严寒地区住宅建筑通风及遮阳技术方案的节能率研究

滕佳颖，李明月，王 婉，慕晓飞

（吉林建筑大学 经济与管理学院，吉林 长春130118，E-mail：jiaying1016@foxmail.com）

我国严寒地区供热周期长达约6 个月，随着居民生活质量的提高，典型住宅建筑的能耗需求逐年增加，严寒地区典型住宅建筑节能减排技术已成为研究热点。近年来，被动技术的优化已逐步成为推动节能减排，提高室内舒适度的关键路径。但是在不同的气候区域，被动技术的节能应用效果存在一定的差异[1]，被动节能技术是不借助机械设备与周边环境进行能量交换的技术形式，无法根据环境的变化主动调节，具有被动适应的特点，因此受气候的影响比较明显[2]，尤其是通风和遮阳两种技术的节能效果受气候影响较为明显，因此寻求最适宜严寒地区典型住宅建筑的被动技术成为有待解决的问题。

目前，众多学者对建筑的被动技术展开了研究，如有学者从理论上分析了不同气候地区被动建筑节能技术的实用性[3~5]，被动技术在暖通空调中的应用可降低建设成本，提高经济效益[6]，从通风、遮阳和蒸发降温的角度，研究被动节能技术的适老性设计[7]，提出被动优先的校园建筑节能设计[8]，研究表明合理优化窗墙比[9~11]和围护结构[12~15]，可有效降低建筑的能源消耗。此外，有学者针对通风和遮阳技术，展开室内舒适度和节能效果的研究[16~18]。研究发现，对于岭南地区，利用建筑互相的遮挡、外窗自身遮阳构件可降低太阳辐射得热，改善室内舒适度，加强自然通风，可提高住宅生态性[2]。对于夏热冬暖地区，对既有居住建筑加设遮阳构件，能够较好地达到节能改造目的[19]，另外自然通风和遮阳挡板在夏热冬暖地区可明显改善室内热环境，降低建筑能耗[20]。

本文基于严寒地区（长春）典型住宅建筑的仿真模型，从5 种通风方式和10 种遮阳方式着手，深入分析各个设计参数方案的节能率，明确严寒地区典型住宅建筑被动技术设计参数的优化方向，为严寒地区典型住宅建筑的被动技术优化提供理论和方法的指导。

1 研究案例及研究方法

1.1 研究典型案例

本文选取位于严寒地区（长春）的典型住宅建筑结构设计仿真模型，探讨严寒地区住宅建筑关键能耗影响因素及其被动技术设计参数方案的节能率。研究案例为三层住宅建筑的仿真模型，框架结构，总建设面积701.68 m2，基于Designbuilder 的手绘仿真模型如图1 所示，包括三维立体图和一层建筑平面图。

图1 基于Desginbuilder 手绘仿真模型

1.2 研究流程

基于严寒地区住宅建筑仿真模型，典型住宅建筑关键能耗影响因素、被动技术方案的综合节能率的具体研究流程如图2 所示。

（1）运用计算机仿真方法，构建严寒地区典型住宅建筑仿真模型，分析典型住宅建筑能耗结果，明确典型住宅建筑关键能耗影响因素。

图2 研究流程

（2）提出15 种典型被动技术设计参数方案（改变通风及遮阳设计参数），分别仿真分析各个方案运营期采暖能耗、全年总能耗。

（3）深入探讨通风和遮阳技术方案节能率，综合节能率以及提高严寒地区典型住宅建筑节能率的管理措施及建议。

2 典型住宅建筑能耗仿真及关键能耗影响因素研究

2.1 设计参数方案（T）

研究案例初始设计方案如表1 所示。

表1 初始设计参数方案（T）

2.2 典型住宅建筑能耗仿真结果

基于图1 仿真模型及表1 初始设计方案，运用Designbuilder 仿真分析，得到如图3 所示能耗仿真结果，主要包括采暖、房间用电、照明用电、设备用电、生活热水用电5 个能耗影响因素。图3 显示12 个月各个能耗影响因素用电量变化趋势。严寒地区长春四季分明，春季较短，干燥多风，夏季温热多雨，炎热天气不多，且持续时间较短，秋季凉爽，日夜温差大，冬季漫长且较冷。因此，此地区典型住宅夏季多采用自然通风，并不存在制冷能耗，而冬季典型住宅的采暖能耗需求较大。

2.3 典型住宅建筑关键能耗影响因素分析

基于典型住宅建筑能耗仿真结果（见表2），利用帕累托分析法（20/80 定律），分析典型住宅建筑关键能耗影响因素。通过统计分析，可从图4 清晰看出80%的能耗主要来源，针对典型住宅建筑的这些关键能耗影响因素采取一定节能（技术）措施，能够达到高效节能的目的。

图3 能耗仿真结果

表2 能耗关键影响因素

图4 显示严寒地区典型住宅建筑关键能耗影响因素来自三方面：采暖、生活热水和设备用电能耗，达到86.62%，其中接近80%的能耗来自于采暖和生活热水，采暖能耗达到66.87%，因此对于严寒地区典型住宅建筑节能重点在于降低采暖能耗。说明在严寒地区典型住宅被动设计时，可以适当减少对制冷能耗问题的考虑，重点解决冬季采暖能耗需求高的问题。

图4 能耗贡献度分析

被动技术是目前广泛应用的节能技术，且所需增量成本较低，如改变围护结构，通风及遮阳方案等。我国《民用建筑节能条例》第28 条规定：实现既有建筑节能改造，应符合民用建筑节能强制性标准，优先采用遮阳、改善通风等低成本措施。因此本文着重研究通风及遮阳方案对严寒地区采暖能耗的节能效果，分析这两种被动技术是否适合严寒地区节能改造。

3 住宅建筑通风及遮阳技术设计参数方案

3.1 通风设计参数的变动方案

通风设计参数变动方案如表3 所示，共包括5种变动方案，借助Designbuilder 仿真工具，在典型住宅建筑模型（见图1）和初始设计方案（见表1）的基础上，逐一改变通风设计参数，展开5 次仿真模拟，为深入探讨5 种通风设计参数方案的节能率提供数据分析基础。

表3 通风设计参数的变动方案

3.2 遮阳设计参数的变动方案

遮阳方式设计参数变动方案如表4 所示，借助Designbuilder 仿真工具，在典型住宅建筑模型（见图1）和初始设计方案（见表1）的基础上，逐一改变遮阳设计参数，展开10 次仿真模拟，为深入探讨10 种遮阳设计参数方案的节能率提供数据分析基础。

表4 遮阳设计参数的变动方案

4 通风及遮阳设计参数方案的节能率仿真结果及分析

4.1 通风设计参数方案节能率分析

基于DesignBuilder 能耗仿真平台，分析得到初始方案（T），5 种通风技术方案（P1~P5）的采暖能耗、建筑总能耗，总能耗节能量，并对5 种通风设计参数方案的节能率展开分析与统计计算，具体结果如表5 所示。

表5 不同通风设计参数方案的节能率

变化不同的通风设计参数方案，确实能够降低采暖能耗和全年总能耗，但是并没有呈现显著降低的趋势，不同通风设计参数方案对严寒地区典型住宅建筑的节能效果并不明显，P1~P5 的节能率仅为0.03%，且P1~P5 节能率并没有变化，充分说明改变通风设计参数方案对住宅建筑节能并不敏感。主要原因是在严寒地区，冬季采暖期较长，虽然改变通风设计参数方案可使室内温度满足舒适要求，营造良好的室内环境，但是室内外空气流通，并不能明显改善住宅建筑的采暖能耗。

通风方式分为自然通风和机械通风两大类。仿真结果表明自然通风方式更适合严寒地区典型住宅建筑，主要是由于自然通风是由于温差引起的热压和建筑物外气流引起的风压，不需要借助风机的动力，这样更加经济。因此，建议严寒地区典型住宅在进行被动节能设计的时候，充分利用建筑物的自然通风，满足人体热舒适性的要求。当自然通风动力不足时，可适当减少窗扇的局部阻力系数来强化自然通风。

4.2 遮阳设计参数方案节能率分析

基于DesignBuilder 能耗仿真平台，分析得到初始方案（T），10 种通风技术方案（Z1~Z10）的采暖能耗、建筑总能耗，总能耗节能量，并对10 种遮阳设计参数方案的节能率展开分析与统计计算，具体结果如表6 所示。

变化不同的遮阳设计参数方案，节能率均呈现负值，并不能降低采暖能耗和全年总能耗，反而呈现升高的趋势。虽然遮阳可提高光舒适度，降低夏季室内得热，提高室内舒适度，但是针对严寒地区，夏季温度适中，冬季采暖期较长的气候特征，不恰当的遮阳会减少冬季室内得热，增加采暖负荷。因此选择不恰当的遮阳方式不如不设置遮阳。

增加遮阳设施属于被动节能设计，增量成本较低，遮阳对遮挡太阳辐射得热的效果比较明显，对防止室内温度上升有明显作用，但是遮阳设施对节能的影响受多方面因素影响，比如建筑类型和地区气候等，不同气候地区的建筑应权衡遮阳设施所带来的节能率，合理选用。针对严寒地区典型住宅建筑仿真模型仿真结果显示，改变不同的遮阳设计参数方案并不能带来明显的节能率，甚至会直接增加采暖负荷，因此建议不设置遮阳，最大限度节约住宅节能建筑的增量成本。

表6 不同遮阳设计参数方案的节能率

4.3 综合节能率分析及节能管理措施

节能率表示参数变动后的模型与初始模型仿真能耗之差（即节能量）和初始模型仿真能耗之间的比值，反映参数的节能效果，取值越高，说明优化通风和遮阳设计参数方案能够带来的建筑全年能耗变化越大，能耗改变效果越明显。根据上述通风及遮阳设计参数方案的节能率分析，可得到节能率最高的通风和遮阳设计参数技术方案，进而，统计得到通风和遮阳设计参数方案的综合节能率为0.03%，如表7 所示。

表7 最优方案的综合节能率

表7 显示，当在严寒地区典型住宅建筑初始设计参数方案的基础上，修改通风及遮阳设计参数技术方案后，能够达到的综合节能率仅为0.03%。充分表明严寒地区典型住宅更适合初始的自然通风及无遮阳被动技术设计方案。

严寒地区住宅建筑被动设计应严格遵循节能设计标准，在提高被动节能意识的基础上，加强被动设计方案的仿真分析，深入探讨不同被动技术，如自然通风和遮阳技术在不同气候地区的适宜性，而不应盲目使用低成本被动技术。针对严寒地区典型住宅建筑，建议应选在便于自然通风的位置，充分利用自然通风，减少夏季风扇或空调能耗。门窗应布置在避风和向阳位置，能满足基本的通风和采光即可。

为了实现更高水平的节能标准，严寒地区典型住宅建筑，应采用因地制宜的被动技术，充分应用“被动优先，主动优化，持续发展，经济适用”的建设节能管理模式，在显著改善建筑室内舒适度，提高节能率的基础上，进一步推进严寒地区低能耗建筑的可持续发展。

5 结语

基于严寒地区典型住宅建筑仿真模型，深入分析了5 种通风和10 种遮阳参数设计方案的节能率。基于严寒地区典型住宅建筑关键能耗影响因素分析，可知住宅建筑66.87%的能耗来自于采暖能耗，严寒地区节能重点在于降低采暖能耗。因此，在严寒地区典型住宅被动设计时，可以适当减少对制冷能耗问题的考虑，重点解决冬季采暖能耗需求大的问题。

改变严寒地区典型住宅建筑仿真模型的通风及遮阳设计参数方案，节能潜力并不明显。因此，通风及遮阳设计参数改造方案不建议作为严寒地区住宅建筑被动技术设计参数优化的重点。为了实现更高水平的节能标准，应采用因地制宜的被动技术，运用“被动优先，主动优化，持续发展，经济适用”的建设节能管理模式。充分利用自然资源（自然通风、采光），围护结构（墙体保温、门窗密闭性）降低节能率，合理辅助利用再生资源（光能、风能），经济、合理、高效降低严寒地区住宅能耗，确保良好的居住环境。本文研究成果为有针对性降低严寒地区住宅建筑能耗提供了一定的实践性指导，对推进严寒地区被动技术参数优化具有重要参考意义。