建筑能耗

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建筑能耗(building energy consumption)

　　建筑能耗是指建筑在建造和使用过程中，热能通过传导、对流和辐射等方式对能源的消耗。按照国际通行的分类，建筑能耗专指民用建筑(包括居住建筑和公共建筑)使用过程中对能源的消耗，主要包括采暖、空调、通风、热水供应、照明、炊事、家用电器和电梯等方面的能耗；其中，以采暖和空调能耗为主，各部分能耗大体比例为：采暖、空调占65％，热水供应占15％，电气设备占14％，炊事占6％。

　　1．夏季空调用电量大

　　1997年以来，中国每年发电量按5％～8％的速度增长，工业用电量每年减少17．9％。由于空调耗电量大(2001年全国新增房间空调器装机容量16×10⁶kW)、使用时问集中，有些城市的空调负荷甚至占到尖峰负荷的50％以上。许多城市，如上海、北京、济南、武汉、广州等普遍存在夏季缺电现象。

　　2．冬季采暖能耗高

　　我国的东北、华北和西北地区，称为严寒地区和寒冷地区。这些地区城镇的建筑面积约占全国的近50％，达400多亿平方米，年采暖用能约1．3×1O⁸t标准煤，占全国能源消费量的11％，占采暖地区全社会总能耗的21．4％。在一些严寒地区城镇建筑能耗已占到当地全社会总能耗的50％以上；在夏热冬冷地区城镇建筑能耗也占到当地社会总能耗的30％以上。

　　建筑能耗包括建造过程的能耗和使用过程的能耗两部分，建造过程的能耗是指建筑材料、建筑构配件、建筑设备的生产和运输，以及建筑施工和安装中的能耗；使用过程的能耗是指建筑在采暖、通风、空调、照明、家用电器和热水供应中的能耗。一般情况下，日常使用能耗与建造能耗之比，约为(8：2)～(9：1)。可见，使用过程能耗，特别是采暖和空调能耗为主，故应将采暖和降温能耗作为建筑节能的重点。

　　(一)室外热环境的影响

　　建筑物室外热环境，即各种气候因素，通过建筑的围护结构、外门窗及各类开口赢接影响室内的气候条件。与建筑物密切相关的气候因素为太阳辐射、空气温度、空气湿度、风及降水等。

　　(二)采暖区和采暖期度日数

　　采暖区是指一年内日平均气温稳定低于5℃的时间超过90d的地区。采暖区与非采暖区的界线大体为陇海线东、中段略偏南，西延至西安附近后向西南延伸。

　　采暖期度日数是指室内基准温度18℃与采暖期室外平均温度之间的温差，乘以采暖期天数的数值，单位为℃·d。

　　(三)太阳辐射强度

　　冬季晴天多，日照时间长，太阳入射角低，太阳辐射度大，南向窗户阳光射入深度大，可达到提高室内温度，节约采暖用能的效果。

　　(四)建筑物的保温隔热和气密性

　　建筑围护结构的保温隔热性能和门窗的气密性是影响建筑能耗的主要内在因素。围护结构的传热热损失约占70％～80％；门窗缝隙空气渗透的热损失约占20％～30％。

　　加强围护结构的保温，特别是加强窗户，包括阳台门的保温性和气密性，是节约采暖能耗的关键环节。

　　(五)采暖供热系统热效率

　　采暖供热系统是由热源热网和热用户组成的系统。采暖供热系统热效率包括锅炉运行效率和管网运送效率。锅炉运行效率是指锅炉产生的可供有效利用的热量与其燃烧煤所含热量的比值。在不同条件下，又可分为锅炉铭牌效率(又称额定效率)和锅炉运行效率。室外管网输送效率是指管网输出总热量与管网输入总热量之比值。

　　锅炉在运行过程中，一般只能将燃料所含热量的55％～70％转化为可供利用的有效热量，即锅炉的运行效率为55％～70％。室外管网的输送效率为85％～90％，即锅炉输入管网的有效热量，又在沿途损失10％～15％，剩余的47％～63％的热量供给建筑物，成为采暖供热量。

　　(一)能耗管理原则

　　1．建筑物中的能量消耗是为人服务的，能耗管理的原则要本着“以人为本”的原则来管理，不能为节能而节能。因此，能耗管理的核心是将浪费的能量节省下来，尽可能提高能效(包括能量转换效率和能量利用效率)，这也是能耗管理的最基本原则。

　　2．能量利用效率主要与管理水平有关，能量转换效率与技术因素有关。无论提高哪种效率，都会减少终端能量的使用，从而达到明显的节能效果。

　　终端能量使用的效率是沿着能量转换链的三种效率相乘而得到的：

　　(1)初级能量(煤、油)转换成二次能量(电)的转换效率；

　　(2)输送二次能量从转换点到终端用户的传输效率；

　　(3)转换二次能量到能量服务终端的使用效率。

　　大多数人只注重前两种效率：转换(包括提取初级能量和把初级能量转换成二次能量)和传输。仅把注意力集中在前两种效率，会使人们忽略使用能量的真正目的。

　　把三种效率考虑在一起，对能源的最终有效使用和原始能源的分流进行比较，可以看出提高能源使用效率的最大潜能所在。因为沿着能源转换链，各转换效率是相乘的关系。虽然可以认为能源链各环节的节能同等重要，但下游的节能，即最接近能源最终使用环节的节能是最重要的。终端能量使用效率的提高，可以以最少的投资、在最短的时间内取得最大的效率。因此，为了最大限度节约原始能源和投资成本，有效的方法是从能量转换链的下游开始减少能量需求。例如，对HVAC系统首先应提出和解决的问题包括：满足需要的最小流量是多少?管道的阻力可以减小到多少?多大的电机可以恰好与所需的流量匹配?水泵的效率是多少?泵与系统内其他设备是否会互相影响，即是否耦合?然后，从最终需求及最大变化开始，再逆向分析能源传输转换链，直至能源的源头，以达到下游能源使用效率的最大化，从而最大幅度地减少上游能源链的消耗。

　　(二)能耗优化管理

　　1．进行能耗优化管理的前提需要获得建筑正常工作时的能量消耗数据，要获得这个数值，除了上文提及的检测外，还需要对能量的使用作必要的审计。审计的内容主要包括：

　　(1)建筑物围护审计：测出建筑围护的能耗损失，如建筑结构、门窗等绝热程度差所引起的能耗。

　　(2)功能审计：确定特殊功能所需的总能量和确认节能的潜力。功能审计包括：供热、制冷、通风、照明、电气设备等。

　　(3)过程审计：确定每个处理功能所需的总能量和确认节能的潜力。包括：机械装置、制热、通风处理、空气处理和锅炉等。

　　根据收集信息的详细程度，能量审计可分为三种类型：预审计、具体审计和计算机模拟审计。

　　(1)预审计：巡回检查每个系统，包括分析能耗量和能耗数据估算，与相同类型工业设备的能耗均值或基准值的比较。通过实际运行和维护状况的改进，形成具有节能潜力的初步列表。如果表中显示有较大的节能潜力，这些预审计的信息也可以被用于随后更详细的审计。

　　(2)具体审计：通过对现场设备、系统的特性分析以及现场测试和更详细的计算，对已经量化的能耗进行损失审计，分析基于每个系统的改进效率和节省的能量，一般还包括在经济分析基础上推荐的节能方案。

　　(3)计算机模拟审计：常用于复杂设备或系统。这种审计包括更详细的功能能耗和更复杂耗能方式的评估。计算机仿真软件被用于预测建筑系统的性能和当天气等其他环境变化时的统计，其目标是建立一个与实际设备能耗相一致的对比基数。审计者将改进不同系统的效率并估量其与基数相对应的效果。这种方法还考虑到系统之间的相互作用，以防止过高评估节能的效果。

　　2．通过能量审计，估算出整个建筑物和系统的能量传输效率和能量利用效率。首先通过上文提到的测量仪器检测出系统产生的能耗，根据不同的能源种类进行分类，计算出各系统产生能量的效率，提出节能的可行性。

　　3．根据审计的结果，确定可以节省的能量来源和数量，以人工或自动方式管理能量的使用与调度。有条件的建筑应将建筑的环境因素(温、湿度)也作为能量的一部分进行管理，从而达到最优化的节能效果。

　　4．确定了能量的转换效率后，根据获得的结果对相应的设备进行改造，以获得更优的转换效率。能量管理更多体现在提高能量利用效率上，根据能量审计获得能量利用效率后，对能量利用效率低的部门和系统，可通过减少能量供给、调整能量供给模式或改变部门或系统的运行模式来达到节能目的。

　　一、建筑采暖

　　在冬季，由于室外温度很低，欲保持室内舒适的温度就要不断地向房间提供热量，以弥补通过围护结构从室内传到室外的热量。在采暖地区需设置采暖设备，室内需有适当的通风换气。居住建筑冬季室内温度一般要求达到16～18℃，较高要求达到20～22℃。

　　建筑物的总得热包括采暖设备的供热(约占70％～75％)，太阳辐射得热(通过窗户和其他围护结构进入室内，约占15％～20％)和建筑物内部得热(包括炊事、照明、家电和人体散热，约占8％～12％)。这些热量再通过围护结构(包括外墙、屋顶和门窗等)的传热和空气渗透向外散失。建筑物的总失热包括围护结构的传热耗热量(约占70％～80％)和通过门窗缝隙的空气渗透耗热量(约占20％～30％)。对于一般民用建筑和产生热量很少的工业建筑，供热负荷常常只考虑围护结构的传热耗热量以及由门、窗缝隙或孔洞进入室内的冷空气的耗热量。

　　因此，对于采暖建筑物来说，节能的主要途径是：减小建筑物外表面积和加强围护结构保温，以减少传热耗热量；提高门窗的气密性，以减少空气渗透耗热量。在减少建筑物总失热量的前提下，尽量利用太阳辐射得热和建筑物内部得热，最终达到节约采暖设备供热量的目的。

　　二、建筑空调

　　夏季空调降温建筑的室温允许波动范围为±2℃。而在夏季，太阳辐射通过窗户进入室内，构成太阳辐射得热；同时被外墙和屋面吸收，然后传入室内；再加上通过围护结构的室内外温差传热，构成传热得热；以及通过门窗的空气渗透换热，构成空气渗透得热；此外，还有建筑物内部的炊事、家电、照明、人体等散热，构成内部得热。太阳辐射得热、传热得热、空气渗透得热和内部得热四部分构成空调建筑得热。这些得热是随时问而变的，且部分得热被内部围护结构所吸收和暂时储存，其余部分构成空调负荷。

　　建筑空调节能的基本途径为：①抑制在室内产生热；②促进室内的热吸收；③抑制热进入室内；④促进热向室外散失。其隔热方法可从以下几个方面考虑：

　　(一)抑制辐射热进入室内

　　抑制辐射热进入室内需要考虑透射传入、反射传入和受热面的条件等。对于透射传入，最好设障碍物，而对各种不同的情况，可以采取不同的方法。

　　1．障碍物的存在

　　在原理上可以利用地形条件或其他建筑物的阴影，但对于建筑来讲，需要考虑日照、采光、通风等其他条件，这样就不能选择日照条件不佳的地方建造建筑物。因此，可以利用地物，如西侧的建筑物或树木、围墙等遮挡阳光。

　　在屋顶或外墙面上设置遮挡太阳照射物的方法，不仅能遮挡辐射热，而且还有通风降温的效果。屋檐不仅对开口部位有遮阳挡雨的作用，对外墙面也有同样的效果。

　　2．太阳照射的方向性

　　除了利用消除西向日照的天窗和竖向遮阳之外，还可采取变换开口的方位、高度和朝向的方法，也可在整个建筑物的形状设计上来避免太阳辐射。例如将建筑物做成上大下小的形状，或者把建筑物的外墙做成平行于太阳辐射的形状。

　　对于照在玻璃上的辐射线，可用反射或吸收的方法减少进入室内的热量。

　　3．反射和再辐射

　　太阳照射到的建筑部位，不仅对阳光有反射作用，而且受辐射后温度升高，还会形成新的辐射，尤其是台板和室外地面的反射和再辐射问题。为防止这些部位的反射和再辐射，可以采用防止入射、降低反射系数、控制反射方向等方法，例如可在适当的位置种植树木或草坪等。

　　(二)抑制导热将热量传入室内

　　在气温很高的热带地方，特别是在干燥性气候的地方，一般在夜间都很凉快。另外，由于大地的温度往往要比室内的气温低，所以也可以利用由地板或地下室外墙的导热产生散热效果。

　　只有温度差才能决定导热的方向。所以抑制导热进入室内和抑制导热从室内散失的方法完全相同。即可以使用厚的、导热系数小的材料，或设空气层，或进一步减小表面积。热带地方的屋顶，由于受到强烈的日照，所以一般都采用有隔热措施的构造方法。在传统民居中，除一部分之外，大都采用了茅草屋顶、草泥屋顶等形式。在低纬度地区，太阳辐射角接近于垂直，用屋檐就完全能够防止对墙面的太阳辐射。

　　(三)抑制对流热进入室内

　　只有在室外气温比室内气温高的时候，才容易向室内产生对流传热。北方夏季的白天，有时室外气温也会超过舒适的温度；而在南方，白天的气温常常要超过人的体温。在此情况下，就需要抑制对流热进入室内。

　　在制冷设备运转过程中，若不关闭窗户及与非制冷部分交界的出入口，制冷效果将会降低。但有时在日落之后，也利用出入口与室外降低了的气温进行通风降温。

　　为了不使通风增加空调负荷，有一种装置可以使进入空气和排出空气之间进行热和湿的交换。但在春秋季节或是夜间使用这种装置，则得不到通风制冷的效果，反而会使室内热起来，使人感到不舒适。

　　空调建筑的节能除了采取建筑措施(如窗户遮阳以减少太阳辐射得热，围护结构隔热以减少传热得热，加强门窗的气密性以减少空气渗透得热，以及采用重质内围护结构以降低空调负荷的峰值等)，以便降低空调运行能耗之外，还应采取设备措施(如采用高效节能的空调设备或系统，以及合理的运行方式等)，以便提高空调设备的运行效率。

　　(四)促进辐射热从室内散失

　　为了使建筑表面的辐射热散失掉，促进建筑物冷却，白天可促进没有太阳照射的北面等建筑部位或开口处散失辐射热，而在夜问可促进整个建筑物散失辐射热。从构造原理来讲，可将采暖时抑制辐射热倒过来使用。即与表面积、表面的材质或颜色、建筑部位的方向、开口面积、辐射热的透射系数、开口的方向等都有关系。另外，建筑部位的隔热性小，也可提高建筑外表面温度，增加辐射效果，同时也增加了建筑部位表面由于对流而产生的散热效果。

　　对于能受到太阳辐射的面和开口部位，利用材料具有能够根据波长选择辐射、透射和反射的特性，也可以通过辐射传热使室内致冷。

　　(五)促进导热散热

　　当室外温度低于室内温度时，室内的热就会通过建筑构件由室内向室外传导。为了冷却建筑物，就要促进这种热传导。

　　受太阳辐射的建筑部位外侧，温度一般都很高。但这些热在凉爽的春秋季节，可以通过受不到阳光照射的外围护结构的阴影部位，向室外导热。另外，当夜间室外气温降低，时，所有的建筑部位都能向室外散热。

　　(六)促进对流散热

　　为使室外的低温空气进入室内，排出室内的高温空气，可利用开口部位或缝隙以及室内外的空气压力差，即风势或温度差。另外，为使热从建筑物的外表面向空气中散失，除与风势或表面积有关之外，还可利用表面水的汽化吸热进行散热。

　　三、建筑通风

　　(一)自然通风的原理

　　自然通风是当今建筑普遍采取的一项改善建筑热环境、节约空调能耗的技术。采用自然通风的根本目的就是取代(或部分取代)空调制冷系统。这一取代过程有两点重要意义：一是实现有效被动制冷。当室外空气温度湿度较低时自然通风可以在不消耗不可再生能源的情况下降低室内温度，带走潮湿气体，达到人体热舒适，省去了风机能耗。这有利于减少能耗，降低污染，符合可持续发展的思想。二是可以提供新鲜、清洁的自然空气，有利于人的生理和心理健康。

　　自然通风最基本的动力是风压和热压。人们常说的“穿堂风”就是利用风压在建筑内部产生空气流动。当风吹向建筑物正面时，因受到建筑物的阻挡而在迎风面上产生正压区，气流再绕过建筑物各侧面及背面，在这些面上产生负压区，自然通风的动力就是建筑迎风面和背风面的压力差。而这个压力差与建筑形式、建筑与风的夹角及周围建筑布局等因素有关。

　　如果利用风压来实现建筑自然通风，首先要求建筑有较理想的外部风环境(平均风速一般不小于3～4m／s)。其次，建筑应面向夏季夜间风向，房问进深较浅(一般以小于14m为宜)，以便于形成穿堂风。此外，由于自然风变化幅度较大，在不同季节，不同风速、风向情况下，建筑应采取相应措施(如适宜的构造形式，可开合的气窗，百叶等)来调节室内气流状况。例如冬季采暖时在满足基本换气次数的前提下，应尽量降低通风量，以减小冷热损失。

　　建筑间距减小，风压下降很快。当建筑间距为3倍建筑高度时，后排建筑的风压开始下降；问距为2倍建筑高度时，后排建筑风压显著下降；间距为1倍建筑高度时，后排建筑的风压接近为0。

　　自然通风的另一种机理是利用建筑内部的热压，即平常所说的“烟囱效应”。热空气上升，从建筑上部风口排出，室外新鲜的冷空气从建筑底部吸入。室内外空气温度差越大，进排风口高度差越大，则热压作用越强。

　　由于自然风的不稳定性，或由于周围高大建筑植被的影响，在许多情况下建筑周围形不成足够的风压，这时就需要利用热压原理来加强自然通风。

　　(二)与建筑通风相关的措施

　　1．蓄热

　　使用蓄热材料作为建筑围护结构，可以延缓日照等因素对室内温度的影响，使室温更稳定，更均匀。但蓄热材料也有其不利的一面：夏季，白天吸收大量的热，使得室温不至于过高；但夜间室外温度降低时，蓄热材料会逐渐释放热量，使夜间室温过高；此外，由于蓄热材料在夜问得不到充分的降温，使得第二天的蓄热能力显著下降。因此在夏季夜间利用室外温度较低的冷空气对蓄热材料进行充分的通风降温，是改善夜间室内温度发挥蓄热材料潜力的有效手段。

　　2．双层(或三层)围护结构

　　双层(或三层)围护结构是当今生态建筑中所普遍采用的一项先进技术，被誉为“可呼吸的皮肤”。它主要利用双层(或三层)玻璃作为围护结构，玻璃之间留有一定宽度的通风道并配有可调节的百叶。在冬季，双层玻璃之间形成一个阳光温室，增加了建筑内表面的温度，有利于节约采暖能耗。在夏季，利用烟囱效应对通风道进行通风，使玻璃之间的热空气不断被排走，达到降温的目的。对于高层建筑来说，直接开窗通风容易造成紊流，不易控制，而双层围护结构能够很好地解决这一问题。

　　3．建筑通风与太阳能利用

　　被动式太阳能技术与建筑通风是密不可分的。其原理类似于机械辅助式自然通风。在冬季，利用机械装置将位于屋顶太阳能集热器中的热空气吸到房间的地板处，并通过地板上的气孔进入室内，实现太阳能采暖的目的。此后，利用热压原理实现气体在房间内的循环。而在夏季的夜晚，则利用天空辐射使太阳能集热器迅速冷却，并将集热器中的冷空气吸入室内，达到夜间通风降温的目的。