我国建筑耗能状况及有效的节能途径.docx
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我国建筑耗能状况及有效的节能途径
科技综述我国建筑耗能状况
及有效的节能途径
摘要简要分析了我国建筑能源消耗状况,从用能特点出发,对建筑物和建筑用能途径进行了新的分类,给出各类的现状、问题和节能潜力。
在此基础上列出为实现建筑节能所需要的主要技术与产品研究领域和政策研究与保障机制。
文中列出的关键技术研究为:
基于模拟分析的建筑节能优化设计;新型建筑围护结构材料与部品;通风装置与排风热回收装置;热泵技术;降低输配系统能源消耗的技术;集中空调的温度湿度独立控制技术;建筑自动化系统的节能优化控制;楼宇式燃气驱动的热电冷三联供技术;燃煤燃气联合供热和末端调峰技术;节能灯、节能灯具与控制。
有关政策与保障机制的研究问题为:
建筑能耗数据的统计系统;住宅能耗标识方法与保障机制;大型公共建筑能耗评估与用能配额制;各种建筑用能装置的能耗标识标准与方法。
关键词建筑节能围护结构暖通空调节能政策
CurrentbuildingenergyconsumptioninChinaandeffectiveenergyefficiencymeasures
AbstractOutlinescurrentsituationofbuildingenergyconsumptioninChina.Makesnewclassificationofbuildingsbasedontheenergyperformance.Pointsouttheenergyconsumptionfeaturesandthepotentialsofenergysavingforeachtypeofbuildings.Accordingtothepotentialsavings,presentsthekeytechnologiestoachievethesesavings,includingenergyoptimizationinbuildingdesignprocess,newtechnologiesinbuildingfabrics,ventilatorsandexhaustheatrecovers,heatpumps,technologiestoreduceenergyconsumptionindistributionsystems,temperatureandhumidityindependentcontrolsystem,energysavingoptimizingcontrolofbuildingautomaticsystems,buildingcombinedpower,heating&coolingsystem（BCHP）,newtypeofconfigurationofdistrictheatingsystemaswellashighefficiencylightings.Policiesarealsoimportanttoensurethesetechnologiestobeacceptedwidely.Relativestudiesforpolicymakingandforpolicyoperationshouldalsobecarriedon.Listsfourprojects,includingbuildingenergyconsumptionmodelandthedatacollectionsystem,energylabelsystemforresidentialbuildings,energyestimationforcommercialbuildings,andenergylabelsystemforhomeappliances.
Keywordsbuildingenergyefficiency,envelope,HVAC,energysavingpolicy
＊
1我国建筑能耗状况和节能潜力
我国目前城镇民用建筑（非工业建筑）运行耗电占我国总发电量的22
～24
北方地区城镇供暖消耗的燃煤占
我国非发电用煤量的15
～18
。
（建筑消耗的能源占全
国商品能源的21
～24
。
）这些数值都仅为建筑运行所消耗的能源,不包括建筑材料制造用能及建筑施工过程能耗。
目前发达国家的建筑能耗一般占总能耗的1/3左右。
随着我国城市化程度的不断提高,第三产业占GDP比例的加大以及制造业结构的调整,建筑能耗的比例将继续提高,最终接近发达国家目前的33
的水平。
根据近30年来能源界的研究和实践,目前普遍认为建筑节能是各种节能途径中潜力最大、最为直接有效的方式,是缓解能源紧张、解决社会经济发展与能源供应不足这对矛盾的最有效措施之一。
我国城镇民用建筑能源消耗按其性质可分为如下几
类:
a）北方地区供暖能耗,目前城镇民用建筑供暖能耗按标准煤计平均约为20kg/m2[1～2],城镇民用建筑供暖面积
约为65亿m2,此项能耗约占民用建筑总能耗的56
～
58
;b）除供暖外的住宅能耗（照明、炊事、生活热水、家电、空调）,折合用电量为10～30kWh/（m2·a）[3],目前城镇住宅总面积接近100亿m2,约占民用建筑总能耗的18
～20
;c）除供暖外的一般性非住宅民用建筑（办公室、中小型商店、学校等）能耗,主要是照明、空调和办公室电器等,年用电量在20～40kWh/（m2·a）之间,约占民用建筑总能耗的14
～16
;d）大型公共建筑（高档写字楼、星级酒店、大型购物中心等）能耗,此部分建筑总面积不足民用建筑总面积的5
但单位面积年用电量高达100～300kWh/（m2·a）[4],因此总用电量占民用建筑总用电量
的30
以上,此部分建筑能耗占民用建筑总能耗的12
～
14
是非常值得关注的部分。
上述分析之所以把供暖能耗分出是因为此部分能耗以直接燃煤和热电联产之排热为主,而其他部分能耗则以用电为主;之所以把非住宅民用建
筑分为一般（c）与大型（d）是因为这两类建筑的单位面积
用电量差别巨大。
目前我国正处在城市化高速发展的过程中。
为适应城镇人口飞速增长的需求和继续改善人民生活水平的需要,在2020年前我国每年城镇新建建筑的总量将持续保持在10亿m2/a左右,到2020年新增城镇民用建筑面积将为
100～150亿m2。
由于人民生活水平提高,供暖需求线不断南移,新建建筑中将有70亿m2以上需要供暖,10亿m2左右为大型公建（d）类）,按照目前建筑能耗水平,则需要增加的用于供暖的能量按标准煤计达1.4亿t/a,需增加的用电量达4000亿～4500亿kWh/a。
这将成为对我国能源供应的巨大压力。
在实施建筑节能标准之前建造的建筑,冬季供暖平均热指标在30～50W/m2,为北欧相同气候条件下建筑供暖能耗的2～3倍。
新建建筑通过改进建筑设计、加强围护结构保温和有效利用太阳能,可使建筑供暖需热量降低至目前的1/2甚至1/3,供暖标煤耗量可仅为6～7kg/m2。
目前北方城镇建筑近60
采用不同规模的集中供热系统供热。
由于调节不当导致部分建筑过热、开窗散热造成的热量浪费平均为供热量的30
以上。
部分小型燃煤锅炉效率低下也是造成能耗过高的原因之一。
通过更换供热方
式、改善管网系统的调节、提高热源效率这三方面的改进,现有建筑的供暖能耗也可以在目前水平上减低30
。
这样,对新建建筑全面采用节能措施,对现行的供热系统进行节能改造,可以使到2020年实现这些新增建筑供暖后,我国北方地区建筑供暖能耗总量与目前相同,大大缓解届时对能源供应的压力。
除供暖外,住宅能耗中的用电量为10～30kWh/（m2·a）,随生活水平的提高目前呈上升趋势;生活热水能耗在大城市中也逐渐加大。
推广节能灯和节能家电对降低住宅电耗有重要作用;改进建筑设计、降低夏季空调能耗,也可以使住宅电耗减少3～8kWh/（m2·a）。
及时开发和推广高效的家用生活热水装置,可避免由于生活热水需要量的不断增长所导致的住宅能耗新的增加。
对现有住宅的照明和用电设备实行节能改造,对新建住宅从建筑形式、通风、遮阳等方面全方位采取措施,可以使得在增加100亿m2住宅后,除供暖外的住宅能耗总量仅在目前基础上增加
50
维持在2000亿kWh/a内。
一般性非住宅民用建筑（c）的能源消耗性质接近住宅,其照明和电器耗电更大,但炊事和生活热水能耗要小。
改善建筑设计可降低空调和照明能耗,推广节能灯具及其
他用电设备可减少电耗,这两项措施应能使此类建筑能耗降低30
～40
在新增的此类建筑中采取有效措施改善自然采光,减少空调能耗,推广诸如液晶显示器这样的节能电器,有可能使新建一般性非住宅建筑的单位面积能耗降为目前水平的一半。
这样有可能在新增60
～70
此类
建筑后,这一类建筑总能耗的增加不超过10
。
值得注意的是大型公共建筑（d）。
此类建筑目前仅占城镇总建筑面积的5
～6
但其用电量为100～300kWh/（m2·a）,为住宅建筑用电量的10倍以上（不包括供
暖）。
在我国大型和特大型城市,这类建筑的总耗电量大于当地住宅的总电耗。
“九五”到“十五”期间我国城市建设的重点是住宅建设,但目前已逐渐转向此类大型公共建筑,这将导致建筑用电量的急剧增加,因此必须采取有效措施,抑制这部分能耗的增加。
否则至2020年仅新建的大型公共建筑用电量就会达到2000亿kWh/a。
此类建筑中,空调用电占50
～60
照明用电占25
～35
其余为电梯和电气设备用电。
与发达国家相比,我国此类建筑的平均能耗值高于日本水平,与美国的平均值大体接近。
然而据调查,我国同一地区同一性质的此类建筑,电耗差别最大可达50
。
因此对落后者来说,也有很大的节能潜力。
在此方面,我们决不能照搬北美或日本的办法,否则就会带来电力供应的巨大问题。
必须探索新的更有效的大型公共建筑节能途径。
研究表明,当在建筑、空调、照明等方面采用先进技术,产生创新性突破时,对于新建大型公共建筑也可使电耗降到目前水平的40
以下,而如对空调系统、照明等
采取全面的改进措施,现有建筑的电耗也有可能降低30
～40
。
这样,可以在大型公共建筑增加150
后,总的用
电量仅在目前的水平上增加20
。
综上所述,当没有采取有效的建筑节能措施,基本维持目前建筑能耗水平时,与目前能耗总量相比,到2020年我国需要新增供暖用煤（按标准煤计）1.4亿t/a,新增建筑用电4000亿～4500亿kWh/a。
而采取有效的节能措施后,有可能在同样的新增建筑量的条件下,基本不增加供暖煤耗,建筑用电总量仅增加1100亿～1300亿kWh/a。
所节
约的燃煤量约为我国目前煤炭总产量的10
所节约的电
力约为三峡电站全面建成后年发电总量的4倍。
因此建筑节能应是解决我国经济和社会发展与能源供应不足这一矛盾的最重要的措施。
按照前述分析,我国建筑节能的重点应为:
建筑围护结构的节能、建筑供暖系统的节能、灯具和其他电器效率的提高、新建大型公共建筑的节能、既有大型公共建筑的节能改造。
上述诸项对实现前述建筑节能的目标的贡献大致分别为:
30
30
15
15
10
。
要实现上述目标需要技术创新、技术推广和政策保障机制三方面工作,本文将以技术创新为重点,同时简单介绍技术推广和相关的政策机制方面需要开展的工作。
2建筑节能可能的技术创新和我国应重点发展的领域
2.1优化建筑设计
建筑造型及围护结构形式对建筑物性能有决定性影响。
直接的影响包括建筑物与外环境的换热量、自然通风状况和自然采光水平等。
而这三方面涉及的内容将构成70
以上的建筑供暖通风空调能耗。
不同的建筑设计形式会造成能耗的巨大差别。
然而建筑物是复杂系统,各方面因素相互影响,很难简单地确定建筑设计的优劣。
例如加大外窗面积可改善自然采光,在冬季还可多获得太阳热量,但在冬季的夜间却会增大热量消耗,同时还会在夏季由于太阳辐射从窗户进入使空调能耗增加。
这就需要利用动态热模拟技术对不同的方案进行详细的模拟预测和比较。
科技部中美合作项目低能耗示范建筑在建筑设计阶段对十余个不同的方案进行了详细的模拟计算比较,从而使最终选定的建筑方案比原方案节能30
以上。
为实现这种模拟
优化分析,发达国家从上世纪70年代第一次能源危机开始,就投入大量经费,开发出多个建筑能耗模拟预测和优化软件,并将其作为推广建筑节能的最有效技术措施。
目前在各国的建筑节能设计导则或规范中,都要求设计者必须进行动态模拟预测与优化。
美国自上世纪70年代起持续开发的能耗模拟软件DOE-2是北美应用最广泛的软件[5],也对美国建筑节能的推动起到一定的作用。
但近20多年的应用陆续反映出的问题使DOE-2很难进一步完善以适应各种新出现的问题。
因此自1997年开发者已停止对DOE-2的技术支持,美国能源部组织多个部门共同开发新的建筑能耗模拟软件
EnergyPlus[6],以全面替代DOE-2。
目前此工作仍在进行中。
西欧通过近30年的努力,各国都形成了各自的建筑能耗模拟软件,并将其作为建筑节能设计与节能分析的基本工具,写入相关的建筑节能标准或规范中。
如英国的ESP[7],荷兰的VA114等。
日本也自上世纪70年代开始,逐渐完成HASP软件的开发,成为日本建筑节能标准的实施工具[8]。
但近年来由于HASP软件本身和其开发维护机制的问题,使HASP不能跟上日益发展的建筑节能分析的需要,一些研究者开始把目光投向我国的建筑能耗模拟软件DeST[9～10]。
2004年,日本包括名古屋大学、三菱重工、大金等在内的几所名校和企业与清华大学签订协议,使用和推广DeST软件,并成立日本DeST研发中心,根据日本的具体情况对这一软件进行进一步开发和本土化。
我国自上世纪80年代初以来一直没有间断这方面的研究。
目前美国EnergyPlus软件所用的建筑热模拟方法StateSpace法就由清华大学在1982年最早提出[11]。
这一方法也是我国全部自主开发的建筑能耗模拟软件DeST的核心算法。
DeST软件历经15年的开发推广,目前已发展为完善的建筑节能模拟分析软件系列。
目前已完成针对住宅能耗分析与优化设计的DeST-h,针对住宅能耗评估的DeST-e,针对大型公共建筑设计与空调系统优化分析的DeST-c,以及针对大型公共建筑能耗评估的DeST-ce四个版本。
在上海、广州、北京和日本名古屋都成立了DeST中心,并先后完成了1000万m2以上的建筑的模拟分析,其中包括国家大剧院、首都机场改扩建、国家主体育馆（鸟巢）、国家游泳中心（水立方）、深圳会展中心等几十个国家重大项目,对我国建筑节能设计已开始起作用[12]。
为了使建筑能耗模拟分析软件能够真正发挥作用,还必须有全国各地区的供建筑模拟分析用逐时气象数据。
长期以来这也是影响建筑模拟分析全面应用的制约因素。
国家气象信息中心与清华大学合作,已完成了包括全国270个城镇和地区的基于地面观测数据的建筑热分析用逐时气象数据,并正式出版发行[13]。
这也解除了长期困扰建筑能耗模拟分析方法全面应用的障碍。
目前的问题是如何进一步发展推广DeST软件,将其与国家的各个建筑节能规范与标准相结合,以其作为工具,推动建筑节能标准的全面落实。
并开展基于这一模拟分析工具的建筑节能优化设计方法研究,同时不断完善这一工具,逐渐发展出完整的建筑节能优化方法,在建筑设计和改造中全面推广。
2.2新型建筑围护结构材料和部品
开发新的建筑围护结构部件,以更好地满足保温、隔热、透光、通风等各种需求,甚至可根据变化了的外界条件随时改变其物理性能,达到维护室内良好的物理环境同时降低能源消耗的目的。
这是实现建筑节能的基础技术和必需产品。
主要涉及的产品有:
外墙保温和隔热、屋顶保温与
隔热、热物理性能优异的外窗和玻璃幕墙、智能外遮阳装置以及基于相变材料的蓄热型围护结构和基于高分子吸湿材料的调湿型内饰面材料。
自上世纪90年代起,我国自主研发和从国外引进消化了多种外墙和屋面保温隔热技术。
尤其是多种外墙外保温技术、外墙外挂可通风装饰板的隔热保温技术以及通风遮阳型屋面技术等,都获得巨大成功。
采用外墙外保温技术,很好地解决了墙角和结构搭接点的冷桥问题,可以获得非常好的保温效果。
其需要进一步解决的问题是提高质量、延长寿命、降低造价以及怎样同时满足建筑防火要求。
外墙外铺轻钢龙骨,其上外挂装饰板,装饰板与外墙主体间形成通风通道,可以在夏季通过自然通风排除太阳辐射热量,大幅度改善室内热环境。
冬季阻断此通风通道,又可以使其成为保温空气夹层,同时充分吸收照在外墙表面的太阳辐射热。
这是通过调节使围护结构性能能够满足冬夏不同需求的一个很好的实例[14]。
屋顶遮阳、隔热和通风散热的
一些技术,也是这种思路的体现[15]。
此方面有待深入的工作就是如何提高质量、降低成本,以及更大范围地推广。
随着建筑形式的现代化,外窗和玻璃幕墙等透光型外围护结构占外表面的比例越来越高。
由于其在保温、隔热、采光和吸收太阳光等方面的多重功能,使其成为影响建筑本体能源消耗的最主要因素。
发达国家自上世纪90年代开始十分重视外窗与玻璃幕墙的节能型新技术新产品的开发与推广。
可有效降低长波辐射增强保温的低辐射镀膜玻璃（Low-e）与玻璃夹层充惰性气体的隔热技术以及断热窗框断热式玻璃幕墙等技术使外窗和玻璃幕墙的传热系数从传统的单玻外窗的5.4W/（m2·K）降低到1.5W/（m2·K）以下,从而使透光型外围护结构的热损失接近非透光型外围护结构,但却具有良好的自然采光性能和景观效果[16]。
发达国家把推广此类产品作为推广建筑节能的重
要内容,10年来在各类建筑中实现广泛应用。
一些国家已将其列入建筑节能标准中,强制执行。
为减少夏季透过外窗和玻璃幕墙的太阳辐射,而在冬季又适当地接收太阳辐射使其成为建筑供暖热源,采用可调节外遮阳装置和玻璃夹层中间设置可调节遮阳装置并进行玻璃夹层间的有组织通风。
这样在冬季可使足够的阳光通过窗户和玻璃幕墙进入到室内,减少供暖用能,甚至实现“零能供暖”;而夏季则通过遮阳大幅度减少直接进入室内的太阳辐射热,通过夹层的通风有效排除被置于夹层中的遮阳板吸收的太阳辐射热量,从而大大减少空调制冷负荷。
这种可调节装置还可根据室内的采光要求进行调节,避免室内眩光,保证室内足够的天然采光。
采用这些新技术手段,可以使大型玻璃幕墙这种冬冷夏热的高能耗围护结构形式变为能耗低于通常的保温外墙,又具有良好的采光与景观效果的现代节能建筑形式[17]。
值得注意的是目前大量的大型公共建筑在建筑形式上采用西方大型玻璃幕墙,但又都由于投资问题和
空间占用问题,把低辐射、遮阳、通风措施取消,这就变为高能耗建筑,单位外表面面积的能耗可为常规外墙的3～4倍。
这一事实迫使我们必须加紧此方面研究与技术推广,推出国产的低成本高性能外窗与玻璃幕墙产品,以从积极的角度减少或避免这种建筑外表面的高能耗做法。
遮阳装置的任务既然是阻止阳光进入,那么就可以在其上进一步发展利用阳光的技术。
发达国家开始尝试在外遮阳板或外层玻璃表面设置太阳能电池,将其遮挡住的太阳能转换为电能[18]。
目前的太阳能电池的成本偏高,还难以在其寿命期内收回成本。
随进一步的技术突破,在10年内这种太阳能电池应具有市场竞争力。
此外就是利用建筑围护结构蓄存热量,夏季夜间室外空气通过楼板空洞通风使楼板冷却,白天用冷却了的楼板吸收室内热量。
在冬季则设法利用围护结构吸收和蓄存白天进入室内的太阳辐射热避免室温过高,在夜间释放这些热量,以减少室温的下降。
在围护结构内配置适宜的相变材料,则可以产生更好的蓄能效果。
通过上述各项技术的有机结合,在某些地区（非潮湿地区）可以建造出所谓“零能耗”建筑,不消耗常规能源就可以维持室内的舒适环境,并通过太阳能解决夜间照明。
开发和推广上述先进技术,可使我国各类建筑的供暖能耗降低到冬季平均10W/m2的水平,仅为目前供暖能耗的1/3,空调能耗也可以显著降低。
因此我国建筑材料与部品的节能应从以外墙为重点迅速转向以提高外窗和玻璃幕墙的性能为重点。
秦皇岛某玻璃厂2003年底与美国合
作,完成了国内第1条、世界第7条玻璃在线镀膜生产线,并制造出多种高性能Low-e玻璃产品（具有自主知识产权）,为我国高性能透光型外围护结构的开发迈出关键性一步。
北京某公司采用自主技术的真空夹层玻璃生产线也在2004年投产,其真空玻璃的传热系数达到1.0W/（m2·
K）,处于世界领先水平。
上面提及的秦皇岛某玻璃厂2004
年研制成功的玻璃钢窗框外窗,与Low-e玻璃配合,整体传热系数达到1.5W/（m2·K）,也达到世界前列。
但总体说来,我国目前市场上可见到的各种外遮阳技术、玻璃夹层通风与遮阳的双层皮技术,以及集自然通风、遮阳、隔热、太阳能发电于一体的零能耗外窗技术与产品,距国外还有一定差距。
夏季空调的大量能耗用于室内的湿度调节,而上述各项技术对湿度控制并无明显作用。
采用一些吸湿性高分子材料,可以在空气湿度高的时候吸收空气中的水分,使其转换为结晶水而封存在材料中,在室内空气相对湿度较低时又重新把水分释放回空气中。
这样可维持室内相对湿度在
40
～75
的舒适范围内,而不消耗常规能源。
目前日本、欧洲都开展了相关研究,国内的研究开发也接近同等水平[19]。
这方面的突破将对改善住宅和一般性非住宅民用建筑的夏季室内环境,降低空调能耗甚至在某些场合取消
传统空调,起重大作用。
此方向研究对降
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