淺析當(dāng)前國(guó)內(nèi)外建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的發(fā)展水平

胡 羽 佳

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)國(guó)際學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

1 建筑能耗的概念

建筑能耗是指，在建筑物正常運(yùn)行使用過(guò)程中，為維持建筑物基本的功能所消耗的能量，包括供熱采暖，照明，動(dòng)力，空調(diào)，通風(fēng)，家用電器，輸送，烹飪，給排水，熱水供應(yīng)，電梯，辦公設(shè)備，廚房炊事等其他運(yùn)行相關(guān)能耗。事實(shí)上，關(guān)于建筑能耗的概念，還有一種較為廣義性的說(shuō)法，從建筑材料制造、建筑施工，一直到建筑使用的全過(guò)程能耗叫做建筑能耗。但是，建筑材料制造，建筑施工的能耗屬于第二產(chǎn)業(yè)，它的節(jié)能應(yīng)該在工業(yè)生產(chǎn)中解決。而建筑使用能耗主要是第三產(chǎn)業(yè)和人民生活中，與前面兩點(diǎn)分屬不同領(lǐng)域，其節(jié)能路徑不同，所以建筑能耗應(yīng)為建筑使用能耗。并且依據(jù)國(guó)際通行的分類(lèi)，建筑能耗是指建筑使用能耗。當(dāng)前我國(guó)建筑行業(yè)除了建筑面積的急速增長(zhǎng)，建筑能耗的增長(zhǎng)也處于不斷上升的階段。清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心在《中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2017》中指出，2015年建筑運(yùn)行的總商品能耗(不含生物質(zhì)能)為8.64億tce，約占全國(guó)能源消費(fèi)總量的20%。我國(guó)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)尚處在起步階段，因此需要對(duì)國(guó)內(nèi)外節(jié)能情況進(jìn)行調(diào)查，找出差距設(shè)立發(fā)展目標(biāo)。

2 建筑節(jié)能設(shè)計(jì)

2.1 建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的內(nèi)容

由于在建筑運(yùn)營(yíng)時(shí)所產(chǎn)生的能耗最大，所以綠色建筑主要針對(duì)于建筑運(yùn)營(yíng)時(shí)所產(chǎn)生的能耗進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用。其中包括建筑節(jié)能新材料的應(yīng)用、暖通節(jié)能設(shè)計(jì)的應(yīng)用、新節(jié)能設(shè)備技術(shù)的應(yīng)用、新能源的應(yīng)用。

2.2 建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的理念

墻體節(jié)能技術(shù)實(shí)質(zhì)是墻體保溫技術(shù)，墻體保溫技術(shù)是在建筑物施工階段，通過(guò)利用建筑保溫材料將外界與室內(nèi)的熱量有效的進(jìn)行隔絕，防止室內(nèi)的熱量進(jìn)行不必要的擴(kuò)散和流失，從而進(jìn)一步的保障室內(nèi)溫度的穩(wěn)定性，更進(jìn)一步減少了對(duì)空調(diào)及加熱器等其他電器的使用依賴(lài)，同時(shí)也減少了能源的消耗和浪費(fèi)；暖通的動(dòng)力設(shè)計(jì)可以降低建筑原有的能耗，例如熱水器，可以采用太陽(yáng)能進(jìn)行加熱，也可以采用地源熱泵能源進(jìn)行加熱，或者用空氣源也可進(jìn)行加熱，同時(shí)也有多種能源聯(lián)合的方式進(jìn)行，例如有太陽(yáng)能和地源熱泵的混合利用，針對(duì)于太陽(yáng)光充足但較為寒冷的地區(qū)，可以采用太陽(yáng)能和地源熱泵能源混合的利用方式，一方面地源熱泵彌補(bǔ)了夜間及有時(shí)太陽(yáng)能不充足的情況，另一方面提高了能源的利用效率。還有利用低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)，這套動(dòng)力系統(tǒng)是把加熱管理的裝置放到混凝土埋管層里面，通過(guò)40 ℃～60 ℃的低溫?zé)崴诠艿纼?nèi)的循環(huán)流動(dòng)，使地面溫度升高到25 ℃～29 ℃，最后利用輻射與相互對(duì)流的供暖方式向室內(nèi)輻散熱量的供暖方式。建筑門(mén)窗可以體現(xiàn)節(jié)能最為主要的原因是室內(nèi)采光率，在保證房屋室內(nèi)采光效果的最大化的前提下，可以減少照明設(shè)備的使用和對(duì)電能的浪費(fèi)。而節(jié)能技術(shù)在建筑門(mén)窗施工中的應(yīng)用通過(guò)對(duì)門(mén)窗過(guò)梁的位置進(jìn)行合理的計(jì)算設(shè)置不但節(jié)約了對(duì)鋼筋等材料的應(yīng)用，而且保證了其質(zhì)量。較傳統(tǒng)門(mén)窗相比較而言，抗風(fēng)壓性、雨水滲透性以及空氣滲透性，與能源的消耗有著密切的關(guān)系。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以嘗試主動(dòng)引入新型玻璃材料，例如真空玻璃，可以提升門(mén)窗的隔熱效果，從而達(dá)到保溫等效果；還有太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)岬鹊睦?，利用這些能源，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染和破壞。

3 建筑節(jié)能設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用

自20世紀(jì)90年代“綠色建筑”概念的提出后，人們很快的意識(shí)到建筑物與周?chē)h(huán)境相協(xié)調(diào)的重要性，緊接著綠色建筑計(jì)劃的制定與實(shí)施提上了日程。隨著工程師們的探討和實(shí)踐，作為新興領(lǐng)域的綠色建筑行業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)在節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材等方面有了成熟的建筑技術(shù)，并廣泛運(yùn)用到工程建筑中，本文將結(jié)合國(guó)內(nèi)外綠色建筑的案例，來(lái)對(duì)現(xiàn)如今綠色住宅的一般性技術(shù)做一個(gè)簡(jiǎn)要的分類(lèi)、概括與分析。

綠色建筑設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容歸根結(jié)底就是節(jié)能設(shè)計(jì)，綠色建筑節(jié)能部分技術(shù)設(shè)計(jì)分為體形系數(shù)、窗墻比、圍護(hù)結(jié)構(gòu)三個(gè)方面。

3.1 體形系數(shù)

體形系數(shù)(Shape Coefficient of Building)定義為建筑物與室外大氣接觸的外表面積與其所包圍的體積之比，即單位建筑體積所占有的外表面積，其中外表面積中不包括地面面積。

即S=F0/V0。

其中，S為建筑體型系數(shù);F0為建筑的外表面積。

由定義可知,體型系數(shù)反映了一棟建筑體型的復(fù)雜程度和圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱面積的多少，體型系數(shù)越大，則體形越復(fù)雜，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱面積就越大，建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱耗熱量就越大，因此建筑體型系數(shù)是影響建筑物耗熱量指標(biāo)的重要因素之一，是綠色建筑設(shè)計(jì)所重要考慮的原因之一。所以根據(jù)，JGJ 26—2010嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，寒冷地區(qū)體形系數(shù)的限值規(guī)定在0.26，具體如表1所示。

表1 寒冷地區(qū)居住建筑的體形系數(shù)限值

而山西省晉城市的參照建筑的體形系數(shù)需要滿(mǎn)足0.4，而團(tuán)隊(duì)所調(diào)查的這個(gè)建筑的體形系數(shù)只有0.18，大大減少建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)臨空面的面積大而造成的熱能損失，達(dá)到綠色建筑的要求。

3.2 窗墻比

窗墻面積比是指某一朝向的外窗(包括透明幕墻)總面積，與同朝向墻面總面積(包括窗面積在內(nèi))之比。山西省晉城市的東南西北的墻窗比都需要不大于0.7，該建筑東南西北的窗墻比分別是：0.50，0.54，0.54，0.56，都符合標(biāo)準(zhǔn)。但是作為寒冷地區(qū)的綠色建筑，應(yīng)增大南面的窗墻比，減少北面的墻窗比，適當(dāng)開(kāi)設(shè)東西兩方向的墻窗比，從而可以獲得更多光照與輻射，同時(shí)達(dá)到減少建筑能耗的目的，這是該綠色建筑中不足的地方。

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)是指圍合建筑空間的墻體、門(mén)、窗。

圍護(hù)設(shè)施——為保障安全而設(shè)置的欄桿、欄板等圍擋。由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有隔熱的能力，可以減少建筑物能耗從而達(dá)到綠色環(huán)保的效果，那么如何設(shè)置圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以通過(guò)合理的選材和避免熱橋來(lái)實(shí)現(xiàn)。在外圍護(hù)構(gòu)件中，由于結(jié)構(gòu)要求，經(jīng)常設(shè)有導(dǎo)熱系數(shù)較大的嵌入構(gòu)件，如：雨棚板，過(guò)梁等。這些構(gòu)件保溫性能差，散熱多。為了避免熱橋的影響，避免嵌入構(gòu)件內(nèi)外貫通，并對(duì)這些部位采取局部保溫措施。

4 建筑節(jié)能設(shè)計(jì)在國(guó)外的應(yīng)用

Sir Samuel Griffith Center是澳大利亞格里菲斯大學(xué)的一棟教學(xué)樓，它是可再生能源和離網(wǎng)技術(shù)的開(kāi)拓性示范建筑，也是世界上第一個(gè)應(yīng)用大型離網(wǎng)儲(chǔ)氫系統(tǒng)的建筑。此建筑物完全由太陽(yáng)能供電，并且完全獨(dú)立于電網(wǎng)供電運(yùn)行，在節(jié)能方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

該建筑的特點(diǎn)是在一般性的離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)(離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)是指沒(méi)有任何輔助電源，光伏發(fā)電是唯一電力來(lái)源的電源系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用氫作為太陽(yáng)能能源的長(zhǎng)期存儲(chǔ)載體，真正實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期離網(wǎng)發(fā)電)。可再生能源(例如太陽(yáng)能，風(fēng)能等)的使用限制主要有兩點(diǎn)：1)其可使用量在每日的不同時(shí)間不同。2)其可使用量在不同的季節(jié)不同。該建筑的運(yùn)用氫儲(chǔ)電的系統(tǒng)基本解決了這兩個(gè)限制問(wèn)題。該建筑通過(guò)光伏電池板獲得太陽(yáng)能進(jìn)而發(fā)電。當(dāng)太陽(yáng)照射時(shí)，光伏電池板吸收比建筑日常用能更多的能量并且儲(chǔ)存起來(lái)，多余的能量用于黑夜和陰雨天氣。電池提供日常用電存儲(chǔ)，氫作為長(zhǎng)效電池發(fā)揮長(zhǎng)效儲(chǔ)電的作用。1 164塊光伏電池板吸收光能發(fā)電。該建筑內(nèi)所有能量均來(lái)源于此。在1 164個(gè)光伏電池板的作用下，即使在高峰時(shí)段，它的功率也可高達(dá)330 kW，超過(guò)其需求的3倍。根據(jù)這座建筑物的平均用電量，這個(gè)系統(tǒng)能夠保證它在多日零光照的條件下正常運(yùn)轉(zhuǎn)。光伏電池板提供直流電，但建筑需要交流電。逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。所以當(dāng)有陽(yáng)光照射時(shí)，該建筑可以通過(guò)太陽(yáng)能正常運(yùn)行。每當(dāng)光伏電池板陣列產(chǎn)生比建筑物正常運(yùn)行所需電力更多的電時(shí)，第二個(gè)雙向逆變器就會(huì)用這些暫時(shí)不需要的電為電池組充電。該逆變器還會(huì)轉(zhuǎn)換由氫燃料電池產(chǎn)生的電。該電池組由1 024個(gè)鋰離子電池組成，其具有較長(zhǎng)的使用壽命并且比傳統(tǒng)的深循環(huán)太陽(yáng)能電池體積更小，質(zhì)量更輕。當(dāng)電池組充電完成時(shí)，多余的太陽(yáng)能被用于產(chǎn)生氫氣。通過(guò)電解器電解水，可以獲得氫氣。氫氣產(chǎn)生之后，它依次被輸送到凈化裝置和特制的儲(chǔ)存系統(tǒng)中。最終將氫氣以金屬氫化物的形式儲(chǔ)存在固體中，以這種方式儲(chǔ)存大量能量是非常安全而有效的。當(dāng)我們需要電力時(shí)，氫氣會(huì)從儲(chǔ)存器中釋放出來(lái)并供給到產(chǎn)生直流電的燃料電池中。釋放被存儲(chǔ)的氫氣十分簡(jiǎn)單，只要加熱金屬氫化物即可。由于燃料電池的效率并不是百分之百，所以只要使用氫氣就會(huì)產(chǎn)生廢熱，而這些廢熱又會(huì)被用于加熱氫氣。已經(jīng)存儲(chǔ)好的熱水確保熱量始終滿(mǎn)足釋放氫氣的溫度。由燃料電池發(fā)出的電是為了給電池充電。當(dāng)沒(méi)有可用的太陽(yáng)能電源時(shí)，電池通過(guò)雙向逆變器產(chǎn)生交流電來(lái)給建筑物供電。在這個(gè)系統(tǒng)中，電池非常重要，燃料電池在恒定負(fù)載下運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)，故而應(yīng)用燃料電池。另外，這座建筑的能源需求為一般大學(xué)建筑的60%～70%。這是通過(guò)許多設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)的，這些解決方案包括更多的開(kāi)放式空間以及通過(guò)以太網(wǎng)提供電話(huà)服務(wù)和計(jì)算能力。該建筑物非常狹窄，只有20 m寬，這意味著日光可以直接從北面和南面進(jìn)入，所以在大部分房間，白天幾乎可以只使用自然光就能滿(mǎn)足正常使用需求。而在陰天或夜間，該建筑物可以感受到日照水平，以平衡所使用人工照明燈的數(shù)量。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展和快速城鎮(zhèn)化時(shí)期，建筑節(jié)能問(wèn)題十分緊迫。1985年—2016年我國(guó)建筑面積，建筑能耗均處于長(zhǎng)期飛速增長(zhǎng)的階段，2015年我國(guó)建筑能耗已經(jīng)占全國(guó)能源消費(fèi)總量的20%。然而，在建筑節(jié)能研究上，我國(guó)建筑能耗數(shù)據(jù)可利用性不高。我國(guó)建筑能耗數(shù)據(jù)來(lái)源為中國(guó)統(tǒng)計(jì)局的《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》。較為準(zhǔn)確的計(jì)算方法是由清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心建立的中國(guó)建筑能耗模型。通過(guò)比較山西省晉城市政務(wù)服務(wù)中心與澳大利亞的教學(xué)樓Sir Samuel Griffith Center，可以得知：近幾年，我國(guó)的綠色建筑發(fā)展迅速，建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)逐漸完善，建筑節(jié)能技術(shù)日趨先進(jìn)，然而，由于我國(guó)節(jié)能與國(guó)外先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)尚存在不小的差距，所以還需要從政策上、措施上、技術(shù)上提高節(jié)能設(shè)計(jì)的水平。