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上海地区建筑节能分析

来源:《节能》　作者:李怀玉　日期:2007-1-26
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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：

　　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

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