嚴寒地區建筑綠色改造技術的節能敏感性及潛力研究

滕佳穎，慕曉飛，王 婉

（吉林建筑大學經濟與管理學院，長春130118）

0 引 言

建筑能耗約占世界能源消耗的40%［1］，建筑節能已成為節能減排的重點［2-4］。中國北方的供熱期較長，能源消耗逐年增加，占中國建筑能耗總量的24.0%［5］。研究嚴寒地區非節能建筑的綠色改造尤為重要。

常用的綠色改造技術，如M3 和M4 等主動節能措施以及M1 和M2 等被動節能措施，可以提高建筑物的能源效益［6-10］。許多學者對現有建筑的節能改造技術進行了研究，如Yang 等［11］提出夏熱冬暖地區采用氣凝膠超低導熱性外墻可大幅改善墻體熱性能，降低建筑能耗；也有學者提出建筑圍護結構的節能改造，如外墻采用外保溫，外遮陽設計［12］，可有效節約能源消耗［13-15］。周鵬忠等［16］深入研究了新疆地區鍋爐房供暖系統的改造，從源頭降低供暖系統能耗問題。近年來，綠色節能技術已廣泛應用于建筑節能改造，逐步成為推動節能減排的關鍵技術。

目前，針對嚴寒地區綠色改造技術的節能敏感性及潛力的研究較少，本文綜合嚴寒地區的住宅和公共建筑仿真模型，從典型的綠色改造技術：M1、M2、M3和M4 著手，深入分析綠色改造技術對于建筑能耗的節能敏感性及其節能潛力，明確嚴寒地區建筑綠色節能改造的關鍵方向。對高效降低嚴寒地區建筑能耗，進一步探究低能耗建筑有重要的意義。

1 研究對象-工程仿真模型

本文選取設計位于嚴寒地區的典型住宅建筑和公共建筑仿真模型，探討嚴寒地區建筑綠色（被動和主動）改造技術的節能敏感度及其節能潛力。

第1 個是4 層住宅建筑仿真模型，框架結構，總建設面積為681 m2，如圖1（a）、（b）所示。第2 個是4 層公共建筑仿真模型，框架結構，總建設面積3 638 m2，如圖1（c）、（d）所示。

圖1 基于Desginbuilder手繪仿真模型

2 研究方法及方案設置

2.1 研究方法及流程

研究嚴寒地區綠色改造技術的節能敏感性及其節能潛力，為嚴寒地區建筑的被動和主動節能改造設計提供理論支持和指導。具體研究方法及流程如圖2所示。

圖2 研究方法及流程

2.2 傳統設計方案（T）

兩個研究對象的傳統方案（長春地區）設置如表1所示。

2.3 綠色改造技術方案（M1 ～M4）

綠色改造技術主要包括：

被動技術。改變外窗、外墻、樓板、屋面、遮陽等。主動技術。改變照明器具和HVAC 系統等方面，均可改變嚴寒地區建筑的能源效益。本文兩個研究對象分別采用4 種（M1 ～M4）綠色改造技術方案，見表2。表2 中M1 ～M4 方案是基于傳統方案（T）的綠色改造技術。

表1 傳統設計方案

表2 綠色改造技術方案

3 研究結果及分析

3.1 M1 ～M4 運營期年能耗及節能量仿真結果

3.1.1 住宅樓M1 ～M4 的仿真結果

基于Designbuilder 建模（圖1）和傳統設計方案（見表1），采用表2 中綠色節能改造技術方案，分別更換M1 ～M4，進行4 次模擬，輸出住宅建筑綠色改造技術M1 ～M4 的年度能耗模擬結果，如圖3 所示，及運行期間的年度節能情況，如圖4 所示。

圖3 T、M1 ～M4運行期的年度能耗

圖4 M1 ～M4運行期的年度節能量

基于Designbuilder建模（見圖1）和傳統設計方案（見表1），采用表2 中綠色節能改造技術方案，分別更換M1 ～M4，并進行4 次模擬，輸出公共教學建筑綠色改造技術M1 ～M4 的年度能耗模擬結果，如圖5 所示，運行期的年度節能情況，如圖6 所示。

圖5 T、M1-M4運行期的年度能耗

圖6 M1-M4運行期的年度節能量

3.2 M1 ～M4 的節能敏感性及節能潛力分析

3.2.1 住宅樓M1 ～M4 的節能敏感性及潛力

基于圖3 仿真數據，與傳統方案（T）相比，進行了4種綠色改造技術（M1 ～M4）節能敏感性分析。節能敏感性指不同改造技術下，能耗因素（采暖用電、房間用電、設備用電、照明用電和生活熱水用電）節能百分比的變化（敏感）程度，如圖7 所示。

圖7 M1 ～M4對能耗因素的節能敏感性

M1、M4 可有效降低住宅建筑的采暖能耗；M3 可有效降低住宅建筑的照明用電能耗，M2 雖然對改變住宅建筑能耗較敏感，但在嚴寒地區采用遮陽技術后導致采暖能耗上升，故嚴寒地區（長春）住宅建筑不建議采用遮陽設施。值得注意的是，在更換了不同的綠色改造技術方案（M1 ～M4）后，設備、房間和生活熱水用電的節能百分比幾乎沒有變化。

基于圖4 仿真數據，開展4 種綠色改造技術方案M1 ～M4 對于住宅建筑總能耗的節能潛力分析。節能潛力分析的衡量指標是某綠色技術改造方案所帶來的年度總節能量與傳統方案年度總能耗量的百分比，如圖8 所示。

圖8 M1 ～M4對建筑總能耗的節能潛力

與傳統的設計方案T 相比，M4 方案的年采暖節能量非常明顯，其次是M1 方案，M2 和M3 方案的采暖用電反而增加，整體上來說M2 和M3 技術方案并不適合嚴寒地區（長春）住宅建筑。

圖8 顯示，在M1 ～ M4 中，M4 方案的總能耗具有最大的節能潛力，達到37.08%；M2 的總能耗節能潛力最小（采暖季導致室內溫度降低，增加采暖能耗，節能效果降低），- 3. 92%；M3 的節能潛力分別為6.10%和-0.31%。

總之，住宅建筑的綠色改造技術方案M1、M4 對于采暖用電的節能敏感性高；M3 對于照明用電的節能敏感性高；改變HVAC 系統M4 和圍護結構M1 的總能耗節能潛力大，圍護結構M1 被動節能技術和HVCA系統M4 主動節能技術適用于嚴寒地區住宅建筑的節能改造，且對降低采暖用電起到至關重要的作用。嚴寒地區住宅建筑節能改造的重點應是暖通空調HVAC系統的主動節能設計，同時有效運用改造外窗、外墻、樓板和屋面等被動節能技術。

3.2.2 教學樓M1 ～M4 的節能敏感性及潛力

基于圖5 的仿真數據，與傳統方案（T）相比，對4種綠色改造技術（M1 ～M4）的節能敏感性進行了分析，如圖9 所示。

圖9 M1 ～M4對能耗因素的節能敏感性

M1 可以有效降低公共建筑采暖用電能耗，M3 可有效降低照明用電能耗；M4 雖然對改變公共建筑能耗較敏感，但是公共建筑采用HVAC 系統M4 后導致采暖能耗明顯上升，故嚴寒地區（長春）公共建筑不建議采用加熱地板。值得注意的是，在更換不同綠色改造技術方案（M1 ～M4）后，設備、房間和生活熱水用電的節能百分比幾乎沒有變化。

基于圖6 仿真數據，開展4 種綠色改造技術方案M1 ～M4 對于公共建筑總能耗的節能潛力分析，如圖10 所示。

圖10 M1 ～M4對建筑總能耗的節能潛力

與傳統設計方案T 相比，M1 方案的采暖年節能量相對明顯，其次是M3 方案；M4 方案的采暖能耗增加明顯，M2 方案的采暖能耗稍有增加。整體上來說M2、M4 技術方案并不適合嚴寒地區（長春）公共建筑。圖10 顯示，M1 ～ M4 中，M1、M3 的節能潛力分別為10.45%和3.26%。

總之，公共建筑的綠色改造技術方案：M1、M3 對于兩種能耗因素具有很高的節能敏感性：即采暖用電和照明用電；改變圍護結構M1 的總能耗節能潛力大，其次是改變照明器具M3，即M1 被動節能改造和M3主動改造技術適用于嚴寒地區公共建筑，可以在降低公共建筑的采暖和照明能耗方面發揮重要作用。改造的重點應是完善圍護結構，如外窗、外墻、樓板和屋面等被動節能設計，結合LED 照明設備，有效降低嚴寒地區公共建筑的能耗。

4 結 語

基于典型的嚴寒地區住宅和公共建筑仿真模型，深入分析了4 種綠色改造技術方案的節能敏感性及其節能潛力，進一步拓展了節能分析的研究范圍?；诜抡姘咐芯?，得到如下結論：

（1）住宅建筑的綠色改造技術方案：改變圍護結構M1 和改變HVAC系統M4 方案對建筑采暖用電能耗因素具有較高的節能敏感性；改變照明器具M3 方案對建筑照明用電能耗因素具有較高的節能敏感性；M4、M1 方案對于建筑總能耗的節能潛力大，分別達到37.08%和6.10%。

（2）公共建筑的綠色改造技術方案：改變圍護結構M1 和改變照明器具M3 方案對建筑采暖用電和照明用電兩種能耗因素具有較高的節能敏感性；改變HVAC 系統M4 方案導致公共建筑采暖能耗明顯增加；M1、M3 方案對于建筑總能耗的節能潛力大，分別達到10.45%和3.26%。

（3）針對嚴寒地區采暖能耗較高的現狀，完善圍護結構這種綠色被動改造技術較適用于嚴寒地區高效降低建筑采暖能耗的需求。嚴寒地區節能改造的關鍵是要合理完善圍護結構的節能設計，比如推廣如節能外窗、外墻、樓板和屋面等被動節能改造技術，有效地結合高效照明器具和HVAC 系統，降低嚴寒地區建筑能耗。

本文研究成果為有效降低嚴寒地區建筑能耗提供了一定的實踐性指導，對推進嚴寒地區節能減排和進一步研究低能耗建筑具有重要意義。