上海地區建筑節能分析

來源:《節能》　作者:李懷玉　日期:2007-1-26
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　　摘要：利用分析軟件DOE-2分別對外墻保溫、屋面保溫及窗墻面積比進行了能耗模擬分析，提出合理的選擇范圍并介紹了上海地區天然冷熱源利用的設備和空調方案及其可利用的節能空調方案。
　　關鍵詞：建筑；上海地區；節能分析；能耗模擬；DOE-2
　　中圖分類號：TU111．4 文獻標識碼：B 文章編號：

　　摘要：利用分析軟件DOE-2分別對外墻保溫、屋面保溫及窗墻面積比進行了能耗模擬分析，提出合理的選擇范圍并介紹了上海地區天然冷熱源利用的設備和空調方案及其可利用的節能空調方案。

　　關鍵詞：建筑；上海地區；節能分析；能耗模擬；DOE-2
　　中圖分類號：TU111．4 文獻標識碼：B 文章編號：1004-7948(2006)11-0038-03

　　1 上海地區氣候特點及建筑能耗現狀
    上海北界長江，東瀕東海，南臨杭州灣，西接江蘇、浙江兩省。該地區年平均氣溫16．5℃，冬季1月最冷，月平均氣溫5℃，較同緯度內陸溫和；夏季7月最熱，月平均氣溫約為30℃，又不如同緯度內陸炎熱。即便是最冷月，其最低干球溫度也不低于-4℃；但其最熱月比較熱，最高溫度高達38℃。統計資料顯示，全年超過30℃已多達約600h。雖然全年最低溫度不低于-5℃，但其全年低于5℃已有約850h。因此，該地區是典型的夏熱冬冷氣候。按建筑氣候分屬于夏熱冬冷地區。該地區雨量充沛，年均降雨量1200mm，雨日多達132d。降雨的季節分配較均勻，夏季約占40．1％，冬季占13．0％，導致該地區空氣含濕量高，夏季悶熱，冬季陰冷潮濕。

    上海夏季傳統上以空調電制冷為主，根據2002年調查發現，上海的空調普及率為96．8％，家用空調擁有量為每百戶177臺，夏季空調用電量過度增加已造成高峰期電力短缺。日前進行韻一項調查顯示，在擁有4千多幢高層建筑的上海，建筑物已經成為一個“耗能大戶”。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％的速度增長。在所有建筑能耗中，空調制冷用電的上升勢頭尤為迅猛。2005年夏天上海最高峰用電負荷達1500萬kW，其中用于空調制冷的負荷約占總用電負荷的1／3。

　　
    2 能耗基數
    為了讓能耗分析具有可比性，首先確定能耗基數。以目前上海地區最為普遍的磚混住宅的能耗作為居住建筑節能標準的基數。能耗基數的具體計算條件是：

    (1)室內達到舒適性熱環境標準。

    (2)換氣量取1．5次/h。

    (3)外墻為240mm混凝土切塊磚，兩面抹灰，傳熱系數K=2．0W／(m2·K)。

    (4)屋面為英紅瓦+聚氨酯防水卷材+100mm厚粉煤灰陶粒混凝土整澆層+100mm厚鋼筋混凝土結構層+15mm厚混合砂漿層，傳熱系數K=2．77W／(m2·K)。

    (5)外窗為單層鋁合金窗，夏季掛淺色內窗簾，傳熱系數K=4．7W／(m2·K)。

    (6)該住宅為一小別墅，地下一層，地上兩層，窗墻面積比為：南向0．32，北向0．17，東向0．21，西向0．14，建筑層高3．6m，建筑面積：636．88m2，朝向：正南。

    (7)目前上海最普遍的采暖空調設備是電暖器和空調器。電暖器最高能效比為1，空調器的能效比為2．3。按照上述計算條件，結合各地氣象資料用DOE-2進行能耗模擬，得出上海地區的能耗基數(見表1)。

表1 能耗基數

3 外墻加保溫材料能耗模擬
為實現50％的節能目標，《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》對外墻的熱工性能提出了要求，即外墻平均傳熱系數不應超過1．5或1．0W／(m2·K)，若傳熱系數符合而熱惰性指標不符合時須進行隔熱計算。但目前上海所采用的墻體傳熱系數都大于2．0W／(m2·K)，要使其滿足節能要求，必須與保溫系統相結合或采用熱工性能更好的新型墻體材料，才能達到上述要求的保溫隔熱指標。根據保溫層與結構墻體的相對位置可分為內保溫、外保溫和夾心保溫三種保溫技術，由于夾心保溫在上海市應用量非常少，內保溫性能又不如外保溫，故本文只對外保溫進行模擬分析。保溫材料為XPS 擠塑板，分別模擬不同厚度時建筑單位面積所需制冷、供熱量及總耗電量，結果見表2。

表2 外墻保溫后的能耗情況

    模擬結果得出，加了保溫材料之后，傳熱系數顯著降低，冷熱負荷和總耗電量都降低。即便是只有5mm厚的保溫材料，也是外墻傳熱系數從2W／(m2·K)降到1．44W／(m2·K)，符合筑節能外墻傳熱系數的標準。由表2知，20mm厚的保溫材料能使單位建筑總耗電量減少1070W，30mm厚能降低單位建筑總耗電1230W，可見節能效果顯著。

　　傳熱系數增加的趨勢隨保溫材料厚度的增加而趨于平緩。這說明在建筑構造中，并不是保溫材料越厚越好，應綜合考慮其經濟性，一般選用20～30mm就夠了。

　　
    4 屋面加保溫材料后能耗模擬
    建筑屋面的熱損失在建筑圍護結構的所有傳熱熱損失中約占9％，且對居住環境的舒適度影響很大。因此，改善屋面的保溫性能是建筑節能、改善頂層居住環境的一個重要措施。

    下面是用DOE-2模擬的不同厚度保溫層對建筑能耗的影響，保溫材料為XPS擠塑板，保溫方式為倒置式，即把保溫層置于防水層之上。傳統的保溫方式是把防水層置于保溫層之上，這種情況會由于防水層兩面的溫差過大而導致防水層破裂，影響保溫層，從而影響節能效果。模擬結果見表3。

表3 屋面保溫后的能耗情況

可以看出，加了保溫層之后冷熱負荷和總耗電量都降低，30mm厚的保溫層可使單位建筑總耗電量減少2．45kWh，制冷量減少5．82kWh／m2，供熱量減少6．98kWh／m2，節能效果相當可觀，與外墻保溫相比，同樣厚度的保溫層單位建筑面積的節能效果更為顯著。由圖1可知，隨保溫層厚度的增加，傳熱系數呈雙曲線趨勢減小、在厚度增加到35mm之后，傳熱系數的減少也相當緩慢。在選擇時，要綜合考慮保溫結構的經濟性并確定出合理的厚度。

圖1 保溫層厚度與屋面傳熱系數的關系

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