土木工程视角下内蒙古河套地区低能耗居住建筑非均衡围护结构节能优化与经济性研究

来源: www.sblunwen.com 发布时间:2020-03-11 论文字数:33665字
论文编号: sb2020030222023529716 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇土木工程论文,本文将内蒙古河套地区农村住宅的传统模型作为研究对象,利用 DesignBuilder 软件模拟围护结构外墙﹑外窗﹑屋顶的传热系数对建筑能耗的影响。
本文是一篇土木工程论文,本文将内蒙古河套地区农村住宅的传统模型作为研究对象,利用 DesignBuilder 软件模拟围护结构外墙﹑外窗﹑屋顶的传热系数对建筑能耗的影响。首先对围护结构进行单因素变化分析,研究其对建筑能耗的影响;其次将模拟结果进行对比分析,选出单一变化对围护结构能耗影响最大的三组,将不同因素影响最大的三组进行正交实验,对方案进行优化分析,出适合内蒙古河套地区的低能耗农村住宅围护结构优化方案;最后利用广联达算价软件进行增量效益分析,得出节能与经济综合效益最好的方案,并对最优方案进行环境效益分析。

1 绪论

1.1 研究背景
众所周知,能源是一个国家经济发展的命脉,是维护社会稳定﹑国家各项事务正常运行﹑人民生命财产安全﹑生态环境的可持续发展的关键因素,同时也是子孙后代长久发展的重要因素。第二次工业革命爆发以后,世界各国对能源的需求量大大增加。据统计,能源的需求量每年都以 2%的速率增加,按照该速率对能源的需求量进行预测发现,在 21 世纪中期,世界各国对能源的总消耗量将是 20 世纪中期的能源总消耗量的 4 倍以上[1]。据相关资料统计可知,人们对能源的消耗速度在不断地加快,从上世纪 90 年代开始到现在,能源消耗增加了 30%左右,建筑行业消耗的能源十分庞大,其在能源消耗中所占的比例尤为重大,并呈现出上升的趋势[2]。据统计可知,欧洲在建筑方面的能源消耗占全国总能耗的 40%左右[3];伊朗在建筑方面的能源消耗占全国总能耗的 38%[4];新加坡的建筑用电是建筑能耗的主要部分,约占全国用电总量的57%[5]。根据这些调查数据可知,建筑行业消耗能源所占的比重越来越大,建筑业消耗的能源约占世界总能源的 30%,所以建筑行业能源的节约至关重要。
随着我国经济的不断发展,人们对建筑产品的使用性能的要求都在不断提高,由此所产生的能源消耗、资源耗竭和环境污染的程度也在不断加剧。根据相关调查可知,我国农村建筑行业消耗的能源从 2010 年的 0.53 亿吨增加到 2016 年的 0.78 亿吨,每年能源的消耗大约以 0.04 亿吨的速度增长,具体情况如图 1.1 所示。
图 1.1 中国农村建筑行业消耗的总能源
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1.2 研究目的与意义
1.2.1 研究目的
在新农村全面建设的今天,农村住宅耗能量大、污染严重是目前普遍存在的现象。主要原因是农村地区所使用的材料性能差、施工技术落后,缺乏有效的保温节能措施。本文以内蒙古河套地区农村住宅的围护结构为研究对象,以适宜性技术理念为理论基础,进行农村住宅节能围护结构的评价研究,为内蒙古河套地区低能耗居住建筑非均衡围护结构的发展提供理论依据。
1.2.2 研究意义
随着建筑行业的不断发展,改善人们的居住环境,提高能源的利用效率,是内蒙古河套地区现在面临的普遍而迫切的问题。截至目前,我国的建筑节能技术和节能水平还很低。虽然我国从 1997 年开始实施了建筑节能达到 50%的标准,到目前为止,节能的进度和效果都没有达到理想,所以,到 2020 年我国仍然存在大量的高能耗建筑,仍会继续消耗大量的自然资源,资源紧张的形式将会更加严峻。在这种资源紧张的情况下,利用非均衡围护结构将太阳能资源合理的运用到农村住宅建筑中具有十分重要的意义。因此,本课题研究内蒙古河套地区低能耗居住建筑非均衡围护结构的节能优化与经济性对内蒙古河套地区,乃至对整个内蒙古地区低能耗住宅的非均衡围护结构的开展具有一定的参考价值。本课题的研究有 3 个方面的意义:
(1)社会意义 由于我国农村人口多,农村住宅建筑消耗的能源比重大,所以,在农村住宅中提倡低能耗建筑非均衡围护结构的技术,是建设我国的社会主义新农村的必然发展趋势。
(2)经济意义 由于农民经济的来源单一,受天气的影响比较大,收入水平低,一套住宅的建造成本几乎是农民一辈子的收入,因此,降低使用过程中采暖能耗,能有有效的降低采暖成本,具有重要的经济意义。(3)环境意义 针对内蒙古河套地区农村住宅的特殊性进行低能耗建筑的非均衡围护结构的优化设计,可以有效地减少建筑能源的消耗,还可以有效的减少各种废气、废水、废弃物的排放,例如:CO2、SO2、NOX、烟尘等。对改善当地的居住环境质量,促进内蒙古地区建筑领域节能减排乃至增强全社会可持续发展意识具有重要的引导意义,对地域建筑的可持续发展有重要意义。
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2 低能耗建筑非均衡围护结构节能与经济的设计理念

2.1 低能耗建筑的概念
根据黑龙江省地方标准《被动式低能耗居住建筑设计标准》规定可知,低能耗建筑(Low energy building)是指将自然通风、天然采光、太阳能辐射和室内非供暖热源得热等各种被动式节能手段与建筑围护结构高效节能技术相结合建造而成的低能耗房屋建筑[44]。低能耗建筑基本上经历了三个阶段[45]。随着科学技术的进步,人们对建筑节能标准的定义正在发生改变,目前,河北省已经颁布住宅建筑全面执行节能75%的节能标准[46],所以,本文中节能效率超过 75%的方案符合低能耗建筑的标准。
低能耗建筑非均衡围护结构的设计主要是针对内蒙古河套地区的建筑节能目标而提出的。利用该地区丰富的太阳能资源设计墙体的厚度和窗墙比的大小,从而降低住宅采暖能耗的设计方法。本章的理论基础介绍了低能耗建筑的概念及标准、非均衡围护结构节能设计理念与增量效益分析理念在住宅方案设计中的应用,为本文低能耗居住建筑非均衡围护结构节能与经济性的研究提供了理论依据。
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2.2 非均衡围护结构的理念
根据《农村居住建筑节能设计标准》中墙体的热工设计标准原则,可以将建筑能源消耗指标分为三个部分:单位建筑面积的太阳能得热量、单位面积的能源渗透量、单位建筑面积通过围护结构散失的热量。该项规定有利于研究建筑能源总消耗,其可以通过改变一些次要部位的保温性来加强主要部位的保温性,从而使建筑物的总能耗最低。
“非均衡围护结构节能体系”的主要内容是:在不使用采暖热源的条件下,最大限度地利用太阳能的热作用,按照逐时气象资料,按照各房间应保持一致室内温度的情况下,进行围护结构设计,基于不同朝向的太阳能热作用是不同的,则围护结构的设计结果是:不同朝向的外墙采取不同的节能构造措施;不同朝向的外窗户采取不同的节能构造措施;不同朝向的屋面采取不同的节能构造措施。由于内蒙古河套地区有比较丰富的太阳能资源,日照时间非常长,大约为 3 000-3 200h,每年的太阳总辐射量为 5 860-6 700MJ/(m2?a),所以该地区的太阳辐射对各朝向墙体的影响较大,因此,该地区建筑物的围护结构应当采用非均衡围护结构的设计理念。
据了解可知,建筑物室内与室外的传热过程非常复杂,其中太阳辐射是主要的传热方式。我国地域辽阔,纬度跨度较大,所以各地区的气候条件差别比较大,太阳能的年日照时间和年总辐射量差别较大,因此,为了达到保温节能的效果,居住建筑不同朝向的墙体的厚度不同。
根据调查研究可知,宁夏、甘肃、新疆、青海、西藏、内蒙古等地的太阳能辐射时间比较长,太阳能资源比较丰富,有此可知,我国西北地区的太阳能资源比较丰富,东部沿海地区太阳能资源缺乏,但是由于西北地区的经济发展比较落后,所以在太阳能富集地区发展非均衡建筑非常适合当地的经济发展状况,因此发展具有地域特色的节能建筑对我国建筑节能的发展具有重大意义。
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3 内蒙古河套地区传统居住建筑模型的构建................................. 13
3.1 能耗模拟软件的选取和确定...................................13
3.1.1 能耗模拟软件的选取..................................13
3.1.2 DesignBuilder 软件功能介绍.................................14
4 内蒙古河套地区低能耗建筑非均衡围护结构节能优化分析............................... 21
4.1 内蒙古河套地区低能耗建筑非均衡围护结构的外墙节能优化分析.........21
4.1.1 居住建筑非均衡围护结构外墙设计理论分析.................................21
4.1.2 非均衡围护结构墙体的构造方法与热工性能分析..........................23
5 内蒙古河套地区低能耗居住建筑非均衡围护结构效益分析............................... 44
5.1 内蒙古河套地区低能耗居住建筑经济效益分析.........................................44
5.1.1 节能增量成本分析......................................44
5.1.2 增量效益分析...................................46

5 内蒙古河套地区低能耗居住建筑非均衡围护结构效益分析

5.1 内蒙古河套地区低能耗居住建筑经济效益分析
住宅建筑围护结构的节能优化可以节约自然资源,缓解能源短缺的压力,并产生一定的经济效益,本节主要从节约建造成本和节省能源费用两个方面来分析住宅建筑围护结构能源优化产生的经济效益。
5.1.1 节能增量成本分析
内蒙古河套地区低能耗居住建筑非均衡围护结构节能优化与经济性研究
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6 结论与展望

6.1 结论
我国内蒙古河套地区的农村住宅,因其地理位置特殊,在冬季采暖能量浪费现象十分严重,这不仅浪费资源,也对我国环境造成了破坏。本文将内蒙古河套地区农村住宅的传统模型作为研究对象,利用 DesignBuilder 软件模拟围护结构外墙﹑外窗﹑屋顶的传热系数对建筑能耗的影响。首先对围护结构进行单因素变化分析,研究其对建筑能耗的影响;其次将模拟结果进行对比分析,选出单一变化对围护结构能耗影响最大的三组,将不同因素影响最大的三组进行正交实验,对方案进行优化分析,出适合内蒙古河套地区的低能耗农村住宅围护结构优化方案;最后利用广联达算价软件进行增量效益分析,得出节能与经济综合效益最好的方案,并对最优方案进行环境效益分析。主要得出以下结论:
(1)通过对围护结构外墙﹑外窗和屋顶的综合优化分析可知,实验 4﹑实验 7和实验 10 这三个实验方案能耗模拟结果分别是:48.96kW·h/m2﹑43.79kW·h/m2 和38.46kW·h/m2,节能率分别为 76.94%、79.38%和 81.89%,节能效果都高于节能最高标准 75%,所以这三种实验都达到了低能耗住宅建筑的标准。通过这些可以看出仅通过优化围护结构的设计就能使内蒙古严寒地区的农村住宅达到低能耗建筑的要求,其发展潜力还是很大的。其余十三种方案的全年累计采暖能耗负荷指标相较于初始模型都有减少,但是全年累计采暖能耗负荷指标全都大于低能耗居住建筑单位面积的采暖能耗,不符合低能耗建筑采暖能耗的标准,所以这些方案是不可行的。
(2)通过对试验方案进行增量效益分析后发现,节能效果最好的方案 10,由于经济成本较大,故其费用效益比小于 1,该实验方案是不可行的,因此该方案不适合在内蒙古河套地区的农村推广;而原先节能效果仅次于方案 10 的方案 4 和方案 7,经过增量效益分析知,这两种方案的费用效益比大于 1,又因为方案 7 的效益费用比大于方案 4 的效益费用比,所以方案 7 的经济与节能性比方案 4 的经济与节能性好,所以本文选取方案 7 在内蒙古河套地区的农村广泛推广。与此同时,方案 7 的农村住宅建筑在全寿命周期的 70 年内可减少 CO2、SO2、NOx和烟尘的排放,其排放量分别是:503.43 吨,1.63 吨,1.42 吨和 1.06 吨。减少了大量有害气体的排放,保护了生态环境,符合我国可持续发展的理念。
参考文献(略)


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