能耗限額背景下夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能措施

馬輝，童志文，彭小洪，曹穩(wěn)

（1.蚌埠市建筑設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，安徽 蚌埠 233100；2.安徽科技學(xué)院建筑學(xué)院，安徽 蚌埠 233100）

0 引言

江淮流域現(xiàn)有住宅樓宇與新的節(jié)能設(shè)計(jì)要求相差甚遠(yuǎn)，這與歷史原因有一定關(guān)聯(lián)，而且建筑大部分處于年久失修的狀態(tài)，外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能基本喪失、居住環(huán)境差，造成運(yùn)行能耗高、修繕過程復(fù)雜。現(xiàn)今，節(jié)能降耗意識(shí)的不斷加強(qiáng)，建筑行業(yè)發(fā)展方向發(fā)生改變，把節(jié)能改造作為節(jié)能工作的重要環(huán)節(jié)，已逐步推廣應(yīng)用。按照國家改造標(biāo)準(zhǔn)要求，已有建筑在改造前期要做好勘察研究工作，對(duì)節(jié)能指標(biāo)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能比測、供暖、空調(diào)系統(tǒng)的能耗和運(yùn)行控制、室內(nèi)熱環(huán)境條件等詳細(xì)了解，并做出科學(xué)的評(píng)估報(bào)告為后期的節(jié)能改造提供數(shù)據(jù)支持。隨著城市化進(jìn)程加劇，高層建筑成為主流，相對(duì)建筑物能源效益的指標(biāo)有了更高的要求，而對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分的傳熱系數(shù)控制要求更嚴(yán)苛。因此，為江淮地區(qū)現(xiàn)有的住宅樓宇進(jìn)行翻新改造工程是迫在眉睫的。

1 夏熱冬冷地區(qū)的氣候特征

我國江淮以南地區(qū)大部分以冬冷夏熱天氣特征為主，相比北方的天氣，這一地區(qū)四級(jí)區(qū)分不明顯，一般只分冬夏兩季，夏季悶熱高溫，冬季陰冷潮濕，晝夜溫差在10℃左右，年降水量高、日照時(shí)間短。每年春末夏至之間有梅雨季，沒有日照，陰雨連綿。夏季太平洋副熱帶高壓從江西省出發(fā)，停留該地區(qū)一個(gè)多月保持高溫悶熱天氣，大多數(shù)溫度超過35℃，14 時(shí)的平均溫度可達(dá)32～33℃，最低氣溫也高于25℃，溫差極小。就像蒸籠籠罩，白天氣溫過高、夜間又沒有風(fēng)力吹動(dòng)，致使氣候悶熱難耐。在冬季，強(qiáng)冷空氣抵達(dá)該地區(qū)被南嶺和東南部的丘陵所阻擋，冷空氣滯留覆蓋，使該地區(qū)處于長時(shí)間的寒冷期，尤其是1 月份的平均氣溫比世界上同一緯度的其他地區(qū)低8～10℃，是同緯度冬季溫度最低的地區(qū)。夏熱冬冷地區(qū)多處于水網(wǎng)附近，空氣相對(duì)濕度超于普通地區(qū)，濕度指標(biāo)可達(dá)70%左右，夏季炎熱潮濕，冬季寒冷潮濕，氣候環(huán)境惡劣[1]。

2 夏熱冬冷地區(qū)建筑施工特點(diǎn)及能耗

2.1 建筑物熱特性

在夏熱冬冷地區(qū)，采用厚24cm 的實(shí)心黏土磚進(jìn)行保溫的方式已使用多年，其傳熱系數(shù)僅有2.0W/（m2·K），即便更新?lián)Q代采用新的墻體材料，也會(huì)以24cm 厚的磚墻作為參考，沒有任何熱絕緣保護(hù)。有些地方使用空心黏土磚，其熱絕緣性能略高，也有些地方使用頁巖磚、石灰砂磚和其他非黏土磚，其強(qiáng)度比黏土磚好，但熱絕緣性能較差。窗戶的選材基本使用單層玻璃金屬窗結(jié)構(gòu)，外接遮陽措施幾乎沒有，而且單層玻璃窗的熱絕緣性能非常差。在夏季在沒有遮陽措施的阻隔，大量的太陽熱輻射進(jìn)入室內(nèi)，室內(nèi)溫度陡增。伴隨新型住宅購買熱潮的掀起，一些住宅的設(shè)計(jì)追求更好的建筑立面效果，調(diào)整了窗戶與墻面比例，只是追求外觀而忽視了散熱性能。在屋面結(jié)構(gòu)上，以平屋面為主，墻體的保溫隔熱性能遠(yuǎn)高于它。架空屋頂措施也較為常見，但只在夏季隔熱效果明顯，冬季保溫性差。隨著人們生活水平的提高和制冷制熱設(shè)備的普及，更多居民自己解決屋內(nèi)冬冷夏熱的情況，就如空調(diào)、散熱扇、電暖氣等機(jī)器，雖然解決室內(nèi)環(huán)境問題但也帶來了能源消耗的考驗(yàn)。

2.2 建筑能耗狀況

長久以來，大多數(shù)夏熱冬冷地區(qū)的建筑物配套設(shè)施中缺少供暖降溫措施的干預(yù)，導(dǎo)致居民對(duì)改善居住環(huán)境的盼望急切。又依賴于我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，居民物質(zhì)水平也隨之提升，使用空氣調(diào)節(jié)制冷、電熱器供暖成為改善氣候環(huán)境的基本措施，但相應(yīng)的能源消耗問題日趨嚴(yán)重，建筑物整體能耗量急劇上升。但是，由于建筑物本身的熱絕緣效果未進(jìn)行改造，因此改善居住環(huán)境的工作有限。

除此之外，我國歷史發(fā)展悠久，夏熱冬冷地區(qū)的建筑設(shè)計(jì)都有各個(gè)時(shí)期的特征保留，而且建筑耗能問題被關(guān)注到較晚，導(dǎo)致建筑節(jié)能設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的缺失，造成室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量與舒適度不成正比。在冬季供暖、夏季制冷設(shè)備使用的高峰期耗電量可達(dá)到總耗電量的40%左右。據(jù)有關(guān)專家推測，如果不及時(shí)采取有效的節(jié)能手段，為了滿足中國未來夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑的舒適度指標(biāo)，夏季空調(diào)用電負(fù)荷將超過8 億kW，冬季超過2億kW，年用電量達(dá)到2240 億kW·h。而我國最大三峽發(fā)電站年發(fā)電量才有847 億kW·h[2]。

3 基于能耗定額的可行技術(shù)路徑分析

3.1 不同的技術(shù)路徑對(duì)比

在室內(nèi)溫度在舒適范圍內(nèi)的前提下，對(duì)不同的技術(shù)路徑進(jìn)行比較，符合能耗指標(biāo)的技術(shù)方案可分為“主動(dòng)優(yōu)化技術(shù)”和“被動(dòng)優(yōu)化技術(shù)和主動(dòng)優(yōu)化技術(shù)綜合權(quán)衡方案”兩類。以長沙市為例，對(duì)這兩條路徑進(jìn)行綜合分析。行業(yè)學(xué)者針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)單項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)化已經(jīng)做了很多研究，其中外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫方面的研究主要集中在探討外墻保溫材料最佳厚度上，應(yīng)用壽命周期經(jīng)濟(jì)性分析的方法，從“經(jīng)濟(jì)”的角度研究了夏熱冬冷地區(qū)部分典型城市不同外墻保溫材料的最佳厚度；通風(fēng)和遮陽技術(shù)也被眾多學(xué)者證明是有效的降低能耗策略；基于建筑熱過程建立了涵蓋設(shè)計(jì)與運(yùn)行階段的室內(nèi)熱環(huán)境營造桑基能流圖，并對(duì)相關(guān)各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)原理和在夏熱冬冷地區(qū)的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析討論。同時(shí)，也有部分學(xué)者針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)居住建筑不同設(shè)計(jì)技術(shù)的綜合優(yōu)化展開了研究。部分學(xué)者以“舒適”“能耗”為目標(biāo)探尋了重慶住宅不同被動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)的節(jié)能調(diào)控策略；以“舒適”“能耗”為目標(biāo)分析了上海住宅不同被動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；從“能耗”的角度分析了江淮流域圍護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)被動(dòng)技術(shù)的節(jié)能潛力，并提出了通過應(yīng)用被動(dòng)技術(shù)延長非供暖空調(diào)時(shí)間、降低建筑能耗需求，同時(shí)結(jié)合主動(dòng)設(shè)備能效提升進(jìn)而降低供暖空調(diào)能耗的室內(nèi)熱環(huán)境營造技術(shù)理念，為本文的進(jìn)一步細(xì)化研究提供了技術(shù)框架。

3.1.1 技術(shù)路徑A：基于主動(dòng)優(yōu)化的技術(shù)方案

技術(shù)路徑A 是一個(gè)基于“主動(dòng)優(yōu)化”的設(shè)計(jì)方案，是一個(gè)滿足現(xiàn)行住宅建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)方案。外墻傳熱系數(shù)為1.14W/（m2·K），屋頂傳熱系數(shù)為0.93W/（m2·K），外窗傳熱系數(shù)為2.80W/（m2·K），太陽吸熱系數(shù)為0.75，氣密性指數(shù)為1.0h-1。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)方案的設(shè)計(jì)中要首先考慮自然通風(fēng)和百葉窗遮陽的外部措施提高節(jié)能性，可以保持每個(gè)城市的供熱負(fù)荷密度穩(wěn)定，降低冷負(fù)荷密度，確保供熱和空氣調(diào)節(jié)的負(fù)荷密度逐年下降。

用長沙節(jié)能技術(shù)應(yīng)用為參考，年累計(jì)冷熱負(fù)荷指標(biāo)有所下降完全依賴于技術(shù)路線A 通過實(shí)施被動(dòng)調(diào)節(jié)策略，被動(dòng)技術(shù)優(yōu)化可使年累計(jì)冷熱負(fù)荷減少10.2%，非采暖空調(diào)時(shí)間延長9.2%；為了將采暖空調(diào)能耗控制在20kW·h/m2以內(nèi)，完成能耗定額目標(biāo)，有必要采用最高節(jié)能等級(jí)（APF≥3.6）。技術(shù)路徑A（以主動(dòng)優(yōu)化為主的方案）如表1 所示。其余城市技術(shù)路線A 的使用可以參照表1。均衡各城市被動(dòng)技術(shù)優(yōu)化的貢獻(xiàn)率可達(dá)到7.5%～13.4%（平均10.8%），延長非采暖和空調(diào)時(shí)間的貢獻(xiàn)率為6.0%～9.8%（各城市均值為8.6%）[3]。在這種情況下，需要大幅度提高主動(dòng)設(shè)備的能源效率，以實(shí)現(xiàn)能源限額目標(biāo)，由表1 可知，每個(gè)城市所需的最低APF，所有城市都需要使用最高水平的節(jié)能空調(diào)，以達(dá)到能源消耗限額目標(biāo)的完成。

表1 技術(shù)路徑A——以主動(dòng)優(yōu)化技術(shù)為主的方案

3.1.2 技術(shù)路徑B：被動(dòng)優(yōu)化與主動(dòng)優(yōu)化技術(shù)的綜合平衡方案

采取路徑標(biāo)準(zhǔn)后，在現(xiàn)有住宅建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能得到改善，空調(diào)系統(tǒng)能效全年得到了適當(dāng)?shù)奶岣摺Ｒ蚤L沙市為參考，技術(shù)路線B 采用本文建立的“多目標(biāo)優(yōu)化-多因素決策”模型，在三目標(biāo)權(quán)衡后提供最優(yōu)方案，該方案通過被動(dòng)技術(shù)優(yōu)化后，可使年累計(jì)冷熱負(fù)荷減少34.3%，非采暖空調(diào)時(shí)間延長13.4%，采暖空調(diào)年能耗控制在20（kW·h）/m2以內(nèi)，并可實(shí)現(xiàn)能耗定額。如果使用更節(jié)能的空調(diào)，能源消耗會(huì)更低。技術(shù)路徑B（被動(dòng)優(yōu)化與主動(dòng)優(yōu)化技術(shù)綜合權(quán)衡的方案）如表2 所示。

表2 技術(shù)路徑B——被動(dòng)優(yōu)化與主動(dòng)優(yōu)化技術(shù)綜合權(quán)衡的方案

在該技術(shù)路徑使用下，各代表性城市供暖空調(diào)負(fù)荷年均減少率為28.8%～38.4%（平均34.7%），非供暖空調(diào)時(shí)間延長率為10.9%～15.7%（平均12.5%），比技術(shù)路徑B 和技術(shù)路徑A 通過被動(dòng)技術(shù)的改進(jìn)，供暖空調(diào)負(fù)荷年均減少率額外降低23.9%，非供暖空調(diào)時(shí)間年均延長率額外降低3.9%。

以“主動(dòng)優(yōu)化技術(shù)為主”的技術(shù)路徑A，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能僅滿足當(dāng)?shù)毓?jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求，室內(nèi)熱濕環(huán)境受氣候影響大，熱環(huán)境穩(wěn)定性效果不明顯，居民反饋舒適情況未改善。該技術(shù)路線適用于各省市落實(shí)現(xiàn)行住宅建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)所要求的新建建筑，還要滿足居民選購能耗水平較低的空調(diào)產(chǎn)品，才能實(shí)現(xiàn)能耗限額目標(biāo)。與其相比，“被動(dòng)優(yōu)化與主動(dòng)優(yōu)化綜合權(quán)衡”的技術(shù)路線B 是通過對(duì)各種可行方案的“能耗”“舒適”和“經(jīng)濟(jì)”三個(gè)目標(biāo)的綜合全面分析和權(quán)衡而定的，這種技術(shù)方案具有良好的熱穩(wěn)定性，是一種可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行論證和推廣的高效節(jié)能建筑設(shè)計(jì)方案。

3.2 技術(shù)路徑減少碳排放遠(yuǎn)景分析

居民的舒適度要求隨著生活水平的提高也不斷提升，在現(xiàn)有的技術(shù)體系下，要想維持室內(nèi)最佳舒適溫度，長江流域住宅建筑的采暖和空氣調(diào)節(jié)的年平均耗電量要達(dá)到32.51kW·h/m2。本文提到的技術(shù)路線A 和技術(shù)路徑B，每單位采暖和空氣調(diào)節(jié)面積的年耗電量可分別降至20kW·h/m2、12.51kW·h/m2，碳排放量也有大幅度降低。技術(shù)路徑A 通過被動(dòng)優(yōu)化降低能耗10.8%，通過主動(dòng)優(yōu)化降低能耗27.7%，而技術(shù)路徑B通過被動(dòng)優(yōu)化降低能耗34.7%，通過主動(dòng)優(yōu)化技術(shù)降低能耗3.8%，如果采用年能效低于3.5 的高效空調(diào)系統(tǒng)，能耗可進(jìn)一步降低到20kW·h/m2水平，能為雙碳做出貢獻(xiàn)[4]。

我國江淮流域城鎮(zhèn)居住面積約90 億m2，每年新增居住面積約6 億m2。如果按照項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)新建住宅，單位面積節(jié)能12.51kW·h/m2，可每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤229 萬t[換算系數(shù)為0.318kg/（kW·h）]，碳排放量減少約507 萬t[轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.7035kg/（kW·h）]，環(huán)境效益將更可觀，有助于中國應(yīng)對(duì)能源供應(yīng)和氣候危機(jī)問題，權(quán)衡能源消費(fèi)總量，實(shí)現(xiàn)碳中和任務(wù)[5]。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)兩種技術(shù)路徑的詳細(xì)分析，能更好的緩解夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能減耗的實(shí)際問題，實(shí)現(xiàn)能耗限額的新要求。在日益提高的生活水平下，維持室內(nèi)適宜溫度和舒適度是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，既考驗(yàn)節(jié)能設(shè)計(jì)措施的科學(xué)規(guī)范，也挑戰(zhàn)對(duì)既有建筑低成本、高效益的改良能力。因此，建筑工程可以因地制宜選擇符合的技術(shù)方案，提醒居民在選擇空調(diào)設(shè)備時(shí)，應(yīng)盡量使用一級(jí)節(jié)能產(chǎn)品，改善居住環(huán)境的同時(shí)為綠色低碳做出貢獻(xiàn)。