绿色低碳住区的节能优化

2011-12-10赵凤山聂梅生张雪舟钟静ZHAOFengshanNIEMeishengZHANGXuezhouZHONGJing

生态城市与绿色建筑 2011年1期

赵凤山聂梅生张雪舟钟静/ZH AO Fengshan, NIE Meisheng, ZHANG Xuezhou, ZHONG Jing

1 引言

从技术上讲，实现低碳关键在于降低资源和能源消耗。中国目前正处于城市建设高峰期，城市建设的飞速发展促使建材业、建筑业迅猛发展，由此造成的能源消耗，包括建筑材料生产用能、建筑材料运输用能、房屋建造、维修和拆除过程中的用能，已占到中国总的商品能耗的20%～30%。而建筑运行能耗（包括建筑照明、采暖、空调、生活热水以及家用电器等耗能）则更大，在建筑50～70年的生命周期中，建筑材料和建造过程所消耗的能源一般只占建筑全生命周期能源消耗的20%左右，大部分能源消耗发生在建筑物的运行过程中。

随着中国城市化进程的不断推进，建筑能耗占全社会总能耗的比例会越来越高，有专家预计到2020年，建筑能耗将达到全社会总能耗的40%，与之相对应，CO2排放将达到环境无法承受的程度。因此，推进低碳住区建设，将住区建造及运行的CO2排放控制在较低水平对中国发展低碳经济将起到十分重要的作用。

本文结合绿色低碳住区项目案例，详细论述绿色低碳住区节能减碳的途径和方法，以及可再生能源利用在住区减碳中的作用。

2 住区节能减碳途径

从技术上而言，住区节能减碳途径体现在以下几个方面（图1）：

（1）建筑外环境的改善，包括冬季防风、夏季及过渡季促进自然通风以及夏季室外热岛效应的控制；

（2）建筑主体节能，即建筑围护结构热工性能的改善；

（3）冷热源的能效比与输配系统效率的提高，以及末端用冷（热）的可调节及费用承担形式；

（4）可再生能源的利用。

3 绿色低碳住区的节能优化

3.1 案例项目概况

本文以位于鄂尔多斯的某养老社区项目为例，分析其节能减碳优化设计的过程及特点。

本项目地理位置为东经109°50′、北纬39°50′，距鄂尔多斯市中心9km。所处地段自然风景优美，地形起伏多变，呈东高西低、北高南低地势，最大高差42m。场地内沟壑纵横，随处可见由于雨水冲刷而成的冲沟，地貌特征如图2所示。项目拟建成中国西部地区规模最大、景观优美、功能齐全、绿色节能、具有民族特色、星级服务的养老社区。

项目总平面图布置如图3所示，总用地面积36.3hm2，总建筑面积299 580m2，容积率0.83，绿地率35%，建筑密度22.8%。住宅类型包括独栋别墅、连排别墅、花园洋房、多层公寓等，配套设施有康复中心、温泉理疗中心、体检中心、健身中心、老年大学、商业、会所和幼儿园等。

图1 住宅建筑节能减碳途径

图2 项目地貌特征

图3 建筑总平面布置效果

图4 西南等轴侧日照计算模型

3.2 改善建筑室外环境

3.2.1 建筑日照评价与优化

鄂尔多斯在地理位置上属于气候分区的I区，根据《城市居住区规划设计规范》（GB50180）中住宅日照标准，新建住宅应满足大寒日3h的日照要求。为了评价本项目日照情况，本文采用了清华大学建筑学院开发的建筑日照分析软件Sunshine2.0。由于场地高差较大，在Sunshine2.0中建立的日照分析模型如图4所示。

（1）计算参数

地理位置：东经109.98°，北纬39.83°。

计算时间：大寒日8：00～16：00，最小扫掠角要求为15°。

（2）平面日照等时线

图5给出了本项目大寒日建筑日照等时线分布图。可以看出其中A、B、C、D、E、F、G等7栋建筑日照可能达不到大寒日3h的标准要求，需要对这些部位做进一步的局部细致分析。

（3）可能遮挡的重点建筑物分析

图6为A区域建筑西南立面等轴侧日照小时数伪彩图。可以看出，由于受到来自其南侧楼的遮挡，该建筑物西向部分区域南立面一、二楼层窗台面不能满足大寒日日照小时数大于3h的标准。

图7为B区域建筑西南立面日照小时数伪彩图。可以看出，B区域建筑南立面距地平面0.9m以上部分，全部都满足日照要求。西向局部区域不能满足日照3h标准的，可在户内平面布局设计时予以考虑。

C区域、D区域、F区域的局部分析表明，各建筑南立面距地平面0.9m以上部分，均能满足日照标准要求；E区域只有西南角有小部分区域不满足日照要求；G区域建筑南立面距地平面0.9m以上部分，西边的V字形部分区域不能满足日照要求。

（4）优化建议

对于不能满足日照小时要求的A、B、E区域，经加大前后建筑间距、减少楼栋数量后均达到了日照标准要求。对于G区域老年公寓西边的V字形低层不能满足日照要求的部分区域，可通过改变使用功能的办法解决。

3.2.2 住区风环境的评价与优化

（1）评价标准

按照《中国生态住区技术评估手册》的要求，住区微环境的评价标准如下：

图5 日照等时线平面

图6 A区域建筑西南立面日照小时数伪彩图

图7 B区域建筑西南立面日照小时数伪彩图

图8 CFD建筑模型

图9 西北区多层住宅建筑的网格局部加密剖分图

①在建筑物周围行人区1.5m高度的风速小于5m/s；

②冬季保证建筑物前后压差不大于5Pa；

③夏季保证75%以上的板式建筑前后压差在1.5Pa以上，避免局部出现漩涡和死角，从而保证室内有效的自然通风；

④夏季典型日的日平均热岛强度不大于1.5℃。

（2）模拟参数设置

为保证该项目室外风环境质量，采用数值分析的方法，利用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）技术对住区内的空气流动情况进行三维稳态速度场和压力场模拟，进而对住区的微气候做出分析评价。模拟计算软件采用英国帝国理工大学开发的PHOENICS。该软件经清华大学建筑学院多年研究应用与二次开发，可以保证其分析结果的可靠性。模拟参数设置如下：夏季工况主导风向为S，模拟风速2.9m/s；冬季工况主导风向为NW，模拟风速3.7m/s。采用湍流模型为标准K-ε两方程模型，网格划分经过无关性验证。

（3）建筑模型

根据实际建筑设计，依托其他建模软件生成CFD所需的计算模型，并导入ICEM CFD中进行模型完善。建筑模型在细部做了相应的简化。由于本项目所处地形复杂，地势起伏不平，区域内地势最低点和最高点高差达42m。如图8所示，所建立的模型按照实际地势，选取每隔2m、3m、4m的高差的等高线进行了相应简化（主要为4m的高差）。

通过求解流体流动控制方程，利用数值计算模拟实际的流动和通风情况，进而分析建筑布局和建筑微环境的相互影响关系，为进一步分析建筑能耗、热舒适指标等提供依据。

整个计算区域长3 240m、宽2 520m、高144m。在网格剖分时，对建筑本体的网格进行了局部加密，图9给出了西北区多层住宅建筑的网格剖分图，总的网格数量在400万左右。计算的收敛标准为10-3。

（4）模拟计算区域分区

由于场地地势高差较大，需按地形图上的梯形线，对模拟计算区域进行分区，处于同一地面高度的建筑划为同一分区，整个用地范围内的分区结果如图10所示。图中不同颜色的线条为各分区的分界线，地势平缓区域被划为一个分区，如I区和Ⅶ区。

（5）冬季风环境模拟结果

这里以I区为例，给出了冬季工况下的风速分布和风压分布。图11为I区建筑物周围行人高度（相对I区地平面的高度）的风速分布，图中红线左侧为I区。可以看出，冬季I区1.5m高度处的平均风速在1.5m/s左右，主入口处的风速较大，最大达到4m/s左右。图12为I区5m高度（相对于I区地平面的高度值）的风压分布。可以看出，由于受冬季风向及场地地理环境的影响，I区内的建筑前后压差较小，基本都在0～5Pa之间；而靠近季风方向的西北侧建筑前后压差较大，最大压差值可达15Pa左右。压差较大容易加剧冷风渗透，增加冬季供暖能耗。

（6）冬季住区风环境评价与建议

冬季，住区内的平均风速较小，在0.5～2.5m/s之间，符合《中国生态住区技术评估手册》的规定；但是西北侧建筑迎风面与背风面压差较大，最大值可达15Pa。对这部分建筑，在外窗选择时需要提高气密性要求。

（7）夏季住区风环境评价与建议

与冬季风环境分析类似，本文得到夏季主导风向和风速下的小区中各等高分区内的风速和风压分布。夏季，住区内的平均风速也是在0.5～2.5m/s之间，符合《中国生态住区技术评估手册》的规定；住区内75%以上的建筑迎风面与背风面压差小于1.5Pa，不能满足《中国生态住区技术评估手册》的要求。单体建筑设计时需采取有效措施，解决这一问题。由于地势遮挡，住区内存在一些静风区。Pressure 7.448

图10 模拟计算区域分区

图11 冬季Ⅰ区1.5m高度处的风速分布矢量

图12 冬季Ⅰ区5m高度处的压力分布

表1 各典型建筑主要围护结构热工参数设置

3.3 建筑主体节能评价与优化设计

（1）评价指标

评价建筑主体节能的指标主要有建筑物全年耗热量和全年耗冷量。由于鄂尔多斯地区空调度日数很低，在评价时仅考虑全年耗热量指标。以建筑全年耗热量低于参考建筑的百分比作为节能评价指标，定义为：

其中：Qh——被评建筑全年耗热量，GJ/m2；

Qrh——参照建筑全年耗热量，GJ/m2。

建筑物全年耗热量和全年耗冷量的动态模拟计算采用清华大学开发的DeST（Design by Simulation Toolkit）软件。该软件是模拟建筑物室内热湿环境及采暖通风空调制冷系统动态过程的大型计算软件，DeST软件由清华大学从1980年代末开始研发，期间曾得到国家自然科学基金、国家“十五”科技攻关计划等项目支持，迄今已形成完全拥有自主知识产权的系统软件平台。

（2）围护结构热工参数

参照建筑是符合当地65%节能要求的假想建筑，该建筑的形状、大小、朝向以及内部的空间划分和使用功能与实际建筑完全一致，不考虑外遮阳，其围护结构参数和不同朝向的窗墙比符合内蒙古《居住建筑节能设计标准》（DBJ03-35-2008）要求。

选择本项目一期具有代表性的E6-01、W6-01、S6-01、N6-02和老年公寓等5栋建筑进行能耗模拟分析。各建筑的围护结构热工参数如表1所示。

（3）模拟参数设置

模拟参数包括室外气象参数、典型空间室内温度计算参数、采暖空调作息时间、通风换气次数和室内热扰等，这些参数均按当地气候条件、节能标准和生活习惯选取，这里从略。

（4）模型建立

所选各典型建筑的DeST计算模型如表2所示。

（5）能耗模拟结果

各典型建筑全年采暖空调负荷模拟计算结果如表3所示。可以看出，各典型建筑全年耗热量指标及其低于参照建筑的百分比平均为3.0%，即实际建筑在65%节能基础上平均又节能3.0%，实际节能率相当于66%。

（6）节能率为70%时的围护结构优化设计

本项目为内蒙古自治区的节能示范项目，建筑主体节能目标确定为70%，因此，需提高围护结构的热工性能，优化后的围护结构热工参数如表4所示。

围护结构调整后的能耗模拟结果如表5所示，各建筑在节能65%的基础上平均再节能15.85%，节能率达到70.5%。

3.4 光伏发电系统设计

（1）光伏系统容量的确定

在住区开发项目中，光伏系统通常采用与建筑一体化设计方式。光伏系统的容量主要取决于负荷需求和可安装的场地面积。

为了建设全国绿色低碳住宅示范项目，本项目最初选定光伏系统容量为2MW，经过可用屋顶面积核算，最终确定光伏系统容量为1MW。1MW的光伏系统在全国住区中目前是最大的。

（2）光伏系统运行方式

本项目建设规模较大，用电需求量大，为光伏系统运行方式提供了较大的灵活性。由于目前光伏系统并网及向电网馈电的激励政策尚不明朗，因此，本项目光伏系统采用非逆流低压端并网形式，并网方案如图13所示。

表2 各建筑DeST计算模型及自遮挡效果图

（3）光伏系统负荷

由于本系统采用无蓄电、无逆流的低压端并网运行方式，因此，系统用电负荷应为白天电力负荷，包括公共照明负荷和动力负荷，参见图13。本项目负荷量比较大的白天照明负荷主要有K-01-02区的商业建筑和会所，K-02-01区的商业建筑、老年公寓地下建筑、老年大学和酒店地上、地下建筑，K-03-01区的中心商业建筑、康复中心和会所。各用电负荷统计如表6所示。可以看出，本项目装机容量1000kWp的光伏系统白天照明负荷为754kW。在满足白天照明需求基础上，其余供电将用于白天动力负荷，主要包括：给排水泵、地下空间风机、电梯等。

（4）分布式并网

分布式并网方式适用于在建筑物上安装不同朝向或不同规格的光伏阵列，在电气设计时，可将同一朝向且规格相同的光伏阵列通过单台逆变器集中并网发电，采用多台逆变器分布式并网发电方案实现联网功能，如图14所示。

本系统设计总容量为1 000kWp，需要的屋顶面积大约12 000m2。屋顶类型既有坡屋顶也有平屋顶，建筑朝向也不尽相同。因此，宜采用分布式并网方式，具体分布和逆变器的选择需结合建筑设计进度同步进行。由于光伏组件寿命一般为25 年左右，而并网逆变器正常使用寿命为10年左右，因此，系统设计中尽量减少逆变器。

本系统属于中大型光伏系统，系统中功率调节器柜、仪表柜、配电柜较多，因此，应设置独立的光伏系统控制机房。机房位置宜与公共负荷供电配电室相邻。

（5）发电量估算

由《中国建筑热环境分析专用气象数据集》可知，鄂尔多斯地区水平面年太阳辐射总量为5 868MJ/m2。鄂尔多斯的纬度为39.83°，光伏倾角为43°，斜面修正系数可取1.15，由此可得斜面年太阳辐射总量为6 748MJ/m2。据此可以计算出全年峰值日照时间和年发电量如表7所示。可以看出，本项目1MW光伏电站在初始使用年的发电量为140.6万kWh。由于光伏电池发电效率随使用时间而逐年下降，假定效率下降特性为线性，并且在25年时效率下降15%，那么届时年发电量为120万kWh。本光伏电站25年计算累计发电量可达3 553万kWh，可减少CO2排放33 753t，环境效益十分显著。

表3 各典型建筑全年采暖空调负荷模拟结果

表4 节能率70%时围护结构热工性能

图13 光伏系统并网方案

4 绿色低碳住区的减碳量计算

4.1 单位建筑面积CO2排放基准值

减碳量的大小取决于CO2排放基准值的选择。目前中国除北方部分省区实施65%节能外，全国大部分地区均执行50%节能标准。对于绿色低碳住区，要求在建筑主体节能、常规能源的优化利用以及可再生能源利用方面具有示范作用，因此，CO2排放基准值宜对应于50%节能标准，即以符合50%节能标准要求的参照建筑的CO2排放量为基准，计算如下：

其中：γ ——市政热水供暖供热量折合系数，可取0.3；

η ——市政热水输送损耗及耗电系数，可取0.1；

Qrh——参照建筑单位面积全年耗热量，GJ/m2；

Qrc——参照建筑单位面积全年耗冷量，GJ/m2；

Qrhw——参照建筑单位面积全年生活热水耗热量，GJ/m2；

COPrc——以热泵作为参考采暖空调系统的供冷季平均性能系数，取2.8；

表5 各典型建筑围护结构调整后全年采暖空调负荷模拟结果

表6 光伏系统照明负荷统计

表7 发电量估算

ωC,电——电的CO2排放指标，参见表8；

ωC,煤——煤的CO2排放指标，参见表8。

4.2 单位建筑面积CO2排放实际值

单位建筑面积CO2排放量实际值Pec的计算与基准值计算公式类似，其中单位面积全年耗热量、耗冷量以及生活热水耗热量均为实际建筑值，采暖空调系统的供冷季和供热季平均性能系数应根据建筑实际能源系统确定。

4.3 本项目减碳量计算

（1）建筑的全年耗热量和耗冷量

根据表5所示的经围护结构优化设计后的能耗模拟结果，可以得到各典型建筑的全年耗热量和耗冷量如表9所示。

（2）生活热水全年耗热量

图14 分布式并网发电原理

生活热水能耗按每户3人计算，根据人均热水需求量和水温要求，可以确定每年每户耗热量为1 999.4kWh。本项目每户平均面积按160m2计算，则全年单位建筑面积耗电量为12.5kWh，即0.045GJ/m2。生活热水耗能的CO2排放基准值计算时，供能能源为市电，电的单位能耗的CO2排放指标为0.95kg。

本项目全部采用燃气热水系统，燃气能耗指标为0.045GJ/m2，由表8可知，燃气单位能耗的CO2排放指标为0.198 4kg。

（3）单位建筑面积CO2排放量

如表10所示，本项目对应65%节能的单位建筑面积CO2排放基准值Bec65为26.82kg/(m2.a)，对应50%节能的基准值Bec50为32.04 kg/(m2.a)。表11给出了本项目单位建筑面积CO2排放实际值Pec为15.00kg/(m2.a)。

（4）与建筑节能相对应的CO2减排量

根据前述CO2排放的基准值和实际值，可以得到建筑节能所对应的CO2减排量为：Bec-Pec。相对于50%节能而言，本项目能耗所对应的单位建筑面CO2减排量为17.04kg/(m2.a)。按总建筑面积299 580m2计算，本项目建筑节能所带来的项目年总减碳量为5 105t。

（5）光伏电站的CO2减排量

本项目光伏电站25年累计发电量为3 553万kWh，可减少CO2排放33 753t。按总建筑面积299 580m2和70年建筑寿命折算，年单位建筑面积CO2减排量为1.61kg/(m2.a)。