居住建筑供暖能耗与供暖度日数关系研究
Study on the Relationship between Heating Energy Consumption and Heating Degree Days in Residential Buildings
【摘 要】 文章在分析山东地区气象特点的基础上，依据全省各地冬季供暖期的室外气象条件，以全省各地典型居住建筑为研究对象，使用住宅建筑负荷计算软件D EST 对居住建筑进行了热负荷计算。随后，根据计算结果进行回归分析，进一步求出了典型居住建筑供暖能耗与供暖度日数之间的关系式，这对于深入研究居住建筑节能，实施清洁供暖有一定的参考价值。
【关键词】居住建筑；寒冷地区；供暖热负荷；供暖度日数；能耗分析
【Abstract】 Based on the analysis of meteorological characteristics in Shandong Province, according to the outdoor meteorological conditions during the winter heating period in the whole province and take the typical residential buildings in the whole province as the research object, this article uses the residential building load calculation software DEST to calculate the heat load of the residential buildings. The regression analysis is carried out based on the calculation results to further find the relationship between the heating energy consumption of typical residential buildings and the heating degree days, the relationship has certain reference value for in-depth study of energy saving of residential buildings and implementation of clean heating.
【Keywords】 residential building, cold area, heating heat load, heating degree days, energy consumption analysis
0 引言
能源是经济和社会发展的重要物质基础，对于一个国家的发展起着至关重要的作用。随着经济的快速发展，世界各国的能源消耗量越来越高，而全球能源供应也越来越紧张，生产力发展与能源紧缺之间的矛盾日益加剧，能源节约及综合利用问题受到各国广泛关注。据统计，在世界能源消费不断增长的情况下，无论是发达国家还是发展中国家，建筑能耗占全国能源消费总量的比重很大。
目前，中国城镇化发展迅速，建设规模不断扩大，建筑行业消耗大量能源，对环境、能源产生极大的压力。据统计，我国建筑能耗占总能耗的 26.7% ，而且还在以每年1 个百分点的速度增加[1]。在建筑物冬季供暖方面，随着人们对居住条件以及生活质量追求的不断提高，对建筑物室内环境的要求越来越高，维持建筑物室内适宜温度所产生的能耗也越来越高。我国冬季供暖面积正以年均约10% 的增速飞速增长，其中，北方地区集中供热能耗占全国建筑总能耗的52% [2]。因此，降低建筑物能耗问题，特别是北方地区冬季供暖能耗问题迫在眉睫。本文将以山东地区符合现行节能标准的居住建筑为例，通过计算
张露，山东建筑大学热能工程学院在读硕士研究生；李永安，山东建筑大学热能工程学院教授，博导；刘学来，山东建筑大学热能工程学院教授，硕导。
基金项目：山东省墙材革新与建筑节能重大专项（编号：2014Q G 012）。
山东地区 16 个地级市的供暖期逐日热负荷以及定量分析供暖能耗与供暖度日数的关系，为寒冷地区建筑物的供暖能耗深入研究奠定了良好基础。
1 山东地区气象特点
我国的建筑热工分区根据各地气候分为五个区，即：严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区。其中，寒冷地区地处我国长城以南，秦岭、淮河以北，新疆南部、青藏高原南部，属于我们习惯上说的供暖地区。本文研究的山东属于寒冷地区。山东地处我国东部沿海地区，在渤海、黄海之滨，太行山以东，属暖温带大陆性季风气候区，气候子区横跨寒冷A 区、寒冷B 区。其气候特点是：降雨集中、雨热同期，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥。全省年平均气温基本上遵循从西南向东北递减的规律，但区域差异不大，大部分在13℃左右。可以看出，山东地区冬季寒冷，夏季炎热，全年四季分明，供暖季与空调使用时间差不多。
2 供暖能耗分析
“建筑供暖能耗不仅与建筑本体的热工性能相关，还与建筑内人的使用行为模式、热力管网系统运行调节状况、输配管网效率以及热源设备效率密切相关”[3]。我们通常所说的建筑物供暖的能耗指的是在整个供暖期间建筑物供暖所消耗的能量，其中包含锅炉及其附属设备运行过程中消耗的热量和电能，室外管网将热量从热源输配到建筑物入口期间消耗的热量，以及在供暖季期间由供暖系统实际输送到建筑物的热量，后者即为建筑物供暖耗热量。因此，建筑物耗热量仅是供暖能耗里的一部分，它主要包括通过围护结构的传热耗热量和通过门窗缝隙的空气渗透耗热量。从提高锅炉运行效率、室外管网输送效率及降低建筑物耗热量等几方面都可以降低供暖能耗，但前两者的提高毕竟是有一定限度的。因此，从降低住宅建筑能耗的角度来看，必须严格控制建筑物的热耗。故本文对供暖能耗的分析主要是针对建筑物耗热量。
2.1 研究对象
我国居住建筑量大面广。截止到2012 年，我国严寒和寒冷地区的19个省、直辖市、自治区共134 个地级以上大、中城市的集中供热面积已达51.84 亿 m 2，其中，居住建筑供暖面
积占 70% 左右 [4]。供暖能耗是寒冷
地区建筑能耗的最主要部分，由于既有住宅建筑大多保温性能较差[5]，因
此，冬季供暖能耗也是浪费最为严重且节能潜力最大的部分；再加上经济的快速发展，居民生活水平的大幅度提升，冬季供暖能耗日益成为人们关注的焦点。基于以上原因，本文针对性地选取山东省16 个典型区域的居住建筑，以此开展建筑供暖能耗分析工作。2.2 建筑概况
山东省某8 层小高层类型既有居住建筑，层高 3.0m ，一梯两户，户型为三室两厅两卫（图1）单户建筑总面积约为 140.25m 2，换气次数为0.5 次/h。根据《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 26 － 2010）和《山东省居住建筑节能设计标 准》（DB 37/5026—2014）， 建筑热工参数的选定详见表1。
2.3 气象资料来源及供暖热负荷计算
为了能够正确预测寒冷地区居住建筑冬季整个供暖期的能耗，作为供暖能耗分析基础的气象参数就必须具有长期气候代表性。山东建筑大学李永安教授根据济南近10 年的气象资料，确定了构成标准年各平均月的选取原则 [6、7]。本文利用 D EST 软件对寒冷地区 16 个地市不同室外气象参数的建筑物进行能耗预测。D EST 是清华大学江亿院士带领团队研制的大型建筑能耗分析软件，其气象参数采
用的是标准年，并以标准气象年作为建筑能耗模拟分析的全年模拟基础数据。
根据《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ26－ 2010），该居住建筑室内计算温度设定为18℃，换气次数为 0.5 次 /h。依据山东地区典型区域冬季供暖期的室外气象条件，计算山东16 个地市典型户型供暖期逐日热负荷。山东省供暖时间是当年11 月 15 日～翌年3 月15 日，供暖热负荷计算可按照《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736—2012）中热负荷计算方法进行。以济南、青岛为例，整个供暖期逐日热负荷见图2、3。
通过模拟计算，得到济南市居住建筑该户整个供暖季总耗热量Q
H 1
＝ 9 373.97kw h，年单位建筑面积耗热量q ＝ 66.84kw h/(m 2a)； 青
H 1
岛市居住建筑该户整个供暖季总耗热量Q ＝10 320.20kw h，年单位
H2
建筑面积耗热量qh2 ＝73.58kw h/ (m 2a)。山东省其它 14 个地级市的整个供暖期热负荷计算方法同上，其计算结果汇总详见表2。将整个供暖期内通过软件模拟计算得到的逐日热负荷值相加求和，即可得到建筑物的供暖全年耗热量。由于我国供暖用的化石能源主要是煤炭，故选用标准煤来计算能耗指标是符合我国实际情况的。两者之间的具体换算关系是：1kw h=3.6×106j，而 1kg 标准煤的热值是 29 260kj，因此，每 1kw h 能耗相当于标准煤的 质 量 为： 3.6×106J÷29 260J/ g= 123.03g= 0.123kg。 表 2中所列的H D D 指的是供暖度日数。根据度日数的算法可知，采暖度日数与气温有关 [8、9]。
度日数的定义是，每日平均温度与规定基准温度每日1℃的高差 [10]。
在度日数的统计过程中，一般选择比较长的时期作为统计周期，使其具有代表性，如20 年、30 年甚至更久，而不是任意选取某一年的数据进行统计。另外，在实践过程中，通常的工程设计较多选用建立在稳定传热理论基础上的简易估算法，该方法不需要详细掌握热耗随时间变化的具体情况。度日数法即是简易估算法的一种，通常可用来估算建筑的全年供暖能耗。
笔者依据山东省不同地级市冬季
供暖全年耗热量及供暖度日数H D D的相关数据，从定量方面分析供暖度日数与供暖能耗的关系，以此来寻求供暖度日数H D D 与建筑供暖能耗之间的关系，从而为居住建筑供暖能耗的计算找到便捷路径。
从图 4 可以看出，随着供暖度日数的增加，建筑物的供暖耗热量也相应增加，且样本点的分布紧紧围绕在一条直线上下，表明供暖度日数与建筑物供暖能耗的关系存在非常密切的线性正相关关系。因此，建筑物供暖能耗 Y 与供暖度日数X 的回归方程应该是个一元线性回归方程。
对图 3 中的相关数据进行回归分析，得到表示供暖度日数与供暖能耗之间关系的回归方程：Y ＝ 0.004X － 0.7502，回归系数为 0.9584，即供暖度日数可以解释热负荷变化的95.8%以上（R 2=0.958)。此结果可以看出，用供暖度日数可以准确地反映寒冷地区居住建筑供暖期供暖能耗的热负荷特征，因而利用供暖度日数H D D 分析气候变化对寒冷地区居住建筑供暖能耗的影响是可行的。
3 结语
综上所述，本文依据冬季不同的室外气象条件，针对山东地区居住建筑，计算得到了居住建筑整个供暖期逐日热负荷，进而对供暖度日数与居住建筑供暖能耗之间的关系进行了较为深入的研究，最后对使用供暖度日数进行居住建筑供暖能耗估计的适用性进行了探讨。研究结果表明，供暖度日数可以反映寒冷地区居住建筑的热负荷特征。
笔者虽然对山东地区16 个地市的典型建筑供暖能耗进行了计算研究，但近年来，供暖方式倾向多元化。本文只讨论了传统供暖能耗的相关问题，有些新的问题，尚需今后进行更深入的研究。
在当下清洁供暖进程稳步推进的同时，我们应对各种建筑能耗影响因素和节能措施进行系统优化，努力开发并广泛应用建筑节能新技术，来降低建筑能耗，才能在经济发展与环境保护之间取得合理的平衡，从而实现建筑节能的可持续发展。
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