南方地区居住建筑节能65%目标的可行性探讨及技术分析

胡达明



南方地区居住建筑节能65%目标的可行性探讨及技术分析

胡达明

福建省建筑科学研究院

该文首先选取南方地区典型建筑模型，采用DOE-2软件对建筑进行全年能耗模拟，比较分析得出了影响建筑能耗的主要因素，并针对关键因素进行节能优化。而后在建筑节能50%参照建筑的基础上，探讨配合空调设备的能效比及围护结构热工性能的改善来实现建筑节能65%，并进行相应的技术分析。

建筑节能 南方地区 围护结构 节能65%

1 背景

我国的建筑节能工作是由北向南逐渐推进的，南方地区的建筑节能工作起步较晚。北方从上世纪八十年代就开始抓建筑节能，而南方到2003年10月1日起实施《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 75-2003）（以下简称《标准》），为实现建筑节能50%，对建筑外墙的热工性能指标作出了明确的规定，使得今后新建、改建和扩建的住宅建造得更科学、居住起来更舒适[1]

国家拟定的建筑节能三步走的目标是：在20世纪80年代建筑能耗水平基础上，第一步要求新建建筑比20世纪80年代房屋节能30%，第二步要求节能50%，第三步实现节能65%。目前北京、天津等地已经率先开始实行65%的节能设计标准。试点工程证明，我国的建筑节能还有很大的潜力[2～3]。在这种形势下，南方地区的建筑节能正处于第2阶段，在今后的几年中将不可避免地实现节能65%的第三步目标。

2 节能因素分析

建筑节能的目标主要由改善围护结构热工性能和提高空调采暖设备效率来分担。目前南方地区建筑节能材料发展已经取得长足进步，空调设备性能明显提高，这为实现建筑节能65％的目标提供了必要条件。

2.1 节能50%建筑

分析建筑节能50％条件下各种节能因素的影响对研究节能65％有很好的借鉴作用。根据《标准》，“基准建筑”是围护结构的构成、传热系数以及换气次数，都按照以往传统做法的建筑；“参照建筑”是用来进行对比评定的假想节能建筑，该建筑的围护结构满足本《标准》规定的指标要求，因此是符合节能50%要求的建筑。

图1 基准建筑外形

选定一典型住宅建筑作为南方地区能耗分析的基准建筑与参照建筑，见图1。这一住宅建筑的概况见表1。

把基准建筑与参照建筑模型置于夏热冬暖地区广州、福州、柳州、南宁和湛江地区气候条件下，采用DOE-2能耗计算分析软件进行计算，可知，与基准建筑相比较参照建筑的能耗有明显降低，节能效率为48.43%～53.71%不等，平均节能率为50.34%，与节能50％的目标相差不大，验证了按照《标准》的规定性指标进行节能设计，能够实现节能50％的目标。同时通过模拟还可以得出，虽然都地处夏热冬暖地区，但是其能耗构成上存在地域差异，如：广州、湛江空调能耗占全年能耗比重很大；而福州的采暖能耗比重较大，甚至超过了空调能耗。从这一点上，可以看出，夏热冬暖不同地区，建筑节能存在一定程度的差异。

表1 基准建筑与参照建筑概况

2.2 围护结构对能耗的影响

对于基准建筑和参照建筑，分别采用节能型围护结构及传统围护结构，得出各自的节能率，见表2。

表2 围护结构节能率分析

通过建筑能耗模拟，可以得出在节能50%的条件下，围护结构对建筑节能率的影响分别为：屋面2.99%～4.59%；门窗11.48%～21.50%；外墙12.48%～21.32%。可以看出门窗和外墙为南方地区建筑节能的重中之重。

2.3 外窗对能耗的影响

图2 门窗综合遮阳系数对节能率的影响

图3 门窗K对节能率的影响

在北方地区，门窗的热工性能很大程度体现在传热系数上，而在南方地区，由于纬度低，太阳辐射较强，不能单靠传热系数来衡量门窗的性能[4～5]，还应该充分考虑综合遮阳系数，其对节能率的影响见图2、3。可以看出，除了福州以外的地区，传热系数已经不再是影响门窗节能性能的首要指标，而综合遮阳系数是传热系数对节能率的影响的2.2～5.4倍，故综合遮阳系数的减小对南方地区建筑节能率的提高起着至关重要的作用。

3 节能65%条件下技术措施分析

在以上的分析中，南方地区建筑节能的关键因素为建筑围护结构，而围护结构的节能主要为门窗和外墙的热工性能的改善。所以要节能65%，门窗和外墙的节能措施是首要问题。但是单纯通过改善围护结构热工性能实现建筑节能65%，存在较大难度，而另一方面，空调设备和技术的不断进步使得人们在讨论进一步节能目标时，可以考虑空调系统的贡献及南方地区空调采暖的现状，即将空调能效比提高到3.0[6]，冬季采暖能效比提高到2.0[7]；同时考虑到参照建筑中门窗性能指标的传热系数为3.5 W/(m2·K)已经是比较高的要求，且对南方地区绝大部分地区而言，改善遮阳是门窗节能的关键，故考虑降低门窗的综合遮阳系数来提高门窗热工性能；另外建筑外墙节能采用降低其外墙传热系数来实现。

在参照建筑节能50%的基础上，通过改善空调设备的能效比及门窗的热工性能，得出外墙保温性能与节能率的关系见图4～7。可以看出：1) 随着外墙传热系数的增加，节能率出现非线性增长，当外墙传热系数增大到一定程度后，节能率曲线接近水平，说明此时一味地增加外墙热阻并不能取得显著的节能效果，相反，这样做会提高节能成本[8－9]。2)对比分析图4～7中福州、柳州的节能曲线与节能65%曲线的位置关系，可以看出，当综合遮阳系数小于0.6时，随着其值的减小，北区节能率变化不明显，说明北区建筑节能设计时该值不宜低于0.6。3) 在综合遮阳系数比较大时，要达到节能65%，湛江、广州两地需配合性能较高的外墙，见图4。而在综合遮阳系数比较小时，外墙热工性能指标可以大大放宽。这表明在湛江、广州两地的节能必须在改进外墙热工性能的同时，改进门窗综合遮阳系数，后者显得尤为重要。这是由于湛江、广州两地纬度较低，能耗受太阳辐射影响较大。4) 由分析结果不难得出，在参照建筑的基础上实现建筑节能65%的目标，外墙系数要达到表3的要求。

表3 节能65%的前提下对外墙传热系数K的要求[单位：W/(m2·K)]

注：表中Sw为外窗综合遮阳系数，外窗传热系数取K＝3.5W/(m2·K)。

从以上的分析可以看出，南方地区建筑对外墙、外窗及空调采暖设备进行节能改善可以达到节能65%，若能对建筑节能的其它影响因素进一步进行节能优化，那么节能65%的目标将更加容易实现。

4 结论

外墙和外窗的节能改善对南方地区建筑节能率的提高起着举足轻重的作用，是建筑节能65%必须考虑的首要问题。在建筑节能50%的基础上，要实现未来节能65%的目标，应该在充分考虑外墙热工性能改善的同时，注重外窗综合遮阳系数的改善，在南区该问题尤为突出。结合综合遮阳系数的改善及空调设备性能的提高，提高外墙传热系数后，完全能够实现节能65%的目标。

[1] 中华人民共和国建设部. JGJ 75-2003.夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准.北京:中国建筑工业出版社,2003.

[2] 涂逢祥.我国建筑节能应该实现跨越式发展[J].中华建设,2005,12(5): 12-17.

[3] 方展和.加快步伐向第三步建筑节能目标迈进[J].新型建筑材料,2004,31(1): 59-61

[4] Long E, Chen J. Are the annual relative variation rates of energy consumption approximate in different cities with the same shading coefficient?[J]. Building and Environment.2005, 40:507-515.

[5] 赵士怀, 黄夏东, 王新云. 夏热冬冷地区外窗保温隔热性能对居住建筑采暖空调能耗和节能影响的分析[M]//涂逢祥.建筑节能（43）.北京:中国建筑工业出版社,2005,123-127.

[6] 马一太,刘秋菊,刘圣春.空调能效比发展趋势的研究[J].制冷与空调,2007,18(3):10-13.

[7] 董孟能,冷艳锋,吕忠.提高空调采暖系统能效比对实现重庆市居建节能65％目标的影响分析[J].重庆建筑,2007,6(12): 10-13.

[8] 房树田,高跃春.外保温复合墙体的保温层厚度设计研究[J].黑龙江工程学院学报(自然科学版),2004,18(1): 57-59.

[9] 胡达明,叶青,增文.等.深圳地区外保温复合墙体基于能耗的经济性研究[J].建筑砌块与砌块建筑,2005,23(5): 30-33.