shading device

2 計算結果與分析

2.1 夏熱冬冷地區現行行業標準規定的采暖、空調計算期

夏熱冬冷地區現行行業標準[7]規定的采暖計算期為12月1日至次年2月28日,共90 d、空調計算期為6月15日至8月31日共78 d.以此采暖、空調計算期為邊界條件,進行能耗模擬計算,全年電耗EC計算結果如圖3所示.

圖3 全樓電耗Fig.3 Annual electric consumption of building

南墻外窗設置水平式外遮陽后,全年電耗非但沒有降低,反而增加了0.73 %(0.12 kW·h/m2).那么,原因何在呢？南墻外窗設置水平式外遮陽后,空調電耗降低了8.7 %之多,充分說明水平式外遮陽在夏季具有良好的節能效果.然而,采暖電耗是空調電耗的1.99倍,因此,盡管空調電耗降低了0.54 kW·h/m2,采暖電耗卻增加了0.66 kW·h/m2,全年電耗不僅沒有降低,反而增加了0.12 kW·h/m2,全年節電率R=-0.73 %.

武茜[13]以杭州市電力局提供的每戶逐月用電數據為基礎,調查分析了杭州市建造于1988年至2000年間的住宅實際采暖用電量和空調用電量,用電時間為2001年至2004年,有效樣本283戶,結果表明,實際采暖電耗是空調電耗的0.55倍.方賢峰等[14]于2007年3月至2008年3月間,以杭州市某建于2002年的住宅樓為研究對象,調查記錄了連續12個月的電表讀數,計算分析后發現,實際采暖電耗是空調電耗的0.82倍,但有效樣本較少,為59份.錢曉倩等[15]以住戶月初的電耗計費作為原始數據,調查研究了杭州市2007年12月至2011年11月居住建筑的實際空調電耗和采暖電耗,每年統計周期內的樣本數為4 300戶左右,分析后發現,夏季空調電耗遠遠高于冬季采暖電耗,但并未說明調查住宅的建造年份,也沒有給出采暖電耗與空調電耗的比值.

《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準JGJ 134-2001》于2001年開始施行,2001年以前建造的住宅與2001年以后建造的住宅相比,熱工性能差異很大,采暖電耗與空調電耗截然不同.文獻[13]調查的居住建筑建造時間都在2001年以前,文獻[15]則未說明調查建筑的建造年份,文獻[14]的有效樣本較少,且其調查的是2007年3月至2008年3的電耗情況,居民在當時的用能習慣與今存在一定差異.因此,文獻[13]、文獻[14]及文獻[15]的調查結果能夠說明,修建于2001年以前的住宅的實際采暖電耗低于空調電耗；但并不能直接代表2001年以后建造住宅的實際用電特性.

筆者調查分析了杭州地區居住建筑2014年1月至2014年12月的采暖電耗與空調電耗,有效樣本232戶,被調查住宅的建造年份在2003至2005年之間.4月份的電耗在全年12月中最小,將4月份的電耗作為非采暖空調期的月基礎電耗,11月、12月、1月及2月的累計電耗與其基礎電耗之差作為采暖電耗；5月至10月的累計電耗與其基礎電耗之差作為空調電耗.結果顯示,采暖電耗是空調電耗的0.95倍.

《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準JGJ 134-2010》與《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準JGJ 134-2001》對外墻、屋面、樓板及外窗等圍護結構熱工性能的要求差異很小,如表2所示.表中，D為熱情性指標，K為傳熱系數.事實上,本文建筑模型熱工參數設定滿足2001年老標準限值的同時,也滿足2010年新標準的要求.

綜上所述,杭州地區建于2001年以后的居住建筑目前的實際用電特征是,空調電耗約為采暖電耗的0.95倍.然而,根據夏熱冬冷地區現行行業標準[7]對采暖、空調計算期的設定,能耗模擬計算結果顯示,采暖電耗是空調電耗的1.99倍,這導致水平式外遮陽在冬季的反節能效果被放大,掩蓋了水平式外遮陽在夏季良好的節能效果,最終得出水平式外遮陽不節能的計算結果.顯然,這并不符合實際情況,無法由此否定水平式外遮陽在夏熱冬冷地區居住建筑的節能效果.能耗模擬計算時,照搬現行行業標準設定的采暖、空調計算期,來模擬計算水平式外遮陽的節能效果是不可取的.

表2 標準JGJ 134-2010與標準JGJ 134-2001對圍護結構熱工性能的要求

Tab.2 Energy efficiency of envelopes required by JGJ 134-2010 standard and JGJ 134-2001 standard

圍護結構JGJ134-2010JGJ134-2001屋面當D>2.5時K≥1.0當D≤2.5時K≥0.8當D≥3.0時K≥1.0當D≥2.5時K≥0.8外墻當D>2.5時K≥1.5當D≤2.5時K≥1.0當D≥3.0時K≥1.5當D≥2.5時K≥1.0樓板K≤2.0K≤2.0

2.2 采暖、空調計算期天數對能耗模擬計算的影響

保持空調計算期為6月15日至8月31日(共78 d不變,以10 d為步幅,逐步減少采暖計算期天數,計算結果如圖4、5所示.隨著采暖計算期的縮短,采暖電耗在全年電耗中的占比逐漸減小,全年節電率逐步提升.當采暖計算期天數取40 d時,采暖電耗與空調電耗的比值r=1.01,此時全年節電率R=2.21 %.

圖4 采暖計算期天數對采暖電耗與空調電耗的比值的影響Fig.4 Effect of heating period on ratio of heating electric consumption to cooling electric consumption

保持采暖計算期為12月1日至次年2月28日(共90 d)不變,以5 d為步幅,逐步增加空調計算期天數,計算結果如圖6、7所示.空調計算期由78 d延長至108 d后,采暖電耗與空調電耗的比例從1.99降至1.71,采暖電耗與空調電耗的比例關系仍然與實際情況相去甚遠,全年節電率R計算結果僅從-0.70 %提升至0.59 %.

圖5 采暖計算期天數對全年節電率的影響Fig.5 Effect of heating period on annual electricity saving ratio

圖6 空調計算期天數對采暖電耗與空調電耗的比值的影響Fig.6 Effect of cooling period on ratio of heating electric consumption to cooling electric consumption

圖7 空調計算期天數對全年節電率的影響Fig.7 Effect of cooling period on annual electricitysaving ratio

在夏熱冬冷地區行業規范規定的采暖、空調計算期基礎上,采暖計算期每減少1 d,采暖電耗與空調電耗的比例平均降低0.021,全年節電率R平均增加0.080 %；空調計算期每增加1 d,采暖電耗與空調電耗的比例平均降低0.008,全年節電率R平均增加0.037 %.可見,與空調計算期相比,采暖計算期天數的變化對能耗計算結果的影響更大.在現行行業標準[7]的基礎上,縮短采暖計算期,使能耗計算結果與實際用電情況相符合,對合理判斷水平式外遮陽在夏熱冬冷地區的節能效果具有重要的意義.

2.3 不同取值依據下的采暖、空調計算期

本文根據相關國家規范[16-18],將“累年日平均溫度穩定低于或等于5 ℃的天數”作為采暖計算期的天數,將“累年日平均溫度穩定大于或等于25 ℃的天數”作為空調計算期的天數.其中“日平均溫度穩定低于或等于5 ℃(高于或等于25 ℃)”系指室外連續5 d的滑動平均溫度低于或等于5 ℃(高于或等于25 ℃),“累年”對象為連續的30 a.

對杭州58 457臺站的氣象數據(由中國氣象科學數據共享中心提供)進行整理與分析,將不同累計年份計算出的采暖、空調計算期的天數及相應的起止日期整理成如表3所示.

表3中,選用的連續30 a氣象數據,年份越是靠近現今,計算得出的采暖計算期天數越少,空調計算期天數越多,其中采暖計算期天數差異相當大.究其原因,是自20世紀80年代起,尤其是20世紀90年代以來,氣候變暖所致[19].從時效性的角度考慮,選用1981～2010年的氣象參數更合適.但是,采暖計算期過短,對建筑圍護結構熱工性能的要求會降的過低；從數據匹配的角度考慮,目前,用于建筑能耗模擬計算的常用典型氣象年逐時數據的建立依據多為1971～2000年的氣象數據[20].因此,選用1971～2000年氣象數據計算得出的采暖計算期、空調計算期及相應起止日期.將計算得到的采暖、空調計算期與夏熱冬冷地區行業標準[7]及浙江省工程建設標準[8](北區)規定的采暖、空調計算期如表4所示.

表3 杭州市不同累計年份下的采暖計算期及空調計算期

表4 采暖計算期及空調計算期設定

由表4可知Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ這3組采暖、空調計算期之間,空調計算期天數的差異很小(分別為78、83、81 d),采暖計算期天數的差異十分明顯(分別為90、69、40 d)).

分別以表4中的3組采暖、空調計算期為邊界條件,進行能耗模擬計算.采用現行行業標準[7]規定的采暖、在空調計算期時,采暖電耗是空調電耗的1.99倍,這與杭州地區實際用電情況相去甚遠；采用浙江省工程建設標準[8]規定的采暖、空調計算期天數時,采暖電耗是空調電耗的1.60倍,這一比值相比現行行業標準[7]更加接近實際用電情況；采用本文提出的采暖、空調計算期天數時,采暖電耗是空調電耗的1.07倍,最符合實際用電情況.因此,浙江省工程建設標準對采暖、空調計算期的設定,比行業規范更合理,但采暖計算期縮短幅度仍不夠,本文提出的采暖計算期進一步進行了縮短,在三者之中最符合實際用電情況.

以這3組采暖、空調計算期為邊界條件計算得出的全年節電率R分別為-0.70 %、0.54 %、3.2 %.因此,水平式外遮陽實際上存在良好的節能效果,只是長期以來,行業標準[7]中采暖計算期天數過長,導致依據行業標準[7]計算水平式外遮陽節能效果時,理論計算結果與實際存在嚴重偏差,阻礙了水平式外遮陽在夏熱冬冷地區居住建筑中的推廣應用.

3 結 論

(1)夏熱冬冷地區現行行業標準[7]規定的采暖計算期過長,使得采暖電耗與空調電耗的比值r遠高于實際,從而放大了水平式外遮陽在冬季的反節能效果,最終得出水平式外遮陽不節能的計算結果.這一現狀嚴重制約了水平式外遮陽在夏熱冬冷地區的推廣應用.

(2)與夏熱冬冷地區現行行業標準[7]相比,浙江省工程建設標準[8]大幅縮短了采暖計算期,適當延長了空調計算期,得到了相對合理的采暖、空調計算期.但能耗模擬計算結果中,采暖電耗與空調電耗的比值r仍然與實際用電情況不符.合理的采暖、空調計算期設定,應當以1971～2000年氣象資料為計算依據,將“累年日平均溫度穩定低于或等于5 ℃的天數”作為采暖計算期,將“累年日平均溫度穩定高于或等于25 ℃的天數”作為空調計算期.

(3)符合實際的采暖、空調計算期對于客觀評價水平式外遮陽在夏熱冬冷地區的節能貢獻、推動固定式外遮陽技術的應用具有重要意義.各地區應當根據本地區的多年氣象資料制定符合本地區實際情況的采暖、空調計算期.

(4)家用空調器制熱能效比及制冷能效比的取值大小對建筑能耗模擬計算結果影響重大,然而目前尚未有針對夏熱冬冷地區家用空調器實際制冷及制熱能效比的調查研究.這一問題應當引起重視,下一步工作也將對此展開.

(5)該研究以建筑能耗模擬的方式展開,在下一步研究工作中,應采用實驗與模擬相結合的方式,使其更加精確和符合實際.

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Energy efficiency of residential buildings with horizontal external shading in hot summer and cold winter zone

DONG Kai, LAI Jun-ying, QIAN Xiao-qian, ZHAN Shu-lin, RUAN Fang

(DepartmentofCivilEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

In order to accurately simulate the energy saving rate of horizontal external shading, new heating and cooling periods were proposed as 40 days and 81 days respectively based on national standards and the meteorological data from 1971 to 2 000 in a typical hot summer and cold winter city of Hangzhou, for the problem of the too long heating period as 90 days specified in the national standard for residential buildings in hot summer and cold winter zone in China (JGJ 134-2010). Energy-Plus software was used to simulate the annual energy saving rate of horizontal external shading. Results show that by adopting the new heating and cooling periods, horizontal external shading reduces annual electric consumption of air conditioner by 3.2 %, and the ratio of heating electric consumption to cooling electric consumption is 1.07 which is approximate to the investigated value of 0.95.

horizontal external shading；heating period；cooling period；hot summer and cold winter zone

2015-10-15.

國家“十二五”科技支撐計劃資助項目 (2013BAL01B01).

董凱(1990—)，男，碩士生，從事建筑節能等研究. ORCID： 0000-0002-0634-8599. E-mail: kaidong@zju.edu.cn

賴俊英，女，副教授. ORCID： 0000-0001-5653-4413. E-mail: junyinglai@zju.edu.cn

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.08.002

TU 111

A

1008-973X(2016)08-1431-07

浙江大學學報(工學版)網址： www.journals.zju.edu.cn/eng