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          土木工程視角下內蒙古河套地區低能耗居住建筑非均衡圍護結構節能優化與經濟性研究

          來源: www.lov2go.com 發布時間:2020-03-11 論文字數:33665字
          論文編號: sb2020030222023529716 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
          本文是一篇土木工程論文,本文將內蒙古河套地區農村住宅的傳統模型作為研究對象,利用 DesignBuilder 軟件模擬圍護結構外墻﹑外窗﹑屋頂的傳熱系數對建筑能耗的影響。
          本文是一篇土木工程論文,本文將內蒙古河套地區農村住宅的傳統模型作為研究對象,利用 DesignBuilder 軟件模擬圍護結構外墻﹑外窗﹑屋頂的傳熱系數對建筑能耗的影響。首先對圍護結構進行單因素變化分析,研究其對建筑能耗的影響;其次將模擬結果進行對比分析,選出單一變化對圍護結構能耗影響最大的三組,將不同因素影響最大的三組進行正交實驗,對方案進行優化分析,出適合內蒙古河套地區的低能耗農村住宅圍護結構優化方案;最后利用廣聯達算價軟件進行增量效益分析,得出節能與經濟綜合效益最好的方案,并對最優方案進行環境效益分析。

          1 緒論

          1.1 研究背景
          眾所周知,能源是一個國家經濟發展的命脈,是維護社會穩定﹑國家各項事務正常運行﹑人民生命財產安全﹑生態環境的可持續發展的關鍵因素,同時也是子孫后代長久發展的重要因素。第二次工業革命爆發以后,世界各國對能源的需求量大大增加。據統計,能源的需求量每年都以 2%的速率增加,按照該速率對能源的需求量進行預測發現,在 21 世紀中期,世界各國對能源的總消耗量將是 20 世紀中期的能源總消耗量的 4 倍以上[1]。據相關資料統計可知,人們對能源的消耗速度在不斷地加快,從上世紀 90 年代開始到現在,能源消耗增加了 30%左右,建筑行業消耗的能源十分龐大,其在能源消耗中所占的比例尤為重大,并呈現出上升的趨勢[2]。據統計可知,歐洲在建筑方面的能源消耗占全國總能耗的 40%左右[3];伊朗在建筑方面的能源消耗占全國總能耗的 38%[4];新加坡的建筑用電是建筑能耗的主要部分,約占全國用電總量的57%[5]。根據這些調查數據可知,建筑行業消耗能源所占的比重越來越大,建筑業消耗的能源約占世界總能源的 30%,所以建筑行業能源的節約至關重要。
          隨著我國經濟的不斷發展,人們對建筑產品的使用性能的要求都在不斷提高,由此所產生的能源消耗、資源耗竭和環境污染的程度也在不斷加劇。根據相關調查可知,我國農村建筑行業消耗的能源從 2010 年的 0.53 億噸增加到 2016 年的 0.78 億噸,每年能源的消耗大約以 0.04 億噸的速度增長,具體情況如圖 1.1 所示。
          圖 1.1 中國農村建筑行業消耗的總能源
          ..........................

          1.2 研究目的與意義
          1.2.1 研究目的
          在新農村全面建設的今天,農村住宅耗能量大、污染嚴重是目前普遍存在的現象。主要原因是農村地區所使用的材料性能差、施工技術落后,缺乏有效的保溫節能措施。本文以內蒙古河套地區農村住宅的圍護結構為研究對象,以適宜性技術理念為理論基礎,進行農村住宅節能圍護結構的評價研究,為內蒙古河套地區低能耗居住建筑非均衡圍護結構的發展提供理論依據。
          1.2.2 研究意義
          隨著建筑行業的不斷發展,改善人們的居住環境,提高能源的利用效率,是內蒙古河套地區現在面臨的普遍而迫切的問題。截至目前,我國的建筑節能技術和節能水平還很低。雖然我國從 1997 年開始實施了建筑節能達到 50%的標準,到目前為止,節能的進度和效果都沒有達到理想,所以,到 2020 年我國仍然存在大量的高能耗建筑,仍會繼續消耗大量的自然資源,資源緊張的形式將會更加嚴峻。在這種資源緊張的情況下,利用非均衡圍護結構將太陽能資源合理的運用到農村住宅建筑中具有十分重要的意義。因此,本課題研究內蒙古河套地區低能耗居住建筑非均衡圍護結構的節能優化與經濟性對內蒙古河套地區,乃至對整個內蒙古地區低能耗住宅的非均衡圍護結構的開展具有一定的參考價值。本課題的研究有 3 個方面的意義:
          (1)社會意義 由于我國農村人口多,農村住宅建筑消耗的能源比重大,所以,在農村住宅中提倡低能耗建筑非均衡圍護結構的技術,是建設我國的社會主義新農村的必然發展趨勢。
          (2)經濟意義 由于農民經濟的來源單一,受天氣的影響比較大,收入水平低,一套住宅的建造成本幾乎是農民一輩子的收入,因此,降低使用過程中采暖能耗,能有有效的降低采暖成本,具有重要的經濟意義。(3)環境意義 針對內蒙古河套地區農村住宅的特殊性進行低能耗建筑的非均衡圍護結構的優化設計,可以有效地減少建筑能源的消耗,還可以有效的減少各種廢氣、廢水、廢棄物的排放,例如:CO2、SO2、NOX、煙塵等。對改善當地的居住環境質量,促進內蒙古地區建筑領域節能減排乃至增強全社會可持續發展意識具有重要的引導意義,對地域建筑的可持續發展有重要意義。
          ..............................

          2 低能耗建筑非均衡圍護結構節能與經濟的設計理念

          2.1 低能耗建筑的概念
          根據黑龍江省地方標準《被動式低能耗居住建筑設計標準》規定可知,低能耗建筑(Low energy building)是指將自然通風、天然采光、太陽能輻射和室內非供暖熱源得熱等各種被動式節能手段與建筑圍護結構高效節能技術相結合建造而成的低能耗房屋建筑[44]。低能耗建筑基本上經歷了三個階段[45]。隨著科學技術的進步,人們對建筑節能標準的定義正在發生改變,目前,河北省已經頒布住宅建筑全面執行節能75%的節能標準[46],所以,本文中節能效率超過 75%的方案符合低能耗建筑的標準。
          低能耗建筑非均衡圍護結構的設計主要是針對內蒙古河套地區的建筑節能目標而提出的。利用該地區豐富的太陽能資源設計墻體的厚度和窗墻比的大小,從而降低住宅采暖能耗的設計方法。本章的理論基礎介紹了低能耗建筑的概念及標準、非均衡圍護結構節能設計理念與增量效益分析理念在住宅方案設計中的應用,為本文低能耗居住建筑非均衡圍護結構節能與經濟性的研究提供了理論依據。
          ..........................

          2.2 非均衡圍護結構的理念
          根據《農村居住建筑節能設計標準》中墻體的熱工設計標準原則,可以將建筑能源消耗指標分為三個部分:單位建筑面積的太陽能得熱量、單位面積的能源滲透量、單位建筑面積通過圍護結構散失的熱量。該項規定有利于研究建筑能源總消耗,其可以通過改變一些次要部位的保溫性來加強主要部位的保溫性,從而使建筑物的總能耗最低。
          “非均衡圍護結構節能體系”的主要內容是:在不使用采暖熱源的條件下,最大限度地利用太陽能的熱作用,按照逐時氣象資料,按照各房間應保持一致室內溫度的情況下,進行圍護結構設計,基于不同朝向的太陽能熱作用是不同的,則圍護結構的設計結果是:不同朝向的外墻采取不同的節能構造措施;不同朝向的外窗戶采取不同的節能構造措施;不同朝向的屋面采取不同的節能構造措施。由于內蒙古河套地區有比較豐富的太陽能資源,日照時間非常長,大約為 3 000-3 200h,每年的太陽總輻射量為 5 860-6 700MJ/(m2?a),所以該地區的太陽輻射對各朝向墻體的影響較大,因此,該地區建筑物的圍護結構應當采用非均衡圍護結構的設計理念。
          據了解可知,建筑物室內與室外的傳熱過程非常復雜,其中太陽輻射是主要的傳熱方式。我國地域遼闊,緯度跨度較大,所以各地區的氣候條件差別比較大,太陽能的年日照時間和年總輻射量差別較大,因此,為了達到保溫節能的效果,居住建筑不同朝向的墻體的厚度不同。
          根據調查研究可知,寧夏、甘肅、新疆、青海、西藏、內蒙古等地的太陽能輻射時間比較長,太陽能資源比較豐富,有此可知,我國西北地區的太陽能資源比較豐富,東部沿海地區太陽能資源缺乏,但是由于西北地區的經濟發展比較落后,所以在太陽能富集地區發展非均衡建筑非常適合當地的經濟發展狀況,因此發展具有地域特色的節能建筑對我國建筑節能的發展具有重大意義。
          .............................
           
          3 內蒙古河套地區傳統居住建筑模型的構建................................. 13
          3.1 能耗模擬軟件的選取和確定...................................13
          3.1.1 能耗模擬軟件的選取..................................13
          3.1.2 DesignBuilder 軟件功能介紹.................................14
          4 內蒙古河套地區低能耗建筑非均衡圍護結構節能優化分析............................... 21
          4.1 內蒙古河套地區低能耗建筑非均衡圍護結構的外墻節能優化分析.........21
          4.1.1 居住建筑非均衡圍護結構外墻設計理論分析.................................21
          4.1.2 非均衡圍護結構墻體的構造方法與熱工性能分析..........................23
          5 內蒙古河套地區低能耗居住建筑非均衡圍護結構效益分析............................... 44
          5.1 內蒙古河套地區低能耗居住建筑經濟效益分析.........................................44
          5.1.1 節能增量成本分析......................................44
          5.1.2 增量效益分析...................................46

          5 內蒙古河套地區低能耗居住建筑非均衡圍護結構效益分析

          5.1 內蒙古河套地區低能耗居住建筑經濟效益分析
          住宅建筑圍護結構的節能優化可以節約自然資源,緩解能源短缺的壓力,并產生一定的經濟效益,本節主要從節約建造成本和節省能源費用兩個方面來分析住宅建筑圍護結構能源優化產生的經濟效益。
          5.1.1 節能增量成本分析
          內蒙古河套地區低能耗居住建筑非均衡圍護結構節能優化與經濟性研究
          .............................

          6 結論與展望

          6.1 結論
          我國內蒙古河套地區的農村住宅,因其地理位置特殊,在冬季采暖能量浪費現象十分嚴重,這不僅浪費資源,也對我國環境造成了破壞。本文將內蒙古河套地區農村住宅的傳統模型作為研究對象,利用 DesignBuilder 軟件模擬圍護結構外墻﹑外窗﹑屋頂的傳熱系數對建筑能耗的影響。首先對圍護結構進行單因素變化分析,研究其對建筑能耗的影響;其次將模擬結果進行對比分析,選出單一變化對圍護結構能耗影響最大的三組,將不同因素影響最大的三組進行正交實驗,對方案進行優化分析,出適合內蒙古河套地區的低能耗農村住宅圍護結構優化方案;最后利用廣聯達算價軟件進行增量效益分析,得出節能與經濟綜合效益最好的方案,并對最優方案進行環境效益分析。主要得出以下結論:
          (1)通過對圍護結構外墻﹑外窗和屋頂的綜合優化分析可知,實驗 4﹑實驗 7和實驗 10 這三個實驗方案能耗模擬結果分別是:48.96kW·h/m2﹑43.79kW·h/m2 和38.46kW·h/m2,節能率分別為 76.94%、79.38%和 81.89%,節能效果都高于節能最高標準 75%,所以這三種實驗都達到了低能耗住宅建筑的標準。通過這些可以看出僅通過優化圍護結構的設計就能使內蒙古嚴寒地區的農村住宅達到低能耗建筑的要求,其發展潛力還是很大的。其余十三種方案的全年累計采暖能耗負荷指標相較于初始模型都有減少,但是全年累計采暖能耗負荷指標全都大于低能耗居住建筑單位面積的采暖能耗,不符合低能耗建筑采暖能耗的標準,所以這些方案是不可行的。
          (2)通過對試驗方案進行增量效益分析后發現,節能效果最好的方案 10,由于經濟成本較大,故其費用效益比小于 1,該實驗方案是不可行的,因此該方案不適合在內蒙古河套地區的農村推廣;而原先節能效果僅次于方案 10 的方案 4 和方案 7,經過增量效益分析知,這兩種方案的費用效益比大于 1,又因為方案 7 的效益費用比大于方案 4 的效益費用比,所以方案 7 的經濟與節能性比方案 4 的經濟與節能性好,所以本文選取方案 7 在內蒙古河套地區的農村廣泛推廣。與此同時,方案 7 的農村住宅建筑在全壽命周期的 70 年內可減少 CO2、SO2、NOx和煙塵的排放,其排放量分別是:503.43 噸,1.63 噸,1.42 噸和 1.06 噸。減少了大量有害氣體的排放,保護了生態環境,符合我國可持續發展的理念。
          參考文獻(略)


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