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外墙保温对夏热冬冷地区建筑能耗的影响及节能经济性分析
时间:2021-06-30 11:49 | 栏目:建筑节能论文 | 浏览:次
硕士论文网第2021-06-30期，本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇建筑节能论文文章《外墙保温对夏热冬冷地区建筑能耗的影响及节能经济性分析》，供大家在写论文时进行参考。
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通过研究夏热冬冷地区办公建筑热环境、保温体系和空调用能特点等内容，确定最为科学合理的保温方案。夏热冬冷地区的夏季炎热冬季湿冷四季分明的特点，并普遍不重视围护结构的隔热保温，导致办公建筑的空调年能耗量远高于其他地区。根据其以上能耗特征，选择出热舒适性好，热桥现象少的外保温体系，选择应用较广性价比高的 XPS 保温材料，并采用 DeST 能耗模拟结果分析得出，合理设定空调间歇运行模式更有利于降低建筑物能耗。
第 1 章 绪论
第 1 章 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 能源的严峻形势
能源是推动社会经济发展的重要基础资源，在现今已知的开采能源中，煤、石油及天然气是占比最多的三大能源，约占据全球能源总消费的百分之九十以上，然而它们都属于不可再生能源，若干后将面临枯竭的风险，据《2019 年 BP 世界能源统计年鉴》的统计报告显示：全球能源消费和能源使用过程中产生的碳排放量增速在 2018 年达到了自 2010/2011 年以来的最高，这与巴黎气候协定制定的加快转型的期望目标背道而驰[1]。我国正处于经济快速发展和能源结构转型的关键时期，尽管全球经济增速放缓，据统计 2018 年我国的一次能源消费在增长 4.3%[2]，达到 2012 年来最高增速，各项实体化产业和金融市场欣荣发展的同时，能源浪费和环境破坏等问题更加不容忽视，能源结构有待继续改进[3]。
1.1.2 节能减排、低碳环保、可持续发展理念的倡导
自建国以来，建设领域的技术发展呈现飞跃的趋势。目前，可持续发展理念已成为全社会的共识，在建筑行业中，实现低碳化、绿色化已成为主导思想。建筑节能是体现这一理念的载体，其衍生出的各类技术正获得长足进步。对节能的高度重视，是世界科技界与建筑行业的主要特色[4]。作为能源消费大国，建筑业占我国能源消费总量的 30%以上，建筑平均能耗是发达国家的两到三倍作为能源消费大国的建筑业占我国能源消费总量的 30%以上，建筑平均能耗是其两到三倍。因此，在建筑物的生产，建造，使用和再利用中应始终遵循节能策略，以有效减少建筑业能源能耗。 建筑设计是建筑节能减排的重要组成部分，有必要采取有效地节约能源设计措施，创造高品质，节能和环保的建筑
1.2 研究目的及意义
1.2.1 夏热冬冷地区建筑节能的重要性
夏热冬冷地区横贯我国西部、中部和东部，覆盖上海、江浙、安徽、江西、湖南、湖北、四川、重庆、贵州等长江经济带，是我国经济最发达的地区之一，最冷月平均温度 0-10℃；最热月平均温度 25-29℃，四季分明[8]。夏季需降温，冬季要采暖，增加了该地区节能设计的复杂性。该地区冬夏两季的电动空调热泵能耗占建筑总能耗比重较大，且围护结构保温不受重视。适当减少或降低这些不必要的建筑能耗，可以帮助我国致力于缓解能源危机，推动建设节约型社会的进程。
1.2.2 外墙保温对建筑节能及经济性的影响
1.2.2 外墙保温对建筑节能及经济性的影响
夏热冬冷地区的人们为达到抵抗冬季夏季的室外恶劣环境气候，改善建筑室内温度环境的目的，因而大量的使用空调进行制冷和供暖，建筑能源浪费问题日益严重，节能措施势在必行。据研究，建筑节能的主要节能措施是通过一些优质的墙体保温、屋顶保温和窗户的保温来实现的，这些传热介质是一栋建筑物的主要传热部分，根据相关数据显示，围护系统在整体建筑物中传热量较大，占比为70%，该系统中又以外墙的损耗最多，占比为 25%；其次是窗户，占比 24%；其次是楼梯间隔墙，其比例为 11%；其他屋面与阳台门分别占比为 9%与 3%[9]。从上述数据可知，外墙损耗的热量较大，节能的重点在于改进外墙的保温模式。选择计算分析出外墙保温的最优经济厚度，则建筑能耗得到有效降低，保温效果达到最佳，建筑节能效果和长期经济性投资效益达到最优化，并结合探究外墙保温对室内热舒适的影响，使得外墙外保温的措施在夏热冬冷地区得以有效推广。
第 2 章 我国的气候分区特征及建筑能耗特点
第 2 章 我国的气候分区特征及建筑能耗特点
中国土地面积较大，各地气候条件差别较大，所以各地的建筑物都会因为气候的原因而产生能耗问题，因而合理的规划建筑气候分区显得尤为重要。关于建筑节能设计，我国存在着不同的做法，以来针对相应的各分区不同的气候条件。炎热地区建筑需要做遮阳、通风及隔热等措施，为防止室内过热；而对于寒冷地区的建筑的要求，则应该要注重防寒和保温措施，使室内能接收更多光照，为了探究建筑与气候两者的内在联系，2005 年我国颁布 GB50352-2005《民用建筑设计通则》，其中规定了建筑与气候的两类划分，一是根据建筑气候来划分，二是根据热工原理进行划分[28]。气温、湿度及降水量三个主要参数是划分建筑气候区的重要依据，国内可以区分成七大主要气候带，二十个子气候带；热工原理意义上的划分是为了满足建筑热力需要，其指向为把握建筑物的保温与隔热方面的设计，热工设计区划中以累年 1 月和 7 月的平均温度为主要指标，辅助指标为累年日气温≤5℃和≥25℃的天数，于是全国可划分为严寒地区、寒冷地区，以及温和地区，加上两类地区特点分别为夏热冬暖和夏热冬暖 [29]。国内建筑气候划分情况参见图 2-1：
2.1 各个气候分区简介
2.1.1 严寒地区的气候特征
我国的严寒地区大致包括内蒙古、东北、西藏三省和青海的大部分区域但河北、宁夏及陕西等的部分地区，根据历年数据的统计，最寒冷的月份中，平均温度在零下 10 摄氏度以下。这些地区也被划入严寒地区。这一地区的气候特点在于冬季十分寒冷且时间较长，空气比较干燥，受阳光照射的时间较多；夏季是雨水集中的季节，而春秋两季时间很短，且雨水较少[30]。进一步细分严寒地区，可以分为两个亚型，即 A 区与 B 区[31]。下面举例说明严寒地区中 A 区与 B 区各自的特点。例一：哈尔滨。该市属于严寒地区中的 A 区，其冬季温度为全国最低。当地的冬季历时较长，温度极低，且晴天较多，风雪天较小。多年来，极端气温有较多记载：在 1970 年的最低气温-38.1 ℃，全年 27 %的天数超过十天气温低于-30℃，最冷月一月份出现大量气温低于零下 20 摄氏度的日子，在全年的占比为 42%。但在夏天，该市温度较高，其原因是低气旋的覆盖。在夏季，强对流天气、暴风大雨天气常出现于午后[32]。哈尔滨市占全年总量 2/3 左右的降雨量出现在夏季，在春季，哈尔滨暖气流回升，极不稳定，乍暖还寒，时常伴有大风，正是哈尔滨在春季到来时的明显特点；在秋季，该市的特点为温度降速国较快，而降雨量很快降低，气候渐干燥[33]。
2.2 寒冷地区
2.2.1 寒冷地区的气候
我国的寒冷地区指累年的最冷月平均温度在 0℃-10℃的地区，按照建筑热工设计分区中的定义，对于新疆、东北南部、西藏南部与华北地区均属于寒冷地带[45]。这一区域具备独特的气候条件，具体表现为:全面分为春夏秋冬四个季节，冬季时间较长，且冬季气温与湿度较低，具备明显的气温差异，该区域内每日温差在 7℃至 14℃期间，温度超过 35℃天数占比 22%，日均气温小于 5℃的天数占比 25%至40%，平原地带温度会超过 40℃[46]。该地区气候寒冷、干旱少雨，紫外线辐射较强，区域内降水量年均值处于 300mm 至 1000mm 期间，年均降水天数在 60 至 100天，降雪天数低于 15 天。该地区年日照时间在 2000h 至 2800h，太阳总辐射量为150 至 190W/㎡，日照率达到 40%至 60%，该地区紫外线辐射较强，非雨季时空气湿度较低，气候比较干燥[47]。
2.2.2 寒冷地区的建筑能耗特点
寒冷地区对供热条件要求较高，冬季气候比较寒冷，地区供暖较为集中，夏季气温回暖后需要进行隔热处理，寒冷地区供暖时间在四个月左右，供暖材料以燃煤为主[48]。供暖区域已经覆盖西北、东北以及华北等地区，区域内建筑物供暖面积突破 22.6 亿㎡，采暖建筑面积在 6.6 亿㎡左右，占比 29.2%[49]。研究资料表明，寒冷地区建筑供暖比较集中，供暖耗能均值约为 25.3kg/㎡标准煤，由此可知，东北、西北以及华北地区每年需要耗费的煤量为 1670 万吨，除此之外，寒冷地区采用非集中供暖的方式冬季供暖的房屋建筑大约占 16 亿㎡，如果每年耗费的取暖煤量为 28kg/㎡的话，非集中采暖建筑年供暖耗煤量将超过 4480 万吨[50]。虽然北方集中供暖系统已相对成熟，但某些地区还存在很多问题，在冬季建筑室内温度低于 18℃，国内建筑供暖与国外差距尤为显著，尤其是在供暖设备和墙体保温性能上，围护结构外墙和外窗的传热系数是发达国家 3-4 倍，外墙的单位面积耗能相差4－5 倍[51]。随着我国生活水平日益提高，近年来人们对房间热舒适要求也随之提高，建筑的能耗也更加增多，因此，重视寒冷地区的建筑节能工作不容小觑
第 3 章墙体保温体系的优缺点探讨及浅析
3.1外墙内保温体系
3.2外墙夹芯保温体系
3.3外墙内外混合保温体系
3.4外墙外保温体系
第 4 章夏热冬冷地区（武汉市为例）办公建筑外墙保温优化设计
4.1模型选址及基本设定
4.2能耗模拟及分析
4.3能耗模拟及数据结果
4.4不同保温层厚度能耗结果分析
第 5 章夏热冬冷地区办公建筑外保温经济效益分析及对人体热舒适影响
5.1全生命周期成本公式
5.2经济厚度计算公式
5.3经济回收期的计算公式
5.4计算结果与讨论
第 6 章 总结与展望
本文研究成果以及得出的结论为：
1.通过研究夏热冬冷地区办公建筑热环境、保温体系和空调用能特点等内容，确定最为科学合理的保温方案。夏热冬冷地区的夏季炎热冬季湿冷四季分明的特点，并普遍不重视围护结构的隔热保温，导致办公建筑的空调年能耗量远高于其他地区。根据其以上能耗特征，选择出热舒适性好，热桥现象少的外保温体系，选择应用较广性价比高的 XPS 保温材料，并采用 DeST 能耗模拟结果分析得出，合理设定空调间歇运行模式更有利于降低建筑物能耗。
2.模拟模型建筑在夏热冬冷地区间歇式、分室用能模式下，外墙在选择各种保温层厚度时对夏季制冷、冬季采暖和全年能耗的影响。DeST 模拟结果表明，XPS保温层厚度越大，建筑能耗越低，节能效果越好。但随着厚度的增加，能耗的降值会逐渐趋于缓慢，保温墙体传热系数到达一定值时，继续增加厚度，能耗变化会趋于水平直线，而材料的经济费用却在不断升高，因此保温材料存在合理的经济厚度。
3.模拟计算办公建筑采用外墙外保温时的全生命周期成本，计算出保温层最合理的厚度大小，从而更好的展开后续工作，在市场调研之后，计算出墙体外保温技术的全生命周期成本和回收周期。投资现值由能源费用和材料费用组成，当达到最低值时，建筑实现的节能经济性最好，通过能耗值代入计算及实际调研，可得武汉地区保温层经济厚度为 40mm 左右，并结合最佳保温层经济厚度，计算 XPS保温回收期为 4 年左右，可见具有回收期短，投资少，节能收益期长的优点，外墙外保温体系对夏热冬冷地区建筑的后期节能经济效益可观。
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