上海地区建筑节能分析发布时间：2007年5月8日 浏览次数: 29
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摘要：利用分析软件DOE-2分别对外墙保温、屋面保温及窗墙面积比进行了能耗模拟分析，提出合理的选择范围并介绍了上海地区天然冷热源利用的设备和空调方案及其可利用的节能空调方案。
关键词：建筑；上海地区；节能分析；能耗模拟；DOE-2
中图分类号：TU111．4 文献标识码：B 文章编号：1004-7948(2006)11-0038-03
1、上海地区气候特点及建筑能耗现状
上海北界长江，东濒东海，南临杭州湾，西接江苏、浙江两省。该地区年平均气温16．5℃，冬季1月最冷，月平均气温5℃，较同纬度内陆温和；夏季7月最热，月平均气温约为30℃，又不如同纬度内陆炎热。即便是最冷月，其最低干球温度也不低于-4℃；但其最热月比较热，最高温度高达38℃。统计资料显示，全年超过30℃已多达约600h。虽然全年最低温度不低于-5℃，但其全年低于5℃已有约850h。因此，该地区是典型的夏热冬冷气候。按建筑气候分属于夏热冬冷地区。该地区雨量充沛，年均降雨量1200mm，雨日多达132d。降雨的季节分配较均匀，夏季约占40．1％，冬季占13．0％，导致该地区空气含湿量高，夏季闷热，冬季阴冷潮湿。
上海夏季传统上以空调电制冷为主，根据2002年调查发现，上海的空调普及率为96．8％，家用空调拥有量为每百户177台，夏季空调用电量过度增加已造成高峰期电力短缺。日前进行韵一项调查显示，在拥有4千多幢高层建筑的上海，建筑物已经成为一个“耗能大户”。建筑使用能耗已占上海全市能耗的20％左右，目前仍然在以每年1％的速度增长。在所有建筑能耗中，空调制冷用电的上升势头尤为迅猛。2005年夏天上海最高峰用电负荷达1500万kW，其中用于空调制冷的负荷约占总用电负荷的1／3。
2、能耗基数
为了让能耗分析具有可比性，首先确定能耗基数。以目前上海地区最为普遍的砖混住宅的能耗作为居住建筑节能标准的基数。能耗基数的具体计算条件是：
(1)室内达到舒适性热环境标准。
(2)换气量取1．5次/h。 (3)外墙为240mm混凝土切块砖，两面抹灰，传热系数K=2．0W／(m2·K)。 (4)屋面为英红瓦+聚氨酯防水卷材+100mm厚粉煤灰陶粒混凝土整浇层+100mm厚钢筋混凝土结构层+15mm厚混合砂浆层，传热系数K=2．77W／(m2·K)。 (5)外窗为单层铝合金窗，夏季挂浅色内窗帘，传热系数K=4．7W／(m2·K)。 (6)该住宅为一小别墅，地下一层，地上两层，窗墙面积比为：南向0．32，北向0．17，东向0．21，西向0．14，建筑层高3．6m，建筑面积：636．88m2，朝向：正南。 (7)目前上海最普遍的采暖空调设备是电暖器和空调器。电暖器最高能效比为1，空调器的能效比为2．3。按照上述计算条件，结合各地气象资料用DOE-2进行能耗模拟，得出上海地区的能耗基数(见表1)。
表1 能耗基数
3、外墙加保温材料能耗模拟
为实现50％的节能目标，《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》对外墙的热工性能提出了要求，即外墙平均传热系数不应超过1．5或1．0W／(m2·K)，若传热系数符合而热惰性指标不符合时须进行隔热计算。但目前上海所采用的墙体传热系数都大于2．0W／(m2·K)，要使其满足节能要求，必须与保温系统相结合或采用热工性能更好的新型墙体材料，才能达到上述要求的保温隔热指标。根据保温层与结构墙体的相对位置可分为内保温、外保温和夹心保温三种保温技术，由于夹心保温在上海市应用量非常少，内保温性能又不如外保温，故本文只对外保温进行模拟分析。保温材料为XPS挤塑板，分别模拟不同厚度时建筑单位面积所需制冷、供热量及总耗电量，结果见表2。
表2 外墙保温后的能耗情况
模拟结果得出，加了保温材料之后，传热系数显著降低，冷热负荷和总耗电量都降低。即便是只有5mm厚的保温材料，也是外墙传热系数从2W／(m2·K)降到1．44W／(m2·K)，符合筑节能外墙传热系数的标准。由表2知，20mm厚的保温材料能使单位建筑总耗电量减少1070W，30mm厚能降低单位建筑总耗电1230W，可见节能效果显著。
传热系数增加的趋势随保温材料厚度的增加而趋于平缓。这说明在建筑构造中，并不是保温材料越厚越好，应综合考虑其经济性，一般选用20～30mm就够了。
4、屋面加保温材料后能耗模拟
建筑屋面的热损失在建筑围护结构的所有传热热损失中约占9％，且对居住环境的舒适度影响很大。因此，改善屋面的保温性能是建筑节能、改善顶层居住环境的一个重要措施。
下面是用DOE-2模拟的不同厚度保温层对建筑能耗的影响，保温材料为XPS挤塑板，保温方式为倒置式，即把保温层置于防水层之上。传统的保温方式是把防水层置于保温层之上，这种情况会由于防水层两面的温差过大而导致防水层破裂，影响保温层，从而影响节能效果。模拟结果见表3。
表3 屋面保温后的能耗情况
可以看出，加了保温层之后冷热负荷和总耗电量都降低，30mm厚的保温层可使单位建筑总耗电量减少2．45kWh，制冷量减少5．82kWh／m2，供热量减少6．98kWh／m2，节能效果相当可观，与外墙保温相比，同样厚度的保温层单位建筑面积的节能效果更为显著。由图1可知，随保温层厚度的增加，传热系数呈双曲线趋势减小、在厚度增加到35mm之后，传热系数的减少也相当缓慢。在选择时，要综合考虑保温结构的经济性并确定出合理的厚度。
图1 保温层厚度与屋面传热系数的关系
5、改变窗墙比能耗模拟
与围护墙体相比较，窗户是轻质薄壁结构，是建筑保温、隔热的薄弱环节。据调查，目前我国窗户的面积大约占建筑面积的1／4，外围护结构面积的1／6，单层普通玻璃窗的采暖空调能耗约占建筑冬季采暖或夏季空调降温能耗的40％以上。因此窗户是建筑节能的关键部位，是节能技术的重点所在。表4～表7是建筑各个朝向不同窗墙比(窗墙面积比)的能耗模拟结果。
表4 东面不同窗墙比及其能耗情况
表5 西面不同窗墙比及其能耗情况表
6、南面不同窗墙比及其能耗情况
表7 北面不同窗墙比及其能耗情况
从模拟结果看出，四个方向的窗墙比减小都会使能耗降低，但各个方向的窗墙比对能耗的影响不一样，随窗墙比减小而能耗降低的程度也不一样。制冷量都是随窗墙比减小而降低，但供热量除北面墙上的窗户外，都是随窗墙比的减小反而上升，只有北面墙上的窗户是随窗墙比减小而减小。
由表4知，东面墙上的制冷量的降低和供热量的增加都非常缓慢，可以认为该面墙上的窗墙比对建筑能耗影响较小，但从节能的角度出发，在满足采光、通风换气的情况下还是取较小的窗墙比为宜。
从表5看出，西面墙窗墙比对冷、热量的影响较东墙明显，从总耗能来看，窗墙比减小0．1，总耗能就减少50W／m2，相当于东面墙的10倍，节能效果显著。因此，应该严格控制该面墙上的窗墙比。
从表6知，南面墙在窗墙比大于0．17时，制冷量及供热量随窗墙比的减小变化显著，相当于窗墙比每减小0．1，能耗减小10W／m2。在窗墙比小于0．17之后，再减小对节能也没有太大的效果了。在建筑设计规划中应限制南面的窗墙比，对住宅建筑规范要求不超过0．35。但也不能一味地限制，这样会影响建筑设计师的构想，限制建筑外观的多样性。
与其他三面墙的窗户不同，北面制冷量和供热量都随窗墙比的减小而显著减小，从表7可以看出，且在窗墙比大于0．14时，变化显著，相当于窗墙比每减小0．1，制冷量减少210W／m2，供热量减少110W／m2，总能耗减少80W／m2，以后趋于缓和。比起南面窗，影响更为显著。因此，北面的窗墙比应该给予限制，在相同的窗墙比情况下，北面墙的能量损耗更大。但如果北面的窗墙比与南面的窗墙比相差过大，不利于穿堂风的形成。
综合分析各面墙上窗墙比的影响结果，可以看出，在窗墙比相同的情况下，北面墙的能耗损失最大，其次是东面，南面，西面。对东、西面墙的窗墙比应该控制得比南、北面墙上的窗墙比小。实际工程中，应该综合考虑各个方面的因素，使其既能满足外观、采光、通风等要求，又尽可能地起到节能的效果。
7、天然冷热源利用及可利用的节能空调系统方案
上海水源非常丰富，因此，考虑利用江水和海水作为空调用冷源，使用水源热泵空调机组。水源热泵空调系统由于能够利用蕴藏在海水、江水中的巨大热能资源，近年来在许多沿海、沿江城市，正受到人们越来越多的关注。由于江水和海水的温度一年四季相对稳定，一般为10～25℃，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源。这种温度特性使得水源热泵的制冷、制热系数可达3．5～5．5。试验证明，利用水源热泵冷暖空调装置作为建筑供热采暖和降温空调，制冷降温至少可比常规空调设备(水冷机组或风冷机组)节省综合费用50％以上(不包括水资源费)，其次，水源热泵空调环境效益显著，水源热泵的污染物排放与空气源热泵相比，相当于减少40％以上，与电供暖相比，相当于减少70％以上，如果结合其他节能措施节能减排会更明显。因此，在该地区充分发展水源热泵空调系统，有着相当大的意义和潜力。
燃气热泵空调也是上海地区较为合适的空调系统方案。近年来，上海市ZF大力鼓励燃气空调的应用。
燃气空调是一种稳定的天然气消耗设备，用气低谷在夏季。城市电力、燃气需求峰谷之间具有良好的互补性，所以燃气空调不仅能够削减电力高峰负荷，减少电力投资，亦能对燃气起到填谷的作用，同时提高了燃气管网的利用率。在上海地区发展燃气空调可以说是一举两得，既缓解了高峰期的电力紧张，又改善了城市的能源结构。
尽管燃气热泵空调在我国目前还处于应用初始阶段，但是在上海市ZF的大力支持和鼓励下，推出了一系列优惠政策；另外燃气公司也实行优惠气价，以鼓励燃气空调的应用；再加上西气东输工程的完善，可以预计，燃气热泵空调在上海的应用具有巨大的市场潜力。
参考文献
[1]付祥钊．中国夏热冬冷地区建筑解节能技术[J]．保温材料与节能，2000，(6)：13-17．
[2]范宏武，等．上海地区住宅建筑外墙节能技术[J]．中国住宅设施，2005，(6)：18-20．
[3]卢文英．提高建筑外窗节能效果的对策与措施[J]．福建建设科技，2005，(3)：57-58．
[4]傅允准，等．燃气热泵空调在上海住宅应用的可行性[J]．天然气工业，2005，25(11)：115-118，
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摘要：利用分析软件DOE-2分别对外墙保温、屋面保温及窗墙面积比进行了能耗模拟分析，提出合理的选择范围并介绍了上海地区天然冷热源利用的设备和空调方案及其可利用的节能空调方案。
关键词：建筑；上海地区；节能分析；能耗模拟；DOE-2
中图分类号：TU111．4 文献标识码：B 文章编号：1004-7948(2006)11-0038-03
1、上海地区气候特点及建筑能耗现状
上海北界长江，东濒东海，南临杭州湾，西接江苏、浙江两省。该地区年平均气温16．5℃，冬季1月最冷，月平均气温5℃，较同纬度内陆温和；夏季7月最热，月平均气温约为30℃，又不如同纬度内陆炎热。即便是最冷月，其最低干球温度也不低于-4℃；但其最热月比较热，最高温度高达38℃。统计资料显示，全年超过30℃已多达约600h。虽然全年最低温度不低于-5℃，但其全年低于5℃已有约850h。因此，该地区是典型的夏热冬冷气候。按建筑气候分属于夏热冬冷地区。该地区雨量充沛，年均降雨量1200mm，雨日多达132d。降雨的季节分配较均匀，夏季约占40．1％，冬季占13．0％，导致该地区空气含湿量高，夏季闷热，冬季阴冷潮湿。
上海夏季传统上以空调电制冷为主，根据2002年调查发现，上海的空调普及率为96．8％，家用空调拥有量为每百户177台，夏季空调用电量过度增加已造成高峰期电力短缺。日前进行韵一项调查显示，在拥有4千多幢高层建筑的上海，建筑物已经成为一个“耗能大户”。建筑使用能耗已占上海全市能耗的20％左右，目前仍然在以每年1％的速度增长。在所有建筑能耗中，空调制冷用电的上升势头尤为迅猛。2005年夏天上海最高峰用电负荷达1500万kW，其中用于空调制冷的负荷约占总用电负荷的1／3。
2、能耗基数
为了让能耗分析具有可比性，首先确定能耗基数。以目前上海地区最为普遍的砖混住宅的能耗作为居住建筑节能标准的基数。能耗基数的具体计算条件是：
(1)室内达到舒适性热环境标准。
(2)换气量取1．5次/h。 (3)外墙为240mm混凝土切块砖，两面抹灰，传热系数K=2．0W／(m2·K)。 (4)屋面为英红瓦+聚氨酯防水卷材+100mm厚粉煤灰陶粒混凝土整浇层+100mm厚钢筋混凝土结构层+15mm厚混合砂浆层，传热系数K=2．77W／(m2·K)。 (5)外窗为单层铝合金窗，夏季挂浅色内窗帘，传热系数K=4．7W／(m2·K)。 (6)该住宅为一小别墅，地下一层，地上两层，窗墙面积比为：南向0．32，北向0．17，东向0．21，西向0．14，建筑层高3．6m，建筑面积：636．88m2，朝向：正南。 (7)目前上海最普遍的采暖空调设备是电暖器和空调器。电暖器最高能效比为1，空调器的能效比为2．3。按照上述计算条件，结合各地气象资料用DOE-2进行能耗模拟，得出上海地区的能耗基数(见表1)。
表1 能耗基数
3、外墙加保温材料能耗模拟
为实现50％的节能目标，《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》对外墙的热工性能提出了要求，即外墙平均传热系数不应超过1．5或1．0W／(m2·K)，若传热系数符合而热惰性指标不符合时须进行隔热计算。但目前上海所采用的墙体传热系数都大于2．0W／(m2·K)，要使其满足节能要求，必须与保温系统相结合或采用热工性能更好的新型墙体材料，才能达到上述要求的保温隔热指标。根据保温层与结构墙体的相对位置可分为内保温、外保温和夹心保温三种保温技术，由于夹心保温在上海市应用量非常少，内保温性能又不如外保温，故本文只对外保温进行模拟分析。保温材料为XPS挤塑板，分别模拟不同厚度时建筑单位面积所需制冷、供热量及总耗电量，结果见表2。
表2 外墙保温后的能耗情况
模拟结果得出，加了保温材料之后，传热系数显著降低，冷热负荷和总耗电量都降低。即便是只有5mm厚的保温材料，也是外墙传热系数从2W／(m2·K)降到1．44W／(m2·K)，符合筑节能外墙传热系数的标准。由表2知，20mm厚的保温材料能使单位建筑总耗电量减少1070W，30mm厚能降低单位建筑总耗电1230W，可见节能效果显著。
传热系数增加的趋势随保温材料厚度的增加而趋于平缓。这说明在建筑构造中，并不是保温材料越厚越好，应综合考虑其经济性，一般选用20～30mm就够了。
4、屋面加保温材料后能耗模拟
建筑屋面的热损失在建筑围护结构的所有传热热损失中约占9％，且对居住环境的舒适度影响很大。因此，改善屋面的保温性能是建筑节能、改善顶层居住环境的一个重要措施。
下面是用DOE-2模拟的不同厚度保温层对建筑能耗的影响，保温材料为XPS挤塑板，保温方式为倒置式，即把保温层置于防水层之上。传统的保温方式是把防水层置于保温层之上，这种情况会由于防水层两面的温差过大而导致防水层破裂，影响保温层，从而影响节能效果。模拟结果见表3。
表3 屋面保温后的能耗情况
可以看出，加了保温层之后冷热负荷和总耗电量都降低，30mm厚的保温层可使单位建筑总耗电量减少2．45kWh，制冷量减少5．82kWh／m2，供热量减少6．98kWh／m2，节能效果相当可观，与外墙保温相比，同样厚度的保温层单位建筑面积的节能效果更为显著。由图1可知，随保温层厚度的增加，传热系数呈双曲线趋势减小、在厚度增加到35mm之后，传热系数的减少也相当缓慢。在选择时，要综合考虑保温结构的经济性并确定出合理的厚度。
图1 保温层厚度与屋面传热系数的关系
5、改变窗墙比能耗模拟
与围护墙体相比较，窗户是轻质薄壁结构，是建筑保温、隔热的薄弱环节。据调查，目前我国窗户的面积大约占建筑面积的1／4，外围护结构面积的1／6，单层普通玻璃窗的采暖空调能耗约占建筑冬季采暖或夏季空调降温能耗的40％以上。因此窗户是建筑节能的关键部位，是节能技术的重点所在。表4～表7是建筑各个朝向不同窗墙比(窗墙面积比)的能耗模拟结果。
表4 东面不同窗墙比及其能耗情况
表5 西面不同窗墙比及其能耗情况表
6、南面不同窗墙比及其能耗情况
表7 北面不同窗墙比及其能耗情况
从模拟结果看出，四个方向的窗墙比减小都会使能耗降低，但各个方向的窗墙比对能耗的影响不一样，随窗墙比减小而能耗降低的程度也不一样。制冷量都是随窗墙比减小而降低，但供热量除北面墙上的窗户外，都是随窗墙比的减小反而上升，只有北面墙上的窗户是随窗墙比减小而减小。
由表4知，东面墙上的制冷量的降低和供热量的增加都非常缓慢，可以认为该面墙上的窗墙比对建筑能耗影响较小，但从节能的角度出发，在满足采光、通风换气的情况下还是取较小的窗墙比为宜。
从表5看出，西面墙窗墙比对冷、热量的影响较东墙明显，从总耗能来看，窗墙比减小0．1，总耗能就减少50W／m2，相当于东面墙的10倍，节能效果显著。因此，应该严格控制该面墙上的窗墙比。
从表6知，南面墙在窗墙比大于0．17时，制冷量及供热量随窗墙比的减小变化显著，相当于窗墙比每减小0．1，能耗减小10W／m2。在窗墙比小于0．17之后，再减小对节能也没有太大的效果了。在建筑设计规划中应限制南面的窗墙比，对住宅建筑规范要求不超过0．35。但也不能一味地限制，这样会影响建筑设计师的构想，限制建筑外观的多样性。
与其他三面墙的窗户不同，北面制冷量和供热量都随窗墙比的减小而显著减小，从表7可以看出，且在窗墙比大于0．14时，变化显著，相当于窗墙比每减小0．1，制冷量减少210W／m2，供热量减少110W／m2，总能耗减少80W／m2，以后趋于缓和。比起南面窗，影响更为显著。因此，北面的窗墙比应该给予限制，在相同的窗墙比情况下，北面墙的能量损耗更大。但如果北面的窗墙比与南面的窗墙比相差过大，不利于穿堂风的形成。
综合分析各面墙上窗墙比的影响结果，可以看出，在窗墙比相同的情况下，北面墙的能耗损失最大，其次是东面，南面，西面。对东、西面墙的窗墙比应该控制得比南、北面墙上的窗墙比小。实际工程中，应该综合考虑各个方面的因素，使其既能满足外观、采光、通风等要求，又尽可能地起到节能的效果。
7、天然冷热源利用及可利用的节能空调系统方案
上海水源非常丰富，因此，考虑利用江水和海水作为空调用冷源，使用水源热泵空调机组。水源热泵空调系统由于能够利用蕴藏在海水、江水中的巨大热能资源，近年来在许多沿海、沿江城市，正受到人们越来越多的关注。由于江水和海水的温度一年四季相对稳定，一般为10～25℃，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源。这种温度特性使得水源热泵的制冷、制热系数可达3．5～5．5。试验证明，利用水源热泵冷暖空调装置作为建筑供热采暖和降温空调，制冷降温至少可比常规空调设备(水冷机组或风冷机组)节省综合费用50％以上(不包括水资源费)，其次，水源热泵空调环境效益显著，水源热泵的污染物排放与空气源热泵相比，相当于减少40％以上，与电供暖相比，相当于减少70％以上，如果结合其他节能措施节能减排会更明显。因此，在该地区充分发展水源热泵空调系统，有着相当大的意义和潜力。
燃气热泵空调也是上海地区较为合适的空调系统方案。近年来，上海市ZF大力鼓励燃气空调的应用。
燃气空调是一种稳定的天然气消耗设备，用气低谷在夏季。城市电力、燃气需求峰谷之间具有良好的互补性，所以燃气空调不仅能够削减电力高峰负荷，减少电力投资，亦能对燃气起到填谷的作用，同时提高了燃气管网的利用率。在上海地区发展燃气空调可以说是一举两得，既缓解了高峰期的电力紧张，又改善了城市的能源结构。
尽管燃气热泵空调在我国目前还处于应用初始阶段，但是在上海市ZF的大力支持和鼓励下，推出了一系列优惠政策；另外燃气公司也实行优惠气价，以鼓励燃气空调的应用；再加上西气东输工程的完善，可以预计，燃气热泵空调在上海的应用具有巨大的市场潜力。
参考文献
[1]付祥钊．中国夏热冬冷地区建筑解节能技术[J]．保温材料与节能，2000，(6)：13-17．
[2]范宏武，等．上海地区住宅建筑外墙节能技术[J]．中国住宅设施，2005，(6)：18-20．
[3]卢文英．提高建筑外窗节能效果的对策与措施[J]．福建建设科技，2005，(3)：57-58．
[4]傅允准，等．燃气热泵空调在上海住宅应用的可行性[J]．天然气工业，2005，25(11)：115-118，
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