1、基于 DeST-h 软件的严寒、寒冷地区既有居住建筑绿色改造能耗分析 卢琦 于靓 王思文 刘盈川 冯国会 沈阳建筑大学 摘 要： 城镇既有居住建筑绿色改造是实现我国能耗总量控制、单位 GDP 二氧化碳排放量削减、绿色建筑建设的重要途径。通过选取严寒、寒冷地区气候子区典型城镇, 并根据典型城镇历年人口、人均住宅面积以及相关设计规范等建立各气候子区典型城镇居住建筑模型;同时, 采用建筑能耗模拟软件 DeST-h 模拟分析了严寒、寒冷地区历年既有居住建筑节能改造后的能耗情况, 从而得到既有居住建筑绿色改造对严寒、寒冷地区的居住建筑能耗的影响, 对同类既有居住建筑绿色改造具有一定的参考价值。关键词：
2、DeST-h; 绿色建筑; 居住建筑; 节能改造; 严寒、寒冷地区; 气候子区; 建筑能耗; 模拟; 作者简介：于靓 (1979) , 女, 辽宁沈阳人, 毕业于日本九州大学, 建筑环境与能源应用工程专业, 博士, 副教授, 博士后, 研究方向:绿色生态可持续建筑技术、建筑环境安全与健康、既有建筑绿色化改造、区域能源规划、合同能源规划 (Sy_) 。收稿日期：2017-04-15基金：国家自然科学基金资助项目 (51408376) Energy Consumption Analysis of Retrofitting the Existing Residential Building in S
3、evere Cold and Cold Regions Based on DeST-h SoftwareLU Qi YU Liang WANG Si-wen LIU Ying-chuan FENG Guo-hui Shenyang Jianzhu University; Abstract： The energy-efficient retrofitting of urban existing residential buildings is important to control the total energy consumption, reduce carbon dioxide emis
4、sions per unit of GDP, and construct the green building. Selecting typical towns of climate sub-area in severe cold and cold regions, residential building models are established for typical town in the climate regions, according to the population in these typical towns over the years, the residentia
5、l area per capita and related design codes. Meanwhile, the building energy consumption simulation software DeST-h is utilized for simulating the energy consumption of the existing residential buildings with energy-efficient retrofitting in severe cold and cold regions over the years, to obtain the i
6、nfluence of the energy-efficient retrofitting and provide reference for the green transformation of the similar existing residential building.Keyword： DeST-h; green building; residential building; energy-saving retrofitting; severe cold and cold regions; climate sub-area; building energy consumption
7、; simulation; Received： 2017-04-150 引言目前, 我国绝大部分既有居住建筑普遍存在资源能源消耗量大、居住性和舒适性水平低、使用功能差等问题, 若拆除使用年限较短的非绿色既有居住建筑, 不仅是对资源和能源的极大浪费, 而且还会造成生态环境的二次污染和破坏1。所以“树立绿色、低碳发展理念”, 对其实施绿色改造与综合环境性能评价十分必要。这对我国大力发展绿色居住建筑、既有居住建筑绿色改造, 降低居住建筑能耗与温室气体排放, 实现 2020 年单位 GDP 二氧化碳排放削减 40%50%的目标具有至关重要的意义2-3。本文以严寒、寒冷地区气候子区典型城镇既有居住建筑为
8、研究对象, 通过收集历年相关的年鉴统计数据, 统计并分析严寒、寒冷地区气候子区典型城镇人口及人均居住面积情况, 并利用分析的结果结合历年相应的建筑设计规范建立居住建筑模型, 进而通过建筑能耗模拟软件 De ST-h, 模拟分析了严寒、寒冷地区气候子区历年的既有居住建筑进行绿色改造后的能耗及影响情况, 为既有居住建筑绿色改造提供一定的参考价值。1 严寒、寒冷地区气候子区典型城镇情况介绍从采暖度日数 (HDD18) 和空调度日数 (CDD26) 的角度, JGJ 262010严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准4将我国严寒和寒冷地区进一步划分, 其中严寒地区划分了 3 个部分, 分别为严寒 A 区、
9、B 区和 C 区。将寒冷地区划分为 2 个部分, 分别为寒冷 A 区和 B 区。根据相关划分依据, 选择 5 个典型城镇进行研究, 分别为漠河、哈尔滨、沈阳、北京、太原。各气候子区具体划分情况如表 1 所示。表 1 严寒和寒冷地区居住建筑节能设计气候子区 Table 1 Climate sub-area of residential building energy saving design in the severe cold and cold area 下载原表 通过中国历年的年鉴数据, 收集了严寒和寒冷地区各气候子区所选取的典型城镇历年的人口统计数据, 因为文章篇幅有限以下只列举出了 2
10、0102013 年每一年每户人口数的调查情况;如表 25 所示, 分别为 20102013 年各省份每户人口数的调查情况, 收集并整理了严寒和寒冷地区各气候子区所选取的典型城镇历年的人口统计数据5, 进而充分地了解了各气候子区典型城镇的历年人口变化情况, 再结合我国历年人均居住面积的相关数据, 可以得到各气候子区典型城镇历年来的居住建筑每户的主要居住面积, 将有助于接下来建立各气候子区典型城镇历年的建筑模型, 并进一步分析既有居住建筑绿色改造的改造情况。表 2 2013 年每户人口数调查 Table 2 Investigation of population per household in
11、2013 下载原表 表 3 2012 年每户人口数调查 Table 3 Investigation of population per household in 2012 下载原表 表 4 2011 年每户人口数调查 Table 4 Investigation of population per household in 2011 下载原表 表 5 2010 年每户人口数调查 Table 5 Investigation of population per household in 2010 下载原表 如图 1、2 所示, 分别为寒冷 A 区太原和 B 区北京, 在 19982013 年期间每户
12、人口数的调查情况, 从图中可以看出在寒冷 A 区太原和 B 区北京每户人口数历年多以 3 人为主;而 A 区太原在 2004 年之前每户以 4 人为主, 只 2004 年开始每户 3 人的户数不断地增加, 而每户 4 人的户数在逐渐地减小, 在 2004 年之后每户 3 人的户数超过了每户 4 人的户数;在寒冷 B 区北京每户 3 个人的户数相对平稳, 并且历年每户 3 个人的户数为最多, 其中每户 2 人的户数也在不断提升, 直到 2009 年和 2011 年与每户 3 个人的户数相差不多。图 1 太原历年每户人口数分布 Fig.1 The distribution of populatio
13、n per household in Taiyuan over the years 下载原图图 3 漠河、哈尔滨历年每户人口数分布 Fig.3 The distribution of population per household in M ohe and Haerbing over the years 下载原图如图 3、4 所示, 分别为严寒 A 区漠河、B 区哈尔滨和 C 区沈阳, 在 1998 年到2013 年期间每户人口数的调查情况, 从图中可看出在严寒 A 区漠河、B 区哈尔滨和 C 区沈阳历年每户人口数一直以 3 人为主。其中严寒 A 区漠河和 B 区哈尔滨每户 3 人的户数在
14、2003 年达到峰值, 之后略有下降并逐渐趋于稳定;而严寒C 区沈阳每户 3 个人的户数在 2002 年达到顶峰, 之后和严寒 A、B 区一样下降并逐渐趋于稳定;而 3 个气候子区的每户 2 人的户数都在不断提升, 并在 2013年与每户 3 人的户数几乎持平, 由此得到各气候子区的历年人口趋势大致相同。图 2 北京历年每户人口数分布 Fig.2 The distribution of population per household in Beijing over the years 下载原图图 4 沈阳历年每户人口数分布 Fig.4 The distribution of populati
15、on per household in Shenyang over the years 下载原图通过对历年的年鉴数据统计并分析, 得到了从 20022012 年, 共计 10 年期间的城镇居民人均住房建筑面积。如图 5 所示, 城镇居民人均住房建筑面积历年在不断地增加。因此, 根据之前对各气候子区典型城镇每户人口数情况的分析, 可以得到各气候子区典型城镇居住建筑每户的住房面积情况, 利用这些数据可以建立相应的建筑模型, 并进一步分析既有居住建筑绿色改造的效果。图 5 城镇居民人均住房建筑面积 Fig.5 Per capita housing construction area of urban
16、 residents 下载原图2 严寒、寒冷地区典型城镇居住建筑模型建立本文根据对典型城镇居民人均住房建筑面积的分析情况, 首先以 2010 年为节点, 得到 2010 年的城镇居民人均住房建筑面积为 31.6 m, 又结合了严寒和寒冷地区各气候子区典型城镇历年的人口统计情况, 得到各气候子区的每户人口数量以 3 人为主, 因此可以计算得到严寒和寒冷地区各气候子区典型城镇居住建筑每户的住房面积多以 94.8 m 为主。通过以上的分析情况, 进行了对严寒和寒冷地区典型城镇的居住建筑模型建立。表 6 为建立建筑模型的详细信息。根据相关建筑设计规范、标准及方案, 并结合严寒和寒冷地区典型城镇的居住建
17、筑模型的基础信息, 通过相关软件建立出居住建筑模型, 如图 6、7 所示, 分别为居住建筑模型外观图和平面图。表 6 严寒和寒冷地区典型城镇的居住建筑模型参数 Table 6 Building model information of residential buildings in typical tow n of severe cold and cold region 下载原表 图 6 典型城镇的居住建筑模型外观图 Fig.6 Typical urban residential building model appearance 下载原图图 7 居住建筑模型平面图 Fig.7 Reside
18、ntial building model floor plan 下载原图本文严格按照 JGJ 262010严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准中对于外墙、外窗和屋顶等围护结构传热系数的相关要求, 分别设计了各气候子区典型城镇居住建筑模型相关的围护结构参数。表 7、8 为各气候子区典型城镇的居住建筑围护结构传热系数的具体参数及结构组成情况。本文又严格依照 JGJ 261995民用建筑节能设计标准6中对于外墙、外窗和屋顶等围护结构传热系数的相关要求, 分别设计了各气候子区典型城镇居住建筑模型基于 19952010 年期间所涉及围护结构相关的参数。表 9、10 为各气候子区典型城镇的居住建筑围护结构传
19、热系数的具体参数及结构组成情况。3 严寒、寒冷地区典型城镇居住建筑模型能耗分析对根据上述条件所建立的各气候子区典型城镇的居住建筑模型, 基于既有居住建筑实际用能模式, 采用 De ST-H 软件全年动态模拟来分析各气候子区典型城镇居住建筑能耗情况。因文章篇幅有限, 仅针对 19952010 年期间和 2010 年之后的居住建筑进行模拟分析。由于严寒和寒冷地区城镇居住建筑能耗主要以冬季采暖消耗为主, 所以本文仅针对典型城镇居住建筑冬季采暖能耗情况为例, 分析既有居住建筑绿色改造对于既有居住建筑冬季采暖能耗影响情况。表 7 围护结构具体参数 (外墙) Table 7 Specific parame
20、ters of envelope (external w all) 下载原表 表 8 围护结构具体参数 (外窗、屋面) Table 8 Specific parameters of envelope (w indow s and roof) 下载原表 表 9 围护结构具体参数 (外墙) Table 9 Specific parameters of envelope (external w all) 下载原表 表 1 0 围护结构具体参数 (外窗、屋面) Table 10 Specific parameters of envelope (w indow s and roof) 下载原表 如图 8
21、、9 所示, 为寒冷 A 区太原和 B 区北京在 19952010 年期间和 2010 年之后的既有居住建筑冬季能耗情况, 选取 122 月的模拟结果, 可以得到寒冷 A区太原的既有居住建筑冬季能耗在 12 月末和 1 月中达到最大值, 从 2 月开始能耗相应降低, 逐渐呈下降趋势;而寒冷 B 区北京的既有居住建筑冬季能耗在 1 月中旬达到最大值, 在其他月份相对均衡, 2 月开始能耗相应降低, 逐渐呈下降趋势;而寒冷 A 区的既有居住建筑冬季能耗要比 B 区的大一些。图 8 寒冷 A 区太原能耗情况 Fig.8 The energy consumption of Taiyuan in col
22、d A area 下载原图图 9 寒冷 B 区北京能耗情况 Fig.9 The energy consumption of Beijing in cold B area 下载原图如图 1012 所示, 为严寒 A 区漠河、B 区哈尔滨和 C 区沈阳在 19952010 年期间和 2010 年之后的既有居住建筑冬季能耗情况, 也选取了 122 月的模拟结果, 可以得到严寒 A 区漠河的既有居住建筑冬季能耗在 1 月份达到最大值, 在 12 月份相对稳定, 2 月开始能耗相应降低, 并逐渐呈下降趋势;从 2 月开始能耗相应降低, 逐渐呈下降趋势;而严寒 B 区哈尔滨的既有居住建筑冬季能耗在 12
23、月中旬至 1 月份较大, 达到最大值, 2 月份能耗降低, 并逐渐保持稳定趋势;严寒 C区沈阳的既有居住建筑冬季能耗在 12 月份保持稳定趋势, 1 月份达到最大值并保持稳定趋势, 2 月能耗降低, 并逐渐呈下降趋势。图 1 0 严寒 A 区漠河能耗情况 Fig.10 The energy consumption of M ohe in severe cold A area 下载原图通过比较寒冷 A 区和 B 区在 19952010 年期间和 2010 年之后的既有居住建筑冬季能耗情况, 可以得到两者能耗相差较大;如果将寒冷地区在 19952010 年期间的既有居住建筑进行绿色改造, 提高既有
24、居住建筑围护结构传热系数, 并把 2010 年之后的既有居住建筑设立为改造的目标, 那么将降低既有居住建筑冬季能耗, 提高冬季舒适性。对于严寒 A 区漠河、B 区哈尔滨和 C 区沈阳在19952010 年期间和 2010 年之后的既有居住建筑冬季能耗的对比情况, 可以得到两个期间的既有居住建筑冬季能耗相差也较大, 对于严寒 A 区漠河和 C 区沈阳的能耗相差幅度较严寒 B 区哈尔滨的相差幅度大一些, 因此对于严寒地区, 将 19952010 年期间的既有居住建筑进行绿色改造, 也把 2010 年之后的既有居住建筑设立为改造的目标, 绿色改造将会帮助既有居住建筑大幅降低冬季能耗情况, 不仅可以获
25、得更好的居住环境, 而且还能取得较好的经济性。图 1 1 严寒 B 区哈尔滨能耗情况 Fig.11 The energy consumption of Harbin in severe cold B area 下载原图图 1 2 严寒 C 区沈阳能耗情况 Fig.12 The energy consumption of Shenyang in severe cold C area 下载原图4 结论通过严寒、寒冷地区气候子区的划分情况, 确定了各气候子区的典型城镇, 并根据年鉴数据分析了各气候子区典型城镇历年的人口分布和人均居住面积等情况。根据分析的情况及相关设计标准建立了 19952010 年
26、期间和 2010 年之后的两个既有居住建筑模型, 并通过 De ST-H 软件的模拟的方法分析了严寒、寒冷地区各气候子区典型城镇既有居住建筑在 19952010 年期间和 2010 年之后的能耗情况, 通过对比分析如果将将老旧的既有居住建筑绿色改造成按照 2010年之后的水平, 那么既有居住建筑冬季能耗将会大幅降低, 不仅可以提高既有居住建筑的舒适性, 还能取得较好的经济性。因此通过本文的严寒、寒冷地区既有居住建筑绿色改造能耗分析能够更好为严寒、寒冷地区既有居住建筑绿色改造提供理论基础和技术保障, 并提出实质的改造效果分析, 从而为既有居住建筑绿色改造提供一定的参考价值。参考文献1朱春妃.北方采暖区既有居住建筑节能改造经济效益评价D.北京:北京交通大学, 2010. 2梁雯.寒冷地区既有居住建筑节能改造综合评价研究D.西安:西安建筑科技大学, 2012. 3郝爽.严寒地区既有居住建筑节能改造效益评价研究D.北京:北京建筑大学, 2014. 4JGJ 262010, 严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准S. 5中华人民共和国国家统计局 http:/ 6JGJ 261995, 民用建筑节能设计标准S.
