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建築能耗

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建築能耗(building energy consumption)

目錄

什麼是建築能耗[1]

  建築能耗是指建築在建造和使用過程中,熱能通過傳導、對流和輻射等方式對能源的消耗。按照國際通行的分類,建築能耗專指民用建築(包括居住建築公共建築)使用過程中對能源的消耗,主要包括採暖、空調、通風、熱水供應、照明、炊事、家用電器和電梯等方面的能耗;其中,以採暖和空調能耗為主,各部分能耗大體比例為:採暖、空調占65%,熱水供應占15%,電氣設備占14%,炊事占6%。

建築能耗的特點[2]

  1.夏季空調用電量大

  1997年以來,中國每年發電量按5%~8%的速度增長,工業用電量每年減少17.9%。由於空調耗電量大(2001年全國新增房間空調器裝機容量16×106kW)、使用時問集中,有些城市的空調負荷甚至占到尖峰負荷的50%以上。許多城市,如上海、北京、濟南、武漢、廣州等普遍存在夏季缺電現象。

  2.冬季採暖能耗高

  我國的東北、華北和西北地區,稱為嚴寒地區和寒冷地區。這些地區城鎮的建築面積約占全國的近50%,達400多億平方米,年採暖用能約1.3×1O8t標準煤,占全國能源消費量的11%,占採暖地區全社會總能耗的21.4%。在一些嚴寒地區城鎮建築能耗已占到當地全社會總能耗的50%以上;在夏熱冬冷地區城鎮建築能耗也占到當地社會總能耗的30%以上。

建築能耗的構成[3]

  建築能耗包括建造過程的能耗和使用過程的能耗兩部分,建造過程的能耗是指建築材料、建築構配件、建築設備的生產運輸,以及建築施工和安裝中的能耗;使用過程的能耗是指建築在採暖、通風、空調、照明、家用電器和熱水供應中的能耗。一般情況下,日常使用能耗與建造能耗之比,約為(8:2)~(9:1)。可見,使用過程能耗,特別是採暖和空調能耗為主,故應將採暖和降溫能耗作為建築節能的重點。

建築能耗的影響因素[2]

  (一)室外熱環境的影響

  建築物室外熱環境,即各種氣候因素,通過建築的圍護結構、外門窗及各類開口贏接影響室內的氣候條件。與建築物密切相關的氣候因素為太陽輻射、空氣溫度、空氣濕度、風及降水等。

  (二)採暖區和採暖期度日數

  採暖區是指一年內日平均氣溫穩定低於5℃的時間超過90d的地區。採暖區與非採暖區的界線大體為隴海線東、中段略偏南,西延至西安附近後向西南延伸。

  採暖期度日數是指室內基準溫度18℃與採暖期室外平均溫度之間的溫差,乘以採暖期天數的數值,單位為℃·d。

  (三)太陽輻射強度

  冬季晴天多,日照時間長,太陽入射角低,太陽輻射度大,南向窗戶陽光射入深度大,可達到提高室內溫度,節約採暖用能的效果。

  (四)建築物的保溫隔熱和氣密性

  建築圍護結構的保溫隔熱性能和門窗的氣密性是影響建築能耗的主要內在因素。圍護結構的傳熱熱損失約占70%~80%;門窗縫隙空氣滲透的熱損失約占20%~30%。

  加強圍護結構的保溫,特別是加強窗戶,包括陽臺門的保溫性和氣密性,是節約採暖能耗的關鍵環節。

  (五)採暖供熱系統熱效率

  採暖供熱系統是由熱源熱網和熱用戶組成的系統。採暖供熱系統熱效率包括鍋爐運行效率和管網運送效率。鍋爐運行效率是指鍋爐產生的可供有效利用的熱量與其燃燒煤所含熱量的比值。在不同條件下,又可分為鍋爐銘牌效率(又稱額定效率)和鍋爐運行效率。室外管網輸送效率是指管網輸出總熱量與管網輸入總熱量之比值。

  鍋爐在運行過程中,一般只能將燃料所含熱量的55%~70%轉化為可供利用的有效熱量,即鍋爐的運行效率為55%~70%。室外管網的輸送效率為85%~90%,即鍋爐輸入管網的有效熱量,又在沿途損失10%~15%,剩餘的47%~63%的熱量供給建築物,成為採暖供熱量。

建築能耗的優化管理[4]

  (一)能耗管理原則

  1.建築物中的能量消耗是為人服務的,能耗管理的原則要本著“以人為本”的原則來管理,不能為節能而節能。因此,能耗管理的核心是將浪費的能量節省下來,儘可能提高能效(包括能量轉換效率和能量利用效率),這也是能耗管理的最基本原則。

  2.能量利用效率主要與管理水平有關,能量轉換效率與技術因素有關。無論提高哪種效率,都會減少終端能量的使用,從而達到明顯的節能效果。

  終端能量使用的效率是沿著能量轉換鏈的三種效率相乘而得到的:

  (1)初級能量(煤、油)轉換成二次能量(電)的轉換效率;

  (2)輸送二次能量從轉換點到終端用戶的傳輸效率;

  (3)轉換二次能量到能量服務終端的使用效率。

  大多數人只註重前兩種效率:轉換(包括提取初級能量和把初級能量轉換成二次能量)和傳輸。僅把註意力集中在前兩種效率,會使人們忽略使用能量的真正目的。

  把三種效率考慮在一起,對能源的最終有效使用和原始能源的分流進行比較,可以看出提高能源使用效率的最大潛能所在。因為沿著能源轉換鏈,各轉換效率是相乘的關係。雖然可以認為能源鏈各環節的節能同等重要,但下游的節能,即最接近能源最終使用環節的節能是最重要的。終端能量使用效率的提高,可以以最少的投資、在最短的時間內取得最大的效率。因此,為了最大限度節約原始能源和投資成本,有效的方法是從能量轉換鏈的下游開始減少能量需求。例如,對HVAC系統首先應提出和解決的問題包括:滿足需要的最小流量是多少?管道的阻力可以減小到多少?多大的電機可以恰好與所需的流量匹配?水泵的效率是多少?泵與系統內其他設備是否會互相影響,即是否耦合?然後,從最終需求及最大變化開始,再逆向分析能源傳輸轉換鏈,直至能源的源頭,以達到下游能源使用效率的最大化,從而最大幅度地減少上游能源鏈的消耗。

  (二)能耗優化管理

  1.進行能耗優化管理的前提需要獲得建築正常工作時的能量消耗數據,要獲得這個數值,除了上文提及的檢測外,還需要對能量的使用作必要的審計。審計的內容主要包括:

  (1)建築物圍護審計:測出建築圍護的能耗損失,如建築結構、門窗等絕熱程度差所引起的能耗。

  (2)功能審計:確定特殊功能所需的總能量和確認節能的潛力。功能審計包括:供熱、製冷、通風、照明、電氣設備等。

  (3)過程審計:確定每個處理功能所需的總能量和確認節能的潛力。包括:機械裝置、制熱、通風處理、空氣處理和鍋爐等。

  根據收集信息的詳細程度,能量審計可分為三種類型:預審計、具體審計和電腦模擬審計。

  (1)預審計:巡迴檢查每個系統,包括分析能耗量和能耗數據估算,與相同類型工業設備的能耗均值或基準值的比較。通過實際運行和維護狀況的改進,形成具有節能潛力的初步列表。如果表中顯示有較大的節能潛力,這些預審計的信息也可以被用於隨後更詳細的審計。

  (2)具體審計:通過對現場設備、系統的特性分析以及現場測試和更詳細的計算,對已經量化的能耗進行損失審計,分析基於每個系統的改進效率和節省的能量,一般還包括在經濟分析基礎上推薦的節能方案。

  (3)電腦模擬審計:常用於複雜設備或系統。這種審計包括更詳細的功能能耗和更複雜耗能方式的評估。電腦模擬軟體被用於預測建築系統的性能和當天氣等其他環境變化時的統計,其目標是建立一個與實際設備能耗相一致的對比基數。審計者將改進不同系統的效率並估量其與基數相對應的效果。這種方法還考慮到系統之間的相互作用,以防止過高評估節能的效果。

  2.通過能量審計,估算出整個建築物和系統的能量傳輸效率和能量利用效率。首先通過上文提到的測量儀器檢測出系統產生的能耗,根據不同的能源種類進行分類,計算出各系統產生能量的效率,提出節能的可行性。

  3.根據審計的結果,確定可以節省的能量來源和數量,以人工或自動方式管理能量的使用與調度。有條件的建築應將建築的環境因素(溫、濕度)也作為能量的一部分進行管理,從而達到最優化的節能效果。

  4.確定了能量的轉換效率後,根據獲得的結果對相應的設備進行改造,以獲得更優的轉換效率。能量管理更多體現在提高能量利用效率上,根據能量審計獲得能量利用效率後,對能量利用效率低的部門和系統,可通過減少能量供給、調整能量供給模式或改變部門或系統的運行模式來達到節能目的。

建築能耗的形成機理[5]

  一、建築採暖

  在冬季,由於室外溫度很低,欲保持室內舒適的溫度就要不斷地向房間提供熱量,以彌補通過圍護結構從室內傳到室外的熱量。在採暖地區需設置採暖設備,室內需有適當的通風換氣。居住建築冬季室內溫度一般要求達到16~18℃,較高要求達到20~22℃。

  建築物的總得熱包括採暖設備的供熱(約占70%~75%),太陽輻射得熱(通過窗戶和其他圍護結構進入室內,約占15%~20%)和建築物內部得熱(包括炊事、照明、家電和人體散熱,約占8%~12%)。這些熱量再通過圍護結構(包括外牆、屋頂和門窗等)的傳熱和空氣滲透向外散失。建築物的總失熱包括圍護結構的傳熱耗熱量(約占70%~80%)和通過門窗縫隙的空氣滲透耗熱量(約占20%~30%)。對於一般民用建築和產生熱量很少的工業建築,供熱負荷常常只考慮圍護結構的傳熱耗熱量以及由門、窗縫隙或孔洞進入室內的冷空氣的耗熱量。

  因此,對於採暖建築物來說,節能的主要途徑是:減小建築物外錶面積和加強圍護結構保溫,以減少傳熱耗熱量;提高門窗的氣密性,以減少空氣滲透耗熱量。在減少建築物總失熱量的前提下,儘量利用太陽輻射得熱和建築物內部得熱,最終達到節約採暖設備供熱量的目的。

  二、建築空調

  夏季空調降溫建築的室溫允許波動範圍為±2℃。而在夏季,太陽輻射通過窗戶進入室內,構成太陽輻射得熱;同時被外牆和屋面吸收,然後傳入室內;再加上通過圍護結構的室內外溫差傳熱,構成傳熱得熱;以及通過門窗的空氣滲透換熱,構成空氣滲透得熱;此外,還有建築物內部的炊事、家電、照明、人體等散熱,構成內部得熱。太陽輻射得熱、傳熱得熱、空氣滲透得熱和內部得熱四部分構成空調建築得熱。這些得熱是隨時問而變的,且部分得熱被內部圍護結構所吸收和暫時儲存,其餘部分構成空調負荷。

  建築空調節能的基本途徑為:①抑制在室內產生熱;②促進室內的熱吸收;③抑制熱進入室內;④促進熱向室外散失。其隔熱方法可從以下幾個方面考慮:

  (一)抑制輻射熱進入室內

  抑制輻射熱進入室內需要考慮透射傳入、反射傳入和受熱面的條件等。對於透射傳入,最好設障礙物,而對各種不同的情況,可以採取不同的方法。

  1.障礙物的存在

  在原理上可以利用地形條件或其他建築物的陰影,但對於建築來講,需要考慮日照、採光、通風等其他條件,這樣就不能選擇日照條件不佳的地方建造建築物。因此,可以利用地物,如西側的建築物或樹木、圍牆等遮擋陽光。

  在屋頂或外牆面上設置遮擋太陽照射物的方法,不僅能遮擋輻射熱,而且還有通風降溫的效果。屋檐不僅對開口部位有遮陽擋雨的作用,對外牆面也有同樣的效果。

  2.太陽照射的方向性

  除了利用消除西嚮日照的天窗和豎向遮陽之外,還可採取變換開口的方位、高度和朝向的方法,也可在整個建築物的形狀設計上來避免太陽輻射。例如將建築物做成上大下小的形狀,或者把建築物的外牆做成平行於太陽輻射的形狀。

  對於照在玻璃上的輻射線,可用反射或吸收的方法減少進入室內的熱量。

  3.反射和再輻射

  太陽照射到的建築部位,不僅對陽光有反射作用,而且受輻射後溫度升高,還會形成新的輻射,尤其是台板和室外地面的反射和再輻射問題。為防止這些部位的反射和再輻射,可以採用防止入射、降低反射繫數、控制反射方向等方法,例如可在適當的位置種植樹木或草坪等。

  (二)抑制導熱將熱量傳入室內

  在氣溫很高的熱帶地方,特別是在乾燥性氣候的地方,一般在夜間都很涼快。另外,由於大地的溫度往往要比室內的氣溫低,所以也可以利用由地板或地下室外牆的導熱產生散熱效果。

  只有溫度差才能決定導熱的方向。所以抑制導熱進入室內和抑制導熱從室內散失的方法完全相同。即可以使用厚的、導熱繫數小的材料,或設空氣層,或進一步減小錶面積。熱帶地方的屋頂,由於受到強烈的日照,所以一般都採用有隔熱措施的構造方法。在傳統民居中,除一部分之外,大都採用了茅草屋頂、草泥屋頂等形式。在低緯度地區,太陽輻射角接近於垂直,用屋檐就完全能夠防止對牆面的太陽輻射。

  (三)抑制對流熱進入室內

  只有在室外氣溫比室內氣溫高的時候,才容易向室內產生對流傳熱。北方夏季的白天,有時室外氣溫也會超過舒適的溫度;而在南方,白天的氣溫常常要超過人的體溫。在此情況下,就需要抑制對流熱進入室內。

  在製冷設備運轉過程中,若不關閉窗戶及與非製冷部分交界的出入口,製冷效果將會降低。但有時在日落之後,也利用出入口與室外降低了的氣溫進行通風降溫。

  為了不使通風增加空調負荷,有一種裝置可以使進入空氣和排出空氣之間進行熱和濕的交換。但在春秋季節或是夜間使用這種裝置,則得不到通風製冷的效果,反而會使室內熱起來,使人感到不舒適。

  空調建築的節能除了採取建築措施(如窗戶遮陽以減少太陽輻射得熱,圍護結構隔熱以減少傳熱得熱,加強門窗的氣密性以減少空氣滲透得熱,以及採用重質內圍護結構以降低空調負荷的峰值等),以便降低空調運行能耗之外,還應採取設備措施(如採用高效節能的空調設備或系統,以及合理的運行方式等),以便提高空調設備的運行效率。

  (四)促進輻射熱從室內散失

  為了使建築錶面的輻射熱散失掉,促進建築物冷卻,白天可促進沒有太陽照射的北面等建築部位或開口處散失輻射熱,而在夜問可促進整個建築物散失輻射熱。從構造原理來講,可將採暖時抑制輻射熱倒過來使用。即與錶面積、錶面的材質或顏色、建築部位的方向、開口面積、輻射熱的透射繫數、開口的方向等都有關係。另外,建築部位的隔熱性小,也可提高建築外錶面溫度,增加輻射效果,同時也增加了建築部位錶面由於對流而產生的散熱效果。

  對於能受到太陽輻射的面和開口部位,利用材料具有能夠根據波長選擇輻射、透射和反射的特性,也可以通過輻射傳熱使室內致冷。

  (五)促進導熱散熱

  當室外溫度低於室內溫度時,室內的熱就會通過建築構件由室內向室外傳導。為了冷卻建築物,就要促進這種熱傳導。

  受太陽輻射的建築部位外側,溫度一般都很高。但這些熱在涼爽的春秋季節,可以通過受不到陽光照射的外圍護結構的陰影部位,向室外導熱。另外,當夜間室外氣溫降低,時,所有的建築部位都能向室外散熱。

  (六)促進對流散熱

  為使室外的低溫空氣進入室內,排出室內的高溫空氣,可利用開口部位或縫隙以及室內外的空氣壓力差,即風勢或溫度差。另外,為使熱從建築物的外錶面向空氣中散失,除與風勢或錶面積有關之外,還可利用錶面水的汽化吸熱進行散熱。

  三、建築通風

  (一)自然通風的原理

  自然通風是當今建築普遍採取的一項改善建築熱環境、節約空調能耗的技術。採用自然通風的根本目的就是取代(或部分取代)空調製冷系統。這一取代過程有兩點重要意義:一是實現有效被動製冷。當室外空氣溫度濕度較低時自然通風可以在不消耗不可再生能源的情況下降低室內溫度,帶走潮濕氣體,達到人體熱舒適,省去了風機能耗。這有利於減少能耗,降低污染,符合可持續發展的思想。二是可以提供新鮮、清潔的自然空氣,有利於人的生理和心理健康。

  自然通風最基本的動力是風壓和熱壓。人們常說的“穿堂風”就是利用風壓在建築內部產生空氣流動。當風吹向建築物正面時,因受到建築物的阻擋而在迎風面上產生正壓區,氣流再繞過建築物各側面及背面,在這些面上產生負壓區,自然通風的動力就是建築迎風面和背風面的壓力差。而這個壓力差與建築形式、建築與風的夾角及周圍建築佈局等因素有關。

  如果利用風壓來實現建築自然通風,首先要求建築有較理想的外部風環境(平均風速一般不小於3~4m/s)。其次,建築應面向夏季夜間風向,房問進深較淺(一般以小於14m為宜),以便於形成穿堂風。此外,由於自然風變化幅度較大,在不同季節,不同風速、風向情況下,建築應採取相應措施(如適宜的構造形式,可開合的氣窗,百葉等)來調節室內氣流狀況。例如冬季採暖時在滿足基本換氣次數的前提下,應儘量降低通風量,以減小冷熱損失。

  建築間距減小,風壓下降很快。當建築間距為3倍建築高度時,後排建築的風壓開始下降;問距為2倍建築高度時,後排建築風壓顯著下降;間距為1倍建築高度時,後排建築的風壓接近為0。

  自然通風的另一種機理是利用建築內部的熱壓,即平常所說的“煙囪效應”。熱空氣上升,從建築上部風口排出,室外新鮮的冷空氣從建築底部吸入。室內外空氣溫度差越大,進排風口高度差越大,則熱壓作用越強。

  由於自然風的不穩定性,或由於周圍高大建築植被的影響,在許多情況下建築周圍形不成足夠的風壓,這時就需要利用熱壓原理來加強自然通風。

  (二)與建築通風相關的措施

  1.蓄熱

  使用蓄熱材料作為建築圍護結構,可以延緩日照等因素對室內溫度的影響,使室溫更穩定,更均勻。但蓄熱材料也有其不利的一面:夏季,白天吸收大量的熱,使得室溫不至於過高;但夜間室外溫度降低時,蓄熱材料會逐漸釋放熱量,使夜間室溫過高;此外,由於蓄熱材料在夜問得不到充分的降溫,使得第二天的蓄熱能力顯著下降。因此在夏季夜間利用室外溫度較低的冷空氣對蓄熱材料進行充分的通風降溫,是改善夜間室內溫度發揮蓄熱材料潛力的有效手段。

  2.雙層(或三層)圍護結構

  雙層(或三層)圍護結構是當今生態建築中所普遍採用的一項先進技術,被譽為“可呼吸的皮膚”。它主要利用雙層(或三層)玻璃作為圍護結構,玻璃之間留有一定寬度的通風道並配有可調節的百葉。在冬季,雙層玻璃之間形成一個陽光溫室,增加了建築內錶面的溫度,有利於節約採暖能耗。在夏季,利用煙囪效應對通風道進行通風,使玻璃之間的熱空氣不斷被排走,達到降溫的目的。對於高層建築來說,直接開窗通風容易造成紊流,不易控制,而雙層圍護結構能夠很好地解決這一問題。

  3.建築通風與太陽能利用

  被動式太陽能技術與建築通風是密不可分的。其原理類似於機械輔助式自然通風。在冬季,利用機械裝置將位於屋頂太陽能集熱器中的熱空氣吸到房間的地板處,並通過地板上的氣孔進入室內,實現太陽能採暖的目的。此後,利用熱壓原理實現氣體在房間內的迴圈。而在夏季的夜晚,則利用天空輻射使太陽能集熱器迅速冷卻,並將集熱器中的冷空氣吸入室內,達到夜間通風降溫的目的。

參考文獻

  1. 李漢章主編.建築節能技術指南.中國建築工業出版社,2006.12.
  2. 2.0 2.1 建築工程節能設計手冊.中國計划出版社,2007年09月第1版.
  3. 孫忠國主編.鐵路運輸節能減排技術.化學工業出版社,2009.07.
  4. 卜一德主編.建築節能工程施工質量控制與驗收手冊.中國建築工業出版社,2008.12.
  5. 劉加平,譚良斌,何泉著.建築創作中的節能設計.中國建築工業出版社,2009.03.
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