严寒地区建筑绿色改造技术的节能敏感性及潜力研究

滕佳颖，慕晓飞，王 婉

（吉林建筑大学经济与管理学院，长春130118）

0 引 言

建筑能耗约占世界能源消耗的40%［1］，建筑节能已成为节能减排的重点［2-4］。中国北方的供热期较长，能源消耗逐年增加，占中国建筑能耗总量的24.0%［5］。研究严寒地区非节能建筑的绿色改造尤为重要。

常用的绿色改造技术，如M3 和M4 等主动节能措施以及M1 和M2 等被动节能措施，可以提高建筑物的能源效益［6-10］。许多学者对现有建筑的节能改造技术进行了研究，如Yang 等［11］提出夏热冬暖地区采用气凝胶超低导热性外墙可大幅改善墙体热性能，降低建筑能耗；也有学者提出建筑围护结构的节能改造，如外墙采用外保温，外遮阳设计［12］，可有效节约能源消耗［13-15］。周鹏忠等［16］深入研究了新疆地区锅炉房供暖系统的改造，从源头降低供暖系统能耗问题。近年来，绿色节能技术已广泛应用于建筑节能改造，逐步成为推动节能减排的关键技术。

目前，针对严寒地区绿色改造技术的节能敏感性及潜力的研究较少，本文综合严寒地区的住宅和公共建筑仿真模型，从典型的绿色改造技术：M1、M2、M3和M4 着手，深入分析绿色改造技术对于建筑能耗的节能敏感性及其节能潜力，明确严寒地区建筑绿色节能改造的关键方向。对高效降低严寒地区建筑能耗，进一步探究低能耗建筑有重要的意义。

1 研究对象-工程仿真模型

本文选取设计位于严寒地区的典型住宅建筑和公共建筑仿真模型，探讨严寒地区建筑绿色（被动和主动）改造技术的节能敏感度及其节能潜力。

第1 个是4 层住宅建筑仿真模型，框架结构，总建设面积为681 m2，如图1（a）、（b）所示。第2 个是4 层公共建筑仿真模型，框架结构，总建设面积3 638 m2，如图1（c）、（d）所示。

图1 基于Desginbuilder手绘仿真模型

2 研究方法及方案设置

2.1 研究方法及流程

研究严寒地区绿色改造技术的节能敏感性及其节能潜力，为严寒地区建筑的被动和主动节能改造设计提供理论支持和指导。具体研究方法及流程如图2所示。

图2 研究方法及流程

2.2 传统设计方案（T）

两个研究对象的传统方案（长春地区）设置如表1所示。

2.3 绿色改造技术方案（M1 ～M4）

绿色改造技术主要包括：

被动技术。改变外窗、外墙、楼板、屋面、遮阳等。主动技术。改变照明器具和HVAC 系统等方面，均可改变严寒地区建筑的能源效益。本文两个研究对象分别采用4 种（M1 ～M4）绿色改造技术方案，见表2。表2 中M1 ～M4 方案是基于传统方案（T）的绿色改造技术。

表1 传统设计方案

表2 绿色改造技术方案

3 研究结果及分析

3.1 M1 ～M4 运营期年能耗及节能量仿真结果

3.1.1 住宅楼M1 ～M4 的仿真结果

基于Designbuilder 建模（图1）和传统设计方案（见表1），采用表2 中绿色节能改造技术方案，分别更换M1 ～M4，进行4 次模拟，输出住宅建筑绿色改造技术M1 ～M4 的年度能耗模拟结果，如图3 所示，及运行期间的年度节能情况，如图4 所示。

图3 T、M1 ～M4运行期的年度能耗

图4 M1 ～M4运行期的年度节能量

基于Designbuilder建模（见图1）和传统设计方案（见表1），采用表2 中绿色节能改造技术方案，分别更换M1 ～M4，并进行4 次模拟，输出公共教学建筑绿色改造技术M1 ～M4 的年度能耗模拟结果，如图5 所示，运行期的年度节能情况，如图6 所示。

图5 T、M1-M4运行期的年度能耗

图6 M1-M4运行期的年度节能量

3.2 M1 ～M4 的节能敏感性及节能潜力分析

3.2.1 住宅楼M1 ～M4 的节能敏感性及潜力

基于图3 仿真数据，与传统方案（T）相比，进行了4种绿色改造技术（M1 ～M4）节能敏感性分析。节能敏感性指不同改造技术下，能耗因素（采暖用电、房间用电、设备用电、照明用电和生活热水用电）节能百分比的变化（敏感）程度，如图7 所示。

图7 M1 ～M4对能耗因素的节能敏感性

M1、M4 可有效降低住宅建筑的采暖能耗；M3 可有效降低住宅建筑的照明用电能耗，M2 虽然对改变住宅建筑能耗较敏感，但在严寒地区采用遮阳技术后导致采暖能耗上升，故严寒地区（长春）住宅建筑不建议采用遮阳设施。值得注意的是，在更换了不同的绿色改造技术方案（M1 ～M4）后，设备、房间和生活热水用电的节能百分比几乎没有变化。

基于图4 仿真数据，开展4 种绿色改造技术方案M1 ～M4 对于住宅建筑总能耗的节能潜力分析。节能潜力分析的衡量指标是某绿色技术改造方案所带来的年度总节能量与传统方案年度总能耗量的百分比，如图8 所示。

图8 M1 ～M4对建筑总能耗的节能潜力

与传统的设计方案T 相比，M4 方案的年采暖节能量非常明显，其次是M1 方案，M2 和M3 方案的采暖用电反而增加，整体上来说M2 和M3 技术方案并不适合严寒地区（长春）住宅建筑。

图8 显示，在M1 ～ M4 中，M4 方案的总能耗具有最大的节能潜力，达到37.08%；M2 的总能耗节能潜力最小（采暖季导致室内温度降低，增加采暖能耗，节能效果降低），- 3. 92%；M3 的节能潜力分别为6.10%和-0.31%。

总之，住宅建筑的绿色改造技术方案M1、M4 对于采暖用电的节能敏感性高；M3 对于照明用电的节能敏感性高；改变HVAC 系统M4 和围护结构M1 的总能耗节能潜力大，围护结构M1 被动节能技术和HVCA系统M4 主动节能技术适用于严寒地区住宅建筑的节能改造，且对降低采暖用电起到至关重要的作用。严寒地区住宅建筑节能改造的重点应是暖通空调HVAC系统的主动节能设计，同时有效运用改造外窗、外墙、楼板和屋面等被动节能技术。

3.2.2 教学楼M1 ～M4 的节能敏感性及潜力

基于图5 的仿真数据，与传统方案（T）相比，对4种绿色改造技术（M1 ～M4）的节能敏感性进行了分析，如图9 所示。

图9 M1 ～M4对能耗因素的节能敏感性

M1 可以有效降低公共建筑采暖用电能耗，M3 可有效降低照明用电能耗；M4 虽然对改变公共建筑能耗较敏感，但是公共建筑采用HVAC 系统M4 后导致采暖能耗明显上升，故严寒地区（长春）公共建筑不建议采用加热地板。值得注意的是，在更换不同绿色改造技术方案（M1 ～M4）后，设备、房间和生活热水用电的节能百分比几乎没有变化。

基于图6 仿真数据，开展4 种绿色改造技术方案M1 ～M4 对于公共建筑总能耗的节能潜力分析，如图10 所示。

图10 M1 ～M4对建筑总能耗的节能潜力

与传统设计方案T 相比，M1 方案的采暖年节能量相对明显，其次是M3 方案；M4 方案的采暖能耗增加明显，M2 方案的采暖能耗稍有增加。整体上来说M2、M4 技术方案并不适合严寒地区（长春）公共建筑。图10 显示，M1 ～ M4 中，M1、M3 的节能潜力分别为10.45%和3.26%。

总之，公共建筑的绿色改造技术方案：M1、M3 对于两种能耗因素具有很高的节能敏感性：即采暖用电和照明用电；改变围护结构M1 的总能耗节能潜力大，其次是改变照明器具M3，即M1 被动节能改造和M3主动改造技术适用于严寒地区公共建筑，可以在降低公共建筑的采暖和照明能耗方面发挥重要作用。改造的重点应是完善围护结构，如外窗、外墙、楼板和屋面等被动节能设计，结合LED 照明设备，有效降低严寒地区公共建筑的能耗。

4 结 语

基于典型的严寒地区住宅和公共建筑仿真模型，深入分析了4 种绿色改造技术方案的节能敏感性及其节能潜力，进一步拓展了节能分析的研究范围。基于仿真案例研究，得到如下结论：

（1）住宅建筑的绿色改造技术方案：改变围护结构M1 和改变HVAC系统M4 方案对建筑采暖用电能耗因素具有较高的节能敏感性；改变照明器具M3 方案对建筑照明用电能耗因素具有较高的节能敏感性；M4、M1 方案对于建筑总能耗的节能潜力大，分别达到37.08%和6.10%。

（2）公共建筑的绿色改造技术方案：改变围护结构M1 和改变照明器具M3 方案对建筑采暖用电和照明用电两种能耗因素具有较高的节能敏感性；改变HVAC 系统M4 方案导致公共建筑采暖能耗明显增加；M1、M3 方案对于建筑总能耗的节能潜力大，分别达到10.45%和3.26%。

（3）针对严寒地区采暖能耗较高的现状，完善围护结构这种绿色被动改造技术较适用于严寒地区高效降低建筑采暖能耗的需求。严寒地区节能改造的关键是要合理完善围护结构的节能设计，比如推广如节能外窗、外墙、楼板和屋面等被动节能改造技术，有效地结合高效照明器具和HVAC 系统，降低严寒地区建筑能耗。

本文研究成果为有效降低严寒地区建筑能耗提供了一定的实践性指导，对推进严寒地区节能减排和进一步研究低能耗建筑具有重要意义。