夏热冬暖区域既有居住建筑节能改造模拟分析
——以厦门市海滨楼为例

邓建勋，石 峰，沈智舟，金 伟

（厦门大学 建筑与土木工程学院，福建 厦门 361005，E-mail：djxun21cn@sina.com）

夏热冬暖区域既有居住建筑节能改造模拟分析
——以厦门市海滨楼为例

邓建勋，石 峰，沈智舟，金 伟

（厦门大学 建筑与土木工程学院，福建 厦门 361005，E-mail：djxun21cn@sina.com）

为了研究夏热冬暖区域既有居住建筑节能改造情况，通过分析国内外建筑节能改造经验，结合厦门市夏热冬暖地域地理环境特点，基于能耗模拟分析软件，建立模拟图形模拟分析厦门市一栋经节能改造的既有建筑室内热环境和光环境，进行节能改造前与改造后的能耗情况对比分析。研究表明，对既有居住建筑采用加设遮阳构件和提高玻璃物理属性的办法，能够较好地达到节能改造目的。提出相关建议，以便给予同类型建筑节能改造提供相关数据参考，有利于进行节能改造设计优化。

既有建筑；节能改造；夏热冬暖地区；能耗模拟

1985年厦门市仅有800万m2左右的房屋建筑，而到了2004年，这个数字增长了近20倍，大面积的既有建筑缺少节能设计导致建筑能耗居高不下。其中，既有公共建筑的能耗最大，其次是城市既有居住建筑能耗，最后是农村既有住宅用地能耗。针对既有公共建筑能耗过大问题，2015年厦门市政府出台了厦门公共建筑能耗定额（DB3502-Z-5008 -2015），提出了各类建筑单位的能耗目标值与限定值。厦门市作为节能改造试点城市，政府一直关注公共建筑的高能耗问题，对公共建筑的节能改造给予每平方米40元的补助，主动推行能源合同管理模式和PPP模式在节能改造中的应用，然而，相对缺乏在城市既有居住建筑节能改造方面的措施，所以在借鉴既有公共建筑节能改造经验基础上，进一步推进整座城市的节能改造。

厦门市位于夏热冬暖地区，其住宅耗能主要集中在夏季散热和冬季保暖等问题上，而既有住宅的节能改造一般以围护结构以及可能散失屋内热能的门窗洞口作为改造的重点。这些方面已经有许多成熟的技术，因此厦门市既有住宅节能改造在技术上是可行的。目前，我国建筑节能技术体系在制定相关标准方面取得了一些成绩，但是在实际应用上还与发达国家存在一定的差距。近年来国家在夏热冬暖地区逐渐重视建筑节能工作，所以需要理论探究的经验进行指导。厦门市以往建筑的外围护结构的热工性能平均水平与节能规范要求相比还有一定差距[1]。厦门市以往很多建筑采用的是通透的单层玻璃窗户，玻璃厚度较薄，窗户上没有设置遮阳构件，遮阳系数低，在夏季建筑室内容易受太阳的辐射，建筑室内温度高，能耗大。因此，推进既有建筑节能改造工作的广泛施行，提高能源使用效率，降低建筑能耗，已经成为我国建筑节能工作亟待解决的问题。

1 国内外研究现状

1.1 国外的建筑节能研究分析

在建筑节能方面，国外很早就开始了对建筑室内能耗环境的研究。20世纪70年代，西方学者便开始着手对建筑节能技术的分析研究，他们意识到建筑节能技术在节能改造中起着至关重要的作用。L.song等[2]以一个工程项目为例用简化的AirModel热环境模拟软件研究了能耗管理及其控制系统（EMCS）进行探测和问题诊断，选择HVAC系统运行最优化策略。随着能耗模拟软件的发展，出现了许多不同的建筑节能模拟软件，Tasnova Alam Jesha等[3]花了一年时间采集纽芬兰的两座房子的数据，用Beopt建筑模拟软件对比分析了能耗情况，结果表明能耗模拟和实际测得能源消耗情况相差不多，用准确的数据为研究能源的使用和使用行为提供参考。在进入21世纪之后，西方国家对建筑节能研究更为具体，并且成功地将研究成果应用于实际建筑物的节能实施方面，Basil KAMEL等[4]用能耗模拟软件Energy Builder模拟经绿色屋顶改造的旧住宅楼，从全寿命周期成本角度研究了绿色屋顶土壤厚度与能耗关系，研究发现经改造的屋顶比原先节能15%～32%，15cm的土壤厚度可每年节约15%的能耗，并且屋顶的最佳节能效果纵横比为1∶1.5。Chao WANG等[5]运用程序算法来实现及时准确的自动获取3D温度区与2D建筑平面图的云数据，将温度区域分为建筑围护区域和室内空间各自进行数据的采集，然后输入建筑能耗模拟分析软件分析能耗情况，自动获取数据可以有效节省人力和时间消耗，使得能耗分析更加可靠。目前，在如何利用建筑节能理论和节能技术，结合地域气候环境等因素，实现已有建筑节能设计优化与改造依然是研究重点。

1.2 国内的建筑节能研究分析

与国外相比，我国对于建筑节能模拟分析是本世纪初才慢慢开展的，研究初期，主要研究介绍一些模拟负荷计算方法[6]，如静态和动态模拟方法，并提出了能耗模拟的发展方向，包括改进函数传递法，引入新的热传导理论和数学技巧以及建立综合建筑设计环境等。在随后几年的发展过程中，我国建筑能耗模拟软件越来越成熟，清华大学开发的建筑能耗模拟分析软件DeST-h被广泛关注，被一些学者用来进行夏热冬冷地区的住宅节能改造能耗模拟分析，模拟了保温砂浆的经济厚度，以及采用节能窗户和玻璃能够有效改善能耗损失。另外，华中科技大学针对能耗较大，人数密集的学生公寓改造中运用PKPM软件，模拟分析了建筑节能改造不仅有利于改善学生居住环境，还产生一定的社会效益[7]。在大空间建筑方面，有学者探讨了利用EnergyPlus与CFD相结合，研究了大空间温度分层的能耗，并以夏热冬冷地区候车大厅为例，计算大空间建筑的能耗情况，验证了在大型空间建筑中采用温度分层方法可以取得较显著的节能效果[8]。对于夏热冬暖地区，由于其地域特定的气候特征，白天日照时间较长，建筑获得大量太阳能的热量往往是通过建筑玻璃，因此，建筑窗户采用什么样的玻璃将是影响建筑节能的重要因素。一些学者对建筑用玻璃的遮阳性能和采光性能情况进行了理论和实测的分析[9]，通过收集不同类型的一千多个建筑常用玻璃样本，进行了测试分析，为夏热冬暖地区建筑窗户和幕墙选用什么类型的建筑玻璃提供了一定的依据。有研究表明，夏热冬冷区域建筑是否节能与吸热玻璃、热反射玻璃、Low-E玻璃等不同种类玻璃性能相关性很大[10]。因此，建筑玻璃的使用在建筑节能中占有很重要的地位。一些学者通过对建筑外墙采用不同的保温系统进行实验模拟对比分析，并分析外保温、内保温和自保温墙体的特点，为外墙保温节能提供样本[11]。在我国严寒地域，一些学者以设计的一栋绿色建筑为例，运用DeST-h软件对该建筑建立能耗模拟，与普通建筑进行逐项能耗的模拟对比，该建筑主动节能和被动节能的综合运用达到较好的节能效果[12]。

然而，对于夏热冬暖地区的节能改造模拟分析较少，有必要针对夏热冬暖地区的模拟分析进行讨论研究，因此论文从实际案例出发，选取了一栋经节能改造的海滨住宅楼。采用DesignBuilder（能耗模拟）和Ecotect（光环境模拟）两款广泛使用的能耗分析软件从两方面对节能改造前后的能耗进行分析，以便指导夏热冬暖地区的节能改造。

2 厦门既有居住性建筑节能模拟模型

2.1 厦门地域的气候条件

厦门属于夏热冬暖地域，气候特征是南亚热带海洋性气候。厦门在夏季时温度高且降雨量多，其在冬季时温和且降雨量较少。正常情况下，太阳辐射对建筑物的室内热环境影响最大。而太阳辐射与日照的时间紧密相连，因此建筑需要对不同功能的空间根据其日照需求进行日照设计。

厦门地区全年日照总时数2000小时左右，累计全年平均日照时数百分率为51%，其中7月最多，3月最少。厦门地区夏季时间较长，且受沿海太平洋气流的影响，风多风大，可以为建筑提供良好的通风条件，年平均风速在3.4m/s左右，主导风力为东南风。厦门风环境随季节的变化更替明显，总体上看，该地区常年多为东北风，其中10月份和11 月份风力最大。

2.2 既有居住建筑项目概况

为了研究夏热冬暖地域既有居住性建筑的节能改造前后的状况，本文以厦门市区靠近海边的某80年代的居住建筑海滨7#楼为模拟研究对象。该建筑共7层楼，首层全为储藏间，高2400mm，其余各层层高为3000mm，主体部分为砖混结构。该建筑外墙为240mm粘土多孔砖砌体，窗户采用的是钢窗，玻璃采用的是6mm无色透明单玻璃。东西向缺少遮阳措施，屋顶缺少较好的保温隔热措施，夏季烘烤感明显，特别是顶层用户舒适度较低。因此外围护结构(包括门窗部分)的传热系数偏大。特别是窗户其传热系数大,气密性差,且太阳辐射透过率高,因此是建筑隔热的最薄弱环节。既有建筑东西向缺少遮阳设计，导致室内的保温隔热效果差。屋面老旧严重，保温隔热失效，热阻值小。为此，有必要对该既有建筑进行节能改造，测试住宅楼在采取节能改造措施后的内部热环境改变情况。

厦门一般最高气温出现在7月，最低气温出现在1月，因此所选模拟测试日期选为夏季7月，冬季1月。模拟测试项目包括室内温度以及区域热量得失情况。图1为住宅楼的基本分析模型。图2为该住宅楼的平面布局图。

图1 公寓楼基本分析模型

图2 标准层平面图

2.3 软件分析方法

通过实地采集建筑相关能耗数据，在DesignBuilder软件中建立模型，先将建筑结构中材料以及HVAC系统等模块设置好，逐一模拟多种建筑物围护结构、暖通空调类型、建筑物采光以及遮阳措施，进而输出各单项能耗负荷数据，研究变量对能耗的影响。空气热平衡方程式是DesignBuilder软件模拟计算的核心部分[13]。

Ecotect采用的是英国的准入系数法，是属于一种动态的计算方法，采用这两种软件是因为能够各取所长，二者建模思路是可以相互补充发挥两者的优势，Ecotect是由区域到体量，而DesignBuilder则相反，另外，Ecotect在通风设定上不能设置机械通风和窗户开启时间，而DesignBuilder[14]能够在软件中模拟设置自然通风，机械通风和窗户开启时间。两个软件的结合应用能够更科学模拟建筑能耗，从而使得结果更加准确。

2.4 模型基本参数设置

模型的基本参数设置包括：室内活动的人员数量；活动的剧烈程度；作息时间和普通电器的使用情况。因为，在此次模拟中这些参数在改造前与改造后都不将产生变化，对模拟的对比无影响，故均采用默认设置。对于部分未涉及或对本次测试影响意义不大的参数未给予设置。

对既有建筑外墙的节能改造，可通过提高建筑外墙的总热阻，以及外遮阳这两个方面来达到减少能耗的目的。外墙实施外墙外保温，采用25mm厚的无机保温砂浆技术，简单可操作性强。另外考虑在建筑东西两侧窗口处增设遮阳板，遮阳板的宽度与窗口同宽，出檐600mm。对窗户的窗框可以采用断桥铝型材，其两面为铝材，中间用塑料型材腔体做断热材料。玻璃采用Low-E6+9A+6中空玻璃等。屋面增设35mm粘贴挤塑聚苯乙烯泡沫板。

表1为模拟建筑物主要构件改造前后的热工性能表。表2为改造前后玻璃的基本性能表。

表1 主要构件热工性能表

表2 玻璃性能表

3 模拟测试

3.1 夏季模拟测试

以第3层作为夏季数据分析对象，模拟的时段为7月1日至7月31日。图3为改造前的室内相关热工数据，图4为改造后的相关室内热工数据。图3显示，7月份的室外最高温度为30.4℃，室内最高有效温度为33.4℃，最低有效温度为28.4℃，室内最高太阳辐射热为31.7kWh，是室内主要得热来源。图4所示，室内最高有效温度为32.2℃，最低有效温度为27.8℃，平均要低于改造前1℃左右。改造后室内的太阳辐射热仅为改造前的一半，室内最高太阳辐射热只有15.2kWh。

在月模拟的基础上，采用相同的方法进行模拟分析进一步分析最高温度日7月4日。分析其热平衡图，其他冷热能量的交换、转移在改造前后并未发生明显变化，改造前后的变化主要体现在太阳辐射量的减少上。在温度图中可以发现改造后的建筑室内温度要小于改造前的。由此可见，加设遮阳棚和提高玻璃的防辐射性能是有助于建筑物夏季防热的。

图3 改造前3层楼7月室内热工数据

图4 改造后3层楼7月室内热工数据

3.2 冬季模拟测试

同样，以第3层作为冬季数据分析对象，模拟的时段为1月1日至1月31日。图5为改造前的相关室内热工数据，图6为改造后的相关室内热工数据。图5显示，1月份的室外最高温度为18.7℃，建筑内最高有效温度为21.4℃，最低有效温度为14.1℃，建筑内最高太阳辐射热为40.7kWh，太阳辐射是建筑室内主要得热来源。图6显示，建筑内最高有效温度为20.2℃，最低有效温度为13.1℃，平均要低于改造前1℃左右。

选取1月24日作为最冷日进行模拟测试。有效温度维持在16～18℃之间，在改造后建筑室内温度却只能维持在14～16℃之间。由此可知，在冬季对于太阳辐射能的减少，可能会加大建筑室内空间的热能耗需求。但同时也需要综合考虑到厦门冬季的温度较为温暖，对建筑室内冬季保暖要求较低。

图5 改造前3层楼1月室内热工数据

图6 改造后3层楼1月室内热工数据

3.3 年总能耗对比

模拟测试改造前与改造后两种情况下，建筑室内采用空调系统进行温度控制的能耗。供热开启温度为12℃，舒适温度为18℃；供冷开启温度为28℃，舒适温度为25℃。表3为改造前后二层平面的年能耗。改造前的空调年制冷能耗为8574.55kWh，制热能耗为1286.96kWh，总能耗为9861.45 kWh；改造后的空调年制冷能耗为7212.44kWh，制热能耗为1433.35 kWh，总能耗为8645.79 kWh。改造后的制冷能耗下降了约1300 kWh，而制热能耗只提高了150 kWh，每年依然能节约1215.66kWh电能。

4 室内光环境与热辐射分析

根据《GB/T50033-2013建筑采光设计标准》，厦门属于IV类光气候区，室外天然光设计照度值Es为13500lx，相应的光气候系数K为1.10，参考平面取距地面0.75m，窗玻璃的污染折减系数τw为0.9，顶棚反射比ρp=0.80，墙面反射比ρE=0.50，地面反射比ρd=0.20，天空模型为CIE全阴天。

图7和图8为运用Ecotect软件模拟所得到的该项目一层左侧单元的原始照度及辐射分布图。由模拟结果所得的室内平均照度为709.87lx，平均采光系数为5.26%。各个房间的光环境均能满足《GB/T50033-2013建筑采光设计标准》中对住宅建筑采光标准值的最低要求，即照度不低于300lx，采光系数不低于2%。

表3 改造前后年能耗

图7 室内照度分布图

图8 室内辐射分布图

其中西北侧的卧室由于开窗面积较大，造成室内照度过强的现象。这样极易在室内形成炫光，影响正常的生活起居。在夏季还容易造成局部太阳辐射过强，间接导致局部区域过热的情况。因此，考虑在建筑东西两侧窗口处增设遮阳板。遮阳板的宽度与窗口同宽，出檐600mm。在相同参数设置的情况下，对设置遮阳的模型进行模拟。西北侧卧室的平均采光系数由9.06%变为6.89%。夏季室内日均辐射量由725.50Wh下降为633.90Wh。

5 结语

本文通过对厦门市的某80年代的老旧住宅进行室内热环境等模拟，分析了影响建筑物能耗因素。由于厦门处于夏热冬暖地区，经过模拟能耗分析发现通过对围护结构等进行节能改造后，空调的制冷能耗显著下降了1300kWh，而制热能耗只提高了150kWh，说明在节能改造中可以适当减少对冬季保暖问题的考虑，重点解决夏季的隔热和降温问题。改造前后的数据表明：提高窗框和玻璃的隔热性能，能够减少热辐射的进入，在西北侧改造玻璃窗后，降低了室内采光系数，热辐射量下降了约100Wh，在夏季起到明显的降温效果；加设遮阳构件有利于减少室内热辐射和眩光，提高室内光环境与热环境；相比较而言，加设保温隔热层的作用和意义没有前两者突出。在分析结果中可以看出，厦门冬季的不舒适时长要远短于夏季的不舒适时长。综上所述，采用加设遮阳构件、提高玻璃物理属性和加设保温隔热措施等办法，来改善既有住宅楼室内热环境有很强的可行性与实际作用。

为此，建议对既有居住建筑的节能改造，改造部位应着重于外窗、屋顶、外墙，技术上应结合采用经济适用的保温隔热材料，综合考虑遮阳、屋面绿化、垂直绿化、通风等。建议对建筑内低效率的老式空调以及能耗较高的白炽灯进行更新，采用变频空调以及LED节能灯。由于厦门地处夏热冬暖的南区，日照时间长，可以考虑太阳能等自然能量的充分利用，建议实施太阳能热水器的一体化应用，对既有屋面进行太阳能热水系统改造。有组织的节能改造，不仅可以美化城市，而且可以节约能源和提高住户的热舒适度，是个“多赢”的效果。

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[14] 张伟伟．Ecotect与Designbuilder在能耗模拟方面的比较研究[D]．南京大学，2012．

Energy Consumption Simulation Study of Existing Residential Buildings in the Subtropical Region—— A Case Study of Seaside Building in Xiamen City

DENG Jian-xun，SHI Feng，SHEN Zhi-zhou，JIN Wei
（School of Architecture and Civil Engineering，Xiamen University，Xiamen 361005，China，E-mail：djxun21cn@sina.com）

To study the energy-saving problem of existing residential buildings in hot summer and warm winter zone，through analyzing building energy-saving experience at home and abroad，combined with Xiamen geographical characteristics and based on energy simulation software，this study simulates and analyzes indoor thermal environment and light environment of the existing building in Xiamen to compare energy consumption after reconstruction. Result show that using sunshade component and improving the physical properties of glass can achieve better energy-saving purposes for existing residential buildings. This paper also gives some advices and suggestions to provide reference data for the same type of energy-saving reconstruction of existing residential buildings and to optimize energy reconstruction design.

existing building；energy saving；hot summer and warm winter zone；energy simulation

TU201.5

A

1674-8859（2016）06-066-06

10.13991/j.cnki.jem.2016.06.013

邓建勋（1974-），男，助理教授，研究方向：工程项目管理与建筑经济，绿色建筑与节能管理，房地产开发管理，城市建设与灾害管理；

石 峰（1981-），男，副教授，研究方向：绿色建筑设计，建筑环境模拟，传统聚落研究；

沈智舟（1993-），男，硕士研究生，研究方向：工程项目管理；

金 伟（1990-），男，硕士研究生，研究方向：绿色建筑设计，传统聚落研究。

2016-05-18．

厦门市建设与管理局科技项目（XJK2013-1-3）；厦门大学大学生创新创业训练项目（2015Y0974）．