浅谈建筑节能技术

浅谈建筑节能技术

苏元伟

建筑设计,职称评审,高级工程师职称评审

摘要：分析建筑节能的重要性，从开发新的建筑节能技术，提高建筑物的能源利用效率等方面来论述实现建筑节能的技术途径。建筑设计,高级工程师职称评审,职称评审

关键词：建筑节能 建筑能耗 新能源 新技术

前 言

能源是人类赖以生存和发展的基本条件。进入21世纪以来，能源供应的紧张对各国的经济发展和社会生活产生了巨大的冲击，全世界都充分认识到节约能源的重要性。由于建筑能耗在社会总能耗中占有重大比例，建筑节能已成为世界节能浪潮的主流之一。

建筑节能在发达国家最初为减少建筑中能量的散失，现在则普遍称为“提高建筑中的能源利用率”，在保证提高建筑舒适性的条件下，合理使用能源，不断提高能源利用效率。

一、我国目前建筑节能状况

建筑节能是指在建筑物的规划、设计、新建（改建、扩建）、改造和使用过程中，执行节能标准，采用节能型的技术、工艺、设备、材料和产品，提高保温隔热性能和采暖供热、空调制冷制热系统效率，加强建筑物用能系统的运行管理，利用可再生能源，在保证室内热环境质量的前提下，减少供热、空调制冷制热、照明、热水供应的能耗。

我国是一个发展中大国，又是一个建筑大国，每年新建房屋面积高达17-18亿平方米，超过所有发达国家每年建成建筑面积的总和。随着全面建设小康社会的逐步推进，建设事业迅猛发展，建筑能耗迅速增长。在建筑能耗中仅采暖、空调的能耗就占60%～70%。1999年我国建筑能耗占社会总能耗的比例已达到20％～25％，而美国1999年的能源消费总量约占全世界能源消费总量的26％，其中的建筑能耗已经接近于我国的能源消费总量。因为我国的人口是美国人口的4.5倍左右，设想如果我国的人均建筑能耗水平达到目前美国的人均水平，那么我国的建筑能耗将占当前全世界总能耗的40％，这种情况是难以想象的。同时我们必须清醒地认识到，我国是一个发展中国家，人口众多，人均能源资源相对匾乏。人均耕地只有世界人均耕地的1/3，水资源只有世界人均占有量的1/4，已探明的煤炭储量只占世界储量的11%，原油占2.4%。每年新建建筑使用的实心粘土砖，毁掉良田12万亩。物耗水平相较发达国家，钢材高出10%--25%，每立方米混凝土多用水泥80公斤，污水回用率仅为25% 。国民经济要实现可持续发展，推行建筑节能势在必行、迫在眉睫。

二、我国建筑节能的途径

随着我国经济的不断增长，人们对建筑室内环境舒适程度要求的不断提高，我国建筑节能究竟如何办呢？建筑节能不能以牺牲人的舒适和健康为代价，否则节能便失去了意义。所谓的建筑节能是指在建筑中提高能源利用效率，用有限的资源和最小的能源消费代价取得最大的经济和社会效应。因此，建筑节能是贯彻可持续发展战略、实现国家节能规划目标、减排温室气体的重要措施，符合全球发展趋势。其解决途径只有两种：一方面通过开发利用可再生能源及节能建材等途径降低建筑能耗的需求；另一方面要提高能耗系统的效率，从而降低终端能源使用量。

1、实现建筑节能的技术途径及动态

　　经粗略估算，采取周密、有效的建筑技术措施可以降低2/3～3/4的建筑能耗。因此，在建筑规划设计、建造和使用过程中，在满足室内环境舒适、卫生、健康的条件下，采取合理有效的建筑节能技术，有利于实现建筑节能和环保共进的目标。日本最近提出“建筑的节能与环境共存设计”的概念便是这一思想的体现。一般来说，实现建筑节能的技术途径为：尽量减少建筑内能源总需求量的同时，大力开发利用可再生的新能源，从而减少使用在建筑领域内易引起环境污染的能源。

　1.1减少建筑内的能源总需求量

　　据统计，在发达国家，空调采暖能耗占建筑能耗的65％。目前，我国的采暖空调和照明用能量近期增长速度己明显高于能量生产的增长速度，因此，减少建筑的冷、热及照明能耗是降低建筑能耗总量的重要内容，一般可从以下几方面实现。

　　1.1.1建筑规划与设计

　　面对全球能源环境问题，不少全新的设计理念应运而生，如低能耗建筑、零能耗建筑和绿色建筑等，它们本质上都要求建筑师从整体综合设计概念出发，坚持与能源分析专家、环境专家、设备师和结构师紧密配合。在建筑规划和设计时，根据大范围的气候条件影响，针对建筑自身所处的具体环境气候特征，重视利用自然环境(如外界气流、雨水、湖泊和绿化、地形等)创造良好的建筑室内微气候，以尽量减少对建筑设备的依赖。具体措施可归纳为以下三个方面：合理选择建筑的地址、采取合理的外部环境设计(主要方法为：在建筑周围布置树木、植被、水面、假山、围墙)；合理设计建筑形体(包括建筑整体体量和建筑朝向的确定)，以改善既有的微气候；合理的建筑形体设计是充分利用建筑室外微环境来改善建筑室内微环境的关键部分，主要通过建筑各部件的结构构造设计和建筑内部空间的合理分隔设计得以实现。同时，可借助相关软件进行优化设计，如运用天正建筑(Ⅱ)中建筑阴影模拟，辅助设计建筑朝向和居住小区的道路、绿化、室外消闲空间及利用CFD软件，如：PHOENICS，Fluent等，分析室内外空气流动是否通畅。

　　1.1.2围护结构

　　建筑围护结构组成部件(屋顶、墙、地基、隔热材料、密封材料、门和窗、遮阳设施)的设计对建筑能耗、环境性能、室内空气质量与用户所处的视觉和热舒适环境有根本的影响。一般增大围护结构的费用仅为总投资的3％～6％，而节能却可达20％～40％。通过改善建筑物围护结构的热工性能，在夏季可减少室外热量传入室内，在冬季可减少室内热量的流失，使建筑热环境得以改善，从而减少建筑冷、热消耗。首先，提高围护结构各组成部件的热工性能，一般通过改变其组成材料的热工性能实行，如欧盟新研制的热二极管墙体(低费用的薄片热二极管只允许单方向的传热，可以产生隔热效果)和热工性能随季节动态变化的玻璃。然后，根据当地的气候、建筑的地理位置和朝向，以建筑能耗软件DOE－2.0的计算结果为指导，选择围护结构组合优化设计方法。最后，评估围护结构各部件与组合的技术经济可行性，以确定技术可行、经济合理的围护结构。

1.1.3提高终端用户用能效率

　　高能效的采暖、空调系统与上述削减室内冷热负荷的措施并行，才能真正地减少采暖、空调能耗。首先，根据建筑的特点和功能，设计高能效的暖通空调设备系统，例如：热泵系统、蓄能系统和区域供热、供冷系统等。然后，在使用中采用能源管理和监控系统监督和调控室内的舒适度、室内空气品质和能耗情况。如欧洲国家通过传感器测量周边环境的温、湿度和日照强度，然后基于建筑动态模型预测采暖和空调负荷，控制暖通空调系统的运行。在其他的家电产品和办公设备方面，应尽量使用节能认证的产品。如美国一般鼓励采用“能源之星”的产品，而澳大利亚对耗能大的家电产品实施最低能效标准(MEPS)。

　　1.1.4提高总的能源利用效率

　　从一次能源转换到建筑设备系统使用的终端能源的过程中，能源损失很大。因此，应从全过程(包括开采、处理、输送、储存、分配和终端利用)进行评价，才能全面反映能源利用效率和能源对环境的影响。建筑中的能耗设备，如空调、热水器、洗衣机等应选用能源效率高的能源供应。例如，作为燃料，天然气比电能的总能源效率更高。采用第二代能源系统，可充分利用不同品位热能，最大限度地提高能源利用效率，如热电联产(CHP)、冷热电联产(CCHP)。

　 1.2利用新能源

　　在节约能源、保护环境方面，新能源的利用起至关重要的作用。新能源通常指非常规的可再生能源，包括有太阳能、地热能、风能、生物质能等。人们对各种太阳能利用方式进行了广泛的探索，逐步明确了发展方向，使太阳能初步得到一些利用，如：①作为太阳能利用中的重要项目，太阳能热发电技术较为成熟，美国、以色列、澳大利亚等国投资兴建了一批试验性太阳能热发电站，以后可望实现太阳能热发电商业化；②随着太阳能光伏发电的发展，国外己建成不少光伏电站和“太阳屋顶”示范工程，将促进并网发电系统快速发展；③目前，全世界已有数万台光伏水泵在各地运行；④太阳热水器技术比较成熟，已具备相应的技术标准和规范，但仍需进一步地完善太阳热水器的功能，并加强太阳能建筑一体化建设；⑤被动式太阳能建筑因构造简单、造价低，已经得到较广泛应用，其设计技术已相对较为成熟，已有可供参考的设计手册；⑥太阳能吸收式制冷技术出现较早，目前已应用在大型空调领域；太阳能吸附式制冷目前处于样机研制和实验研究阶段；⑦太阳能干燥和太阳灶已得到一定的推广应用。但从总体而言，目前太阳能利用的规模还不大，技术尚不完善，商品化程度也较低，仍需要继续深入广泛地研究。在利用地热能时，一方面可利用高温地热能发电或直接用于采暖供热和热水供应；另一方面可借助地源热泵和地道风系统利用低温地热能。风能发电较适用于多风海岸线山区和易引起强风的高层建筑，在英国和香港已有成功的工程实例，但在建筑领域，较为常见的风能利用形式是自然通风方式。

2、建筑节能新技术

　　理想的节能建筑应在最少的能量消耗下满足以下三点，一是能够在不同季节、不同区域控制接收或阻止太阳辐射；二是能够在不同季节保持室内的舒适性；三是能够使室内实现必要的通风换气。目前，建筑节能的途径主要包括：尽量减少不可再生能源的消耗，提高能源的使用效率；减少建筑围护结构的能量损失；降低建筑设施运行的能耗。在这三个方面，高新技术起着决定性的作用。当然建筑节能也采用一些传统技术，但这些传统技术是在先进的试验论证和科学的理论分析的基础上才能用于现代化的建筑中。

　 2.1减少能源消耗，提高能源的使用效率

为了维持居住空间的环境质量，在寒冷的季节需要取暖以提高室内的温度，在炎热的季节需要制冷以降低室内的温度，干燥时需要加湿，潮湿时需要抽湿，而这些往往都需要消耗能源才能实现。从节能的角度讲，应提高供暖(制冷)系统的效率，它包括设备本身的效率、管网传送的效率、用户端的计量以及室内环境的控制装置的效率等。这些都要求相应的行业在设计、安装、运行质量、节能系统调节、设备材料以及经营管理模式等方面采用高新技术。如目前在供暖系统节能方面就有三种新技术：①利用计算机、平衡阀及其专用智能仪表对管网流量进行合理分配，既改善了供暖质量，又节约了能源；②在用户散热器上安设热量分配表和温度调节阀，用户可根据需要消耗和控制热能，以达到舒适和节能的双重效果；③采用新型的保温材料包敷送暖管道，以减少管道的热损失。近年来低温地板辐射技术己被证明节能效果比较好，它是采用交联聚乙烯(PEX)管作为通水管，用特殊方式双向循环盘于地面层内，冬天向管内供低温热水(地热、太阳能或各种低温余热提供)；夏天输入冷水可降低地表温度(目前国内只用于供暖)；该技术与对流散热为主的散热器相比，具有室内温度分布均匀，舒适、节能、易计量、维护方便等优点。

2.2减少建筑围护结构的能量损失

　　建筑围护结构的节能技术集中体现在对通过建筑围护结构的能量控制上。在建筑实体墙部分,通过建筑的内、外保温技术,在冬季的采暖季节,降低通过围护结构向外的热损失,在夏季的空调季节,降低通过围护结构向低通季节,充分利用自然通风作用,调节室内环境。在建筑物透明结构部分,主要是控制窗户的太阳能热流,采光性能,通风性能等。如通过设计控制合适的窗墙面积比,选择合适的窗户结构,通过采用遮阳技术和镀膜技术等,来达到冬季采暖季节时,可以阻止室内热辐射通过透明结构的损失,增加太阳能对室内的渗透,在夏季空调季节时,可以阻止室外热量向室内渗透,减少室内冷气的损失。

　　2.3降低建筑设施运行的能耗

　　建筑内的能耗设备与系统主要包括建筑的空调系统、照明系统、热水供应系统、电梯设备等。其中空调系统和照明系统在大多数的民用建筑能耗中占主导地位,空调系统的能耗更接近建筑能耗的40%到60%,成为主要的控制对象。而降低能耗又成为建筑设施节能的关键,当前主要技术措施有:一是建筑能源的梯级应用。根据建筑不同用能设备和系统等级的划分,优先满足用能品位高的设备和系统,利用这些设备和系统的排出能量满足用能品位低的下游设备和系统。二是能源回收技术。通过能源回收设备,将排出建筑物的一些能量进行回收再利用,是降低建筑能耗的一个重要措施。三是通过控制调节系统来降低能耗。由于建筑内部设备与系统的设计往往是在满负荷的条件下进行的,而这些设备和系统往往运行在非满负荷条件下,这就要求这些设备和系统配备有优良的控制和调节系统,并要求物业管理人员有敬业精神和专业技能,可以根据不用负荷特点对有关设备和系统进行自动或人工调节,避免大马拉小车现象。控制调节技术对于既有建筑的节能有其特殊的意义。四是采用高能效的设备。

三、节能效果

仅以建筑供暖为例， 北京市在执行建筑节能设计标准前， 一个采暖期的平均能耗为 30.1 瓦 ／平方米， 执行节能标准后， 一个采暖期的平均能耗为20.6瓦／平方米， 而相同气候条件的瑞典、丹麦、芬兰等国家一个采暖期的平均能耗仅为 11 瓦 ／平方米。因建筑能耗高， 仅北方采暖地区每年就多耗标准煤 1800 万吨， 直接经济损失达 70 亿元。我国现阶段大力推进建筑节能处在关键时机。2001年， 世界银行在《中国促进建筑节能的契机》的报告中提出， 从200~2015 年是中国民用建筑发展鼎盛期的中后期， 预测到 2015 年民用建筑保有量的一半是 2000年以后新建的。 据建设部科技司的分析， 到 2020 年底， 全国新增的 300 亿平方米房屋建筑面积中， 城市新增130 亿平方米。如果这些建筑全部在现有基础上实现 50% 的节能， 则每年大约可节省 1.6 亿吨标准煤。在400多亿平方米的既有建筑中， 城市建筑总面积约为 138 亿平方米左右， 普遍存在着围护结构保温隔热性和气密性差供热空调系统效率低下等问题， 节能潜力巨大。 以占我国城市建筑总面积约 60％ 的住宅建筑为例， 采暖地区城镇住宅面积约有 40 亿平方米，2000 年的采暖季平均能耗约为 25 公斤标煤 ／平方米， 如果在现有基础上实现 50％ 的节能， 则每年大约可节省0.5 亿吨标煤。空调是住宅能耗的另一个重要方面， 我国住宅空调总量年增加约 1100 万台， 空调电耗在建筑能耗中所占的比例迅速上升。根据预测， 今后 10 年我国城镇建成并投入使用的民用建筑至少为每年 8 亿平方米， 如果全部安装空调或采暖设备， 则 10 年增加的用电设备负荷将超过1 亿千瓦， 约为我国 2000 年发电能力的 1／3。如果我国大部分新建建筑按节能标准建造并对既有建筑进行节能改造， 则可使空调负荷降低40％~70％， 有些地区甚至不装空调也可保证夏季基本处于舒适范围。

四、结论

建筑在建造过程中是耗能大户，在运行使用过程中也是耗能大户，所以节能潜力很大。我国既有的近400亿平方米建筑中仅有1%为节能建筑，其余无论从建筑围护结构还是采暖空调系统来衡量，均属于高耗能建筑。单位面积采暖所耗能源相当于纬度相近的发达国家的2～3倍。这是由于我国的建筑围护结构保温隔热性能差，采暖用能的2/3白白跑掉。而每年的新建建筑中真正称得上“节能建筑”的还不足1亿平方米，建筑耗能总量在我国能源消费总量中的份额已超过27%，逐渐接近三成，所以空调节能、建造节能建筑已成为刻不容缓的大事。我国抓建筑节能工作必须从现在做起，重点解决的是北方城镇采暖和大型公共建筑的能耗问题，在具体节能途径上应该在优化建筑结构、降低采暖系统能耗、减少空调照明能耗上下功夫，从建筑节能的角度构建节约型社会。

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