本文是一篇建筑论文,本文根据居住建筑75%节能要求的提出分别选取包头市2019年(居住建筑75%节能实施)前后的两个典型居住建筑作为研究对象。
1 绪论
1.1 研究背景与研究意义
1.1.1 研究背景
自改革开放起,我国经济迅速增长,工业化进程成效显著。但与此同时,这一发展致使生态环境遭到破坏、资源加速枯竭,还引发了温室气体等问题,给民众生活造成诸多不便,对构建可持续发展的经济体系形成了一定阻碍。2020年9月22日,国家主席习近平在第75届联合国大会一般性辩论中向国际社会郑重宣布:“中国将提高国家自主贡献力度,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”[1]。李克强总理在2021年的全国两会政府工作报告中,同样强调了“碳中和、碳达峰”的重要性,使“双碳”目标成为社会瞩目的热点议题[2]。针对此类环境问题,二十大报告明确指出,要加快发展方式绿色转型,实施全面节约战略,发展绿色低碳产业,倡导绿色消费,推动形成绿色低碳的生产方式和生活方式[3]。根据国家发展改革委、国家能源局印发的《能源生产和消费革命战略(2016—2030)》,到2030年,我国能源消费总量要控制在60亿tce以内,实施能源消费、碳排放总量和强度“双控”不仅势在必行,而且迫在眉睫[4]。
建筑能耗、交通运输能耗和工业能耗三者构成了社会总能耗,目前我国建筑能耗已经接近社会总能耗的30%,是全球碳排放的主要来源国家之一。国际能源署(IEA)在2023年世界能源展望报告中显示我国可燃燃料的二氧化碳排放量占全球排放量的31.7%,2000年到2021年的平均增速为23%,直到2021年我国燃料燃烧产生的CO2排放量为10648.54公吨,是整个亚太地区排放量最多的国家[5]。根据清华大学建筑节能研究中心对我国建筑领域耗能的核算结果,2019年我国建筑领域能耗占全社会总能耗的33%,二氧化碳排放占全社会总CO2排放量的约为38%[6]。美国能源情报署(EIA)研究预测,中国未来能耗将达到64.04亿吨标准煤,建筑能耗为12.93亿吨标准煤[7]。2023年我国能源消费总量57.2亿吨标准煤,比上年增长5.7%。煤炭消费量增长5.6%,煤炭消费量占能源消费总量比重为55.3%[8]。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内研究现状
新疆大学康凯使用MQMC软件对新疆地区85系列铝合金外窗型材(隔热断桥铝合金型材、塑料型材、复合型材)、中空玻璃系统分别进行热工模拟计算,通过改变各个型材的腔体数量和玻璃空气层中不同空气层数以及空气层厚度,计算其K值。最终得出采用穿条式的铝合金型材、增加隔热条截面高度和合理选择中空玻璃配置是改善铝合金窗K值的关键[17]。
陈洪根等采用MOMC软件对传统隔热铝合金窗型材和新型隔热铝合金窗型材的节点热工性能分别进行了模拟计算和对比分析,新型隔热铝合金窗型材和传统隔热铝合金窗节点K值模拟结果相比,节点K值下降了1.00~1.46W/(m2·K),下降约50%。新型隔热铝合金窗型材镀膜充氩气3层中空玻璃组合的情况下,其K值可以达到1.(0m2·K),达到了《近零能耗建筑技术标准》GB/T51350-2019严寒地区的要求[18]。
青岛理工大学刘立杰运用层次分析法和模糊综合评价法4种建筑外强外保温节能技术、3种外窗型材、3种节能玻璃和4种建筑屋面节能技术的地方适用性、经济性以及优缺点的分析,并且通过软件DeS T计算外窗型材的热工及能耗变化,最终选择空气层厚度为12mm的塑钢中空玻璃外窗作为东北地区节能外窗的首选材料[19]。
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2 外窗传热理论及能耗影响因素
2.1 外窗传热方式
热传导作为热量传递的基本方式之一,在建筑窗户热量交换过程中具有关键作用,因为窗户两侧存在一定温度差,使得热量以分子、原子及自由电子等微观粒子热运动的形式,借助玻璃、窗框等材料,从温度较高区域自然地流向温度较低区域,在这个过程中,玻璃和窗框各自的导热系数是决定热传导速率的关键因素。普通玻璃一般有相对较高的导热系数,热量可比较容易且快速地穿过玻璃进行传递,当室内外温差较大时,夏天室外的高温热量会透过普通玻璃大量进入室内,增加室内制冷能耗,冬天室内的热量也会迅速凭借玻璃散失到室外,降低室内的温暖程度,而对于窗框部分,传统的铝制窗框由于铝材料自身较高的导热系数,热量很容易沿着窗框传导,导致能量损失。
热对流主要在窗户的内外表面跟紧邻的周围空气间发生,冬季时,室内环境因供暖维持着相对较高温度,室内温度高的空气分子碰到温度较低的窗户内表面,热量会快速从热空气传到窗户内表面,空气遇冷后密度增大,这些被冷却的空气在重力作用下向下流动,下方原本温度低的空气被置换上升,如此循环,就在窗户内表面附近形成了对流。室外冷空气持续和窗户外表面接触,窗户外表面低温让室外空气温度降低,冷空气下沉,形成室外空气流动,这种因窗户表面温度差异引发的室内外空气对流现象,使室内热量不断经窗户散到室外,降低了室内温暖程度,增加了供暖系统能耗。窗户内外表面与周围空气间的热对流都会不可避免地造成热量交换,这种热量交换会依季节不同,对室内热量状况产生增加或减少的影响,对室内舒适度和能源消耗产生关键作用。
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2.2 外窗传热过程
正如上文所述,建筑外窗对太阳辐射转化成房间内热量的三种方式正是这三种热传递方式[43]。当太阳光投射到玻璃表面时,有部分能量会被玻璃表面反射,这部分太阳辐射不转变为房间得热;大部分热量会透过玻璃进入室内,成为室内得热,还有部分能量会被玻璃所吸收,从而导致玻璃表面温度上升。被吸收的这些能量中,有部分会通过长波和对流辐射的形式流向室外,而剩下的部分能量同样会以长波和对流辐射的方式进入室外,不会成为房间得热。玻璃的反射率越高,透过率与吸收率越低,那么太阳辐射的得热量也就越少。
夏季,白天太阳光照射与太阳辐射导致室外温度显著高于室内,窗户成为热量传递的媒介,不断将外部热能引入室内,促使室内温度逐渐攀升,直至达到室内外温度平衡。此外,由于太阳辐射及空气对流作用,高温室外环境的热量会不断地透过窗户向室内扩散。只要存在温差,这种热量交换现象将持续进行。夜晚,大气温度急剧下降,若室内温度仍高于室外,室内热能则会通过窗户的热传导、空气对流以及辐射等途径逆向传递至室外。冬季时,室内温度相对较高,室内热量不仅通过辐射、对流和传导途径外泄,还因窗户开启和空气泄漏加速了热量流失,导致室内温度显著下降。要减少热量损失,有效提高窗的节能效果,就要提高窗的热阻[44]。
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3 包头市居住建筑外窗能耗现状调研与分析 ........................ 26
3.1 居住建筑外窗发展概况.............................. 26
3.2 居住建筑外窗能耗调研........................... 26
4 包头市居住建筑外窗传热系数实测与模拟 ..................................... 39
4.1 外窗系统热工性能实测计算 ............................. 39
4.1.1 玻璃传热系数 ................................. 40
4.1.2 窗框传热系数 ...................................... 43
5 包头市居住建筑外窗能耗模拟及优化策略 .......................... 62
5.1 软件模拟方案 ................................. 62
5.1.1 能耗模拟软件介绍 ............................... 62
5.1.2 DeST-h软件简介及特点 ............................. 63
5 包头市居住建筑外窗能耗模拟及优化策略
5.1 软件模拟方案
5.1.1 能耗模拟软件介绍
随着科技演进、经济社会的发展以及民众生活品质的持续改善,建筑的舒适性标准正日益受到高度重视。与此同时,习近平总书记强调,我国生态环境保护结构性、根源性、趋势性压力尚未根本缓解,我国经济社会发展已进入加快绿色化、低碳化的高质量发展阶段,生态文明建设仍处于压力叠加、负重前行的关键期,必须以更高站位、更宽视野、更大力度来谋划和推进新征程生态环境保护工作,谱写新时代生态文明建设新篇章[71]。要求建筑在舒适度提高的同时,能够达到节能目的,保护生态环境。伴随着电子科技的发展,出现了许多能够选择建筑的外围护结构、遮阳设施、以及各种现代的建筑能耗模拟软件,以便于在建筑设计时,能够模拟出建筑整体能耗情况,达到节能减排的目的。目前,被广泛认可的能耗模拟软件包含以下几种:ESP-r、DOE-2、eQ uest、EnergyPlus、DesignBuilder、DeST等[72]。
DOE-2作为建筑能耗模拟软件,由美国能源部于1979年推出。经过几十年的持续优化与实际工程的验证,该软件已在全球建筑行业范围内建立了极高的认可度,成为建筑节能领域使用最广泛的软件之一。其权威性和普适性使其在全球建筑能耗评估实践中占据重要地位,被公认为该领域应用范围最广的基准性软件平台。DOE-2采用“传递函数法”模拟计算建筑的逐时负荷,采用了模块化的软件架构设计,其由四个不同的功能模块组成,即能耗模块、系统模块、设备模块和经济分析模块,即LSPE(Loads、Systems、Plants、Economics)架构[73]。DOE-2采用“传递函数法”进行独立模块的计算,使各功能之间保持相对独立运行。其架构设计具有开创性意义,推动了整个行业向模块化、标准化方向的演进。
建筑论文参考
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6 结论与展望
6.1 结论
本文主要研究的是关于严寒C区包头市居住建筑外窗K值与冬季建筑外窗能耗。在阅读相关参考文献后,展开对包头市居住建筑外窗实地调研,了解当地居民冬季室内热舒适度,以及外窗热工性能现状。在此基础上通过理论分析、实测和软件模拟等研究方法,初步探索适合严寒C区居住建筑外窗低能耗技术。得出如下主要结论:
(1)通过对调研数据的整理,根据相关规范实测和软件模拟计算出居住建筑外窗玻璃、窗框和整窗K值,天疆骊城断桥铝双玻窗和万科中央公园断桥铝三玻窗整窗K实测值分别是2.643W/(m2·K)、1.743W/(m2·K),模拟值分别是2.465W/(m2·K)、1.554W/(m2·K)。其中,天疆骊城断桥铝双玻窗(6mm+12A+6mm)整窗K值符合1996年实施的《民用建筑节能设计标准》JGJ26-95(50%居住建筑节能标准)中规定的外窗传热系数限值,但是超过2010年实施的《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ26-2010(65%居住建筑节能标准)中规定外窗传热系数限值,不符合居住建筑65%节能标准。万科中央公园断桥铝三玻窗(6mm+12A+6mm+12A+6mm)整窗K值符合居住建筑75%节能标准。
(2)玻璃系统中,采用6mmLow-E+V+6mm+V+6mm,气体间层厚度为12mm,填充95%浓度氩气时,Low-E膜优先选择外侧玻璃的室内侧表面位置,热工性能最好。窗框系统中,断桥铝70系列铝合金窗框的热工性能明显高于其他系列窗框。采用70系列断桥铝三层中空玻璃窗(6mmLow-E+12Ar+6mm+12Ar+6mm),整窗K值为1.032W/(m2·K),相较于断桥铝双玻窗降低58.13%,相较于断桥铝三玻窗降低33.6%,能够有效的降低K值,减少能耗。
参考文献(略)