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黑龙江省居住建筑第四步节能指标限值研究
马翼飞1、2，王昭俊1、2，关迪午1、2，方修睦1、2，刘婷婷3
（1.哈尔滨工业大学 建筑与设计学院， 黑龙江 哈尔滨 150006；2.寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室， 黑龙江 哈尔滨 150090；3.哈尔滨工业大学建筑设计研究院有限公司， 黑龙江 哈尔滨 150090）
目前我国总能耗中建筑能耗的占比达23%，其中北方城镇建筑供暖能耗占建筑能耗的20%［1］。在北方城镇建筑供暖能耗中，住宅供暖能耗所占比例最大。而在北方城镇中，黑龙江省供暖能耗强度排名第一，供暖时间长，供暖能耗高，由此带来的污染随着建筑面积增加进一步加大。为适应建筑能耗需求日益增长的现状，达到更好的节能效果，我国已经完成了建筑节能“三步走”的目标，走上“第四步”的道路。我国建筑节能“三步走”的目标，是在20世纪80年代不节能建筑基础上逐步实现三步节能目标，即三个阶段分别在上一阶段基础上节能30%，相对于不节能建筑分别节能30%、50%、65%。2018年，我国又提出了第四步节能指标，要求供暖能耗在第三步基础上再节能30%，即节能75%［2］。目前我国严寒和寒冷地区已执行第四步节能75%标准，即JGJ 26—2018《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》，全国部分省份，包括北京、天津、吉林、山东、河北、新疆、黑龙江等已经出台了居住建筑第四步节能标准。本文介绍DB 23/1270—2019《黑龙江省居住建筑节能设计标准》第四步节能指标体系的制定方法，本文部分研究成果已经被该标准采纳。
根据GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》，建筑热工设计区划分为两级。按照建筑热工设计一级区划指标及设计原则，黑龙江省属于严寒地区。我国每个建筑热工设计分区面积大、跨度广，因此，采用供暖度日数（HDD18）和空调度日数（CDD18）将热工设计区划进一步划分，黑龙江省所属的建筑热工设计二级区划见表1。
按照上述区划标准，黑龙江省各城市属于严寒A区和严寒B区，所以在设计时对围护结构冬季保温要求很高。
DB 23/1270—2019第5.2.5条要求，在第三步节能标准中，管网输送热效率限值取92%。根据第5.2.4条的条文说明，在第三步节能标准中锅炉平均运行效率限值取70%。管网输送热效率的计算式为：
考虑到严寒地区管网保温水平进一步提高存在难度，且管网中各用户之间冷热不均的现象比较常见，所以在第四步节能75%时，也将管网输送热效率η1取92%。
经调查统计，市场上各类锅炉的额定热效率见表2、3［3］，其中锅炉额定蒸发量用符号D表示，额定热功率用符号Φ表示。由于锅炉平均运行效率是一个长期运行效率的平均值，操作不当、运行负荷低导致燃烧不充分等情况都会降低锅炉热效率，并且在黑龙江省地级以下的市仍有较多小锅炉存在，所以将黑龙江省第四步节能锅炉平均运行效率η2定为75%。
建筑供暖耗煤量指标（简称供暖耗煤量指标）和建筑物供暖耗热量指标（简称供暖耗热量指标）的关系为：
管网节能率计算式为：
锅炉节能率计算式为：
供热系统节能率计算式为：
建筑物节能率计算式为：
总节能率计算式为：
我国已经完成了建筑节能标准三步走，本文分析第四步节能75%时各部分分摊的节能率。我国在执行不同阶段节能标准时的各类节能率指标见表4［3］。
以哈尔滨为例，计算第四步节能目标下的节能率和耗热量指标。在不节能时，管网输送热效率η1，0、锅炉平均运行效率η2，0由表4取值分别为85%、55%，20世纪80年代初期哈尔滨不节能供暖耗热量qH，0为33.5 W/m2，不节能供暖期时间t0为176 d，不节能供暖耗煤量指标qc，0为37.2 kg/m2。
由于在20世纪80年代初期与现在哈尔滨计算建筑物供暖能耗所用的室内外计算温度不同，在计算建筑物节能率时，需要将20世纪80年代的供暖耗热量指标根据现在的气象参数折算，供暖耗热量指标折算公式为［3］：
将qH，0代入式（8），计算得到为34.2 W/m2。在黑龙江省第三步节能标准中，哈尔滨多层建筑物供暖耗热量指标为19.6 W/m2。由式（6）计算建筑物节能率，其中不节能供暖耗热量取34.2 W/m2，计算得到在黑龙江省第三步节能65%标准下与不节能时相比，标准建筑的建筑物节能率为42.7%。
在20世纪80年代初供暖期时间为176 d。到了第三步节能时，DB 23/1270—2008《黑龙江省居住建筑节能65%设计标准》中规定哈尔滨的供暖期时间为167 d。根据式（2）可算得第三步节能下供暖耗煤量指标为15.0 kg/m2，根据式（7）计算得第三步节能时哈尔滨总节能率为59.7%。
现在第四步节能拟在第三步的基础上再节能30%。由于供暖期时间没有变化，式（7）可简化为：
各参数代入式（9）中计算得到第四步节能供暖耗热量指标为14.7 W/m2。相对第三步节能，建筑物节能率、供热系统节能率分别为25%、6.7%。相对于不节能时，建筑物节能率为57.1%，总节能率为72.4%。
黑龙江省有10个城市作为典型城市，可以查到不节能时的气象参数及第二步节能时供暖耗煤量指标。根据第二步节能相对于不节能时总节能率为50%，可计算不节能情况下黑龙江省10个典型城市耗煤量及供暖耗热量指标，并根据式（8）将其折算，见表5［3］。表5中，t3表示第三步节能时供暖期时间，qc，2表示第二步节能时供暖耗煤量指标。
低层建筑的体形系数较大，在节能时对其围护结构热工性能要求更高，在第三步节能的基础上再节能30%难度较大。考虑到低层建筑面积占全省总居住建筑面积比例不大，所以初步考虑低层建筑第四步节能在第三步的基础上再节能10%。多层、小高层、高层建筑第四步节能在第三步的基础上再节能30%。综合节能率是指某一城市各类型居住建筑（物）的平均节能率，由低层（≤3层）、多层（4~8层）、小高层（9~13层）及高层（≥14层）建筑（物）节能率按面积加权取平均值求得。第四步节能下黑龙江省典型城市各类建筑物供暖耗热量指标及建筑物节能率见表6［3］。根据前文公式算得黑龙江省10个典型城市第四步节能下供暖耗热量指标及各节能率，从而得到整个黑龙江省的节能率。第四步节能下黑龙江省典型城市各类建筑总节能率及综合总节能率见表7［3］。
根据表7列出的黑龙江省10个典型城市计算结果得出，第四步节能黑龙江省典型城市平均总节能率为72.7%，平均建筑物节能率为57.6%。将黑龙江省各典型城市总节能率与平均总节能率对比，见图1［3］。
由上述结果可知，克山、富锦、牡丹江的总节能率大于平均总节能率，呼玛、嫩江、佳木斯、安达、哈尔滨总节能率小于平均总节能率，伊春、齐齐哈尔的总节能率与平均总节能率非常接近。黑龙江省各典型城市相对不节能情况下的节能率都在71%以上。黑龙江省整体都处于严寒A区与严寒B区，由于建筑围护结构保温性能提高后，冷风渗透耗热量占比相对较大，气温较低的地区节能潜力也相应偏小一些。
通过上述黑龙江省10个典型城市的计算方式和黑龙江省第三步节能地方标准中的数据，计算得到全省各城市各类建筑物供暖耗热量指标，见表8［3］。各城市都基本达到第四步节能标准，但整体达不到理论上的节能75%。
① 通过对锅炉效率和管网输送热效率的调研分析和计算，结合第三步节能标准数据和对第四步节能的预期，确定了黑龙江省居住建筑第四步节能目标：第四步相对于黑龙江省第三步节能标准节能30%。
② 以哈尔滨多层建筑为例，根据其不节能时的供暖耗煤量指标，计算供暖耗热量指标，计算得到哈尔滨多层建筑相对于不节能建筑的总节能率为72.4%，建筑物节能率为57.1%。
③ 对黑龙江省10个典型城市，依照哈尔滨的算法计算各类建筑供暖耗热量指标及节能率，计算出黑龙江省典型城市第四步节能下平均总节能率为72.7%，平均建筑物节能率为57.6%。
④ 计算得到黑龙江其余城市的第四步节能各类建筑物供暖耗热量指标限值，各城市都基本达到第四步节能标准，整体达不到理论上的节能75%。
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