以低能耗为视角的北方寒冷地区高校建筑设计策略分析建筑设计及其理论专业毕业论文.docx
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以低能耗为视角的北方寒冷地区高校建筑设计策略分析建筑设计及其理论专业毕业论文
以低能耗为视角的北方寒冷地区高校建筑设计策略分析-建筑设计及其理论专业毕业论文
以低能耗为视角的北方寒冷地区高校建筑设计策略分析
CollegesandUniversitiesArchitecturalDesignStrategieswithLowEnergyConsumptionintheNorthernColdRegions
Abstract
In2014．China’Sfuelconsumptionhasaccountedfor23％oftheworld。
Stotalconsumption．Thebuildinghasbecomethemainpartofenergyconsumptionandcarbonemissions，energyconsumptionaccountsforabout39％oftotalenergyconsumption．In1999，theMinistryofEducationcalledonthatChina‘Shighereducationenrollmentrateneedto
increasefrom9％to15％in2010．gOalloverthecountrybegantobuildandexpandcampus．Accordingtothestatisticaldatain2005，thetotalenergyconsumptionofChina’Scollegesanduniversitiestol7．9milliontonsofstandardcoal．accountingfor8％ofthecountry‘StcItal
energyconsumption,thetotalwateraccountedfor6．6％ofthemunicipalwatersupply．percapitaenergyconsumptionandwaterconsumptionlevelwerehigherthanChina‘Spercapitalivingenergyandwaterlevel．Bytheendof2013，thenumberofcollegesanduniversities
reached2788，studentsofabout3499people，schoolareaof768．8lmillionsquaremeters，of
whichthenortherncoldregionsshareratioreachedabout50％．Moreovercoldareainwinter
useofcentralizedheatingmode，energysituationisparticularlygrim．
TakingtheuniversitiesandcollegesbuildingsinthenortherncoldregionsofChinaasall
example，setforthbytherelationshipbetweenclimateandthermalcomfortandenergyconsumption,proposethepassiveenergyconservationstrategybasedonthermalcomfortcharacteristics．Firstly，accordingtoenergyconsumptionandindoorthermalenvironmentdataofUniversitiesandCollegestoanalyzeenergyconsumptionandindoorthermalenvironment
situation．ThenusingclimateconsultantsoftwaretOsimulatebuildingpassivestrategyofsixtypicalurban（Dalian，Beijing，Shijiazhuang，Jinan，Taiyuan，Zhengzhou）ofnorthemcoldregionby”climateadaptationmodel”asindicator．Undertheanalysisofthestrategy
effectivenessindex，concludethattheexternalenvelopestructureisthemainenergy
consumptionfactor．CombinewiththeproblemsexistinginthenorthcoldregionsoftheuniversitiesandcollegestOfmdouthowtoimprovethermalinsulationpropertiesofexteriorwall，roofandexteriorwindow．
Onthebasisoftheabovetwochaptersconclusion，simulatecasebuildingannualloadandnaturalroomtemperaturewiththemostwidelyusedenergyconservationsimulationsoftwareDeST．Byanalyzingtheenergyconservationeffectoftheexternalwall，roofandexternalwindowsbeforeandafterthetransformation,obtaintheoptimalenergyconservation
transfolrmationstrategy．Optimizeandcombinetheaboveeffectivestrategy，throughthe
Ⅱ
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大连理工大学硕士学位论文
comparisonofthedatatoevaluateandverifytheenergyconservationeffect．ThebestoneiSthemostsuitablestrategyfortheconstructionofthenortherncoldregions．
Tllispapercountupthetotalenergyconsumptionofdifferentfunctionalbuildingsin
campusandelectricityconsumptionofcasebuilding，actualmeasurementindoorthermal
environmentoftypicalbuildingincollegesanduniversities，inadditionusesoRwareClimateConsultantandDeSTtosimulate．Combinethermalenvironmentandenergyconsumptiontomeasureandsimulateindoorthermalcomfortandenergyconsumption,provideanewdesignmethodfortheresearchofuniversityandcollegebuildingenergyconsumption．Atthesametime，thepassivestrategyhasfar-reachingsignificanceforthedesignandtransformationof
universitybuildings．
KeyWords：
Northerncoldregions；CollegesandUniversitiesbuilding；Buildingenergyconsumption；Thermalcomfort；Peripheralprotectionstructure
．111．
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以低能耗为视角的北方寒冷地区高校建筑设计策略分析
摘要I
Abstract．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．IIl绪论．1
1．1研究背景与意义．1
1．1．1当前能源形势．1
1．1．2全球背景下的高校建筑设计2
1．1．3高校建筑低能耗设计的意义4
1．2国内外研究和发展现状4
1．2．1国内外发展现状．4
1．2．2国内外研究现状．6
1．2．3国内外典型案例．7
1．3相关概念．9
1．3．1高校建筑．．9
1．3．2建筑能耗与建筑节能．9
1．3．3建筑热环境与热舒适10
1．3．4建筑能耗和建筑热环境的关系．．11
1．4研究内容与方法12
1．4．1研究内容12
1．4．2研究方法13
1．4．3研究框架13
2北方寒冷地区高校建筑建筑能耗和热环境现状调研15
2．1北方寒冷地区划分与气候特征．15
2．1．1北方地区15
2．1．2寒冷地区15
2．2北方寒冷地区高校现状．．16
2．2．1北方寒冷地区高校建设概况．．16
2．2．2北方寒冷地区高校建筑特点．．17
2．2．3北方寒冷地区高校能耗特点．．18
2．3北方寒冷地区某高校建筑实测能耗概况．19
2．3．1案例高校概况19
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大连理工大学硕士学位论文
2．3．2高校电耗概况19
2．3．3建筑电耗特点25
2．4案例建筑热环境现状调研～27
2．4．1基本情况27
2．4．2测试工具和测试点的布置．．28
2．4．3室内温湿度评价标准28
2．4．4夏季温湿度调研分析30
2．4．5冬季温湿度调研分析34
2．4．6室内不同位置温湿度调研分析。
38
2．5本章小结42
3基于热舒适的北方寒冷地区低能耗设计策略分析443．1ClimateConsultant的策略分析方法．443．1．1基于热舒适的低能耗设计策略分析方法．．443．1．2ClimateConsultant简介44
3．2基于热舒适的北方寒冷地区建筑低能耗设计策略有效性分析47
3．2．1典型城市的选取及分析。
47
3．2．2城市建筑被动式设计策略有效性指数分析．47
3．2．3主要被动式设计策略有效性指数分析．50
3．3主要影响因素——外围护结构低能耗设计策略54
3．3．1外墙保温与隔热技术55
3．3．2外窗保温与隔热技术57
3．3．3屋顶保温与隔热技术59
3．4本章小结．．60
4低能耗视角下北方寒冷地区高校建筑设计策略分析61
4．1DeST的能耗模拟方法61
4．1．1DeST简介．62
4．1．2DeST主要特点．．62
4．2低能耗建筑设计方案模拟64
4．2．1案例建筑模型的建立64
4．2．2模拟计算66
4．3外围护结构对建筑能耗的影响验证．66
4．3．1外墙66
万方数据
以低能耗为视角的北方寒冷地区高校建筑设计策略分析
4．3．2外窗77
4．3．3屋顶83
4．4优化组合方案84
4．4．1优化方案组合84
4．4．2模拟结果分析84
4．4．3节能减排效果模拟87
4．5本章小结89
结论与展望90
参考文献92
攻读硕士学位期间发表学术论文情况95
致谢96
大连理工大学学位论文版权使用授权书．．97
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1绪论
1．1研究背景与意义
1．1．1当前能源形势能源是人类活动的基础，是维持社会正常运行的充分条件。
上世纪70年代世界爆
发能源危机，能源使用开始引起各国政府的重视；发展到80年代，能源已经成为世界
瞩目的紧要问题之一。
根据（BP世界能源统计年鉴2015））统计，截止到2014年底中国与世界的能源储藏量如表1．1：
表1．1中国与世界能源储量
Tab．1．1EnergyreservesinChinaandtheworld
：
I：
蓓基／产量（储产比）：
用任何一年年底所剩余的储量除以该年度的产量，所得出的计算结
果即表明如果产量继续保持在该年度的水平，这些剩余储量可供开采的年限。
从上表中可以看出：
中国的石油储量最低，仅占世界总储量的1．1％，储产比只有11．9，意味着当前的石油储存量只能开采11．9年。
煤炭的存量相对较多，占世界总储存量的12．8％，但是储产比也仅是30。
2014年世界能源消耗格局显示：
世界燃料消费量总计12928．4百万吨油当量，其中石油消费4211．1百万吨，占总消费量的32．57％，是全球主导燃料。
中国燃料消费量总计2972．1百万吨油当量，占世界总消费量的22．99％。
其中石油消费520．3百万吨，占世界石油消费总量的12．36％；天然气消费166．9百万吨油当量，占世界天然气总消费量的5．44％；煤炭消费1962．4百万吨油当量，占世界煤炭总消费量的50．55％。
从图1．1中可以看出，世界与中国的能源消耗量正在逐年增加，而且在未来几年能源消耗量仍会以线性增长的趋势增加。
所有的燃料消费中，世界可再生能源消费量总计316．9百万吨油当量，占总能源消费量的O．25％；中国可再生能源消费量总计53．1百万吨油当量，占总能源消费量的1．78％，中国乃至全世界主要以石油、煤炭等污染性能源为主要燃料，节
能建设势在必行。
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以低能耗为视角的北方寒冷地区高校建筑设计策略分析
世界叫≯中国——线性（世界）
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
^迷垫嚣冒R。
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200420052006200720082∞9201D20ll201220132014
图1．1世界与中国燃料消耗量逐年变化曲线
Fig．1．1YearlyfuelconsumptioninChinaandtheworld
石油、煤炭在使用过程中会排出大量二氧化碳等温室气体，加剧全球气候温暖化。
2007年，第四次气候变化评估报告中已经明确提出：
世界各国需要紧密合作，采取有效的措施降低二氧化碳排放量，减缓气候变化速度，改善气候环境。
2009年，哥本哈根会议再一次将全球气候变化问题提上议程，引起公众的重视。
在中国，能源消耗主要包括建筑能耗、工业能耗、农业能耗和交通运输能耗。
<<2013-2017年中国智能建筑行业市场前景与投资战略规划分析报告》显示：
我国建筑能耗占能源总消费量的27．45％，较上世纪七十年代末上升近20％，按现在的发展趋势最终将上升至35％左右，而全球发达国家的建筑能耗一般占全国总能耗的33％左右；我国每年新建建筑面积高达16---20亿平方米，其中高能耗建筑占97％以上，预计2020年全国高耗能建筑面积将达到700亿平方米。
1．1．2全球背景下的高校建筑设计
1999年，教育部制定了《面向21世纪教育振兴行动计划》，提出我国高等教育入学率由1999年的9％提高到2010年的15％，真正实现由精英教育面向大众化教育的转变。
根据教育部数据统计，截至2013年我国高等院校（包括普通高等学校和成人高等学校）约2788所，在校学生约3499万人，教职工约235万人，共占全国总人口的3．1％。
从图1．2中可以看出2013年在校学生数比2004年增加了近1倍，教职工数量增加了约l／3，高校数量在2008年涨幅最明显，总计增加了约1／4。
万方数据
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在校学生数量万人燃教职工数量万人嘲一高等学校数量
3000
2500
，、2000G诠
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＼_／
籁骚
<1000纂
500
0
2004200S20062007200820092010201120122013
图1．2高等院校基本情况
Fig．1．2Collegesanduniversitiessituation
表1．2学校建筑资产状况
Tab．1．2Collegesanduniversitiesassetcondition
幸所有面积均为校自主产权。
截至2013年底，全国高等学校产权占地面积169913万m2，学校产权建筑面积76881万m2，在建建筑面积5554万m2。
2004---2013年间新建了552所高校，在校生增加1873万人；同时学校占地面积增加了1．3倍，建筑面积增加了1．5倍，施工建筑面积增加了
1．1倍。
目前全国高校仍然处于不断的新建、扩建状态。
2005年，调查我国高校总能耗约1790万吨标准煤，占全国总能耗的8％；总用水量约33．2亿立方水，占全国城市总供水量的6．6％【l】。
2008年，调查夏热冬冷地区的13所高校发现平均生均能耗为全国人均能耗的2倍左右，其中最高达4倍左右【2】；调查上海高校能耗发现，高校建筑能耗占高校总能耗的83．2％【3】。
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以低能耗为视角的北方寒冷地区高校建筑设计策略分析
1．1．3高校建筑低能耗设计的意义高校建筑是实现教育的物质载体，为培育高级专业人才提供了专业的物质和精神环
境。
从上述的调查研究中发现：
高校的人均能耗和单位建筑面积能耗已超出全国人均水
平和单位建筑面积能耗，成为能源消耗大户，所以高校建筑实行低能耗设计具有重要的
意义。
（1）高校建筑低能耗设计对大学生具有重要的示范作用高校的核心目的是通过科学研究、服务社会、文化传承培养多栖发展的复合型人才。
高校建筑的低能耗设计能够为学生提供舒适的生活学习环境，将低能耗的理念渗透到学生生活学习的方方面面，潜移默化地影响师生对节能减排的认知，为今后推广低能耗建筑设计打造良好的基础。
就像《托尼报告》中指出的“如果学院和大学等机构没有遵从好的环境实践，它在教授环境责任的重要性时，就会缺乏说服力”[41。
（2）高校建筑低能耗设计是建设节约型校园的关键高校是一个复杂的群体，包括实验、办公、教学、科研、体育、住宿等功能，能源
消耗类型多样。
同时高校办学规模不断扩大、办学条件持续改善也增加了能源消耗量，经费支出也与日俱增。
节约型校园的建设跨越了高校的全生命周期，从学校规划、建设之初到后期的运营发展都全面贯彻节约能源、合理利用资源的理念，从各方面降低能源消耗。
高校建筑是高校的能耗大户，实现节约型校园的建设，必须从高校建筑开始。
（3）实施高校建筑低能耗建设具有重要的社会辐射作用当今高校逐渐发展“产学研”连携的教育模式，科研一教育一生产相互作用的系统。
在企业与高校长效合作关系中，高校的低能耗发展会直接影响企业对于自身甚至社会在节能方面的深层次思考与筹划。
而科研则会提供一系列的技术支持，保证节能减排工作的IliON进行，促进全社会的节能发展。
1．2国内外研究和发展现状
1．2．1国内外发展现状
（1）政策导向
为应对“环境与可持续发展”的挑战，国外各高校主张发表了多项大学行动宣言，以推动高校的可持续发展。
1990年发布的《塔罗里宣言》主张：
高校应该积极主动的开展可持续发展活动，联合发挥高校在环境教育和可持续发展方面的带头作用。
之后1991年哈利法克斯宣言、1993年斯旺西宣言、2001年吕内堡宣言和2002年尤斑图宣言等宣言的相继提出更加促进了高校的可持续发展。
早在2000年，美国环境保护署就颁布法
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令将大学的能源使用纳入到与工商企业统一的监管轨道15】。
2007年美国数百名大学校长签署了美国高校校长气候宣言（AmericanCoHege&UniversityPresidents。
ClimateCommitment，简称ACUPCC），从各自高校开始减少温室气体排放，发挥高校在节能减排方面的带头作用。
国内针对高校的低能耗建设出台了一系列政策法规保证高校的节能发展。
1996年国家环境保护局、中共中央宣传部、国家教育委员会联合发布《全国环境宣传教育行动纲要（1996．2010年）》，2000年国家环保总局和教育部联合发布《关于联合表彰绿色学校的通知》，2001年国家环境保护局发布《中国绿色学校指南》，2006年教育部发布
《关于建设节约型学校的通知》，2008年住房城乡建设部和教育部联合发布《关于推进高等学校节约型校园建设进一步加强高等学校节能节水工作的意见》（建科[2008）90号），2009年住房城乡建设部提出《高等学校校园建筑节能监管系统建设技术导则》及有关管理办法，共同推动高校节能建设的脚步。
特别指出的是2015年住房城乡建设部发布的《“十三五”建筑节能专项规划》明确提出：
推动高校、公共机构等重点公共建筑节能改造，要充分发挥高校技术、人才、管理优势，会同财政部、教育部积极推动高等学校节能改造示范，高校建筑节能改造示范面积应不低于20万平方米，单位面积能耗应下降20％以上，规划期内启动50所高校节能改造示范嘲。
（2）建设计划
美国加州成立协同高性能学校组织（TheCollaborativeforHighPerformanceSchools，简称CHPS），通过建设节约能源、环境适宜的生态校园提升教学品质。
¨；英国政府设立“环境教育专家委员会”，使高等教育的绿色行动得到官方认证，具有更高的信誉和可实施性；日本文部省和通产省携手实施关于推进完善绿色学校的实验计划，在学校建设中加强可再生能源的利用，截至2011年已形成超过百所高校规模的低碳示范校园阳3。
很多大学也提出了明确的低能耗发展计划：
美国布朗大学的“绿色布朗”、乔治华盛顿大学的“绿色大学计划”、加州大学的“校园环境规划”、威斯康星大学的“创建生态校园”，加拿大渥太华大学的“校园绿色行动”，英国爱丁堡大学的“环境议程”，法国杜夫特大学的“TuftsCLEAN”计划，澳大利亚国立大学的“环境管理计划委员会”，马来西亚理科大学的“Sejahtera校园计划”，东京大学的“绿色东京大学计划”，韩国延世大学的“韩国绿色校园计划协会”等。
还有许多跨校
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