基于长沙某高校实例角度分析夏热冬冷地区既有建筑节能改造

通过对比普通无保温屋面、倒置式保温屋面、种植式屋面，发现倒置式保温屋面和种植式屋面比普通无保温屋面更加节能，倒置式保温屋面采取30mmXPS 保温板时效果最佳，总能耗降低了 35.1%，种植式屋面总能耗降低13.1%，夏季时，倒置式保温屋面比普通无保温屋面墙体内壁面温度降低 5～6℃，冬季则能提高墙体内壁面温度 3～4℃；夏季，普通无保温屋面下的顶层室内温度比种植屋面下顶层室内温度高出 5～6℃，冬季则低出 2～3℃；
第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.1.1 能源危机

  20 世纪 70 年代以后，世界爆发了三场影响力较大的石油危机。1973 年由于石油主要输出国阿拉伯国家不满西方国家支持以色列而采取了石油禁运，这导致了国际油价暴涨，从而引发了第一场石油危机。这场石油危机造成了第二次世界大战以来最严重的的经济危机，这场经济危机持续三年之久，给西方国家的经济带来了巨大的打击，经济增速明显放缓。1979 年的石油危机是由于伊朗革命爆发，这场持续半年多的危机使得西方国家经济大衰退。1990 年波斯湾战争的爆发触发了第三次石油危机，这场危机使得全球 GDP 增长率暴跌，经济损失惨重。正是一次又一次的石油危机使得人们开始意识到能源的重要性，开始关注能源问题。我国一直有着强烈的能源危机意识。我国领土面积广袤，能源总量丰富。据统计我国自然资源总量在世界排名第七，煤总量排世界第三[1]。尽管如此，我国依然存在资源短缺问题，主要是人均占有量低、分布不均、且开发难度大[2]。虽然我国能源储备丰富，但同时能源消耗也很惊人，在经济高速增长的今天，我国的能源消耗远高于西方国家，尽管我国石油可采储量约占世界的 13%，但相比西方人均拥有量，我国人均拥有量较低，而且从 1970 年开始，我国经历了三次大的能源危机。二十世纪七十年代至八十年代中期，我国能源供应持续紧张，全国约 25%的企业因电力不足而无法开工，八十年代末，农业用电奇缺，缺口可达59%，使得煤炭价格大幅上涨。二十一世纪以后，国际能源问题亟待解决，我国能源亦供不应求，能源需求的增加迫使我们进口大量石油，引起了国际社会的密切关注。影响我国安全的重要因素之一就是能源问题。

1.1.2 能源与环境关系

  能源与环境关系十分密切。人类在改变或者使用能源的过程中，如果处理不当，会给环境带来破坏和污染。随着人类工业水平的进步，越来越多的能源被使用，主要包括煤炭、石油等。人们使用大量的石油并燃烧煤炭来产生大量的二氧化碳气体，导致地球温度上升，气候变暖即温室效应。温室效应使得冰川消融、海平面上升，威海自然生态系统平衡。另一方面，由于大量的汽车尾气以及工业排放，使得大气污染物堆积，空气质量变差，造成了雾霾。雾霾对交通安全有影响，容易引发交通事故，对人体健康也有极大的危害。因此合理有效地使用能源，实行切实可靠的节能减排措施，只有这样，人民生活水平才能稳定提高，经济才能稳定增长，生态系统才能平衡，人与自然和谐相处

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

  随着石油危机的蔓延，各个国家都意识到能源对于一个国家的发展极其重要，充分认识到了节约资源的重要性，不断完善建筑节能相关法规、规范，并累积了丰富的节能改造经验。德国早在 1952 年就规定了建筑保温设计的最低要求，并且提出了一个计量能耗和改造围护结构的方法[8]。德国致力于促进法规的落实与实施，并且资助一些节能项目，向民众普及节能知识，解释政府相关政策，于 2000 年成立能源局，德国政府通过一系列措施力图降低建筑能耗，从而使得建筑物的能耗降低[9]。美国于 1973 年率先采用“建筑物总热值”（OTTV）和“设备系统季节能效比”（SEER）等参数作为评价建筑节能的标准[10]。1975 年后又相继颁布了《国家能源法案》、《2005 年能源政策法案》、《2007 年能源独立与安全法案》，主要包括可再生能源、、汽车燃油经济性、照明能效、电器效率、运行管理、氟利昂制冷剂淘汰、可再生能源发电、建筑规范等[11]。美国能源部又制定了《建筑物国家强制性节能新建标准，》，一系列措施使美国建筑节能取得了显著成效。英国现有建筑中，既有建筑占比最大，英国对既有建筑的改造措施主要集中在外窗和外墙两部分。对于外窗，保留了已有的窗户，仅在窗户上加一层透明层，形成中空层已达到保温节能效果，对于外墙，通过向墙内的空气层充入保温材料或在外墙添加保温层等措施来降低墙体传热系数，英国如今已完成大部分旧建筑改造，并取得了显着的经济效益和节能效果[12]。此外，英国的建筑节能标准通常间隔四至五年便重新修订，按照新标准执行的建筑比起传统建筑节能 74%左右[13]。日本是一个资源匮乏的国家，政府及其重视建筑节能相关工作，日本建筑节能工作主要包括以下几个方面：（1）改善建筑围护结构的保温隔热性能；（2）提高空调等设备效率；（3）重视建筑节能相关技术研究[14]。日本的建筑节能主要体现在建筑设计和使用管理两方面，在设计过程中采用先进的节能激素，例如节能空调、绿化屋面、智能遮阳等，在管理方面则是建立能源监测系统，利用了人体感应器、变频控制空调等。日本还依据公共建筑使用功能的不同给予了相应的节能标准，并出台了严厉的奖罚措施，大力推动了既有建筑节能改造[15]。国外发达国家对既有建筑进行节能改造，对外墙、屋面、门窗等有针对性的提出改造方案，他们在节能改造领域所积累的丰富经验值得我们学习和借鉴

第 2 章 长沙某高校教学楼节能改造可行性分析

2.1 长沙气候特点介绍

  长沙市处于我国夏热冬冷地区，位于东经 112.98°，北纬 28.19°，海拔高度23.5 米，地处我国华中区域，长浏盆地西缘，湖南东部偏北，是长江中下游重要的核心城市。夏热冬冷地区夏季极端高温天气多。其特点是冬季多雨湿冷，最低温度可达-2℃，夏季酷热难当，最高温度可达 39℃，春季气温升温快速，3 月份平均气温可达 9～10℃，5 月份则已升温至 21～22℃；秋季降温明显，9 月份月平均气温为 22～25℃，11 月份已经降至 12～13℃。通过中国气象局国家气象信息中心获取到长沙各月平均干球温度及全年逐时干球温度如图 2.1 和 2.2 所示。

2.2 高校教学楼建筑用能特点

  教学楼是高耗能的公共建筑之一。了解其用能特点对减少建筑能耗有着重要意义。

（1）高校一年中有寒暑假两个时间较长的假期，寒假在一月中旬至二月中旬，暑假一般在七月初至九月初，避开了一年中最热月和最冷月，给教学楼节省了极大的能耗；

（2）一般教学楼具有间歇用能的特点，使用时间集中在上午八点至中午十二点，下午两点至六点，晚上七点至九点，对比其他公共建筑，教学楼在夜间使用时间较长，因此在开展围护结构改造时，不单要考虑外墙的保温隔热性能，也要兼顾夏季屋顶隔热性能；

（3）人员热扰大：教学楼的使用对象为师生及教职员工，与一般公共建筑类型相比，教室人员密度更大；

（4）用能空间的不确定性，相较于其他公共建筑使用空调时间同步、空间同步，教学楼一般采用分体式空调，使用时间不一致，有的教室使用空调，有的教室无人使用，通常呈分时分室用能状态。

第 3 章 空调系统能耗模拟 

3.1 不同空调运行模式下室内温度变化及能耗分析

3.2 夏冬季典型日选取 

3.3 空调温度设定对能耗影响 

3.4 本章小结 

第 4 章 围护结构节能改造 

4.1 外墙保温形式能耗模拟

4.2 照明系统节能改造

4.3 外窗能耗模拟 

4.4 屋面能耗模拟 

第 5 章 总结与展望

  本文采用 EnergyPlus 能耗模拟软件对长沙某高校教学楼进行分析研究，得出以下结论：

（1）在炎热的夏季和寒冷的冬季间歇使用能源时，外墙的内保温比外墙的外保温更节能，保温材料应选择 30mmEPS 保温板，教学楼的灯芯宜选择 T5 节能灯芯，

（2）通过对比普通无保温屋面、倒置式保温屋面、种植式屋面，发现倒置式保温屋面和种植式屋面比普通无保温屋面更加节能，倒置式保温屋面采取30mmXPS 保温板时效果最佳，总能耗降低了 35.1%，种植式屋面总能耗降低13.1%，夏季时，倒置式保温屋面比普通无保温屋面墙体内壁面温度降低 5～6℃，冬季则能提高墙体内壁面温度 3～4℃；夏季，普通无保温屋面下的顶层室内温度比种植屋面下顶层室内温度高出 5～6℃，冬季则低出 2～3℃；

（3）通过对教学楼空调不同运行模式下的温度变化及能耗分析发现，夏季最佳空调运行时间为 8:00-10:00，10:30-12:00，14:00-17:30，19:00-20:30；既不影响教室内学生上课舒适度，又比连续运行节能。

（4）通过研究空调设计温度对能耗的影响，发现夏季空调的设计温度从原来的 28℃调整到 26℃。节约了 14.6%，冬季空调设计温度可调至 18℃，节约了15.1%。