零碳建筑技术路线研究

来源 :河北工业科技 | 被引量 : 0次 | 上传用户:cbiba123
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  摘 要:为实现零碳建筑的零碳排放和超低能耗目标,提出了零碳建筑的技术路线。利用负荷能耗指标作为技术评价标准,以保定市某幼儿园实际工程为例,通过DeST软件模拟,分析了本项目全年负荷变化,冷热负荷指标以及负荷能耗指标,然后通过正交试验与极差分析得出不同影响因素对建筑热负荷的影响程度。结果表明,零碳幼儿园全年累计热负荷指标为61.60 kW·h/m2,全年累计冷负荷指标为75.99 kW·h/m2,采暖季热负荷指标为18.36 W/m2,空调季冷负荷指标为25.76 W/m2;不同影响因素对建筑热负荷的影响程度从大到小依次为外墙传热系数>人员密度>设备功率>屋顶传热系数,对建筑冷负荷影响程度从大到小依次为人员密度>设备功率>外墙传热系数>屋頂传热系数。零碳建筑技术路线的运用对于降低建筑能耗、实现建筑零碳目标具有重要意义。
  关键词:建筑设计方法与理论;零碳建筑;节能技术;DeST模拟;正交试验;极差分析
  中图分类号:TU244.1 文献标志码:A
  doi: 10.7535/hbgykj.2019yx06005
  文章编号:1008-1534(2019)06-0396-07
  Abstract:Aiming at the zero-carbon emission and ultra-low energy consumption targets of zero-carbon buildings, the technical route of zero-carbon buildings is proposed. The load energy consumption index is used as the technical evaluation standard. The actual project of zero-carbon kindergarten in Baoding City is taken as an example to analyze with DeST software. The annual load change, cold and heat load indicators and load energy consumption indicators of the project are analyzed, and the effect of different factors on building thermal load and cold load is obtained by orthogonal test and range analysis. The results show that the annual cumulative heat load index of the zero-carbon kindergarten is 61.60 kW·h/m2, the annual accumulated cold load index is 75.99 kW·h/m2, and the heating season thermal load index is 18.36 W/m2. It is 25.76 W/m2 in air conditioning season. The relationship between the influence of different influencing factors on building thermal load is the external wall heat transfer coefficient > personnel density > equipment power > roof heat transfer coefficient; the relationship between the degree of influence on building cold load for personnel density > equipment power > external wall heat transfer coefficient > roof heat transfer coefficient.The use of zero-carbon building technology routes is of great significance for reducing building energy consumption and achieving zero carbon targets.
  Keywords:architectural design method and theory; zero carbon construction; energy saving technology; DeST simulation; orthogonal test; range analysis
  现阶段,中国正处在经济高速发展时期,面对不断推进的新型城镇化建设和不断提高的居民生活水平需求,建筑行业也面临着能源、资源消耗和环境影响之间的冲突和挑战。在全球倡导低碳经济和可持续发展的趋势下,实现能源结构改革,探索零碳建筑模式,必将成为未来城市建设和发展的主流。
  2019年9月1日,由住房和城乡建设部发布的国家标准《近零能耗建筑技术标准》正式实施。
  零碳建筑的概念源于零碳城市,指采用综合建筑设计方法,在不消耗常规污染性能源的情况下,实现建筑物的零碳排放。零碳建筑的核心是在建筑物消耗的能源与其自身产生的能源达到平衡时实现零碳排放。世界上著名的零碳建筑示范项目有伦敦贝丁顿零碳社区、美国赫斯特大厦以及上海世博会零碳馆等[1-2]。
  目前已有不少对零碳建筑技术路线的研究。宋德萱等[3]探究了在夏热冬冷地区发展近零能耗建筑的技术途径和可行性研究。刘伟等[4]通过对建筑气密性等级和新风系统性能参数的研究,分析了建筑气密性对近零能耗居住建筑总体能耗的影响。邓琴琴等[5]分析了近零能耗居住建筑保温系统的应用类型,为北方地区近零能耗建筑外墙保温系统的设计与应用提供了理论依据。   本文研究零碳建筑在寒冷地区的技术路线,从建筑设计、围护结构保温、设备与系统节能3个方面进行论述,并结合保定市实际工程案例进行负荷分析和建筑负荷能耗的影响因素分析。
  1 零碳建筑技术路线研究
  零碳建筑的设计技术和节能技术是实现建筑零碳的核心,通过对零碳建筑相关技术措施的总结和整个技术路线的研究,提出了以下3方面的内容。
  1.1 建筑规划与空间设计
  零碳建筑的规划与空间设计应以建筑物所在地气候特征为导向,根据当地气候特点进行建筑朝向、体形系数、开窗形式、遮阳、通风、室内空间布局的设计[6]。
  1)零碳建筑的規划设计应充分利用当地的地理条件优势和自然资源。通过设置南北向或接近南北向的朝向、紧凑建筑外观、规整建筑体形、合理化建筑空间布局,来营造适宜的建筑内部微气候。增强夏季自然通风和冬季自然采光,实现建筑内环境的自调节功能。
  2)零碳建筑应以零碳排放和超低能耗为目标,采用遮阳技术和自然通风技术等措施降低建筑物的供热供冷负荷。遮阳设计应综合考虑房间功能需求和窗户所在朝向。常用的遮阳技术有设置不同类型的遮阳设施和采用特殊材料的玻璃(热反射玻璃、镀膜玻璃、低发射率膜玻璃等)。自然通风技术是通过设计建筑物中庭、廊道等结构,利用风压、热压以及机械辅助通风等形式,来实现自然通风效果。常用的技术有设置排风装置、设计建筑夹层通风空间以及设计大空间立体中庭[7]。
  1.2 围护结构的保温
  零碳建筑围护结构的保温应综合考虑当地气候条件、建筑使用功能以及建筑物类型。
  1)零碳建筑墙体及屋面的保温技术可分为自保温技术和复合材料保温技术。自保温是指墙体材料自身具有保温效果。复合材料保温是指由传统材料+新型材料+绝热材料所构成的围护结构。常见的零碳建筑外墙保温做法有:自保温、内保温、外保温以及夹芯保温。常见的零碳屋面保温做法有倒置型外保温屋面、通风屋面、坡屋面以及种植屋面等技术。
  2)零碳建筑的门窗设计和选择是降低建筑能耗的关键步骤。在进行外窗设计和选择时应当综合考虑窗户的玻璃层数、Low-E膜层、边部密封、窗框材料及外窗开启方式。对于外门的设计,需要分区考虑,严寒地区需设置门斗;寒冷地区可设置双层外门;其他地区外门宜采取防风防渗透措施[8]。
  1.3 建筑设备与系统的节能
  1)零碳建筑的供暖供冷应优先利用可再生能源(太阳能、风能、地热能等)。设计时宜采用土壤源热泵、空气源热泵以及辅助电采暖炉等设备[9]。
  2)零碳建筑的给排水系统应按照高质高用、低质低用的原则进行分配和处理。建筑物内应采用节水器具和设备。例如,卫生间宜采用低水量冲便器和感应式水龙头。
  3)零碳建筑的照明系统应选择高效节能的照明器具,以及智能照明控制系统来减少耗电量。建筑物内公共区域照明宜采用声光控制、定时控制及红外感应控制等控制技术。室外照明宜采用太阳能路灯或风电路灯作为光源。
  2 案例分析
  2.1 项目概况
  河北省保定市地处京津冀核心地区,是国家发改委确定的全国首批8个低碳城市试点之一。直隶新城幼儿园位于河北省保定市向阳北大街直隶新城示范社区内,项目总建筑面积5 619 m2,占地面积1 694.56 m2,框架结构形式,地上3层,局部4层,无地下室,建筑内部主要功能区包括多功能教室、办公室、体音美活动室、门卫室等。建筑总平面图和建筑功能分区图分别见图1和图2。本项目根据零碳建筑技术路线进行规划设计,在保证幼儿园建筑功能需求和室内环境舒适的前提下,尽可能降低建筑碳排放量和建筑负荷能耗[10]。
  2.2 建筑节能技术
  本项目使用的零碳技术主要有阳光房设计、遮阳技术、自然采光通风技术、新风热回收系统以及绿化屋顶设计等,具体措施见表1[11-13]。
  2.3 建筑负荷分析
  2.3.1 评价指标的选取
  依据《近零能耗建筑技术标准》(GB/T 51350—2019)和《被动式超低能耗绿色建筑技术导则(试行)居住建筑》选取零碳建筑评价指标,将分季节负荷面积指标和全年负荷能耗指标作为建筑冷热负荷需求和建筑能耗的评价依据。
  2.3.2 模型参数的设置
  利用DeST能耗分析软件对零碳幼儿园的全年供热、供冷能耗进行模拟计算,模拟计算模型见图3。
  在DeST软件中设置幼儿园建筑采暖期为11月15日至次年3月15日,共122天,其中将寒假时间设置为1月15日—2月20日;设置空调期为6月1日—8月31日,共92天,其中暑假时间设置为7月15日—8月31日。室内热扰设定参数见图4。围护结构的保温构造做法见表2。建筑负荷能耗计算结果见表3。
  2.3.3 计算结果分析
  通过负荷计算得出整个建筑物全年逐时负荷变化图(见图5)和全年逐时单位面积负荷变化图(见图6)。由图可知,该建筑物全年冷热负荷变化幅度较大,夏季冷负荷明显增大,全年最大冷负荷值为449.76 kW。全年最大逐时冷负荷指标为113.59 W/m2。冬季热负荷明显增大,全年最大热负荷值为337.79 kW。全年最大逐时热负荷指标为85.81 W/m2。保定市属于典型的大陆性季风型气候,冬夏较长,春秋较短。另外,可得到分季节负荷指标和全年负荷面积指标,其中采暖季热负荷指标为18.36 W/m2,空调季冷负荷指标为25.76 W/m2,全年累计热负荷指标为61.60 kW·h/m2,全年累计冷负荷指标为75.99 kW·h/m2[14-15]。
  3 建筑负荷能耗影响因素敏感性分析   3.1 能耗模拟正交试验设计
  为研究不同影响因素对建筑物负荷的影响关系,现取外墙传热系数Kwall、屋顶传热系数Kroof、人员密度D、设备功率Qe共4个因素进行敏感性分析,每个因素取3个水平[16],其中第1个水平为本文案例分析中的设置参数,各因素水平见表4。进行建筑能耗模拟时,若每个因素取 3 个水平,则需做 64 次模拟试验,耗时较长。因此,本文采用正交试验法简化模拟过程,根据正交试验设计方案[17],将各参数输入到DeST模拟软件的相应位置,可得出9组试验工况下给定建筑全年累计热负荷和冷负荷,其正交试验设计方案及计算结果汇总见表5。
  3.2 影响因子极差分析
  极差分析包括计算和判断2个步骤。Kjm为第j列因素m水平所对应的试验指标和,
  jm为Kjm的平均值。由jm的大小可以判断j因素的影响显著性水平。Rj为第j列因素的极差,即j列因素各水平下指标值的最大值与最小值之差,其计算公式见式(1)。
  将各因素的极差进行比较,由极差大小顺序便可判别各因子的影响主次。极差最大者,敏感度最大,影响程度最大;极差较小者为较次要的因素,依次类推[18]。极差分析结果见表6和表7。
  从极差分析结果中可得出:不同影响因素对建筑热负荷影响程度从大到小依次为外墙传热系数>人员密度>设备功率>屋顶传热系数;不同影响因素对建筑冷负荷影响程度从大到小依次为人员密度>设备功率>外墙传热系数>屋顶传热系数。因此,技术人员在进行节能设计时,在满足室内舒适性要求的前提下需尽可能提高室内设计温度,并考虑减小设备功率。在设置围护结构保温时,重点考虑外墙的保温构造设计。
  4 结 语
  本文通过对零碳建筑的实例研究,提出了零碳建筑技术路线。以保定市某幼儿园实际零碳工程为例,使用DeST能耗模拟软件对该项目进行负荷能耗模拟,分析了该项目的负荷组成、负荷变化、分季节负荷指标以及全年累计负荷指标。采用正交试验与极差分析法,对该地区幼儿园类公共建筑负荷能耗影响因素进行了敏感性分析。通过模拟研究,得到以下结论。
  1)零碳建筑技术路线分为建筑规划与空间设计、围护结构的保温以及建筑设备与系统的节能3个方面。通过案例分析表明零碳建筑技术路线的运用对于降低建筑能耗、实现建筑零碳目标具有重要意义。
  2)通过案例负荷能耗计算可得,零碳幼儿园全年累计热负荷指标为61.60 kW·h/m2,全年累计冷负荷指标为75.99 kW·h/m2;采暖季热负荷指标为18.36 W/m2,空调季冷负荷指标为25.76 W/m2。
  3)通过正交试验与极差分析可知,不同影响因素对建筑热负荷影响程度从大到小依次为外墙传热系数>人员密度>设备功率>屋顶传热系数;不同影響因素对建筑冷负荷影响程度从大到小依次为人员密度>设备功率>外墙传热系数>屋顶传热系数。
  4)本文尚有一些不足之处,如:公共建筑类型广泛,只针对某一特定类型开展研究,不具备普遍性;在进行负荷能耗影响因素敏感性分析时选取的影响因素不够全面。未来需对不同类型公共建筑及其体形系数、窗墙比、建筑朝向等因素进行分析。
  参考文献/References:
  [1]操红.解读零碳建筑[J].工业建筑,2010,40(3):1-3.
  CAO Hong. Analysis of zero carbon buildings[J].Industrial Construction,2010,40(3):1-3.
  [2]陈立新.基于零碳技术路线的建筑工业化实例探索[J].绿色建筑,2017,9(3):17-20.
  CHEN Lixin.Research on pre-fabricated building project based on technology of zero-carbon[J].Green Building, 2017,9(3):17-20.
  [3]宋德萱,韩抒言.夏热冬冷地区近零能耗建筑技术途径探索[J].南方建筑,2018(2):51-54.
  SONG Dexuan, HAN Shuyan. Exploration of the approaches of near-zero energy buildings construction technology in hot summer and cold winter areas[J]. South Architecture, 2018(2):51-54.
  [4]刘伟,于震,龚红卫.建筑气密性对近零能耗居住建筑新风系统能耗的影响[J].建筑科学,2019,35(6):66-72.
  LIU Wei, YU Zhen, GONG Hongwei. Influence of air tightness on energy consumption of central ventilation system in nearly zero energy residential building[J]. Building Science,2019,35(6):66-72.
  [5]邓琴琴,江威,赵矗, 等.近零能耗建筑外墙外保温系统性能检测研究[J].建筑节能,2018,46(8):13-18.
  DENG Qinqin, JIANG Wei, ZHAO Chu, et al. Performance testing of external wall thermal insulation system of near zero energy consumption building[J].Building Energy Efficiency,2018,46(8):13-18.   [6]徐伟,邹瑜,孙德宇,等.《被动式超低能耗绿色建筑技术导则》编制思路及要点[J].建设科技,2015(23):17-21.
  [7]田鑫东.关中乡村近零能耗居住建筑设计研究[D].西安:西安建筑科技大学,2017.
  TIAN Xindong. Research on the Design of Nearly Zero Energy Residential Buildings in Guanzhong Rural Area[D]. Xi'an: Xi'an University of Architecture and Technology, 2017.
  [8]孔德信.绿色建筑节能方案与设计——以围护结构为例[D].武汉:湖北工业大学,2018.
  KONG Dexin. Energy-saving Scheme and Design of Green Buildings: Taking Enclosure Structure as an Example[D].Wuhan: Hubei University of Technology, 2018.
  [9]陈强.山东地区被动式超低能耗建筑节能研究[D].济南:山东建筑大学,2016.
  CHEN Qiang. Research on Energy Conservation of Passive House in Shandong District[D]. Jinan: Shandong Jianzhu University,2016.
  [10]赵明明,马伊硕.烟台市建城丽都居住区E地块幼儿园被动式超低能耗绿色建筑能耗分析[J].建设科技,2018(13):61-64.
  ZHAO Mingming, MA Yishuo.Energy consumption analysis of passive and ultra-low energyconsumption building of kindergarten in block E, Lido residential area, Jiancheng, Yantai[J]. Construction Science and Technology, 2018(13):61-64.
  [11]苗馨馨.酒泉高校教学建筑节能设计策略研究[D].兰州:兰州理工大学,2018.
  MIAO Xinxin. Research on Energy-saving Design of Campus Buildings in Jiuquan[D]. Lanzhou: Lanzhou University of Technology, 2018.
  [12]马坤茹,李雅欣,颜丽娟.被动式太阳房阳光间通风口优化设计[J].河北工业科技,2019,36(2):107-114.
  MA Kunru, LI Yaxin, YAN Lijuan. Optimized design of vents in additional sunlight inpassive solar house[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 2019, 36(2): 107-114.
  [13]王刚,王文跃,崔明辉.窗墙比对室内热舒適性指标PMV影响的研究[J].河北工业科技,2014,31(1):87-90.
  WANG Gang, WANG Wenyue, CUI Minghui. Study on the influence of the window-wall ratio on indoor heat comfortability index PMV[J]. Hebei Jounal of Industrial Science and Technology, 2014,31(1):87-90.
  [14]唐伟伟,张伟林,方廷勇.夏热冬冷地区某公共建筑能耗的计算与模拟[J].建筑节能,2011,39(4):69-72.
  TANG Weiwei, ZHANG Weilin, FANG Tingyong. Calculation and simulation of energy consumption for a public building in hot summer and cold winter zone[J]. Building Energy Efficiency,2011,39(4):69-72.
  [15]王垂宁.山东地区超低能耗宾馆建筑供暖供冷能耗的研究[D].济南:山东建筑大学,2019.
  WANG Chuining.Study on Heating and Cooling Energy of Ultra-Low Energy Hotel Building in Shandong Province[D]. Jinan: Shandong Jianzhu University,2019.
  [16]赵倩,林建泉,黄忠.等.围护结构热工性能对渝西农村民居空调能耗的影响[J].制冷与空调(四川),2018,32(6):643-650.
  ZHAO Qian,LIN Jianquan,HUANG Zhong, et al.Impacts of the thermal performance of envelop enclosure on air-conditioning energyconsumption of rural residential buildings in Yuxi zone of Chongqing[J]. Refrigeration and Air Conditioning, 2018,32(6):643-650.
  [17]刘小平.蒙东地区露天矿边坡稳定性影响因子与敏感度分析[J].煤田地质与勘探,2014,42(3):74-77.
  LIU Xiaoping.Analysis on influencing factors and their sensitivity for slope stability in opencast coal mine of eastern Inner Mongolia[J]. Coal Geology & Exploration, 2014, 42(3):74-77.
  [18]吴佳艳,沈恒根.夏热冬冷地区高大公用建筑空调能耗特性分析[J].建筑热能通风空调,2012,31(3):40-43.
  WU Jiayan, SHEN Henggen.Constitutional analysis of air conditioning load of the large-scale building in hot-summer and cold-winter region[J].Building Energy & Environment, 2012,31(3):40-43.
其他文献
摘要:为更好地实现不同载荷边界条件下的基坑变形预测和控制,以天津市某地鐵站深基坑为研究对象,研究超载、卸载条件下基坑变形特征。通过对现场监测数据的分析,推导基坑北侧和南侧的变形规律,并将分析结果与无超载、卸载条件的普通基坑进行水平位移、地表沉降、土体蠕变等方面的对比,最后,根据超载与卸载产生主动土压力对水平位移的影响,制定了基坑变形控制措施。结果表明:1)载荷边界条件对基坑支护结构和地层的变形影响
期刊
摘要:為了探求增加穿越活动性断层隧道地下结构刚度和围岩强度的有效方法,以敦格铁路阔克萨隧道为例,利用岩土数值分析软件FLAC3D建立三维数值计算模型,模拟逆断层错动时围岩及支护结构的受力、变形特征,提出了“衬砌节段+剪切缝”的节段式结构设计方案,并对活动性断层隧道节段式衬砌的节段长度进行了优化研究。结果表明:1)节段式衬砌结构在发生位移错动后,最大拉应力主要集中在隧道衬砌墙腰、墙脚处;最大压应力及
期刊
摘 要: 通过梳理亚裔美国文学之文化身份批评的早期理论代表“哎咦集团”的主要文学主张及批评行为,发现其文化民族主义的指涉对象并非学界惯常误解的中国文化,而是隐藏着一个“民族主义与本土主义的置换”,其实质是强调亚裔群体的本土经历和合理合法的本土身份的本土主义。虽然“哎咦集团”对“真确性”的强调陷入了本质主义的窠臼,其“以男性为中心的好战的民族主义情绪”也广受诟病,但“哎咦集团”的文化民族主义主张开拓
期刊
《河北工业科技》是由河北科技大学主办的综合性技术类期刊,官方网站http://keji.hebust.edu.cn/ 为其唯一的工作平台,负責宣传、查询、收稿、审稿、订阅等业务。编辑部从未授权或委托任何机构或个人代理相关业务,并不收取任何费用。  鉴于网络信息冗杂,有部分作者、读者被其误导,由此造成的经济损失和论文发表问题,本编辑部一律不承担法律责任。  特此声明。  (本刊编辑部)
期刊
经前期设计、完善、调试,《河北科技大学学报》(社会科学版)数字出版平台已正式上线运行。该平台集审稿、编辑、出版等功能于一体,实现了期刊工作流程的数字化。欢迎广大专家学者来稿。同时感谢大家一直以来对河北科技大学期刊社工作的支持和帮助,以及对《河北科技大学学报》(社会科学版)的厚爱,希望您一如既往地关注我们。  請登录投稿平台网址,或扫描右下方的二维码完成投稿。  投稿平台:http://kdxbsk
期刊
摘 要: 公信力是慈善组织的根本所在,公信力的削弱意味着慈善组织可持续发展面临困境。《慈善法》有力的回应了慈善组织公信力缺失的问题,为慈善组织的持续健康发展提供了法治动力。《慈善法》是慈善立法实践与元治理理论的自发契合,元治理理论视角下认为《慈善法》实现了诸多制度革新,根本在于政府有机协调科层、网络和市场治理模式,实现三者在慈善领域的协同共振。 《慈善法》的跟进措施重点在于深化“慈善支持”,优化对
期刊
摘要:钻孔咬合桩多用于软土地层,采用全套管钻机软切割法施工,但在上软下硬的复合地层中,全套管法成孔困难,无法保证桩体的垂直度,以致于咬合效果达不到设计要求。为了解决此类工程问题,依托杭州地铁3号线一期工程工业大学站基坑工程,研究了钻孔咬合桩在上软下硬复合地层中的适应性及应用情况,并与其他围护方式在可实施性、安全性、经济性、施工效率等方面进行了综合比较。研究结果表明,在复合地层中采用旋挖钻机硬切割法
期刊
摘 要:為了改善北方农村既有建筑无保温措施、建筑热负荷高而造成的冬季采暖能耗高、供暖经济负担重、污染排放多及环境差的现状,需对农村既有建筑进行围护结构节能改造。根据河北省农村户均常住人口现状及保定市阜平某农村既有建筑的调研分析,确定仅对人员频繁活动的房间进行改造的4种按需节能改造方案,并针对4种按需节能改造方案及现有的整体节能改造方案进行能耗模拟、成本核算,分析其环境效益和经济效益。结果表明:只按
期刊
创新是推动文明进步的“重要力量”,是引领发展的第一动力。特别是当前世界经济下行风险加剧,受国际疫情持续蔓延造成的不稳定不确定因素增多。同时,随着新一轮产业革命和科技革命的孕育兴起,以5G、人工智能、大数据为特征的新一轮科学技术革命正在引领产业重大调整,对创新研究的需求从未有像今天这样强烈。张贵教授等人的著作《创新生态系统:理论与实践》正是在这样的时代背景下完成的。  该书作者认为“创新生态系统”是
期刊
摘要:在产品差异化市场中,企业可能为获取高端消费者而向高质量产品投入更多资源,却在一定程度上减少低质量产品的资源投入,造成资源投入与产出质量配比失调现象。为解决此类问题,针对实施垂直差异化策略的垄断企业应用优化理论、反证法对此问题进行了论证,通过数值仿真分析验证了结论的合理性。研究结果表明:1)追求福利最大化的企业实施垂直差异化策略所获得的利益高于追求收益最大化的企业;2)在资源有限的情形下,以收
期刊