国际能源署 (International Energy Agency, IEA) 指出, 建筑能耗占世界终端能耗总量的35% ^[1], 而我国2014年建筑总能耗 (包括商品能耗与生物质能) 高达9.21亿t标准煤 ^[2], 并在逐年升高, 预测2030年我国建筑能耗将达到15.2亿t标准煤 ^[3]。迅速增长的能源需求对能源供给造成的压力与日俱增, 国家已颁布了一系列法规政策 ^[4,5]对建筑能耗进行控制。同时, 2015年巴黎气候大会上, 我国郑重承诺, 将于2030年左右使二氧化碳排放达到峰值并争取尽早实现, 2030年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%～65%。长江流域作为我国重要的经济发展区域 ^[6], 人口和生产总值均超过全国的40%, 现有居住建筑面积高达9亿m², 是国家实行建筑行业节能减排的重点区域之一。长江流域主要处于夏热冬冷地区, 夏季炎热、冬季阴冷、全年高湿。由于历史原因, 长久以来没有集中供暖, 冬季室内温度远低于北方集中供暖地区 ^[7] (见图1) , 室内热环境状况恶劣 ^[8,9,10]。

　　 近年来, 随着经济发展和人民生活水平的提高, 长江流域地区人们改善建筑室内热环境的愿望越来越强烈, 随之而来的是该地区供暖能耗需求的迅速增长 ^[11]。若照搬我国北方地区连续全空间供暖模式 ^[12], 不考虑该地区的实际建筑热工性能和人们的生活习惯, 长江流域地区的建筑能耗将急剧上升, 危及国家能源战略安全和社会经济发展。研究表明, 夏热冬冷地区若进行集中供暖全面覆盖, 该地区仅居住建筑供暖能耗就达到2个长江三峡水电站的总发电量 ^[13]。因此, 发展长江流域地区低能耗的建筑环境改善关键技术, 既是关系民生、以人为本的实际需求, 也是我国可持续发展的战略需要。

　　 我国一直非常重视长江流域夏热冬冷地区低能耗建筑热环境营造技术的研究, 分别资助了“十一五”国家科技支撑计划“夏热冬冷地区建筑科学用能关键技术与装备研究及示范”项目和“十二五”国家科技支撑计划“夏热冬冷地区建筑节能关键技术集成与示范”项目。这2个项目均包含了夏热冬冷地区建筑节能主要关键技术研究, 但大都比较专一和碎片化, 缺乏系统研究。从解决方案上来说, 为同时满足室内舒适热环境和建筑节能需求, 必须针对长江流域气候特点和热环境需求, 采用集成化的建筑环境营造方法, 进行包括被动技术和主动性能提升相结合的集成优化 ^[14]。“十三五”国家重点研发计划“长江流域建筑供暖空调解决方案和相应系统”项目以该地区目前建筑热环境营造领域的关键共性问题为研究核心, 结合我国能源总量控制目标, 提出了依据气候特点, 利用被动技术降低供暖空调负荷, 结合主动性能提升, 实现在满足室内热舒适要求下居住建筑全年供暖通风空调用电量不超过20 kW·h/m²的目标。

　　 有的研究人员已通过使用计算机模拟的方法来分析和比较不同建筑设计对夏热冬冷地区居住建筑能耗的影响。高钢烽以夏热冬冷地区的上海、武汉和成都3个典型城市为例, 使用DeST-h建筑能耗模拟分析软件, 分析了外墙保温厚度和窗户类型对居住建筑全年能耗的影响情况, 研究表明, 外墙保温和窗户改造在夏热冬冷地区居住建筑节能改造中非常重要 ^[15]。高庆龙等人使用DOE-2动态模拟计算分析了不同气候区12个代表城市 (包括上海、武汉和成都3个夏热冬冷地区城市) 外墙传热热阻与单位墙面积节能量的关系曲线, 得到了不同城市建筑外墙最佳传热系数 ^[16]。刘倩等人使用DeST软件对上海典型住宅楼进行了能耗模拟, 并比较了不同围护结构保温隔热方式对供暖、空调及全年总能耗节能率的影响 ^[17]。唐鸣放等人使用DOE-2能耗模拟软件分析了重庆旧居住区建筑屋顶、外墙和外窗节能改造方案, 以及节能改造后的室内环境改善情况和节能减排效益 ^[18]。田慧峰等人使用建筑外遮阳设计分析软件ShadePlus对不同形式的活动外遮阳布置于重庆地区典型居住建筑不同朝向的节能效果进行了分析和比较 ^[19]。赵士怀等人使用DOE-2软件分析了不同外窗保温隔热性能对夏热冬冷地区居住建筑总能耗的影响, 并给出了上海、南京、武汉和重庆4个城市的外窗传热系数和遮阳系数限值 ^[20]。但现有的相关研究并未设定居住建筑全年供暖通风空调用电量限值目标, 故并未给出在满足能耗限值的情况下最低的设备效率建议。

　　 本文基于“十三五”国家重点研发计划项目, 以夏热冬冷地区典型城市重庆市为例进行供暖空调解决方案研究。2010年重庆市人口普查数据显示 ^[21], 重庆市50%以上的城镇居住建筑建于2000年前, 该时段处于JGJ 134—2001《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》 ^[22]颁布之前, 居住建筑缺乏节能设计规范的约束和引导, 其建筑性能相对较差。为控制居住建筑总能耗, 应当把2000年前完工的既有居住建筑作为重点。为探索提升既有居住建筑室内热环境质量, 同时控制其供暖、供冷能源消耗的途径, 本文以重庆市既有居住建筑中的典型户型为代表, 使用建筑能耗模拟软件EnergyPlus分析既有居住建筑的能耗现状及不同被动技术改造组合对其供暖、供冷负荷的影响, 并给出不同被动技术改造组合下为满足全年供暖通风空调用电量不超过20 kW·h/m²目标所对应的主动性能提升要求。旨在形成基于能耗限额的长江流域夏热冬冷地区既有居住建筑改造和能效提升方案及策略, 为政策决策者、建设单位和建筑使用者提供建议和参考。

　　 为构造重庆城镇居住建筑典型模型, 采用2010年人口普查数据 ^[23]对重庆城镇居住建筑的家庭结构情况进行分析。图2显示了不同人数的家庭户占比情况, 其中3人户占比最高, 达到了重庆城镇居住建筑总户数的28.53%。故本研究选择占比最高的3人户为典型户。

　　 现阶段重庆城镇人均居住建筑面积为35 m^{2 [24]}, 故典型3人户对应总建筑面积设定为105 m², 基于我国大多数居住建筑形状为矩形和平行六面体的实际情况 ^[25], 户型平面选择为矩形, 对应的建筑平面图如图3所示。建筑平面图参考了重庆居住建筑的实际户型设计, 选取的户型近似南北朝向 (偏角20°) 。前期对重庆室外气象条件下该户型不同朝向进行预模拟, 结果表明, 本文选取的南北朝向 (偏角20°) 对应的累计冷、热负荷能耗与其他不同朝向算术平均值近似。户内包括活动空间 (起居室和书房) 、2个卧室、厨房和卫生间。西向墙体为内墙, 南、东、北向墙体为外墙, 各外墙对应的窗墙面积比按照规范要求分别选取0.45, 0.35和0.40 ^[26]。仅活动区域 (起居室和书房) 和卧室考虑室温控制, 辅助区域 (卫生间和厨房) 由于人员停留时间短, 不进行室温控制。重庆市高层居住建筑占比较大, 层数较多时屋顶和地面占建筑外围护结构面积比例较小, 整体而言, 对建筑总体冷热负荷影响并不明显 ^[27]。此外, 前期对某12层居住建筑整体模型进行了能耗模拟, 结果表明, 中间第6层能耗情况和建筑整体平均能耗非常接近, 故选择建筑中间第6层建立居室模型并进行分析, 考虑上、下层居室户间人员供暖空调使用习惯和设定温度一致, 上、下层居室正对房间温差相对较小, 故通过户间内围护结构的传热基本可忽略不计。

　　 考虑2类人员行为模式:长时间在家 (A类, 住户退休或在家工作) 和非长时间在家 (B类, 住户出门上班或上学) 。各不同类型房间对应的人员行为模式时间 (见表1) 参考了我国夏热冬冷地区居住建筑供暖能耗模型中的设置 ^[11]。A类人员行为模式:14:00—17:00, 考虑住户的社交娱乐需求, 无人在家, 其他时段住户都在家;00:00—08:00 (晚觉) 及12:30—14:00 (午觉) 期间考虑住户进入睡眠状态休息。而B类人员行为模式:08:00—17:00, 由于住户需要出门上班或上学, 无人在家, 其他时段住户都在家;00:00—08:00 (晚觉) 期间考虑住户进入睡眠状态休息 ^[11]。

　　 重庆的空调计算期为6月1日至9月30日, 供暖计算期为12月1日至次年2月28日, 供暖和供冷设定温度分别为18, 26 ℃ ^[28]。由于居住建筑中供暖和空调最常见的使用模式是部分时间、部分空间 ^[29], 且大多数夏热冬冷地区居民有睡前停止供暖的习惯 ^[11], 所以本研究不考虑连续供暖空调的使用模式, 仅在人员在室时间段考虑供冷或供暖, 且室内人员处于睡眠状态时供暖关闭。建筑的内部得热情况设置为:居住建筑人工照明密度6 W/m^{2 [30]}, 设备密度4.3 W/m²;当室内人员处于非睡眠状态时, 考虑设备运行, 每天17:00后开启人工照明。

　　 为计算既有居住建筑的供暖、供冷能耗需求现状, 基准情况下居住建筑的围护结构设置不考虑节能标准要求, 设为夏热冬冷地区传统的围护结构。围护结构依据参考文献[22]设置为:外墙传热系数为2.0 W/ (m²·K) , 外窗传热系数和太阳得热系数 (SHGC) 分别为5.8 W/ (m²·K) 和0.620, 渗透换气次数为2 h^-1。

　　 由EnergyPlus模拟得到3人户单位面积的供暖和供冷累计负荷和能耗情况 (见图4) , 考虑现阶段夏热冬冷地区居住建筑的供暖和供冷效率 (COP分别为1.9, 2.3) ^[26], 采用式 (1) , (2) 分别计算供暖和供冷能耗。

　　 $\begin{array}{l}EU{\rm I}{}_{\text{Η}}=\frac{L{}_{\text{Η}}}{C{\rm O}{\rm P}{}_{\text{Η}}}(1)\\ EU{\rm I}{}_{\text{C}}=\frac{L{}_{\text{C}}}{C{\rm O}{\rm P}{}_{\text{C}}}(2)\end{array}$

　　 式中 EUI_H, EUI_C分别为供暖和供冷能耗, kW·h/m²;L_H, L_C分别为供暖和供冷累计负荷, kW·h/m²;COP_H, COP_C分别为供暖和供冷系统性能系数。

　　 由图4可知, 无论哪类人员行为模式, 设计阶段未考虑建筑节能的既有居住建筑无法满足20 kW·h/m²的供暖、空调总能耗目标。但B类由于其建筑使用时间相对较短, 负荷与能耗相对A类来说都较低。

　　 优秀的被动设计可通过协调当地气候和现场条件, 结合建筑设计和建筑技术实现舒适、健康的室内环境 ^[14]。被动设计措施主要包括建筑形状、朝向、保温隔热、结构蓄热、自然通风、遮阳及气密性等 ^[31,32,33]。但对于既有建筑而言, 建筑形状、朝向和自然通风潜力等特征都相对固定, 改变难度大、可行性差。为确保既有居住建筑不超过20 kW·h/m²的年供暖、供冷总能耗目标, 本文着眼于可行性高且对建筑主体结构影响小的被动技术改造措施, 主要研究建筑围护结构相关的改造手段, 对建筑的外墙、外窗及气密性进行强化和提升, 包括:1) 提升外墙热工性能, 增加外墙的保温层厚度;2) 提升外窗热工性能, 减小外窗的传热系数;3) 增强围护结构的气密性, 减小不可控渗透换气次数 (0.5 h^-1已能满足居住建筑新风换气次数要求 ^[34]) 。

　　 被动技术改造参数设置如表2所示, 考虑既有建筑改造的经济性和可行性, 选择最深层次的改造措施是使建筑围护结构接近2016年实施的重庆市工程建设标准DBJ 50-071—2016《居住建筑节能65% (绿色建筑) 设计标准》 ^[28], 即外墙传热系数不超过0.8 W/ (m²·K) , 外窗传热系数不超过2.5 W/ (m²·K) 。对典型3人户的2类不同人员行为模式进行了96次模拟, 以涵盖所有被动技术改造参数组合 (见图5) , 对其供暖空调负荷情况分别进行分析和讨论。

　　 重庆典型3人户的2类人员行为模式供暖、供冷负荷如图6所示。根据供暖、供冷效率 (COP分别为1.9, 2.3) 计算供暖、供冷能耗, 各被动技术改造组合后A类3人户的年供暖、供冷总能耗为24.4～42.2 kW·h/m², B类为18.9～29.5 kW·h/m²。在供暖、供冷效率保持不变的情况下, 仅B类3人户有可能达到年总能耗不超过20 kW·h/m²的要求。

　　 为降低供暖、供冷能耗以实现20 kW·h/m²的年总能耗目标, 首先需要考虑降低供暖、供冷总负荷。因此, 以供暖、供冷总负荷为指标, 分别在2类人员行为模式下选择总负荷最低的作为目标建筑被动技术改造参数组合, 与基准建筑进行对比, 如表3所示。目标建筑被动技术改造参数组合的热工性能和气密性都有较大提升。

　　 相比基准建筑组合, 使用目标建筑组合能同时降低供暖、供冷负荷, 负荷降低百分比R_p为

　　 $R{}_{\text{p}}=\frac{L{}_{\text{b}}-L{}_{\text{e}}}{L{}_{\text{b}}}(3)$

　　 式中 L_b为基准建筑被动技术改造参数组合情况对应的供暖或供冷累计负荷, kW·h/m²;L_e为目标建筑被动技术改造参数组合情况对应的供暖或供冷累计负荷, kW·h/m²。

　　 计算结果表明, A类人员行为模式下供暖和供冷累计负荷分别降低了71%, 18%;B类人员行为模式下供暖和供冷累计负荷分别降低了64%, 16%。供暖负荷降低百分比远大于供冷负荷。

　　 为对比目标建筑被动技术改造参数组合对过渡季 (非供暖空调计算期) 室内温度的影响, 分析过渡季时间段内总计3 672 h中室内温度处于18～26 ℃之间的舒适时间百分比, 结果如表4所示。目标建筑被动技术改造参数组合不仅能有效降低负荷, 还能延长过渡季舒适时间。对于A类人员行为模式, 目标建筑被动技术改造参数组合可延长9%的过渡季舒适时间百分比;同时, 对于B类人员行为模式, 目标建筑被动技术改造参数组合可延长10%的过渡季舒适时间百分比。

　　 热泵空调器 ^[35]作为夏热冬冷地区居住建筑中最常用的供冷、供暖一体化末端, 其系统比集中空调系统简单, 主动设计方面可考虑的主要参数为供暖、供冷能效。本文选择全年性能系数APF (annual performance factor) 为指标对满足20 kW·h/m²的年供暖、供冷总能耗目标的主动设计要求进行探讨, 分析不同参数情况下为满足要求需要的最低全年性能系数APF_min。

　　 $A{\rm P}F{}_{\min }=\frac{L{}_{\text{Η}}+L{}_{\text{C}}}{20}(4)$

　　 考虑不同被动技术改造参数组合下满足20 kW·h/m²年供暖、供冷总能耗目标时对应的最低全年性能系数如图7所示。在A类人员行为模式下, 最低全年性能系数在2.7～4.5之间, 平均值为3.6;B类人员行为模式下, 最低全年性能系数在2.1～3.2之间, 均值为2.6。

　　 由于A类人员行为模式相对B类的能耗需求更大, 故以A类为例, 分析为达到20 kW·h/m²年供暖、供冷总能耗目标使用不同被动技术改造组合后对应的主动系统最低全年性能系数情况。表5给出了针对提高外墙保温性能、外窗保温隔热性能、气密性、空调器全年性能系数4种措施对基准建筑进行的3种不同改造方案。

　　 基准建筑热物理特性不变, 仅仅提升空调器设备性能, 此时空调器的全年性能系数需达到4.5以上;

　　 减小渗透换气次数到0.5 h^-1, 提升外窗的热工性能到外窗传热系数2.4 W/ (m²·K) 、太阳得热系数0.569, 此时空调器全年性能系数需达到2.9以上;

　　 减小渗透换气次数到0.5 h^-1, 提升外窗的热工性能到外窗传热系数2.4 W/ (m²·K) 、太阳得热系数0.569, 提升外墙热工性能到0.8 W/ (m²·K) (达到文献[28]的要求) , 此时空调器全年性能系数需达到2.7以上。

　　 以上方案均能满足年供暖、供冷总能耗不超过20 kW·h/m²的要求, 但在现实操作中, 应该考虑可实施性。从表5可以看出:提高气密性及外窗热工性能有显著的节能效果。既有居住建筑的改造在满足健康需求的新风量前提下, 应优先考虑更换高性能外窗并加强外窗的气密性, 以减少室外空气渗透量。既有居住建筑的外墙保温则涉及许多因素, 如资金问题, 若要求住户投资, 整栋建筑难以达到住户统一认可, 协调工作难度大。若是政府统一投资, 除了材料费用外, 也涉及到施工等人工费用。因此, 笔者认为, 既有居住建筑改造, 建议在满足新风要求的前提下, 更换气密性好的高性能外窗, 使用较高能效性能的房间空调器。

　　 1) 在保证室内舒适度的前提下, 现阶段重庆既有居住建筑无法满足20 kW·h/m²的年供暖、供冷总能耗目标。采用被动技术改造措施, 并提升主动系统的全年性能系数 (APF) 后, 可实现20 kW·h/m²的年供暖、供冷总能耗目标。但既有居住建筑的改造要考虑可实施性。外窗在围护结构中起关键作用, 提高外窗热工性能, 并减少渗透换气次数, 能降低满足20 kW·h/m²的年供暖、供冷总能耗目标所对应的空调器设备性能要求。若是同时匹配高性能空调器, 年供暖、供冷总能耗将在20 kW·h/m²以下。

　　 2) 在室内环境舒适健康的前提下, 为达到年能耗不超过20 kW·h/m²的目标, 若保持基准建筑围护结构性能不变, 仅考虑提升空调器设备性能, 空调器全年性能系数需达到4.5以上 (方案1) ;考虑提升外窗的热工性能, 并减小渗透换气次数后, 空调器全年性能系数需达到2.9以上 (方案2) ;考虑提升外窗热工性能、减小渗透换气次数和提升外墙热工性能后, 空调器全年性能系数需达到2.7以上 (方案3) 。

　　 3) 对于既有居住建筑改造, 建议在满足新风要求的前提下, 优先更换气密性好的高性能外窗和较高能效的房间空调器, 再根据既有建筑的实际情况确定是否对外墙进行改造。

　　 4) 本文提出的重庆地区既有居住建筑被动技术改造与主动性能提升相结合的集成式低能耗建筑能效设计策略, 可为政策制定者和建筑相关从业人员合理进行既有居住建筑的低能耗改造及运行管理决策提供依据, 以满足建筑行业的节能减排要求。需要特别注意的是, 本文以建筑中间层为代表进行探讨, 当居室位于顶层和底层时, 其具体能耗情况会有一定差异, 因此在居住建筑节能改造方面, 顶层居室还需考虑提高屋顶的保温隔热性能。