夏熱冬冷地區建筑節能技術適用性分析

建筑節能技術的適用性分析是建筑節能設計、空調方案的優化、節能評估、效率低下等建筑節能活動的重要理論依據。它是建筑節能技術的重要理論依據。本文重點分析不同節能技術在夏熱冬冷地區的適用情況,研究各種建筑節能技術在該地區的適用性程度,為該地區選擇經濟適用的建筑節能技術提供參考。1城市氣候特點根據我國的建筑熱工氣候區劃,夏熱冬冷地區包括重慶、上海2個直轄市;湖北、湖南、安徽、江西、浙江5省;四川、貴州2省東部;陜西、河南、江蘇3省南部;廣西、廣東、福建3省北部,共涉及15個省、市、自治區。代表城市有成都、重慶、武漢、長沙、南京、杭州和上海等,該地區的氣候特點是冬季濕冷、夏季炎熱。全年炎熱季節有3～4個月,最熱月室內平均氣溫達30～33℃,夏季相對濕度在80%左右,太陽輻射量大于1000MJ/m2;寒冷天氣有2～3個月,最冷月室內平均氣溫只有0～6℃,冬季太陽輻射量小于750MJ/m2。該地區全年的供暖期、空調使用期較長,相應能耗也較高。因此該地區居住建筑的節能不但要考慮冬季保溫,還要考慮夏季隔熱,同時還需考慮春、秋過渡季節的通風問題。2外墻傳熱系數對建筑能耗的影響表1為我國部分城市冬季最冷日/夏季最熱日室內外溫差和冬季供暖季/夏季空調季溫差度時數,前者決定空調設備容量,后者決定夏季空調能耗。從表1中可以看出,各地夏季圍護結構兩側的溫差較小。因此,圍護結構保溫對夏季空調負荷的影響也相應較小。結合模擬分析以及文獻對夏熱冬冷地區6個代表性城市的典型居住建筑進行的動態能耗模擬,筆者分析了不同外墻構造(不同傳熱系數K)與建筑能耗的變化規律;同時調研了部分夏熱冬冷地區城市墻體傳熱系數,發現夏熱冬冷地區外墻傳熱系數與全年耗電量有很強的正線性相關性,如圖1～3所示。綜合表1和圖1～3可以看到,夏熱冬冷地區全年供暖耗電量Eh隨著外墻傳熱系數K的增大而明顯增加。因此,改善外墻保溫性能對降低供暖能耗效果顯著,K值降低50%,能耗減少10%～20%左右。然而,夏熱冬冷地區全年空調耗電量Ec隨著外墻傳熱系數K的增大變化不明顯。綜合供暖季和空調季來看,夏熱冬冷地區全年總耗電量E隨著外墻傳熱系數K的減小而小幅減少,K值降低50%,能耗減少5%～8%左右。因此,要改善夏熱冬冷地區建筑熱特性,降低空調能耗的關鍵不在圍護結構的保溫。3空調負荷的節能技術方案選擇目前玻璃窗按結構可分為單框單層玻璃窗、單框雙層玻璃窗和雙框雙層玻璃窗三大類;按窗玻璃光學性又可分為普通玻璃、吸熱玻璃、熱反射鍍膜玻璃和Low-e玻璃。選擇具有較好熱工性能和光學性能的玻璃窗(見表2),不但可以滿足玻璃窗的采光功能要求,還可以利用其光學性能,在夏季減少日射得熱和室外熱傳導進入室內,降低由窗戶得熱帶來的空調負荷;在冬季,讓更多的太陽光進入室內,同時阻止室內的長波輻射熱傳到室外,從而達到建筑節能的目的。夏熱冬冷地區夏季供冷能耗大于冬季供暖能耗。就夏季空調負荷來說,以單層塑鋼普通透明玻璃窗為基準,單層普通透明玻璃+內遮陽的玻璃窗夏季的節能效果非常明顯,節能率達23.85%。因此,夏季空調時采用相應的遮陽是一項節能效果很好的技術措施,這是因為遮陽可以大大降低太陽得熱系數SHGC。但考慮到冬季供暖負荷,夏熱冬冷地區采用雙層中空普通透明玻璃+內遮陽的結構形式更為可行,冬、夏空調能耗的總降低率可達19.79%。Low-e系列的玻璃窗與普通透明玻璃相比節能效果更加明顯,但在沒有遮陽措施的情況下,其節能率仍低于普通透明玻璃+遮陽措施的節能率。因此,在經濟條件允許的地區可以選擇Low-e+遮陽措施的節能技術,其節能效果會更好。表3為不同玻璃窗空調能耗比較。4分散式和集中空調的節能技術適應性空調系統形式的選擇需要考慮供熱供冷量負荷大小和建筑的規模、用途等。一般受室外氣象條件影響較小。因此,空調系統形式的選擇和優化技術適應性應從系統本身出發,根據不同的制冷系統特點來分析其不同的節能技術適應性問題。本文以一個實例來進行分散式和家用集中空調形式的適應性分析。楊迪等人以上海某居住建筑為例,對比研究了傳統家用空調型式和家用集中空調的用能情況;筆者研究了地源熱泵和水源熱泵的能耗特點。在此,在前人對居住建筑空調系統能耗研究的基礎上,進行了各種空調系統的節能適用性分析。1空調分戶分室外獨立控制家用分體式系統形式簡單,管道占較少的建筑空間,安裝施工簡單,操作使用方便,可以實現分戶分房間獨立控制,更好地適應各個功能房間的空調需求。雖然家用分體式空調的額定能效比較低,但是所有房間同時開啟空調的概率卻很小,多數時間為少數房間空調器開啟,可以滿足部分負荷要求。分體式空調方式的能耗是幾種空調方式中最低的。2水源熱泵系統地源熱泵系統初投資較大,地埋管占地面積大,受地下空間限制較大。熱舒適性和傳統分體式空調相差不大,運行費用則相對較低。水源熱泵系統受地理位置限制較大,一般選擇在江邊、湖邊或海邊的建筑中使用。該系統結構相對復雜,運行費用較低。3空調系統能效低冷(熱)水家用集中空調系統雖然從理論上可以單獨控制每個房間的冷(熱)量,滿足各個房間不同的空調需求。而實際上,冷(熱)水空調系統通常是連續工作的,這就決定了其系統長期處于低負荷狀態下工作,系統的實際能效就會變得很低,雖然可以利用變頻調控技術改善系統的運行性能,但其節能效果十分有限。節能潛力無法和家用分體式空調相比。4空調系統能效比較風管式家用中央空調系統初投資較大,新風系統使空氣質量提高,人體舒適度提高,但風管系統的空調運行能耗和空氣輸配系統的能耗也相應增多,而且室外機較大,噪聲也較大。能耗特性與冷(熱)水家用集中空調相似。5多種空調方式的安裝和使用比較多聯機系統一次性投資較高,與冷(熱)水和風管式集中空調系統相比,其運行特性相似,長期處于低負荷運行狀態下,空調運行能耗雖較這兩種系統低,但仍高于家用分體式空調器,而且室外機較大,安裝困難,美觀性也較分體式空調差。幾種家用空調系統的用能負荷和年耗能量分別見圖4,5。對于夏熱冬冷地區居住建筑空調用能來說,不同用戶的用能行為和空調形式千差萬別,空調消費需求也相差巨大,這就決定了同一個家庭結構,采用不同的空調形式就可能造成空調能耗的很大差別。由圖4,5可以明顯看出,對于同一戶型,家用分體式空調以其靈活的獨立控制方式,年用能量只是集中空調方式的50%～80%,具有較大的節能潛力。并且該形式空調系統初投資小,結構簡單,便于安裝,能適應不同居民的空調需求。因此,家用分體式空調形式的節能適用性更強一些,適合絕大多數的家庭使用。5利用水源熱泵空調系統我國夏熱冬冷地區可再生能源蘊涵量十分豐富,包括地熱能、自然通風、太陽能等,長江流域附近城鎮還可以充分利用長江水,使用水源熱泵空調系統,利用淺層地熱能為居住建筑提供生活熱水,過渡季節夜間自然通風替代空調降溫,太陽能充足的地區利用太陽制取生活熱水,而且可利用被動式太陽能供暖技術降低冬季供暖能耗,同時夏季利用太陽能制冷為降低居住建筑空調能耗提供了可能。6不同居住建筑自身