夏熱冬冷地區綠色建筑的節能效益

何玥兒，丁勇，劉猛

(重慶大學 城市建設與環境工程學院；三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，重慶 400045)

夏熱冬冷地區綠色建筑的節能效益

何玥兒，丁勇，劉猛

(重慶大學 城市建設與環境工程學院；三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，重慶 400045)

針對目前常用綠色建筑節能技術及夏熱冬冷氣候特點，以案例形式分別對圍護結構性能改善、能源綜合利用等技術應用的效果進行分析，量化了綠色建筑節能技術的應用效益。研究結果表明：在目前常用的綠色建筑節能技術中，集中空調系統排風全熱回收技術節能效益最大，達到35%節能率，過渡季節充分利用新風，會帶來10%的節能率；合理設置可調節外遮陽和改變圍護結構熱工性能，可產生7%左右的節能率；采用光控措施控制照明系統，可形成12.3%的節能率；綠色建筑節能技術的選擇及其應用效果受技術相互關聯性影響較大，節能方案需要整體綜合考量；節能技術的應用可使建筑在現行節能標準基礎上再實現46.9%的節能率，達到建筑節能75%的要求。

綠色建筑；節能技術；夏熱冬冷；方案對比；效益分析

綠色建筑綜合了節能、資源節約和環境保護，是緩解中國能源緊缺矛盾、改善人民生活條件、減輕環境污染、促進可持續發展的有效途徑[1]。在《國務院關于加快發展節能環保產業的意見》中，明確提出要積極開展綠色建筑行動：要求到2015年，新增綠色建筑面積10億m2以上，城鎮新建建筑中二星級及以上綠色建筑比例超過20%；建設綠色生態城(區)[2]。在國家《綠色建筑行動方案》中也要求實現節能減排約束性目標，提出在“十二五”期間，完成新建綠色建筑10億m2，完成夏熱冬冷地區既有居住建筑節能改造5 000萬m2，公共建筑和公共機構辦公建筑節能改造1.2億m2的目標；到2015年末，20%城鎮新建建筑達到綠色建筑標準要求[3]。由此可見，國家層面,綠色建筑已成為建筑建筑節能減排的一項重要舉措。

在綠色建筑的建設過程中，突出了節地、節水、節材、節能的資源節約型宗旨，這與中國現階段大范圍強制執行的節能設計相比較，不僅注重了綜合節約，更進一步突出了節能效益。當前，對于建筑性能的分析，大多集中在各項節能標準執行后的節能效益上[4-12]，對綠色建筑的研究，主要集中在對評價指標體系的比較和成本效益的研究上[13-21]，而對于綠色建筑的實施所形成的建筑節能效益分析很少。

綠色建筑的節能設計要求建筑熱工設計和暖通空調設計符合國家和地方建筑節能規定，在此基礎上，本著減少能耗、提高能效的原則，要求進一步對圍護結構和設備系統等進行合理設計及優化，在圍護結構性能、設備用能性能、調節控制模式等方面提出了更高要求。由此可見，綠色建筑針對的建筑節能強調了技術的綜合應用，不僅對現行節能設計標準的規定性指標和性能要求做出了提升，而且更強調適宜的綜合效果。因此，對于綠色建筑的節能效益需要綜合應用效果予以評判，本文以新建的公共建筑為研究對象，與現行《公共建筑節能設計標準》(GB 50189—2005)進行對比，分析綠色建筑的節能效益，篩選適宜的綠色建筑節能技術。

1 綠色建筑節能技術應用頻譜分析

綠色建筑的節能設計，涉及到建筑優化、設備系統、能源利用、管理控制等多方面，根據55個已獲得國家綠色建筑評價標識的建筑項目申報資料，圖1整理了各項節能技術在目前綠建項目中的應用分別情況[22]。

圖1 綠色建筑“節能與能源利用”技術措施應用列表Fig. 1 The application of energy-related technologies in green building

由圖1可以看出，在綠色建筑的節能設計方面，建筑本體優化、圍護結構熱工性能提升、高效照明、暖通空調系統節能、建筑遮陽等幾類技術應用頻率極高；能量的綜合利用(如可再生能源、蓄冷蓄熱、熱電冷聯供技術等)，照明系統光控措施、感應開關的設置則屬于應用頻率較低的技術。從技術應用的頻譜分析可以看出，應用較為廣泛的技術往往受客觀因素影響較少，這恰恰也反映了技術應用的難易程度，也反映了綠色建筑的設計正在向適宜性邁進。

本文結合技術頻譜分析，重點針對受客觀因素影響小的典型技術途徑，如圍護結構熱工性能提升、空氣系統變風量控制、新風比可調、排風熱回收技術、建筑外遮陽、光控措施、高效照明等技術，采用案例分析法量化技術應用的節能效益。

2 綠色建筑技術途徑節能性能分析

2.1 研究方案

綠色建筑的設計首先要明確其定位，針對建筑的具體情況，因地制宜的使用綠色建筑技術，以滿足相應等級的要求。對比《公共建筑節能設計標準》(GB 50189—2005)要求，為分析各類節能技術在綠色建筑“節能與能源利用”方面的節能效益，選取夏熱冬冷氣候區典型城市重慶的一棟典型辦公建筑作為分析對象，該建筑共6層，層高3.5 m，面積為8 405 m2，正南朝向，建筑平面布局如圖2所示。運行時間為工作日7:00—20:00，無夜間供熱空調能耗。

圖2 示例建筑平面布局圖Fig.2 The plan of the case buildin

示例建筑節能方案按照《公共建筑節能設計標準》(GB 50189—2005)進行設定，并作為后續分析比較的基準。暖通空調部分采用集中式全空氣空調系統，冷熱源部分為壓縮式制冷機組與燃氣鍋爐，并根據《公共建筑節能設計標準》(GB 50189—2005)[23]和《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》(GB 50736—2012)[24]進行設定。為分析所選取的典型綠色建筑技術的節能效果，利用Design Builder能耗模擬軟件，以基準方案下示例建筑的全年能耗結果作為比較基礎，模擬計算使用單項技術后的建筑全年能耗值，并重點對相關技術的節能效益進行分析。

2.2 圍護結構節能

相比國家和行業節能設計標準規定的熱工性能指標，綠色建筑對圍護結構的熱工性能具有更高的要求，主要體現在外墻、屋頂、外窗、幕墻等圍護結構主要部位的傳熱系數K值和遮陽系數SC值的提升，以及減小窗墻面積比。

3.2.1 圍護結構性能改善的節能效益分析

1)減小傳熱系數 示例建筑圍護結構的熱工參數根據《公共建筑節能設計標準》(GB 50189—2005)限值進行設置，具體取值為：屋面K值為0.677 W/(m2·K)，外墻K值為0.951 W/(m2·K)；外窗K值為2.5 W/(m2·K)，遮陽系數SC為0.4。根據綠色建筑要求，維持其他條件不變，進一步降低圍護結構傳熱系數K值。分析圍護結構傳熱系數的變化對建筑全年能耗的影響，能耗變化如圖3所示。

由圖3可見，隨著外墻K值從0.951 W/(m2·K)減小到0.4 W/(m2·K)，屋面K值從0.677 W/(m2·K)減小到0.27 W/(m2·K)，外窗K值從2.5 W/(m2·K) 減小到1 W/(m2·K)，冬季熱負荷隨之減少，制熱能耗降低3.83%，但夏季空調能耗卻有1.03%的小幅增長。這是由于傳熱系數的減小，對于夏熱冬冷地區建筑而言，不利于圍護結構夜間的散熱，室內的蓄熱負荷會導致第2天空調系統開啟時需提供的預冷負荷增大，制冷能耗增加。然而，從全年來看，在夏熱冬冷地區，冬季供熱能耗僅占夏季供冷能耗的40%左右，因此，減小傳熱系數帶來的能耗指標的降低并不明顯，本案例中，全年能耗僅減小0.26%。根據分析，對于圍護結構傳熱系數，在滿足現行節能標準的基礎上再進一步降低，在夏熱冬冷地區所產生的節能效益不足1%，收效甚微。

由此也可得知，該地區圍護結構的熱工設計，不同于北方采暖建筑主要考慮單向的傳熱過程，不能一味的強調圍護結構K值的降低，需要同時考慮冬季保溫和夏季隔熱的需求。

圖3 降低圍護結構傳熱系數對建筑能耗的影響Fig.3 Effects of lowering K-value of building envelop on building energy us

2)減小遮陽系數 在夏季圍護結構得熱中，透過透明圍護結構的太陽輻射得熱占據主導地位，遮陽系數的改變，將改變建筑通過窗戶的日射得熱，有效減少太陽輻射形成的負荷值。本案例中，將窗戶遮陽系數SC由標準限值0.4提升到0.278。分析結果如圖4所示，結果表明，遮陽系數性能提升30%，建筑全年太陽輻射得熱量降低約34%，這使得夏季空調能耗降低8.3%；但同時，也導致冬季制熱能耗增加2.16%，建筑全年運行能耗減少3.8%。

圖4 提升外窗遮陽系數對建筑能耗的影響Fig.4 Effects of improving SC-value of windows

3)控制窗墻比 減小窗墻比可以有效減少夏季投過窗戶的得熱量，同時，也可以減少冬季窗戶的熱損失。通過分析，如圖5所示，隨著建筑各朝向窗墻比從0.7減小到0.4，建筑全年由于溫差傳熱引起的熱損失降低約76%、全年透過窗戶日射得熱降低73%。對比建筑全年運行能耗結果，如圖6所示，其他條件不變，當建筑綜合窗墻比由0.7優化至0.4時，建筑全年運行能耗可降低4.8%。其中，建筑制冷能耗增幅約為12%，制熱能耗降低幅度較小，約為1.4%。由此可見，夏熱冬冷地區，透明圍護結構性能改善可以產生明顯的節能效果，對于夏季更為明顯。

圖5 不同窗墻面積比對外窗日射得熱/失熱的影響Fig.5 Effects of the window-wall ratio on solar heat gain through windows

圖6 窗墻面積比對建筑能耗的影響Fig.6 Effects of the window-wall ratio on building energy use

3.2.2 圍護結構性能改善的整體方案及影響因素 對于圍護結構性能的改善，需要綜合多方面因素。例如窗墻比的改變，雖然可提升外圍護結構的熱工性能，但同時，也降低了建筑的通透性，因此，對于窗墻比的確定，需要綜合考慮傳熱系數和遮陽系數，以及圍護結構整體熱工性能等。基于上述分析，在示例建筑基準方案的基礎上，以窗墻比為變化源，分析了圍護結構熱工性能綜合提升方案帶來的效益，方案設置情況如表1所示。

表1 示例建筑圍護結構熱工特性Table 1 The thermal performance of the case building

圖7 單位建筑能耗量隨窗墻面積比的變化Fig.7 Energy intensity change due to the change

按照上述設置進行分析，可分別得到圖7和圖8所示結果。由圖7可知，本案例中，僅改變窗墻比的大小，可節能4.8%。針對基準方案，采取改善圍護結構性能的措施后，全年可實現4.31%的節能量。若同時減小窗墻比，平均可再節能約4%。當提升圍護結構熱工性能，并優化窗墻比至0.4時，建筑全年運行能耗減小7.6%。

根據圖7的計算結果，分析圍護結構熱工性能提升前后全年能耗、全年制熱/制冷能耗節能率隨窗墻比變化的規律，如圖8所示。建筑均采取改善圍護結構性能的相同節能措施，對于窗墻比越大的建筑，實施節能措施的節能效益越明顯。分析表明，針對不同窗墻比建筑，與基準方案相比，節能率由窗墻比0.4時的3.6%增加至窗墻比0.7時的4.3%，因此，窗墻比是改進圍護結構熱工性能的重要措施，尤其對大窗墻比建筑，具有很大的節能潛力。同時，對于建筑圍護結構的性能改善，不同的建筑形體結構會產生不同的節能效果，在進行優化分析時，應綜合考慮節能效益。

圖8 采取改善圍護結構性能的措施后的節能率隨窗墻面積比的變化Fig.8 Energy savings due to the change of the window-wall ratio

3.3 建筑外遮陽

示例建筑位于重慶地區，該地區太陽能資源在3～10月份較充足，夏季太陽輻射量最大，春季和秋季次之，冬季最小。圖9為計算得到的重慶地區夏至日一天的東、西向垂直面外窗接收到的直射輻射、天空散射、地面反射、總太陽輻射分布情況，由圖可

見，該地區建筑夏季太陽輻射照度大，東向最大達到710 W/m2，西向最大達到704 W/m2，這將帶來巨大的外窗太陽輻射得熱量，由此可見阻擋太陽輻射得熱，是減少空調能耗的關鍵因素。

圖9 東西向外窗接受的太陽輻射照度Fig.9 Solar irradiance on the eastern and western window

采取適當的遮陽措施，減少窗和透明幕墻的輻射傳熱是建筑節能中降低窗口得熱的主要途徑。在本案例中，各朝向窗墻比均為70%時，針對每個朝向對比分析了幾種典型外遮陽形式的節能效益，各遮陽性能如表2。

表2 不同遮陽方式設置情況Table 2 The settings of various shading devices

分析結果如圖10所示，圖中各遮陽方案的對比清晰地表明，不同的遮陽方式直接影響了建筑能耗的大小，同一種遮陽方式在不同的建筑朝向所實現的節能效益也有所差異。

圖10 建筑不同朝向設置外遮陽設施的年運行能耗Fig.10 The predicted annual energy consumption with different shading strategie

由于夏季不同朝向太陽輻射日變化的存在，使得不同朝向日輻射和峰值出現的時間不同。就本案例所在的重慶地區而言，對不同朝向窗的夏季典型日的逐時熱流量分析表明，窗戶的熱流量峰值出現在東向7:00—10:00和西向14:00—18:00，且此峰值遠高出南、北向的平均值及峰值，也就是說，對于窗戶的遮陽，東、西向設置遮陽的節能效果將明顯。而各種遮陽措施中，可調節百葉外遮陽，可隨著太陽高度角的變化，根據接受到的太陽輻射照度的變化自行調節，有效的遮擋太陽輻射，可獲取更優的節能效益。通過本例的分析也表明，可調節百葉外遮陽的節能性能最優，而遮陽系數最大的垂直遮陽效果并未優于其他幾種遮陽方式。

圖11對比了建筑各朝向均設置同種外遮陽設施后，建筑的年運行能耗，以及各種遮陽方式對太陽輻射的阻擋效果。設置遮陽設施后，建筑運行能耗均有下降。其中，可調節外遮陽節能效益最明顯，外窗全年日射得熱量減小約55%，可實現7.2%的節能效益。由此可見，可調節外遮陽應為該地區建筑首選的遮陽方式。

圖11 建筑設置不同遮陽設施的節能效益Fig. 11 Energy savings of building sunshad

3.4 能量綜合利用

3.4.1 排風熱回收技術 排風熱回收技術是實現能量綜合利用的主要技術手段，冬夏季的排風熱回收，對于集中空調系統的新風耗能量的降低將有著明顯效果。在本案例中，對比了目前常用的顯熱回收、全熱回收方式，和不同熱回收效率60%與70%下該技術的節能性能差異，對比結果如圖12所示。

由分析結果可知，當熱回收效率為60%時，顯熱回收技術將實現20%的節能效益，全熱回收技術的節能率可進一步提高10%左右；而將熱回收效率由60%提升至70%后，顯熱回收技術的節能量由20%提高到23%，全熱回收技術節能率也由30%增至35%。由此可見，對于僅依靠溫差傳熱的顯熱回收，由于夏季排風中提供的最大能量僅占到全熱交換時所能提供的16.7%，冬季可達到67%，因此，全熱回收，尤其是夏季的節能效果更為顯著，通過本例分析也表明全熱回收可比顯熱回收節能率提高10%左右。而對于回收效率，提高10%，節能效果增加約為3%～5%，但由此可能帶來更大的投入。同時，對于熱回收技術的應用，對于不同的季節，應用效果明顯不同，在夏熱冬冷地區的夏季，室外空氣溫度高、濕度較大，室內外空氣的溫差、焓差明顯，此時新風焓值為排風的2.53倍，熱回收效果明顯，而在冬季則僅占排風能量的24%。因此，對于熱回收技術的選擇，需要結合到技術經濟對比，合理選用。

圖12 熱回收技術的節能效益Fig.12 Energy savings of heat recovery technolog

3.4.2 新風比可調 新風比可調是集中空調系統全年多工況運行的一種節能控制措施。全空氣空調系統采用可調新風比，是為了在過渡季充分利用室外空氣的自然調節能力，盡可能做到不用或少用人工冷、熱量。

圖13為本案例采用的一次回風定風量空氣系統的運行調節圖，N區域為室內狀態允許波動區，全年以iW’、iW1、iL1、iL2、iN2和iW等焓線將i-d圖劃分為5個空調工況區進行調節，C1、C2分別是冬夏季設計工況下滿足最小新風比時新回風空氣混合狀態點，Ⅱ、Ⅲ區域為空調專業中的“過渡季”。

圖13 一次回風空調系統的運行調節Fig. 13 The control strategies for the primary return air-conditioning syste

以室外空氣焓值處于第Ⅱ區域時為例，如仍按最小新風比混合，則混合后的空氣狀態點將在Ⅲ區域，如果維持L1不變，就需啟動制冷設備；如果改變新回風混合比(增加新風量，減少回風量)，即可調節一次混合狀態點維持在iL1線上，避免開啟制冷設備。因此，新風量的增加不僅改善了室內空氣品質，而且,由于充分利用新風冷量，可推遲啟動制冷設備的時間，實現節能。根據這一調節思路，本案例中，當最大可調新風比為75%時，冬季制熱能耗減少約30%，夏季制冷能耗降低7.5%，全年可實現近10%的節能量。

3.5 其他節能技術效益

在本案例的基準方案中，照明能耗占建筑全年運行能耗的10%。現有節能設計標準規定照明功率密度值不超過《建筑照明設計標準》(GB 50034—2013)中“現行值”的要求，若通過高效照明將照明功率密度值提升到“目標值”，建筑全年運行能耗將減小2.95%。若采用光控照明措施，即根據光線的亮度自動控制照明開關，經計算分析，建筑全年運行能耗將降低12.3%。

對于空氣調節系統，若采用空氣系統變風量控制技術，通過分析表明，全年可實現2.93%的節能率。

3.6 綠色建筑整體節能效益

通過上述各項技術的分析，匯總各項綠色建筑技術節能效果的橫向對比結果，如圖14所示。

圖14 各類綠色建筑節能技術的節能效益Fig. 14 Energy efficiency of various green

由圖14可見，對于案例建筑所采用的綠色建筑節能技術，排風熱回收節能效益最大，達到35%，依次分別是照明光控措施12.3%、新風可調比10%、圍護結構整體性能改善7.6%，可調節百葉外遮陽7.2%，降低照明功率密度值2.95%，空氣系統變風量控制2.93%。綜合運用上述綠色建筑節能技術，將使暖通空調系統年能耗節約60%、照明系統年節約近30%的能耗，相對于節能標準建筑整體節能率達到46.9%，接近75%節能率。

4 結論

為分析實現綠色建筑節能的典型技術途徑，以位于夏熱冬冷氣候區的辦公建筑為例，量化了各節能技術所能實現的節能效益，分析了綠色建筑節能方案的影響因素，得到結論如下：

1)單純進一步降低圍護結構傳熱系數節能效益不明顯，節能率不足1%。圍護結構節能需要進行整體綜合考慮，提升圍護結構整體熱工性能，可使建筑全年運行能耗減小7.6%。

2)對于夏季太陽輻射照度大的地區，設置建筑外遮陽阻擋太陽輻射得熱，是減少空調能耗的關鍵因素，可調節百葉外遮陽時節能效益最大，可實現節能率約7.2%。

3)排風熱回收技術是實現能量綜合利用的主要技術手段，節能貢獻率顯著。分析表明，熱回收效率為70%的全熱回收技術可實現35%的節能量。

4)對于全空氣空調系統，在過渡季采用全新風或增大新風比運行可有效降低空調系統能耗。在本案例中，最大可調新風比為75%時，可實現近10%的節能量。

5)采用照明光控措施，根據光線自動控制照明系統開啟，節能效益約為12.3%；采用高效照明，實現照明功率密度值由“現行值”到“目標值”的提升，全年可實現2.95%的節能量。

綠色建筑節能技術的選擇及其應用效果受多因素的影響，各技術之間也相互關聯。綠色建筑節能方案需要整體綜合考量，在本案例中，相比按照現行《公共建筑節能設計標準》(GB 50189—2005)制定的節能方案，綠色建筑整體節能率達到46.9%，接近75%建筑節能率。

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2017-06-27

National Science and Technology Support Project (No. 2013BAL01B03-6)

AuthorbriefHe Yueer(1989-),PhD candidate, main research interests: energy savings in buildings and green building technologies,E-mail:heyueersurprise@163.com.

Analysisofenergyefficiencyofgreenbuildingsinhot-summerandcold-winterzonesinChina

HeYueer,DingYong,LiuMeng

(Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering; Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region’s Eco-environment Under MOE, Chongqing University, Chongqing 400045, P. R. China)

In terms of the common green buildings techniques obtained from statistics and climate features of hot-summer and cold-winter zone in China, a case study has been done. The effects of techniques, such as the enhancement of the performance of building envelope, energy comprehensive utilization, have been analyzed. The results show that the energy-saving benefit from total heat recovery of exhaust air which reaches 35% is the biggest in those common green buildings techniques; the utilization of fresh air in interim can save 10% energy; it could save as much as 7% energy by the means of setting adjustable exterior shading or improving the thermal performance of building envelop; the energy-saving rate of light control is 12.3%, etc. The study indicates that the energy efficiency of green buildings techniques interact with each other. Therefore, a comprehensive consideration of an energy conservation scheme of green buildings must be taken. The results show comparing with the requirements of current energy-saving standards, the whole energy efficiency of green buildings can achieve 46.9%, which can save energy by 75% compared with the reference building in the current energy-saving standards.

green buildings; energy-saving techniques; hot-summer and cold-winter zone; schemes comparison; benefits analysis

10.11835/j.issn.1674-4764.2018.01.016

TU111.19

A

1674-4764(2018)01-0113-09

2017-06-27

國家科技支撐計劃(2013BAL01B03—6).

何玥兒(1989-)，女，博士生，主要從事建筑節能與綠色建筑技術研究，E-mail:heyueersurprise@163.com。

(編輯 王秀玲)