夏热冬冷地区居住建筑水平式外遮阳节能效果

董 凯, 赖俊英, 钱晓倩, 詹树林, 阮 方

(浙江大学 土木工程学系,浙江 杭州 310058)



夏热冬冷地区居住建筑水平式外遮阳节能效果

董 凯, 赖俊英, 钱晓倩, 詹树林, 阮 方

(浙江大学 土木工程学系,浙江 杭州 310058)

为了准确模拟计算水平式外遮阳的全年节能率,针对夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准(JGJ 134-2010)规定的采暖计算期(90 d)过长的问题,基于相关国家标准,分析了杭州市1971～2000年的气象数据,提出新的采暖计算期(40 d)及空调计算期(81 d),并采用Energy-Plus能耗模拟软件对水平式外遮阳的全年节能率进行模拟计算.结果表明：采用此采暖计算期及空调计算期时,水平式外遮阳的全年节能率降为3.2 %,采暖电耗与空调电耗的比值为1.07,与调查所得的比值0.95接近.

水平式外遮阳；采暖计算期；空调计算期；夏热冬冷地区

夏热冬冷地区夏季炎热,冬季湿冷,建筑节能以夏季隔热为主,同时兼顾冬季保温.居住建筑以板式结构为主,坐北朝南,南北通透,采光充分[1],特别是南向外墙开窗多、窗户面积大.水平式外遮阳作为固定式外遮阳的一种,非常适合设置于南向外窗[2-3],是一种传统、有效的节能措施.但根据现行行业标准《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准JGJ 134-2010》,采用Energy-Plus能耗模拟软件进行模拟计算时,由于不切实际的采暖和空调计算期设定,导致水平式外遮阳的全年节能效果几乎为零,甚至反节能,从而严重制约了水平式外遮阳的应用.设置水平式外遮阳后,夏季空调电耗降低的同时,冬季采暖电耗增加[4-6],因此,采用能耗模拟软件计算分析水平式外遮阳的节能效果时,采暖、空调计算期的长短是决定采暖、空调电耗大小的核心因素.合理的采暖、空调计算期设定,是保证能耗模拟计算结果与实际相符的重要前提.

本文以杭州市为例,采用能耗模拟软件Energy-Plus,研究了采暖、空调计算期长短设定对水平式外遮阳节能效果的影响.并根据相关国家标准及杭州市多年气象数据,提出采暖、空调计算期,将之与夏热冬冷地区现行行业标准[7]、浙江省工程建设标准[8]规定的采暖、空调计算期进行对比,对这3种采暖、空调计算期设定的合理性进行论证分析.

1 能耗模拟方案

1.1 参数定义

1)EER为空调器制冷能效比,其值为空调器制冷量与空调器制冷电耗的比值.

2)COP为空调器制热能效比,其值为空调器制热量与空调器制热电耗的比值.

3)t1及t2分别为采暖计算期天数及空调计算期天数.

4)R表示全年节电率,计算方法如下：

(1)

式中：R为全年节电率；AE1为设置水平式外遮阳后的全年电耗(采暖电耗与空调电耗之和)；AE0为不设置水平式外遮阳时的全年电耗(采暖电耗与空调电耗之和).

5)r为采暖电耗与空调电耗的比值,计算方法如下：

(2)

式中： HE为采暖电耗；CE为空调电耗.

1.2 能耗模拟软件

本文采用能耗模拟计算软件Energy-Plus对建筑能耗进行模拟计算.Energy-Plus是在美国能源部的支持下,由劳伦斯·伯克利国家实验室、伊利诺斯大学、美国军队建筑工程实验室、俄克拉荷马州立大学及其他单位共同开发的,首发版本发布于2001年.Energy-Plus不仅吸收了DOE-2和BLAST的优点,并且具备很多新的功能,被认为是用来代替DOE-2的新一代的建筑能耗分析软件[9].与DOE-2相比,Energy-Plus主要具有下列优点[9-11]：Energy-Plus采用热传导传递系数法(CTF)计算墙体传热,CTF法本质上是一种反应系数法,但它的计算更为精确,因为他是基于墙体的内表面温度,而不同于一般的基于室内空气温度的反应系数法；DOE-2在系统模拟时不可以调整系统结构,无法准确进行温度计算,不可以模拟辐射顶板等,Energy-Plus对此做出了完善；Energy-Plus吸收了DOE-2的LSPE结构,并做出了改进,在管理模块的监督下,负荷模块、系统模块及设备模块彼此之间又反馈,不再是单纯的顺序结构,因此计算结果更为精确；Energy-Plus采用各向异性的天空模块,对DOE-2的日光照明模型进行了改进,以更精确地模拟倾斜表面的天空散射强度；Energy-Plus具有更为先进的窗户传热计算.

1.3 建筑模型

建筑模型选用杭州市某6层住宅楼,总建筑面积4 215 m2,无地下室,共一个标准层,层高3 m,南墙窗墙比为0.33,体形系数为0.30,标准层平面图如图1所示.厨房、电梯间、楼梯间为非用能空间,其他房间为连续用能空间(图1阴影部分).

图1 标准层平面图Fig.1 Architectural plan of building for simulation

1.4 边界条件

外墙选用EPS外保温系统,传热系数为1.5 W/(m2·K)；内墙选用多孔砖隔墙,传热系数为2.0 W/(m2·K)；屋面选用XPS保温系统,传热系数为0.8 W/(m2·K)；窗户的辐射透过率(SHGC)为0.7,传热系数为2.8 W/(m2·K).室内得热平均强度为4.3 W/m2,换气次数为1.0 次/h.

夏热冬冷地区现行行业标准[7]规定,冬天采暖室内计算温度取18 ℃,夏季空调(制冷)室内计算温度取26 ℃；浙江省工程建设标准[8]规定,冬天采暖室内计算温度取16 ℃,夏季空调(制冷)室内计算温度取26 ℃.本次研究以杭州地区为例,因此,按照浙江省工程建设标准[8],冬天采暖室内计算温度取16 ℃,夏季空调(制冷)室内计算温度取26 ℃.

夏热冬冷地区住宅多采用家用空气源热泵空调器,同时拥有制冷和制热功能.根据相关国家标准[12]的规定,家用空调器的制冷能效比(EER)不应低于3.0,然而并未对制热能效比(COP)作出要求.夏热冬冷地区现行行业标准[7]规定制冷能效比取2.3,制热能效比取1.9.浙江、上海、江苏、四川及重庆属于夏热冬冷地区,或省内部分地区属于夏热东地区.这些省市制定了居住建筑节能设计标准,然而这些标准及夏热冬冷地区行业标准对制冷能效比及制热能效比的取值各不相同,如表1所示.

表1 不同设计标准对EER及COP的取值

Tab.1 EER and COP required by different design standards

标准所属地区EERCOPEER∶COP夏热冬冷地区2.31.91.21浙江3.03.01.00上海2.82.31.22江苏3.12.51.24四川2.51.91.32重庆2.82.81.00

目前,并没有针对夏热冬冷地区实际制热能效比的调查研究.夏热冬冷地区居民冬季采暖时部分采用制热能效比约等于1(即电耗几乎等量转换成热量)的电热型采暖器,如电油汀等；且部分具有制热功能的空调器,其制热功能部分依赖于电阻丝辅热.因此,依据我国现行空调能效比标准[12],制冷能效比取3.0,根据夏热冬冷地区现行行业标准将制冷能效比与制热能效比的比值确定为1.21,即制热能效比取2.5.

夏热冬冷地区的居住建筑多为板式结构[1],南北向外窗占了大部分,且水平式外遮阳最适宜设置于南向外窗,因此,本文对南向的水平式外遮阳展开研究.实验组仅在所有南向外窗上设置水平式外遮阳,对照组不设立任何外窗外遮阳,其他条件与实验组相同.水平式外遮阳构造如图2所示,挑出系数X=A/B=0.4.

图2 水平式外遮阳构造图Fig.2 Picture of horizontal external shading device

2 计算结果与分析

2.1 夏热冬冷地区现行行业标准规定的采暖、空调计算期

夏热冬冷地区现行行业标准[7]规定的采暖计算期为12月1日至次年2月28日,共90 d、空调计算期为6月15日至8月31日共78 d.以此采暖、空调计算期为边界条件,进行能耗模拟计算,全年电耗EC计算结果如图3所示.

图3 全楼电耗Fig.3 Annual electric consumption of building

南墙外窗设置水平式外遮阳后,全年电耗非但没有降低,反而增加了0.73 %(0.12 kW·h/m2).那么,原因何在呢？南墙外窗设置水平式外遮阳后,空调电耗降低了8.7 %之多,充分说明水平式外遮阳在夏季具有良好的节能效果.然而,采暖电耗是空调电耗的1.99倍,因此,尽管空调电耗降低了0.54 kW·h/m2,采暖电耗却增加了0.66 kW·h/m2,全年电耗不仅没有降低,反而增加了0.12 kW·h/m2,全年节电率R=-0.73 %.

武茜[13]以杭州市电力局提供的每户逐月用电数据为基础,调查分析了杭州市建造于1988年至2000年间的住宅实际采暖用电量和空调用电量,用电时间为2001年至2004年,有效样本283户,结果表明,实际采暖电耗是空调电耗的0.55倍.方贤峰等[14]于2007年3月至2008年3月间,以杭州市某建于2002年的住宅楼为研究对象,调查记录了连续12个月的电表读数,计算分析后发现,实际采暖电耗是空调电耗的0.82倍,但有效样本较少,为59份.钱晓倩等[15]以住户月初的电耗计费作为原始数据,调查研究了杭州市2007年12月至2011年11月居住建筑的实际空调电耗和采暖电耗,每年统计周期内的样本数为4 300户左右,分析后发现,夏季空调电耗远远高于冬季采暖电耗,但并未说明调查住宅的建造年份,也没有给出采暖电耗与空调电耗的比值.

《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准JGJ 134-2001》于2001年开始施行,2001年以前建造的住宅与2001年以后建造的住宅相比,热工性能差异很大,采暖电耗与空调电耗截然不同.文献[13]调查的居住建筑建造时间都在2001年以前,文献[15]则未说明调查建筑的建造年份,文献[14]的有效样本较少,且其调查的是2007年3月至2008年3的电耗情况,居民在当时的用能习惯与今存在一定差异.因此,文献[13]、文献[14]及文献[15]的调查结果能够说明,修建于2001年以前的住宅的实际采暖电耗低于空调电耗；但并不能直接代表2001年以后建造住宅的实际用电特性.

笔者调查分析了杭州地区居住建筑2014年1月至2014年12月的采暖电耗与空调电耗,有效样本232户,被调查住宅的建造年份在2003至2005年之间.4月份的电耗在全年12月中最小,将4月份的电耗作为非采暖空调期的月基础电耗,11月、12月、1月及2月的累计电耗与其基础电耗之差作为采暖电耗；5月至10月的累计电耗与其基础电耗之差作为空调电耗.结果显示,采暖电耗是空调电耗的0.95倍.

《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准JGJ 134-2010》与《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准JGJ 134-2001》对外墙、屋面、楼板及外窗等围护结构热工性能的要求差异很小,如表2所示.表中，D为热情性指标，K为传热系数.事实上,本文建筑模型热工参数设定满足2001年老标准限值的同时,也满足2010年新标准的要求.

综上所述,杭州地区建于2001年以后的居住建筑目前的实际用电特征是,空调电耗约为采暖电耗的0.95倍.然而,根据夏热冬冷地区现行行业标准[7]对采暖、空调计算期的设定,能耗模拟计算结果显示,采暖电耗是空调电耗的1.99倍,这导致水平式外遮阳在冬季的反节能效果被放大,掩盖了水平式外遮阳在夏季良好的节能效果,最终得出水平式外遮阳不节能的计算结果.显然,这并不符合实际情况,无法由此否定水平式外遮阳在夏热冬冷地区居住建筑的节能效果.能耗模拟计算时,照搬现行行业标准设定的采暖、空调计算期,来模拟计算水平式外遮阳的节能效果是不可取的.

表2 标准JGJ 134-2010与标准JGJ 134-2001对围护结构热工性能的要求

Tab.2 Energy efficiency of envelopes required by JGJ 134-2010 standard and JGJ 134-2001 standard

围护结构JGJ134-2010JGJ134-2001屋面当D>2.5时K≥1.0当D≤2.5时K≥0.8当D≥3.0时K≥1.0当D≥2.5时K≥0.8外墙当D>2.5时K≥1.5当D≤2.5时K≥1.0当D≥3.0时K≥1.5当D≥2.5时K≥1.0楼板K≤2.0K≤2.0

2.2 采暖、空调计算期天数对能耗模拟计算的影响

保持空调计算期为6月15日至8月31日(共78 d不变,以10 d为步幅,逐步减少采暖计算期天数,计算结果如图4、5所示.随着采暖计算期的缩短,采暖电耗在全年电耗中的占比逐渐减小,全年节电率逐步提升.当采暖计算期天数取40 d时,采暖电耗与空调电耗的比值r=1.01,此时全年节电率R=2.21 %.

图4 采暖计算期天数对采暖电耗与空调电耗的比值的影响Fig.4 Effect of heating period on ratio of heating electric consumption to cooling electric consumption

保持采暖计算期为12月1日至次年2月28日(共90 d)不变,以5 d为步幅,逐步增加空调计算期天数,计算结果如图6、7所示.空调计算期由78 d延长至108 d后,采暖电耗与空调电耗的比例从1.99降至1.71,采暖电耗与空调电耗的比例关系仍然与实际情况相去甚远,全年节电率R计算结果仅从-0.70 %提升至0.59 %.

图5 采暖计算期天数对全年节电率的影响Fig.5 Effect of heating period on annual electricity saving ratio

图6 空调计算期天数对采暖电耗与空调电耗的比值的影响Fig.6 Effect of cooling period on ratio of heating electric consumption to cooling electric consumption

图7 空调计算期天数对全年节电率的影响Fig.7 Effect of cooling period on annual electricitysaving ratio

在夏热冬冷地区行业规范规定的采暖、空调计算期基础上,采暖计算期每减少1 d,采暖电耗与空调电耗的比例平均降低0.021,全年节电率R平均增加0.080 %；空调计算期每增加1 d,采暖电耗与空调电耗的比例平均降低0.008,全年节电率R平均增加0.037 %.可见,与空调计算期相比,采暖计算期天数的变化对能耗计算结果的影响更大.在现行行业标准[7]的基础上,缩短采暖计算期,使能耗计算结果与实际用电情况相符合,对合理判断水平式外遮阳在夏热冬冷地区的节能效果具有重要的意义.

2.3 不同取值依据下的采暖、空调计算期

本文根据相关国家规范[16-18],将“累年日平均温度稳定低于或等于5 ℃的天数”作为采暖计算期的天数,将“累年日平均温度稳定大于或等于25 ℃的天数”作为空调计算期的天数.其中“日平均温度稳定低于或等于5 ℃(高于或等于25 ℃)”系指室外连续5 d的滑动平均温度低于或等于5 ℃(高于或等于25 ℃),“累年”对象为连续的30 a.

对杭州58 457台站的气象数据(由中国气象科学数据共享中心提供)进行整理与分析,将不同累计年份计算出的采暖、空调计算期的天数及相应的起止日期整理成如表3所示.

表3中,选用的连续30 a气象数据,年份越是靠近现今,计算得出的采暖计算期天数越少,空调计算期天数越多,其中采暖计算期天数差异相当大.究其原因,是自20世纪80年代起,尤其是20世纪90年代以来,气候变暖所致[19].从时效性的角度考虑,选用1981～2010年的气象参数更合适.但是,采暖计算期过短,对建筑围护结构热工性能的要求会降的过低；从数据匹配的角度考虑,目前,用于建筑能耗模拟计算的常用典型气象年逐时数据的建立依据多为1971～2000年的气象数据[20].因此,选用1971～2000年气象数据计算得出的采暖计算期、空调计算期及相应起止日期.将计算得到的采暖、空调计算期与夏热冬冷地区行业标准[7]及浙江省工程建设标准[8](北区)规定的采暖、空调计算期如表4所示.

表3 杭州市不同累计年份下的采暖计算期及空调计算期

表4 采暖计算期及空调计算期设定

由表4可知Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ这3组采暖、空调计算期之间,空调计算期天数的差异很小(分别为78、83、81 d),采暖计算期天数的差异十分明显(分别为90、69、40 d)).

分别以表4中的3组采暖、空调计算期为边界条件,进行能耗模拟计算.采用现行行业标准[7]规定的采暖、在空调计算期时,采暖电耗是空调电耗的1.99倍,这与杭州地区实际用电情况相去甚远；采用浙江省工程建设标准[8]规定的采暖、空调计算期天数时,采暖电耗是空调电耗的1.60倍,这一比值相比现行行业标准[7]更加接近实际用电情况；采用本文提出的采暖、空调计算期天数时,采暖电耗是空调电耗的1.07倍,最符合实际用电情况.因此,浙江省工程建设标准对采暖、空调计算期的设定,比行业规范更合理,但采暖计算期缩短幅度仍不够,本文提出的采暖计算期进一步进行了缩短,在三者之中最符合实际用电情况.

以这3组采暖、空调计算期为边界条件计算得出的全年节电率R分别为-0.70 %、0.54 %、3.2 %.因此,水平式外遮阳实际上存在良好的节能效果,只是长期以来,行业标准[7]中采暖计算期天数过长,导致依据行业标准[7]计算水平式外遮阳节能效果时,理论计算结果与实际存在严重偏差,阻碍了水平式外遮阳在夏热冬冷地区居住建筑中的推广应用.

3 结 论

(1)夏热冬冷地区现行行业标准[7]规定的采暖计算期过长,使得采暖电耗与空调电耗的比值r远高于实际,从而放大了水平式外遮阳在冬季的反节能效果,最终得出水平式外遮阳不节能的计算结果.这一现状严重制约了水平式外遮阳在夏热冬冷地区的推广应用.

(2)与夏热冬冷地区现行行业标准[7]相比,浙江省工程建设标准[8]大幅缩短了采暖计算期,适当延长了空调计算期,得到了相对合理的采暖、空调计算期.但能耗模拟计算结果中,采暖电耗与空调电耗的比值r仍然与实际用电情况不符.合理的采暖、空调计算期设定,应当以1971～2000年气象资料为计算依据,将“累年日平均温度稳定低于或等于5 ℃的天数”作为采暖计算期,将“累年日平均温度稳定高于或等于25 ℃的天数”作为空调计算期.

(3)符合实际的采暖、空调计算期对于客观评价水平式外遮阳在夏热冬冷地区的节能贡献、推动固定式外遮阳技术的应用具有重要意义.各地区应当根据本地区的多年气象资料制定符合本地区实际情况的采暖、空调计算期.

(4)家用空调器制热能效比及制冷能效比的取值大小对建筑能耗模拟计算结果影响重大,然而目前尚未有针对夏热冬冷地区家用空调器实际制冷及制热能效比的调查研究.这一问题应当引起重视,下一步工作也将对此展开.

(5)该研究以建筑能耗模拟的方式展开,在下一步研究工作中,应采用实验与模拟相结合的方式,使其更加精确和符合实际.

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Energy efficiency of residential buildings with horizontal external shading in hot summer and cold winter zone

DONG Kai, LAI Jun-ying, QIAN Xiao-qian, ZHAN Shu-lin, RUAN Fang

(DepartmentofCivilEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

In order to accurately simulate the energy saving rate of horizontal external shading, new heating and cooling periods were proposed as 40 days and 81 days respectively based on national standards and the meteorological data from 1971 to 2 000 in a typical hot summer and cold winter city of Hangzhou, for the problem of the too long heating period as 90 days specified in the national standard for residential buildings in hot summer and cold winter zone in China (JGJ 134-2010). Energy-Plus software was used to simulate the annual energy saving rate of horizontal external shading. Results show that by adopting the new heating and cooling periods, horizontal external shading reduces annual electric consumption of air conditioner by 3.2 %, and the ratio of heating electric consumption to cooling electric consumption is 1.07 which is approximate to the investigated value of 0.95.

horizontal external shading；heating period；cooling period；hot summer and cold winter zone

2015-10-15.

国家“十二五”科技支撑计划资助项目 (2013BAL01B01).

董凯(1990—)，男，硕士生，从事建筑节能等研究. ORCID： 0000-0002-0634-8599. E-mail: kaidong@zju.edu.cn

赖俊英，女，副教授. ORCID： 0000-0001-5653-4413. E-mail: junyinglai@zju.edu.cn

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.08.002

TU 111

A

1008-973X(2016)08-1431-07

浙江大学学报(工学版)网址： www.journals.zju.edu.cn/eng