建筑节能讲义.docx
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建筑节能讲义
建筑节能
BuildingEnergyEfficiency
天津大学建筑学院
王立雄
第一章建筑节能基本知识
1.1建筑节能的重要意义
1.1.1中国能源面临重大挑战
·本世纪的头20年是中国经济社会发展的重要战略机遇期。
·在此期间中国的经济将经历三个重要变化：
进入重化工业时期、城镇化进程加快、成为世界制造基地之一。
·经济增长和城镇化进程的加快对能源形成很大的压力。
根据国务院发展研究中心的研究结果表明：
到2020年中国的一次能源需求将达到之25～33亿tce（吨标准煤），交通与建筑的能源需求增长，这两个部门的用能比例将从目前不到35％上升到2020年的57％～75％。
1.1.2巨大的建设量亟需建筑的可持续发展
我国2004年统计建筑总面积近400亿㎡
建筑增长量：
全国每年新增建筑量约18～20亿㎡
城镇住宅增长量：
全国每年新增城镇住宅建筑量10亿㎡,超过各发达国家年建成建筑面积的总和。
世界银行报告认为：
2000～2015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。
1.1.3建筑节能的重要意义：
1．经济可持续发展的需要
2．大气环保的需要
3．宜人的居住建筑热环境的需要
4．建筑物外围护结构形式的变化
5．采暖调控系统的技术进步
6．构件产品、建筑机构的变化
1.1.4建筑节能经历的三个阶段：
1.“能源节约（energysaving）”；
2.“在建筑中保持能源（energyconservation）”，即减少建筑中能量的散失；
3.目前得到广泛认可、更具积极性的定义是“提高建筑中的能源利用效率（energyefficiency）”，即以主动性、积极性的策略节省能源消耗、提高能源利用效率。
1.2国外建筑节能概况
与气候条件接近的西欧或北美国家相比，中国住宅的单位采暖建筑面积一般要多消耗2～3倍以上的能源，而且舒适性较差。
中国建筑外墙热损失是加拿大和其它北半球国家同类建筑的3～5倍，窗的热损失在2倍以上。
我国居住建筑对新风量要求很低，但发达国家对此有很高要求。
国外建筑外围护结构传热系数[W/（m2·k）]
国家
外墙
外窗
屋顶
中国
天津（新节能标准）
0.60[1]0.45[2]
2.50
0.50[1]0.45[2]
哈尔滨（新节能标准）
0.50[1]0.45[2]
2.0
0.40[1]0.30[2]
瑞典（南部地区）
0.17
2.0
0.12
丹麦
0.20（重量<100kg/m2）
0.30（重量<100kg/m2）
2.9
0.15
德国柏林
0.50
1.50
0.22
英国
0.45
（双玻璃）
0.45
法国（RT2005规范）
0.45
2.6
0.28
加拿大
相当于哈尔滨采暖度日数
0.27
2.22
0.17
相当于北京采暖度日数
0.36
2.86
0.23
日本
北海道
0.42
2.33
0.23
东京都
0.87
6.51
0.66
注：
[1]为9～13层建筑物，[2]为4～8层建筑物。
1.3我国建筑能耗概况和节能任务
1.3.1我国建筑能耗状况
1.3.2我国建筑节的基本目标和任务
（1）北方建筑采暖能耗高、比例大，应为建筑节能的重点；
（2）住宅及一般公共建筑与发达国家相比能耗尚处在较低水平，但有明显的增长趋势；
（3）大型公共建筑能耗浪费严重，节能潜力大，新建建筑中此类建筑的比例呈增长趋势；
（4）农村建筑能耗低，非商品能源仍占较大部分，目前有逐渐被商品能源替代的趋势；
（5）长江流域大面积居住建筑新增采暖需求。
1.4建筑节能领域中常用的名词术语
⒈导热系数（λ）Coefficientofthermalconductivity
稳态条件下，1m厚的物体，两侧表面温差为1K时，单位时间内通过单位面积传递的热量，单位：
W/（m.K）。
⒉蓄热系数（S）Coefficientofthermalstorage
当某一足够厚度的单一材料层一侧受到谐波热作用时，表面温度将按同一周期波动。
通过表面的热流振幅与表面温度振幅的比值即为蓄热系数，单位：
W／（㎡.k）。
⒊围护结构传热系数（K）Overallheattransfercoefficientofbuildingenvelope
围护结构两侧空气温差为1K，在单位时间内通过单位面积围护结构的传量，单位：
W／（㎡.k）。
⒋围护结构传热阻（Ro）Thermalresistanceofbuildingenvelope
传热系数的倒数，表征围护结果对热量的阻隔作用。
单位：
㎡.k／W。
⒌热桥thermalbridge
围护结构中包含金属、钢筋混凝土或混凝土粱、柱、肋等部位，在室内外温差作用下，形成热流密集、内表面温差较低的部位。
这些部位形成传热的桥梁，故称热桥。
⒍外墙平均传热系数（Km）Meanheattransfercoefficientofexternalwall
考虑了墙上存在的热桥影响后得到的外墙传热系数，单位：
W/（㎡·K）。
⒎围护结构传热系数的修正系数（εi）Modificationcoefficientofbuildingenvelope
考虑太阳辐射和天空辐射对围护结构传热的影响而引进的修正系数。
⒏热惰性指标（D）Indexofthermalinertia
表征围护结构反抗温度波动和热流波动能力的无量纲指标，其值等于材料层热阻与蓄热系数的乘积。
⒐窗墙面积比Arearatioofwindowtowall
窗户洞口面积与房间立面单元面积（即建筑层高与开间定位线围成的面积）的比值。
⒑外窗的综合遮阳系数（Sw）Overallshadingcoefficientofwindow
考虑窗本身和窗口的建筑外遮阳装置综合遮阳效果的一个系数，其值为窗本身的遮阳系数（SC）与窗口的建筑外遮阳系数（SD）的乘积。
⒒建筑物体形系数（S）Shapecoefficientofbuilding
建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的体积的比值。
外表面积中不包括地面和不采暖楼梯间隔墙和户门的面积。
⒓换气次数Rateofaircirculation
单位时间内室内空气的更换次数。
⒔采暖期天数（Z）Daysofheatingperiod
累年日平均温度低于或等于5℃的天数。
这一采暖期仅供建筑热工和节能设计计算采用。
⒕采暖期室外平均温度（te）Outdoormeanairtemperatureduringheatingperiod
在采暖期起止日期内，室外逐日平均温度的平均值。
⒖采暖度日数（HDD18）Heatingdegreedaybasedon18℃
一年中，当某天室外日平均温度低于18℃时，将低于18℃的度数乘以1天，并将此乘积累加。
⒗空调度日数（CDD26）Coolingdegreedaybasedon26℃
一年中，当某天室外日平均温度高于26℃时，将高于26℃的度数乘以1天，并将此乘积累加。
⒘采暖能耗（Q）Energyconsumedforheating
用于建筑物采暖所消耗的能量，其中包括采暖系统运行过程中消耗的热量和电能，以建及筑物耗热量。
⒙建筑物耗热量指标（qH）Indexofheatlossofbuilding
在采暖期室外平均温度条件下，为保持室内计算温度，单位建筑面积在单位时间内消耗的，需由室内采暖设备供给的热量，单位：
W／㎡。
⒚采暖设计热负荷指标（qHL）Indexofdesignloadforheatingofbuilding
在采暖室外计算温度条件下，为保持室内计算温度，单位建筑面积在单位时间内消耗的，需由采暖设备供给的热量。
由于采暖室外计算温度低于采暖期室外平均温度，因此在数值上，采曝设计热负荷指标大于建筑物耗热量指标单位：
W／㎡。
⒛建筑物耗冷量指标Indexofcoollossofbuilding
按照夏季室内热环境设计标准和设定的计算条件，计算出的单位建筑面积在单位时间内消耗的需要由空调设备提供的冷量。
21.参照建筑Referencebuilding
采用围护结构热工性能权衡判断法时，作为计算全年采暖和空调能耗用的假想建筑，参照建筑的形状、大小、朝向以及内部的空间划分和使用功能与所设计建筑完全一致，但围护结构热工参数应符合本标准的规定。
1.5与建筑节能相关的规范与标准
《民用建筑热工设计规范》（GB50176－93）1993年10月1日起施行；
《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》（JGJ26－96）1996年7月1日建设部经修订颁布。
目前已废止；
《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ26－2010）2010年8月1日施行；
《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ134－2010）2010年8月1日施行；
《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》（JGJ75－2003）2003年10月1日施行；
《既有采暖居住建筑节能改造技术规程》（JGJ129－2000）2001年1月1日施行；
《采暖居住建筑节能检验标准》（JGJ132－2001）2001年6月1日施行。
目前已废止；
《居住建筑节能检测标准》（JGJ132－2009）2010年7月1日施行；
《旅游旅馆建筑热工与空气调节节能设计标准》（GB50189-93）1994年7月1日施行；
《公共建筑节能设计标准》（GB50189－2005）2005年7月1日施行；
《公共建筑节能改造技术规范》（JGJ176－2009）2009年12月1日施行；
《公共建筑节能检测标准》（JGJ/T177－2009）2010年7月1日施行；
天津地区地方标准
《天津市居住建筑节能设计标准》（DB29－1－2007J10409-2007）
《天津市公共建筑节能设计标准》（DB29－153－2005J10633-2005）
《天津市民用建筑围护结构节能检测技术规程》（DB29－88－2007）
国际相关标准
•IECC（InternationalEnergyConservationCode）国际节能规范
•EnEv2006德国2006版建筑节能规范
•RT2005法国2005年建筑节能规范
•ASHRAR90.1（AmericanSocietyofHeating,RefrigeratingandAir-ConditioningEngineers）美国采暖制冷空调工程师协会
节能标准与热工规范的区别及联系
节能标准与热工规范在内容、目的和适用范围方面有区别。
节能标准从能控制采暖能耗出发，对围护结构的保温和门窗的气密性提出进一步提高的要求．同时节能标准更关注建筑物整体的耗热情况，以及建筑物在整个采暖期内平均的耗热情况。
热工规范是从室外气候最不利的情况考虑，保证建筑物及相关围护结构满足的最低要求。
第二章建筑节能设计原理
2.1建筑热工设计分区与建筑能耗
2.1.1建筑热工设计分区
建筑热工设计分区及设计要求表2-1
分区名称
严寒地区
寒冷地区
夏热冬冷地区
夏热冬暖地区
温和地区
分
区
指
标
主要指标
最冷月平均
温度≤－10℃
最冷月平均
温度0～－10℃
最冷月平均温度0～10℃
最热月平均温度25～30℃
最冷月平均温度＞10℃
最热月平均温度25～29℃
最冷月平温
度0～13℃
最热月平均温度18～25℃
辅助指标
日平均温度
≤5℃的天数≥
145d
日平均温度
≤5℃的天数≥90～145d
日平均温度≤5℃（0～90d）
日乎均温度≥25℃（40～110d）
日平均温度≥25℃的天数100～200d
日平均温≤5℃的天数0～
90d
设计要求
必须充分满
足冬季保温要
求，一般可不考
虑夏季防热
应满足冬季
保温要求，部分
地区兼顾夏季
防热
必须满足夏季
防热要求，适当兼顾冬季保温
必须充分满足夏季防热要求，一般可不考虑冬季保温
部分地区应注意冬季保温，一般可不考虑夏季防热
2.1.2建筑能耗范围
与建筑相关的能源消耗包括：
建筑材料生产能耗、建筑材料运输能耗、房屋建造和维修过程中的能耗以及建筑使用过程中的建筑运行能耗。
这里仅讨论建筑运行能耗。
2.2不同热工分区下的建筑节能设计原理
2.2.1严寒与寒冷地区
采暖能耗占全国建筑总能耗的比重很大，节能潜力最大，是我国目前建筑节能的重点。
采暖节能的技术途径：
（1）改进建筑物围护结构保温性能，进一步降低采暖需热量。
使采暖需热量由目前的90kWh／（㎡·年）降低到平均60kWh／（㎡·年）。
（2）实现可控制的通风换气，避免为了通风换气而开窗，造成过大的热损失。
使实际的通风换气量控制在0.5次／h以内。
（3）改善采暖的末端调节性能，避免过热。
（4）推行地板采暖等低温采暖方式，从而降低供热热源温度，提高热源效率。
（5）积极挖掘利用目前的集中供热网，发展以热电联产为主的高效节能热源。
2.2.2夏热冬冷地区
采暖节能的技术途径：
（1）综合考虑采光、日照等因素确定体形系数，不过于追求较小的体形系数。
（2）从提高日照、促进自然通风角度综合确定窗墙比。
（3）围护结构热工性能首先要保证夏季隔热要求，兼顾冬季防寒。
（4）加强外窗遮阳、外墙和屋顶隔热能力。
2.2.3夏热冬暖地区
采暖节能的技术途径：
（1）保证屋顶、外墙的具有很好的隔热能力。
（2）外门窗的遮阳。
（3）合理组织建筑的的自然通风。
2.3采暖居住建筑节能基本原理和节能途径
2.3.1采暖居住建筑的主要特点
居住建筑范围：
住宅、集体宿舍、招待所、托幼建筑等。
特点：
人员昼夜连续使用，室内热环境和空气质量要求高。
有采暖设备及通风换气装置。
冬季室内温度要求达到16～18℃，高级别建筑要求达到20～22℃。
建筑基本参数：
层高一般为2.7～3.0m，
开间一般为3.3～4.5m。
城镇居住建筑内多层建筑为主，大城市中高层住宅较多。
体形系数0.30左右。
2.3.2采暖居住建筑的能耗构成
采暖耗热量的组成：
（1）通过围护结构的传热耗热量，约占73%～77%。
（2）通过门窗缝隙的空气渗透耗热量，约占23%～27%。
传热耗热总量中，外墙约占23%～34%；窗户约占23%～25%；楼梯间隔墙约占6%～11%；屋顶约占7%～8%；阳台门下部约占2%～3%；户门约占2%～3%；地面约占2%。
窗户总耗热量，即窗的传热耗热量加上空气渗透耗热量约占建筑物全部耗热量的50%。
窗户是耗热较大的构件，是节能的重点部位。
从围护结构各部位传热耗热量所占比例看：
外墙最大，第二是窗户，之后是楼梯间隔墙（以楼梯间不采暖住宅为例）和屋顶等。
所以外墙仍是节能设计的重点部位。
2.3.3采暖居住建筑节能基本原理
建筑节能的基本原理是，最大限度的争取得热，最低限度的向外散热。
⑴建筑群的规划设计，单体建筑的平、立面设计和门窗的设置应保证在冬季有效地利用日照并避开主导风向。
⑵尽量减小建筑物的体形系数，平、立面不宜出现过多的凹凸面；
⑶建筑北侧宜布置次要房间，北向窗户的面积应尽量小，同时适当控制东西朝向的窗墙比和单窗尺寸；
⑷加强围护结构保温能力，以减少传热耗热量，提高门窗的气密性，减少空气渗透耗热量。
⑸改善采暖供热系统的设计和运行管理，提高锅炉运行效率；加强供热管线保温；加强热网供热的调控能力。
2.4空调建筑节能原理
空调建筑得热一般有以下三种途径：
1.太阳辐射通过窗户进入室内构成太阳辐射得热；2.围护结构传热得热；3.门窗缝隙空气渗透得热。
根据空调建筑物夏季得热途径，总结出以下节能设计要点：
⑴空调建筑应尽量避免东西朝向或东西向窗户，以减少太阳直接辐射得热。
⑵空调房应集中布置，上下对齐。
温湿度要求相近的空调房间宜相邻布置。
⑶空调房间应避免布置在转角处，有伸缩缝处及顶层。
当必须布置在顶层时，屋顶应有良好的隔热措施。
⑷在满足功能要求的前提下，空调建筑外表面积宜尽可能的小，表面宜采用浅色，房间净高宜降低。
⑸外窗面积应尽量减小，窗墙面积比不宜超过0.30（单层窗）和0.40（双层窗）。
向阳或东西向窗户，宜采用热反射玻璃、反射阳光镀膜和有效的遮阳构件。
（6）外窗气密性等级不应低于《建筑外窗空气渗透性能分级及其检测方法》（GB/T7107－2002）中规定的3级水平。
⑺围护结构的传热系数应符合《采暖通风与空气调节设计规范》（GBJ19－87）规定的要求。
⑻间歇使用的空调建筑，其外围护结构内侧和内围护结构宜采用轻质材料；连续使用的空调建筑，其外围护结构内侧和内围护结构宜采用厚重材料。
2.5建筑物耗热量指标
2.5.1建筑物耗热量与建筑物耗热量指标
建筑耗热量系指采暖建筑在一个采暖期内，为保持室内计算温度由室内采暖设备供给建筑物的热量，其单位是KW·h/a。
建筑物耗热量指标实际上是一个“功率”。
基准建筑（BaselineBuilding）的耗热量指标计算值
1980年～1981年住宅通用设计，4个单元6层楼，体形系数为0.30左右的建筑物。
这是耗热量指标的基准水平（即能耗为100%）；
节能30%：
是在基准水平的基础上降低30%确定的（1986年标准）。
节能50%：
是在1986年节能标准基础上再降低30%确定的，建筑物耗热量指标（100%×0.7×0.7）（1995年标准）。
节能65%：
在1995年节能标准基础上再降低30%能耗（100%×0.7×0.7×0.7），即达到1980年基准建筑物能耗的35%。
2.5.2影响建筑物耗热量指标的几个因素
⑴体形系数：
建筑物耗热量指标随体形系数的增长而增长。
⑵围护结构的传热系数：
在建筑物整体尺寸和窗墙面积比不变的情况下，耗热量指标随围护结构的传热系数的下降而相抵。
采用保温效能高的墙体、屋顶、门窗等对节能有利。
⑶窗墙面积比：
⑷楼梯间设计形式：
多层住宅楼梯间采用开敞式的有门窗的楼梯间，其耗热量指标约上升10%～20%。
⑸换气次数：
提高门窗的气密性，换气次数由0.8次/小时降至0.5次/小时，耗热量指标可降低10%左右。
（6）朝向：
多层住宅东西朝向时比南北朝向时，其耗热量指标约增加5.5%
高层住宅。
层数在10层以上时，耗热量指标趋于稳定。
高层住宅中，带北向封闭式交通廊的板式住宅，其耗热量指标比多层板式住宅低6%。
在建筑面积近似的条件下高层塔式住宅的耗热量指标比高层板式住宅的高10%～14%。
体形复杂，凹凸面过多的塔式住宅，对节能不利。
2.6建筑物耗热量指标计算
2.6.1建筑物耗热量指标计算公式
qH＝qH·T＋qINF－qI·H
式中qH—建筑物耗热量指标（W/㎡）
qH·T—单位建筑面积通过围护结构的传热耗热量（W/㎡）
qINF—单位建筑面积的空气渗透耗热量（W/㎡）
qI·H—单位建筑面积的建筑物内部得热,包括炊事照明家电和人体散热住宅建筑取3.80（W/㎡）
2.6.2折合到单位建筑面积上通过建筑围护结构的传热量
qH·T＝（ti－te）（
·Ki·Fi）/A0
单位建筑面积的空气渗透耗热量计算公式
qINF＝（ti－te）（Cρ·ρ·N·V）/A0
采暖耗煤量指标计算公式
qc＝24·Z·qH/Hc·η1·η2
外墙平均传热系数的计算
外墙受周边热桥影响条件下，其平均传热系数应按下式计算：
天津市居住建筑节能设计标准（2007）
1.主要内容
⑴建筑物朝向宜采用南北向或接近南北向，主要房间宜避开冬季主导风向并利于夏季自然通风。
⑵建筑物体形设计应力求简单，体形系数应符合下表规定。
建筑物体形系数限制
≤3层
4～6层
7～9层
≥10层
≤0.55
≤0.35
≤0.30
≤0.26
不同朝向的窗墙面积比
朝向
窗墙面积比
规定值
最大值
北
0.30
0.40
东、西
0.35
南
0.50
0.70
各部分围护结构传热系数和综合遮阳系数限值
围护结构部位
传热系数[W／（㎡.k）]
≤3层建筑
≥4层建筑
屋顶
0.40
0.50
`外墙
0.45
0.60
外窗
（含阳台门透明部分）
建筑层数
传热系数[W／（㎡.k）]
综合遮阳系数Sw（东、西向）
≥4层建筑
2.70
0.70
≤3层建筑
2.50
－
非采暖公共
空间入口门
透明部分
≤4.00
非透明部分
≤1.50
阳台门下部门芯板
1.50
分隔采暖与非采暖空间的隔墙、户门
1.50
底面接触室外空气的楼板
0.50
分隔采暖与非采暖空间的楼板
0.55
2.建筑节能设计的判据
当设计建筑的窗墙比和各部分同护结构传热系数均小于或等于标准的限值，可直接判定为节能建筑设汁。
当设计建筑的窗墙比大于标准的要求或围护结构传热系数大于标准表的限值时，应将设计建筑的窗墙比（超过部分的）、同护结构的传热系数改为符合本标准的限值，并计算建筑物传热耗热量（即参照建筑传热耗热量）。
以参照建筑传热耗热量为限值，调整窗墙比、围护结构传热系数，直至所设计建筑的传热耗热量不大于参照建筑的传热耗热最。
即可判定为节能建筑设计。
3.计算公式
1.建筑物耗热量指标计算公式
qH＝qH·T＋qINF－3.8（W/㎡）
2.单位建筑面积通过围护结构的传热耗热量计算公式
qH·T＝17.2（
·Ki·Fi）/A0（W/㎡）
3.单位建筑面积的空气渗透耗热量计算公式
低层和多层楼梯间不采暖时：
qINF＝1.86V0/A0
高层和中高层楼梯间不采暖时：
qINF＝1.55V0/A0
楼梯间采暖时：
qINF＝2.02V0/A0
2.7建筑节能平价计算
各围护结构热工指标
1
屋顶（平顶1）
d（mm）
R（m2k/w）
地砖
10
0.81
0.012
防水层
10
0.17
0.059
水泥砂浆
20
0.93
0.022
水泥焦渣
70
0.29
0.161
挤塑型聚苯板
60
0.03
1.667
现浇楼板
120
1.74
0.069
石灰砂浆
20
0.81
0.025
R0=2.173m2k/wK0=0.460w/m2K
屋顶（平顶2）
d（mm）
R（m2k/w）
防水层
10
0.17
0.059
水泥砂浆
20
0.93
0.022
水泥焦渣
70
0.29
0.161
挤塑
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