（材料学专业论文）居住建筑体形系数对建筑能耗影响关系研究.pdf

中文摘要 摘要 居住建筑能耗是建筑能耗的重要组成部分，相对于公共建筑来说，虽然基数 较小，但是体量较大，而且随着城市建设的发展，它所占的比例也将越来越高。 我国的建筑节能工作起步较晚，特别是居住建筑节能的发展与国外的差距甚大， 所以建筑节能尤其是居住建筑的节能，应予以高度重视，作为重要课题来研究。 本文以重庆地区居住建筑为研究对象，针对实际的典型建筑进行大量的能耗 模拟和性能化节能方案设计。首先分析了重庆地区围护结构的建筑节能技术，而 后通过对9 0 栋居住建筑的调研，统计分析了重庆地区各个节能参数( 建筑体形系 数、窗墙面积比、外围护结构构造、遮阳等几个方面) 的分布规律，总结指出了重 庆地区建筑节能工作的疏忽以及以后开展建筑节能工作的侧重点：在2 0 0 5 年重庆 市强制执行重庆市居住建筑界节能设计标准后，所有住宅的外围护结构的热 工性能基本符合标准要求，但是大多数住宅的体形系数都超标而且没有专门设置 遮阳措施，不利于建筑本身的节能降耗。 其次分析了建筑平面形状特征与建筑体形系数的影响关系，为建筑师的建筑平 面设计工作提供了参考意见：底面积a 相同时，平面是正多边形的模型是同边数 模型中体形系数最小的。如果底面积a 和总高度h 都相同，正多边形的边数越多， 平面越趋向圆形，相对的模型体形系数越小，st = # # s 日幢# s 酷梭# s 目# # 。 再次通过d o e 一2 软件模拟分析了建筑长度x 和进深y 对体形系数的影响以及 由此带来的建筑能耗的变化规律。结果表明：建筑长度x 与建筑进深y 对建筑体 形系数s 的影响效果相同，体形系数s 随着长度x 或进深y 的无限增大而逐渐减 小至某一值；建筑长度x 与建筑进深y 对建筑采暖能耗的影响效果相似，但是建 筑长度x 对建筑空调能耗的影响要大于建筑进深对空调能耗的的影响。 紧接着模拟分析了建筑层高h 和建筑总高度h 对体形系数的影响以及由此带 来的建筑能耗的变化规律。结果表明：建筑体形系数s 与建筑层高h 两者之间呈 线性负相关关系。而且建筑层数越多，层高h 对体形系数s 的影响就越小，而体 形系数s 对建筑能耗的影响越大；建筑体形系数s 随着建筑总高度h 的增加而减 小。建筑总高度h 对低层建筑和多层建筑的体形系数s 影响非常大，而对其他建 筑的体形系数影响就非常有限了。体形系数s 逐渐减小，建筑采暖能耗、空调能 耗和建筑总能耗也随之减小，而且体形系数s 对建筑采暖能耗的影响明显大于对 空调能耗的影响。 而后又以退台式洋房、别墅建筑和联排建筑为研究对象，讨论分析了建筑凹 凸变化与体形系数s 和建筑能耗之间的影响关系。结果表明：建筑立面越有层次 重庆大学硕士学位论文 感，凹凸变化越多，建筑体形系数s 则更大，相应地建筑采暖能耗和建筑总能耗 也会增大，而且它们之间呈线性正相关关系。 最后以一个工程实例分析了控制体形系数降低建筑能耗的经济可行性。证明 建筑设计是建筑节能的第一步，建筑节能要从设计阶段抓起。没有节能设计理念 的建筑将是“先天不足”的，要达到节能要求势必要付出巨大的经济代价。 关键词：体形系数，建筑节能，居住建筑，能耗模拟 n 英文摘要 a b s t r a c t t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h er e s i d e n t i a lb u i l d i n gi st h ei m p o r t a n tc o n s t i t u t i o no f t h ec i v i l i a nb u i l d i n g se n e r g yc o n s u m p t i o n ，c o m p a r et ot h ep u b l i cb u i l d i n g ，t h e i n d i v i d u a le n e r g yc o n s u m p t i o ni sl o w e r , b u tt h et o t a le n e r g yc o n s u m p t i o ni sl a r g e r a n d w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m gi t s p r o p o r t i o nw i l li n c r e a s em o r ea n dm o r e q u i c k l y i no u rc o u n t r y , t h eu n d e r w a yt i m eo f b u i l d i n ge n e r g ye f f i c i e n c yi sl a t e rt h a nt h e d e v e l o p e dc o u n t r y , s ot h er e s i d e n t i a lb u i l d i n g se n e r g ye f f i c i e n c yo fo u rc o u n t r yh a sa l o n gw a yt oc a t c hu pw i t ht h ed e v e l o p e dc o u n t r y t h e r e f o r e ，t h eb u i l d i n g se n e r g y e f f i c i e n c ye s p e c i a l l yt h er e s i d e n t i a lb u i l d i n g se n e r g ye f f i c i e n c ys h o u l db e 画v e l lm u c h m o r ec o n s i d e r a t i o na n db er e s e a r c h e da sa l li m p o r t a n tt a s k t h i sp a p e rt a k et h ec h u n g q i n g sr e s i d e n t i a lb u i l d i n g sf o re x a m p l e , t h r o u g ha l a r g en u m b e ro fe n e r g ys i m u l a t i o nf o ra c t u a lr e s i d e n t i a lb u i l d i n g ，i n d i c a t e sal o to f d e s i g np r o j e c t sf o re n e r g ye f f i c i e n c yo fr e s i d e n t i a lb u i l d i n g si np e r f o r m a n c ew a y a t f i r s t ，a n a l y z i n gt h eb u i l d i n ge n v e l o p es t r u c t u r ee n e r g ye f f i c i e n c yi nc h o n g q i n ga n dt h e i n v e s t i g a t i o no ft h e9 0r e s i d e n t i a lb u i l d i n g sp r e s e n t sd i s t r i b u t i o nr u l eo ft h ee n e r g y e f f i c i e n c yp a r a m e t e r si n c l u d i n gb u i l d i n gs h a p ec o e f f i c i e n t ，a r e a 姐t i oo f w i n d o wt ow a l l ， b u i l d i n ge n v e l o p e sc o n s t r u c t i o na n ds u ns h a d i n g t h ei n v e s t i g a t i o ns h o w st h en e g l e c t s a n dp o i n t si nt h ee f f o r t so fe n e r g ye f f i c i e n c yi nc h o n g q i n g ：a f t e r2 0 0 5 ，t h ec h o n g q i n g g o v e r n m e n tp u t st e e t hi n “d e s i g ns t a n d a r d o fr e s i d e n t i a lb u i l d i n g sf o re n e r g y e f f i c i e n c yi nc h o n g q i n g ”，a l lt h eb u i l d i n ge n v e l o p e st h e r m a lp e r f o r m a n c ea r eu pt o s n u f f , b u tm o s ts h a p ec o e f f i c i e n ta r ee x c e e d e dw i t h o u ts p e c i a ls u ns h a d i n g ，w h i c hg o e s a g a i n s tb u i l d i n g se n e r g ye f f i c i e n c y s e c o n d l y , a n a l y z i n gt h e i n f l u e n c e sb e t w e e nb u i l d i n gf o r m sa n ds h a p ec o e f f i c i e n ti n o r d e rt oo f f e r r i n gs o m er e f e r e n c e st oa r c h i t e c t sd u r i n gt h eb u i l d i n gp l a nd e s i g n t h e r e s u l t ss h o wt h a ti nt h es a m ef l o o ra r e a , s h a p ec o e f f i c i e n to f r e g u l a rp o l y g o nm o d e lm u s tb e l e s st h a no t h e rp o l y g o nm o d e l s a n dw i t ht h ei n c r e a s i n go fn ，s h a p ec o e f f i c i e n to fp o l y g o n m o d e l w i l l b es m a l l e r a n ds m a l l e r , sz _ - - 棱柱 s 正m t n s 正六幢牲 s 圈牲体 t h i r d l y , b ys i m u l a t i n ge n e r g yc o n s u m p t i o no fd o e 一2 ，a n a l y z i n gt h ei n f l u e n c e s b e t w e e nb u i l d i n gl e n g t hx b u i l d i n gd e p t hy s h a p ec o e f f i c i e n ta n dt h er e l a t i o n sw i t l l e n e r g yc o n s u m p t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tb u i l d i n gl e n g t hx a n dd e p t hyh a v es i m i l a r i m p a c t so ns h a p ec o e f f i c i e n t ：w i t ht h ei n f i n i t yo fb u i l d i n gl e n g t hxo rd e p t hys h a p e c o e f f i c i e n tw i l lb em i n i s h i n gt os o m ee x t r e m u m ；b u i l d i n gl e n g t hxw o r k so nc o o l 1 1 1 重庆大学硕士学位论文 e n e r g yc o n s u m p t i o n m o r ee f f e c t i v e l yt h a nd e p t hyd o e s f o u r t h l y , f i n d n gt h e i n f l u e n c e si ns t o r yh e i g h th b u i l d i n gh e i g h th s h a p e c o e f f i c i e n ta n dt h er e l a t i o n sw i t he n e r g yc o n s u m p t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a ts t o r y h e i g h tha n ds h a p ec o e f f i c i e n tp e r f o r m a n c ea st h en e g a t i v el i n e a rc o r r e l a t i o na n dt h e m o r eo fo fs t o r i e s ，s t o r yh e i g h th p a l y sl e s si m p a c t i o ni ns h a p ec o e f f i c i e n t ，w h i l es h a p e c o e f f i c i e n tw i l lb em o r ei m p o r t a n tt ob u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n i ta l s oi n d i c a t e st h a t s h a p ec o e f f i c i e n ta n de n e r g yc o n s u m p t i o nw i l lm i n i s hw i t ht h ei n c r e a s i n go fb u i l d i n g h e i g h th ， a n ds h a p ec o e f f i c i e n tp l a y sm o r ei m p o r t a n tr o l ei n h e a t i n ge n e r g y c o n s u m p t i o n t h a ni nc o o le n e r g yc o n s u m p t i o n f u r t h e r m o r e ，t a k i n gg a r d e nh o u s e s ，v i l l a sa n du n i t e db i l d i n g s f o re x a m p l et o a n a l y zt h ei n f l u e n c e si ns h a p ec o e f f i c i e n ta n db u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n i ts h o w s t h a t , t h em o r ec o n c a v o c o n v e xo fb u i l d i n gv e r t i c a lp l a n e s ，t h es h a p ec o e f f i c i e n tw i l lb e l a r g e r , h e a t i n ge n e r g yc o n s u m p t i o na n dt o t a le n e r g yc o n s u m p t i o nm u s tb ei n c r e a s i n g a c c o r d i n g l yb yl i n e a rc o r r e l a t i o n f i n a l l y , t h ea u t h o rt a k e sap r o j e c tf o re x a m p l et oa n a l y z et h ee c o n o m i cf e a s i b i l i t y o fc o n t r o l l i n gs h a p ec o e f f i c i e n tf o rb u i l d i n g se n e r g ye f f i c i e n c y i tp r o v e dt h a tb u i l d i n g d e s i g ni st h ef r i s ti m p o r t a n ts t e po f b u i l d i n g se n e r g ye f f i c i e n c y , a n di f b u i l d i n g se n e r g y e f f i c i e n c yd e d i g nh a v en o tb e e nt o o ki n t oa c c o u n td u r i n gb u i l d i n gd e s i g n , i tw i l lc o s t m u c hm o r ee x p e n s e k e y w o r d s ：s h a p ec o e f f i c i e n t ，b u i l d i n g se n e r g ye f f i c i e n c y , r e s i d e n t i a lb u i l d i n g , e n e r g ys i m u l a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：粉隶签字日期：刀印 年年月力日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重鏖太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：寺艮窍采 签字日期：力司年年月幻日 导师签名： 锈勘 签字日期：刎年仁月乃日 1 绪论 l 绪论 1 1 建筑节能概述 1 1 1 建筑节能的内涵 节能，是指加强用能管理，采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可 以承受的措施，减少从能源生产到消费各个环节中的损失和浪费，更加有效合理 地利用能源。这既是中华人民共和国节约能源法对“节能”的法律规定，也是能 源委员会的节能概念。 建筑节能是指在保证、提高建筑舒适性和生活工作质量的条件下，在建筑物 使用的全过程中合理有效地使用能源，即降低能耗，提高能效。所谓建筑能耗， 一般包括两个层次的定义：广义的建筑能耗和狭义的建筑能耗。广义的建筑能耗 包括建筑全生命周期内发生的所有能耗，从建筑材料( 建筑设备) 的开采，生产、 运输，到建筑寿命期终止销毁建筑、建筑材料( 建筑设备) 所发生的所有能耗。 狭义的建筑能耗是在建筑正常使用期限内，为了维持建筑正常功能所消耗的能耗。 我们一般使用的建筑能耗是指狭义的建筑能耗。 与之相对应，建筑节能也衍生两个层次的概念：广义的建筑节能在建筑 全生命周期内，从建筑材料( 建筑设备) 的开采、生产、运输，到建筑寿命期终 止销毁建筑、建筑材料( 建筑设备) 这一期限内，在每个环节上充分提高能源利 用效率，采用可再生材料和能源，在保证建筑功能和要求的前提下，达到降低能 源消耗、降低环境负荷的目的。狭义的建筑节能在建筑物正常使用期限内， 提高建筑设备的能效系数，降低建筑物通过外围护结构的能量损失，同时充分利 用可再生能源，在保证建筑功能和要求的前提下，达到降低能源消耗、降低环境 负荷的目的。从建材生产这一环节来说，应该属于广义的建筑节能范畴。而目前 节能的主要工作是针对建筑物的设计过程和设备的能效控制，因此属于狭义的建 筑节能范畴。 无论是广义的建筑节能概念，还是狭义的建筑节能概念，其节能的内涵应该 注意两个方面的内容： 是节能绝对不等同于能耗绝对数量的降低，绝对不应该以牺牲室内环境质 量为代价。事实上，随着经济和科技、文化的发展，在未来一段时间内，我们的 建筑能耗绝对值将有所上升，我们的室内环境标准也将提高； 是节能的关键因素在于能源使用效率的提高，最终的目标是实现室内人工 环境与自然环境的和谐统一。 重庆大学硕士学位论文 1 1 2 建筑节能的必要性 能源是国民经济的血液和动力，关系到社会正常运行和发展，关系到国家安 全，关系到生态环境，也涉及到子孙后代的生存与发展。能源安全直接影响到国 家安全、可持续发展及社会稳定。 常规能源的剩余可采储量是有限的，而且资源分布不均衡。2 0 0 0 年世界石油 可采储量1 4 3 o 1 0 9 t ，其中中东地区约占世界总量的2 3 ；天然气剩余可采储量 1 5 5 0 8 x 1 0 1 2 m 3 主要分布在前苏联和中东地区；煤炭可采储量9 8 4 4 5 3 x 1 0 6 t ，主要 分布在亚太、北美和前苏联地区【】。但是能源消费在飞速增长。据估计，整个工 业时期大约只占人类历史长度的o 2 ，而此期间消费的能源却占到了总消耗的 9 9 9 。2 0 0 0 年世界石油、天然气、煤炭消费总量分别是3 5 1 0 6 x 1 0 6 t 、2 4 0 4 9 x 1 0 9 m 3 、 2 2 5 5 1 x 1 0 6 t o e ；分别占世界储量的2 5 、1 6 和o 2 左右。仅按2 0 0 1 年的消费 水平计算，世界上石油、天然气仅仅可分别再用4 1 年、6 5 年左右 2 1 。正如美国麻 省理工学院在1 9 8 5 2 0 0 0 年能源展望中所说“人类继续依靠地壳中不可再生石 化能源地日子决不会太长了。” 新中国成立5 0 多年来，我国能源工业无论从数量上还是质量上均取得了空前 的进步，进入了世界能源大国的行列。1 9 9 6 年一次能源生产和消费分别达到了 1 3 1 1 0 7 t 和1 3 9 x 1 0 7 t o e ，跃居世界第二位。但是同时，我们也应该对中国的资源 情况进行客观详实的分析。中国地大物博、资源丰富，自然资源总量排世界第七 位，能源资源总约4 0 x 1 0 1 l t o e ，居世界第三位；煤炭保有储量为1 0 0 2 4 9 x 1 0 7 t ，精 查可采储量8 9 3 x l o t t ；石油的资源量为9 3 0 x 1 0 7 t ；天然气的资源量为3 8 x l o l l m 3 ， 现已探明的石油和天然气储量占资源量的约2 0 和约3 0 。但因我国人口众多， 能源资源相对匮乏。我国人口占世界总人口的2 1 ，已探明的煤炭储量占世界储 量的1 1 ，原油占2 4 、天然气仅占1 2 ，人均能源资源占有量却不到世界平均 水平的一半，石油仅为十分之一。更为严重的是，我国能源利用效率较为低下， 能源消费量( 按公斤油当量g d p 计) 要几倍于工业发达国家，约为美国、日本、 英国、法国的5 9 倍。 社会经济的发展过分依赖于煤炭、石油等化石燃料，还会带来毁灭性的环境 问题。化石燃料燃烧过程排放的s 0 2 会造成严重的酸雨，破坏人们赖以生存的耕 地资源：温室气体c o 、c 0 2 的大量排放，导致全球气候变暖，使世界生态环境发 生重大变化，如极地融缩、冰川消失、海面升高、洪水泛滥、干旱频发、风沙肆 虐、物种灭绝、疾病流行等等。近几年我国由于气候变化引起的特大灾害十分频 繁，许多地方发生特大洪水、持续干旱，荒漠化加剧和沙尘暴频发，已使我国蒙 受了巨大经济损失。 可见，如何节约利用能源、有效利用能源，是我们满足技术有效性和生态持 2 1 绪论 续性的要求，是我们所要面对的世纪挑战。建筑使用过程中所消耗的能量，即通 常所说的建筑能耗，在社会总能耗中占有很大比例。目前，全世界建筑能耗约占 能源总消耗量的3 0 ，其中住宅能耗约为商业建筑2 倍。建筑能耗与人民生活水 平关系很大，工业化国家建筑能耗占全球建筑能耗量的5 2 ，东欧和前苏联占2 5 ， 发展国家占2 3 。所以，建筑业作为用能大户，对能源的节约责无旁贷。建筑节 能是经济发展的需要，是减轻大气污染的需要，是改善建筑热环境的需要。从世 界范围看，建筑节能已经必然性地称为世界性大潮流，也是现代建筑技术科学发 展地一个基本趋势。 改革开放以来，我国的建筑能耗在全国总能耗中的比例一直增长。究其原因， 一方面，随着我国经济的迅速发展和人民生活水平的提高，人们对建筑不再满足 于基本的使用功能，而是更关注建筑室内环境的舒适程度。越来越多的建筑配备 了采暖空调系统、热水供应设施等等，这必然导致我国建筑能耗的持续增长。另 一方面，2 1 世纪头2 0 年是我国建筑业的鼎盛时期。近几年每年建成的房屋面积在 1 6 亿至2 0 亿平米之间，超过所有发达国家年建成面积的总和，到2 0 2 0 年全国房 屋建筑面积将接近2 0 0 0 年数量的2 倍。遗憾的是，不仅既有的近4 0 0 亿平米建筑 中9 9 为高耗能建筑，新建建筑中9 7 以上仍属于高耗能建筑，单位建筑面积采 暖能耗为发达国家新建建筑的3 倍以上。按照目前建筑能耗水平发展，到2 0 2 0 年 我国建筑能耗将达到1 0 8 9 亿t e e ( 吨标准煤) ，是2 0 0 0 年的3 倍。 我国建筑能耗占全社会总能耗的比例：1 9 7 8 年大约为1 0 ，到2 0 0 1 年就已经 达到2 7 5 ，2 0 0 4 年为近3 0 。随着城镇化步伐的加快和生活水平的整体提升， 到2 0 2 0 年，这一比例将接近4 0 。我国建筑物的设计寿命是5 0 年，建筑物在全 寿命周期内将直接或间接地消耗大量的能源，对世界能源造成重负，对环境造成 严重污染。因此，建筑节能已经成为影响能源安全、优化能源结构、提高能源利 用效率和可持续发展的关键因素【3 】。 因此，建筑节能研究是我国目前亟待深入研究的前沿应用型课题。推进建筑 节能的深入发展对保证能源安全、减少温室气体排放、保护大气环境及生态环境、 节约土地资源、提高人民群众的生活水平都具有重要意义。 1 2 国内外建筑节能概况 1 2 1 国外建筑节能概况 2 0 世纪7 0 年代的石油危机，对石油进口国的经济发展和社会生活产生了极大 的冲击，给发达国家敲响了能源供应的警钟。全世界都开始认识到节约能源的重 要性。由于建筑能耗在社会总能耗中所占比例重大，建筑节能成为世界节能浪潮 的主流之一，各个国家纷纷出台一系列标准、政策和法规，以法律的形式积极推 重庆大学硕士学位论文 动建筑节能工作的顺利进行，取得了显著成绩。 法国的建筑节能法规出台最早。法国在1 9 5 5 年提出了建造具有一定舒适性住 房的热工标准。后因中东石油危机爆发，迫使法国于1 9 7 4 年用法律形式正式规定 了住宅建筑节能的指标，使新建住宅的采暖能耗达到节能2 5 的效果。1 9 8 2 年制 定的规范要求在第一个节能标准的基础上再节能2 5 。1 9 8 9 年制定的第三个住宅 建筑节能设计规范提出了再节能2 5 的要求。目前正在实行的是2 0 0 0 年的节能标 准，即在原有基础上再节能8 ，这样相对于1 9 7 4 年以前住宅的能耗水平，节能 率达到6 1 ，2 ”1 。 英国的建筑节能标准每隔四、五年就修订一次。为达到更高的节能标准，英 国相继采取了一系列节能措施。除制定最低节能标准外，英国政府还采取了税收 杠杆政策限制用能，对新建项目进行设计节能审查及施工抽查，确保工程符合节 能要求。与此同时，政府还提出统一的设备能耗分级标准，并拨款资助建筑节能 咨询机构为设计、施工单位和业主提供咨询服务等一系列的政策和经济措施。经 过2 0 多年的节能工作，目前英国的新建住宅基本上都达到了最高节能等级的要求 ( 建筑节能由低到高分为l o 个等级) ，并且住宅的内部舒适度也因节能构造的增强 得到了明显地提高。按新标准设计的节能型住宅比传统住宅节能7 5 0j 。 德国于1 9 7 6 年公布第一部建筑节能法，首次以法律形式规定新建筑必须采取 节能措施，对于新建房屋的采暖、通风、供水设备的安装和使用均从节能角度提 出要求。在该法律的基础上，德国政府又于1 9 7 7 年制定并公布了建筑物热保护条 例，此条例分别于1 9 8 2 年、1 9 9 4 年、2 0 0 1 年进行了三次修改。2 0 0 2 年实施的最 新的建筑物热保护条例在原有基础上将节能要求进一步提高近3 0 。除了建筑物 热工保护条例外，德国政府还相继公布了“建筑采暖装置条例”和“建筑物供热费用 条例”两个相关的建筑节能条例，分别规定建筑物内的采暖供水要求和建筑物采暖 费用的分配i l ”。 美国的建筑与中国的建筑在形式上有着质的差别。美国的住宅几乎全部为三 层以下，并且美国一般家庭都拥有一栋配套较为齐全、面积在1 6 0 m 2 以上的房子。 这种生活模式付出了巨大的能源代价。在全球性能源危机发生后，美国于1 9 7 5 年 第一次颁布了a s h r a e ( 美国采暖、制冷及空调工程协会) 标准9 0 7 5 新建筑物 设计节能标准。以此为基础，1 9 7 7 年1 2 月官方正式颁布了新建筑物结构中的 节能法规，并在4 5 个州内收到很明显的节能效果，节约能耗近4 0 ，且未影响 建筑物的正常使用以及居民的居住舒适度。但他们并未以此满足，每五年便对 a s h r a e 标准进行一次修订。经过十多年的实施和改进，为了使节能工作更加有 效，决定将原有的一个标准分为两个，这就是1 9 8 9 年颁布的a s h r a e “新建筑物 节能设计标准( 除低层居住建筑外) ，和1 9 9 3 年颁布的a s h r a e “新的低层居住建 4 1 绪论 筑节能设计标准”，另外又提出了在原有基础上再节能2 5 的要求【3 0 】。 为提高热能利用效率降低能耗，1 9 9 6 年俄联邦政府制定了建筑保温节能政策。 在围护结构方面，1 9 7 9 年国家建委制定了节能技术标准，对围护结构的保温提出了 要求。从1 9 7 9 年至2 0 0 0 年，建筑外墙的热阻从1 1 0 m 2 c a v 提高到3 1 0 m 2 w 门 窗的能耗也从4 0 降低为2 0 ，建筑物的总能耗减少了4 0 ；在建筑设备系统和运 行管理方面，规定了一个统一的建筑采暖标准能耗，要求所有建筑的热水系统必须 经过计算，编写能源使用方案证书，设计图纸必须经过政府规定的部门进行节能审 查，合格后方可投建；在运行管理方面，要求采用计算机控制和管理技术如室温可 控、分户计量技术，让用户可以根据需要调控热量，并按实际使用的热量由用户自己 直接交费，提高系统的运行效率f 3 5 】。 1 9 7 9 年6 月，日本政府通过了关于合理化利用能源法，继1 9 9 3 年和1 9 9 7 年的两次修订后，日本在1 9 9 8 年6 月第三次修订了该法律，并于1 9 9 4 年4 月起 实施。此外，日本政府还颁布了“住宅能源使用合理化的建筑业主判断标准”、“办 公用建筑物能源使用合理化的建筑业主判断标准”、“住宅能源使用合理化的设计施 工方针等删。 由上可见，国外的建筑节能工作基本上都起步于上世纪7 0 年代。经过几十年 的建筑节能工作，国外的节能标准体系发展得比较完备，节能技术也较成熟先进。 国外丰富的建筑节能经验值得我们好好借鉴学习。 1 2 2 国内建筑节能概况 人均能源占有量过低、国民生产总值能耗过高是我国长期以来国民经济和社 会发展中的突出问题。工业能耗高的问题早己引起政府的重视，但建筑能耗高的 问题却长期被忽视。但是，随着人民生活水平的提高，我国建筑能耗必然较 快增长，其原因有： 房屋建筑继续增加：近几年每年人均新增房屋面积1 3 1 5 m 2 ；人口也在不 断增加，每年增加约9 0 0 万人： 城镇化不断加快，农村人口大量向城市转移，而城市人口人均能耗为农村 人口的3 5 倍； 人们对建筑热舒适性的要求越来越高：冬天室温由1 2 、1 6 提高到1 8 甚至2 0 ；热天的室温由3 2 降低至2 8 ，甚至2 2 c ； 采暖区大大向南扩展：现在空调制冷范围已从公共建筑扩展到居住建筑， 从南方扩展到北方，使用采暖和空调的时间也在延长。 由于上述及其它诸多因素的综合影响，今后，建筑能耗持续增加不可避免，但 其增长速度与节能工作关系甚大。2 0 0 0 年建筑能耗为3 5 亿t e e ，预计在建筑节能 工作开展得好的情况下，2 0 1 0 年建筑能耗为5 6 1 亿t e e ，2 0 2 0 年为7 5 4 亿t e c 。 重庆大学硕士学位论文 但若建筑节能工作停滞不前，2 0 1 0 年建筑能耗将达到6 7 3 亿t e e ，2 0 2 0 年将达到 1 0 8 9 亿t c c f 4 2 】。因此，建筑节能已经成为影响能源安全、优化能源结构提高能源 利用效率和可持续发展的关键因素。实施建筑节能无疑将保护我们有限的自然资 源、减少环境污染，实现国民经济和社会的可持续发展以及人们生活水平的极大 提高。 我国幅员辽阔，横跨寒、温、热几 个气候带，气候类型复杂多样。根据累 年最冷月( 1 月) 和最热月( 7 月) 的平均 温度，辅以累年日平均温度5 和s 2 5 的天数指标，我国共划分为5 个不 同的建筑热工设计区，分别是：严寒地 区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬 暖地区和温和地区( 见图1 1 ) 。 由于北方集中采暖地区( 严寒地区 和寒冷地区) 的房屋建筑面积约占全国 图1 1 中国建筑气候区划图 f i g ，1 1b u i l d i n gc l i m a t i cp r o v i n c eo f c h i n a 房屋建筑面积的5 0 ，且每年有3 至6 个月的采暖期，量大面广，所以在2 0 世纪 8 0 年代，建设部首先组织开展了北方集中采暖地区居住建筑采暖能耗调查和建筑 节能技术及标准研究，颁发了民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) j g j 2 6 8 6 。该标准的目标是在1 9 8 0 1 9 8 1 年当地通用设计的基础上节能3 0 。1 9 9 5 年1 2 月修订后，将此标准节能要求提高为5 0 。为促进北方集中采暖地区民用建 筑节能工作的推广进行，检验民用建筑节能效果，建设部又颁布了既有采暖居 住建筑节能改造技术规程j g j l 2 9 2 0 0 0 和采暖居住建筑节能检验标准 j g j l 3 2 2 0 0 1 。 夏热冬冷地区地处长江中下游地区，包括1 7 个省、自治区及直辖市，总面积 约1 8 0 万平方公里，人口约5 5 亿，是一个人口密集、经济发达的地区。从2 0 世 纪9 0 年代初开始住宅成套化，该地区建筑热环境开始得到明显改善，采暖空调能耗 急剧上升，平均每户采暖空调用电负荷1 4 k w , 年用电量5 0 0 4 0 0 0 k w h 。按此水 平，夏热冬冷地区住宅采暖空调用电负荷将达2 亿k w , 年用电量2 2 4 0 亿k w h ，相 当于1 1 座三峡电厂的装机容量，3 座三峡电厂的年发电量。因此，建设部颁布了夏 热冬冷地区居住建筑节能设计标准j g j l 3 4 - 2 0 0 1 ，自2 0 0 1 年1 0 月1 日开始实施， 要求采暖空调能耗较传统居住建筑节能5 0 。为了推进标准的实施，建设部、国 家计委、国家经贸委、财政部于2 0 0 1 年1 1 月2 0 日发文“关于实施夏热冬冷地区 居住建筑节能设计标准的通知”。不少城市在该标准的基础上已发布了地方的实 施细则。 6 1 绪论 夏热冬暖地区为亚热带湿润季风气候( 湿热型气候) ，其特征为夏季漫长，几 乎没有冬季，气温高且湿度大，太阳辐射强烈。建设部颁布了夏热冬暖地区居 住建筑节能设计标准，其主要目标是通过节能设计降低空调能耗。 桂林、韶关、福州一线以南是；以昆明为中心的云南、贵州两省的一部分是 温和地区。该地区可参照相邻气候区的节能标准。 2 0 0 2 年6 月建设部正式印发了建设部建筑节能“十五”计划纲要。按照计划 要求，全国的新建民用建筑都应该按照相应的节能设计标准要求设计构造，而这 些节能设计标准都从提高建筑物本身保温隔热性能和提高采暖空调的效率两方面 对新建建筑提出了明确要求，满足这些设计要求将使新建建筑在保持同样室内条 件的前提下，节省5 0 的采暖空调能耗将是一个非常可观的数字【4 3 郴】。 1 3 体形系数与建筑节能 1 3 1 体形系数的相关定义 体形系数 居住建筑体形系数s 在民用建筑节能设计标准( j g j 2 6 9 5 ) ( 以下简称标准) 中已有明确的定义，即“建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的体积的比 值”。 s = f o v o ( 1 1 ) 式中，卜建筑体形系数 f o 一建筑的外表面积( m 2 ) v 矿一建筑体积( m 3 ) 从上述的定义和公式，可见体形系数是单位建筑体积占用的外表面积，它反 映了一栋建筑体形的复杂程度和围护结构散热面积的多少，体形系数越大，则体 形越复杂，其围护结构散热面积就越大，建筑物围护结构传热耗热量就越大，因 此建筑体形系数是影响建筑物耗热量指标的重要因素之一，是居住建筑节能设计 一个重要指标。 仅仅用体形系数一个指标并不能完全反映建筑体形对建筑节能综合指标的影 响，丁力行等提出了“极限体形系数”的概念f 引，分别从建筑物横截面形状和建筑 高度两个方面来描述建筑体形特征，以便正确反映建筑体形对建筑节能综合指标 的影响。 极限体形系数 极限体形系数即建筑横截面周长与面积的比值，反映了建筑物横截面形状对 建筑节能综合指标的影响。 对于横截面形状为矩形的建筑，其体形系数的极限值为： 7 重庆大学硕士学位论文 s = l i r a 卫 一4 = l i r a 2 x ( a + b ) x n x h + a x b h _ m a b 以h ：2 x ( 三+ _ 1 ) ( 1 2 ) ad 式中，s l 建筑极限体形系数 f 旷一建筑的外表面积( m 2 ) v ( r 一建筑体积( m 3 ) a 一建筑长度( m ) 江建筑宽度( m ) h 建筑层高( m ) n 一建筑层数 1 3 2 节能标准对体形系数的规定 民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) j g j2 6 对采暖建筑的体形系数 规定如下；“宜控制在0 r 3 及0 3 以下；若体形系数大于o 3 ，则屋顶和外墙应加强 保温。” 夏热冬冷地区居住建筑节能标准j g j1 3 4 - 2 0 0 1 对体形系数规定如下：“条 形建筑物的体形系数不应超过0 ，3 5 ，点式建筑物的体形系数不应超过0 4 0 。” 重庆市居住建筑节能设计标准d b 5 0 5 0 2 4 - 2 0 0 2 在“建筑和建筑热工节能设 计”篇中同样对体形系数有规定“条式建筑物的体形系数不应超过o 3 5 ，点式建筑物 的体形系数不应超过o 4 0 ”。 1 4 分析方法的选取 1 4 1 建筑模拟的必要性 建筑环境是由室外气候条件、室内各种热源的发热状况以及室内外通风状况 所决定。建筑环境控制系统的运行状况也必须随着建筑环境状况的变化而不断进 行相应的调节，以实现满足舒适性及其它要求的建筑环境。由于建筑环境变化是 由众多因素所决定的一个复杂过程，因此只有通过计算机模拟计算的方法才能有 效地预测建筑环境在没有环境控制系统时和存在环境控制系统时可能出现的状 况，例如室内温湿度随时间的变化、采暖空调系统的逐时能耗、以及建筑物全年 环境控制所需的能耗。 随着人们对建筑环境质量要求的不断提高和对建筑节能的日益重视，建筑模 拟也越来越成为建筑与建筑环境控制系统的设计、评价、分析工作中必不可少的 重要工具之一。 1 绪论 1 4 2 软件介绍侧 选用的d o e - - 2 软件包适用于c d c 和i b m 计算机，它采用f o r t r a n 语言 编写，d o e - - 2 计算机能耗模拟软件是由美国国家能源局提出的大规模标准程序， 是比较有代表性的动态冷热负荷的模拟计算程序，是美国加州大学劳伦斯贝克利 实验室在美国能源部的支持下，于1 9 8 1 年编制成功的建筑能耗分析软件，经多 次修改升级，现已具备了十分完善的能耗分析功能，是目前应用最广的能耗分析 软件。输入逐时气象资料、建筑物的面积和体积、建筑围护结构、内部使用情况 ( 包括人员、照明、设备的情况) 、空调系统形式、运行状况以及冷热源的选择情 况等信息，便可模拟计算出建筑物的全年建筑能耗。利用d o e - - 2 既可以实际的 建筑物进行模拟计算，也可以通过建立能耗分析模型，对虚拟的建筑物进行能耗 模拟计算。 d o e - - 2 帮助建筑师和工程师对建筑体进行能耗分析，利用这个程序，可以得 到一年8 7 6 0 个小时中的某一个小时内的建筑体能耗计算值，当然也可以得到全年