023中国北方地区小城镇住宅的节能研究正文

中国北方地区小城镇住宅的节能研究天津大学300072刘俊杰周晓洁摘要：本文以节能为出发点，以2004年冬天对北方地区多个小城镇的室内外热环境参数测试以及调查问卷为依据，描述了当前小城镇在室内热环境方面的现状及冬季采暖能耗情况。并利用能耗模拟软件EnergyPlus对目前北方寒冷地区典型的小城镇现有住宅进行了模拟，分析如何对小城镇住宅进行节能改造。最后利用EnergyPlus模拟来预测在未来10年内，随着小城镇的增加，在满足人体热舒适的同时中国北方采暖能耗如何节能。关键字：小城镇能耗EnergyPlus节能1．引言目前，我国有70%以上的人口分布在小城镇和农村［4］。但是从国际城市化发展历史看，城市化是一个国家现代化不可逾越的普遍规律，根据相关文献对我国城市化水平的预测，到2020年时我国城市化水平要达到50%，到2050年将达到70%［1］。随着我国城镇化的不断推进，小城镇经济的不断发展［6］，居民日常用能的需求更是空前高涨。然而随之而来的问题却是能源的巨大浪费。从2001年按终端用途分的建筑能耗中我们可以看出，全年用于采暖的建筑能耗为1.57亿tce，占全部建筑能耗的43.8%［5］。本文从北方地区小城镇冬季采暖方面来展开讨论，以2004年冬天对北京门头沟区小城镇13户住宅及山西太原小城镇6户住宅进行了住宅室内外温度的监测以及采暖耗煤量的调查为依据，描述了当前小城镇在室内热环境方面的现状，并分析了小城镇住宅的能源消耗情况。2冬季实地参数测试与问卷调查温度监测从2005年1月29日至3月1日，持续一个月时时监测，仪器采用RHLOG-T-1型温度自记仪，记录间隔为每小时记一次。测试结果如图一所示。从图一可以看出室内平均温度值普遍偏低，2003年正式实施的《室内空气质量标准》中明确规定冬季采暖时室内温度的标准值为16℃～24℃［7］。图一表明19户居民当中仅有3户达到标准的昀低值，而其余16户均没有达到昀低标准，达标率仅为16%。由此表明小城镇住宅室内热环境的提升空间还很大。02468101214161820温度（°C）室内平均温度12.710.312.813.31815.717.71312.718.712.114.811.78.612.611.511.38.854.04北京1北京2北京3北京4北京5北京6北京7北京8北京9北京10北京11北京12北京13山西1山西2山西3山西4山西5山西6图一：实测室内平均温度1在对室内温度监测的同时，对各住户发放了简易秤用来记录每天的耗煤量。采暖期实测耗煤量Mhm的计算公式为：Mhm=150*Mα/TA(1)Mhm——采暖期实测耗煤量（kg/m2），采暖季天数按121天计算M——测试期间住户的总用煤量（kg），α——标煤折算系数，T——测试持续时间（13天），A——住户采暖面积(m2）020406080采暖耗煤量kg/m2采暖耗煤量指标12121212121212121212121212141414141414实测采暖耗煤量3345712.1713333493527363846221530232623采暖方式0000000000000000000北京1北京2北京3北京4北京5北京6北京7北京8北京9北京10北京11北京12北京13山西1山西2山西3山西4山西5山西6图二：实测采暖耗热量与指标对比《民用建筑节能设计标准GJG26—95》中规定北京的采暖耗煤量指标为12.4kg/m2，山西为13.5kg/m2。图二为实测采暖耗热量与指标对比，表明有18户超标，超标率高达94.7%，昀高超过国家标准5.7倍。北京地区平均耗煤量为40.2kg/m2，是国家标准的3.24倍［2］；太原地区平均耗煤量为23.2kg/m2，是国家标准的1.72倍［2］。3EnergyPlus能耗模拟软件的模拟结果在本篇论文中，我们选取了北方寒冷地区小城镇中的一典型住宅建筑，并在给定北京地区气象资料的前提下进行了模拟：3.1模拟结果见表1：表1：EnergyPlus能耗模拟软件的模拟结果EnergyPlus模拟结果朝南建筑朝北建筑实测结果采暖季总耗能量（J）1.36E+111.44E+11-采暖季耗煤量(kg/㎡)33.9259257135.95384240.2冷风渗透耗热量（J）1.10E+111.21E+11-综合考虑，综合考虑，小城镇中的住宅建筑的朝向问题，可以认为由EnergyPlus计算出来的采暖季耗煤量为35kg/m²。23.2误差分析由EnergyPlus计算出来的耗煤量约为35kg/m²,比实际测得的耗煤量40.2kg/m²要小。事实上，这是由于我们在实际测量中所测的耗煤量为1月29日到2月10共13天的耗煤量，如果我们利用EnergyPlus也只是模拟这13天的耗煤量，则这13天的耗煤量为4.04kg/m²，在带入式1，求得整个采暖季的耗煤量为38.8kg/m²。考虑耗煤量的计算误差之后，我们发现EnergyPlus的模拟结果（耗煤量）大约为实测值的96.5%，这个误差可能是因为该模型对房间建筑几何模型采用理想化抽象，对于建筑中存在的很多热桥部位的因素考虑的并不是十分完全而造成的。3.3EnergyPlus模拟室内热环境改善时的能耗调查中，我们发现我国北方小城镇住宅建筑中普遍存在的问题是：消耗了比标准多好几倍的能源，却得到了比标准昀低值还要差的室内热环境。随着人民生活水平的提高，人们对住宅建筑的室内热环境要求越来越高，我们现在用EnergyPlus模拟既建住宅条件下，冬季室内温度升至18℃（满足人体热舒适感的温度）时，整个采暖季的耗煤量，结果见表2：表2：室内温度为18℃的能耗室内温度为18℃南向北向平均值采暖季总耗能量（J）2.10178E+112.23639E+112.16909E+11采暖季耗煤量（kg/m2)52.4293724855.7871596954.10826608表3：比较室温为18℃和14℃的能耗室内温度为18℃室内温度为14℃增加的耗煤量温度提高1℃增加的耗煤量采暖季总耗能量（J）2.16909E+111.40067E+11--采暖季耗煤量（kg/m2)54.1082660834.9398839219.168382164.792095541结论：如表3所示，目前我国北方广大小城镇住宅建筑热环境不好，若要改善目前小城镇住宅的建筑热环境将要付出大量的能源，从上表中我们可以看出，北京地区室内温度每升高一度的耗煤量将达到4.8kg/m2·℃。4利用EnergyPlus分析节能技术的效果4.1保温材料的使用围护结构的节能策略是降低材料的传热系数，而传热系数21111kαλδα++=，降低材料的导热系数可以降低k值。所以可通过以下几方面来考虑增大围护结构的热阻。4.1.1屋面保温材料目前小城镇中广泛采用炉渣来充当屋面的保温层，但其保温性能并不是很好，且易潮而影响其保温效果。在这里，我们用同样厚度的聚苯乙烯泡沫塑料替代炉渣，模拟结果见表4：3表4：采用屋面保温的节能效果聚苯乙烯炉渣保温节能效果（%）采暖季总耗能量（J）1.30583E+111.36002E+11采暖季耗煤量（kg/m2)32.5741501833.925925713.984491216结论：采用具有保温效果的屋面材料，如聚苯乙烯泡沫塑料等可以节能4%左右。4.1.2外墙保温调查中我们发现，小城镇中的既有建筑几乎都没有进行外墙保温，在对这些既有建筑进行节能改造时，对建筑外墙进行外保温，在砌体结构外增加40mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料保温材料，这样既可以起到节能作用，也不影响建筑物的使用面积。模拟结果见表5：表5：采用外墙保温的节能效果外墙外保温无外墙保温节能效果（%）采暖季总耗能量（J）1.25081E+111.36002E+11采暖季耗煤量（kg/m2)31.2017091233.925925718.029896112结论：对外墙进行有效的外保温，可以节省建筑能耗8%左右。4.2改变墙体结构红砖——学名“实心黏土砖”，是小城镇房屋建筑中应用昀广泛的一种材料，但是这种建筑材料，却是耗能、污染的“大户”。因此，在小城镇的新建建筑中，应该采用节能型墙体材料替代实心黏土砖。选用加气混凝土墙体结构并分析其节能效果，见表6：表6：改变墙体结构的节能效果加气混凝土墙体实心黏土砖墙体节能效果（%）采暖季总耗能量（J）1.27608E+111.36002E+11采暖季耗煤量（kg/m2)31.8320794633.925925716.171817582结论：使用加气混凝土墙体结构，与实心黏土砖墙体相比可以节省总能耗的6%左右。4.3改善门窗的气密性由模拟结果，冷风渗透好热量约占建筑总热负荷的很大一部分，由于小城镇的建筑多为砖墙结构，所以来自冷风渗透量的热损失主要取决于门窗的气密性。从门窗结构的角度考虑，平开窗代替推拉窗，从施工工艺的角度考虑，应尽可能把窗户安装在与墙面平齐的位置以减少热桥面积。我们选取平开铝窗替代目前广泛存在的木窗，具体节能效果见表7：表7：改善门窗气密性的节能效果改善门窗气密性后门窗气密性差节能效果（%）采暖季总耗能量（J）395588781481.36002E+11采暖季耗煤量(kg/m2)9.86804142433.9259257170.91297815结论：由模拟结果可以得知，改善门窗气密性能很大程度上进行节能，节能效果达70%。4.4温度调节及控制4在中国北方地区小城镇住宅中，有的采暖系统布置不合理而导致室内过热，用户往往通过开窗来调节室内温度，造成了热能的浪费；此外，住宅建筑的使用有不连续性，晚上某些功能房间如起居室、厨房也处于无人使用状态，可以通过温度调控来达到节能效果。4.5综合利用利用EnergyPlus能耗模拟软件对上述所考虑的节能措施进行模拟：即屋面采用100mm的聚苯乙烯泡沫塑料作为保温层代替原100mm炉渣保温层；200mm厚加气混凝土砌体代替原370厚粘土砖墙；外墙外增加40厚保温层；平开铝窗替代原有木窗，加封条以减小冷风渗透量；房间进行温度调节和控制；使用北京地区的气象资料。模拟结果表示：综合考虑上述节能措施后，北京地区的小城镇住宅在整个采暖季需要消耗标准煤10kg/㎡·年。较之之前所测的35kg/㎡·年的消耗量减少了70%左右。5我国小城镇建筑能耗将成为能耗大户21世纪头20年，是我国建筑业的鼎盛期，目前每年建成的房屋面积超过发达国家的总和，2020年我国建筑面积将接近2000年的两倍。而且，目前我国新建的房屋95%以上属于高能耗建筑，既有的近400亿平方米建筑99%是高能耗建筑，单位建筑面积采暖能耗为发达国家新建建筑的3倍。随着我国城镇化的发展，数量很多且人口规模偏小的小城镇充分显示了它的作用。因在我国小城镇是实现城市化的重要途径。据有关资料报道，美国在1980年以后，居住在小于10万人口的小城市（镇）的人占全美城市人口的65.5％，荷兰则占58.2％。这是小城镇重要地位的实证。02000040000600008000010000012000014000020002001200220032004年份人口数（万人）0510152025303540（%）全国总人口数城镇人数城市人口总数小城镇人口总数小城镇人口占城镇人口总数的百分比图三：我国人口分布情况从图三我们可以看出，随着中国城市化进程的进一步展开，小城镇人口数呈增加趋势，且小城镇人口已占全国城镇总人口的40%左右。也就是说，新增城镇人口将分布在20000多个小城镇中。5参照我国中国统计年鉴对我国城镇化水平的预测，见表8。如果到20１0中国的城市化率能够达到４５％，未来小城镇发展可以容纳２８９００万人口，超过目前大中城市的人口总和，将比目前小城镇人口增长４３％。表8：城镇化进程表2010年2020年2050年城市化水平(%)45%50%70%城镇人口总数（亿）6.177.1411城镇住房人均建筑面积(m2)202835城镇住宅建筑总面积(亿m2)123.4199.9385城镇人均公共建筑物建筑面积(m2)7.78.5610城镇公共建筑物建