重慶市建筑的節(jié)能潛力及效益分析

宋明健，沈晉明，丁曉波，黃會(huì)軍

(1．中國(guó)十九冶集團(tuán)有限公司，四川成都610031;2．同濟(jì)大學(xué)，上海200092)

近年來(lái)，我國(guó)在推行節(jié)能建筑的同時(shí)，也逐漸在法規(guī)和制度上對(duì)建筑的節(jié)能性能進(jìn)行約束完善［1］。1998年1月1日起施行的《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》規(guī)定［2］:“固定資產(chǎn)投資工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和建設(shè)，應(yīng)當(dāng)遵守合理用能標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范。達(dá)不到合理用能標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范要求的項(xiàng)目，依法審批機(jī)關(guān)不得批準(zhǔn)建設(shè);項(xiàng)目建成后，達(dá)不到合理用能標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范要求的，不予驗(yàn)收。”2001年10月建設(shè)部頒布實(shí)施《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［1］。《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求建筑物采暖能耗比20世紀(jì)80年代的標(biāo)準(zhǔn)降低50%，進(jìn)一步對(duì)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料和門(mén)窗的傳熱系數(shù)提出了新的要求［3］。

據(jù)《重慶市現(xiàn)有公共建筑能耗狀況調(diào)研報(bào)告》表明［4］，重慶地區(qū)95%的既有建筑節(jié)能“差”，普通居住建筑全年能耗大約為20 kWh/m2，全市公共建筑全年能耗平均指標(biāo)167.15 kWh/m2，大于武漢的103.51 kWh/m2和北京的150 kWh/m2。就辦公樓能耗密度而言，重慶132 kWh/m2的指標(biāo)高于深圳市機(jī)關(guān)辦公樓的117 kWh/m2，更高于美國(guó)紐約的66 kWh/m2。而且大量的公共建筑空調(diào)、照明耗能逐年遞增。

所以，大力推行節(jié)能建筑及節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)重慶地區(qū)建筑的節(jié)能具有重要的意義。

1 建筑能耗影響因素

建筑能耗的影響因素，主要包括以下幾個(gè)方面［5～9］。

1.1體型系數(shù)

體型系數(shù)反映了單位體積建筑暴露于空間的表面積大小，而建筑物的表面是建筑體內(nèi)部與外界之間能量傳輸?shù)闹饕ǖ溃墙ㄖ?nèi)外能量傳輸?shù)闹饕緩健Ｒ虼耍w型系數(shù)是影響建筑節(jié)能的關(guān)鍵參數(shù)。

民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求節(jié)能建筑體型系數(shù)(S)宜控制在0.3或0.3以下，否則對(duì)于建筑節(jié)能不利。近幾年來(lái)，由于規(guī)劃部門(mén)及建筑(開(kāi)發(fā))企業(yè)對(duì)新建筑外觀的要求，不少高層建筑外觀較為復(fù)雜，加上現(xiàn)行提倡坡屋頂?shù)纫蛩兀菇ㄖw型系數(shù)很難控制在0.3及其以下的水平。

1.2 窗墻面積比

窗戶位于建筑體表面，因其結(jié)構(gòu)較之墻體單薄，隔熱性能差，有時(shí)甚至直接作為室內(nèi)外空氣流動(dòng)的通道，是建筑保溫的薄弱部位。窗墻比為50%的房間與窗墻比為30%的房間相比，空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷要增加25%左右。

民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求窗戶不宜過(guò)大，北朝向的窗墻面積比不應(yīng)超過(guò)0.25，東、西朝向的窗墻面積比不應(yīng)超過(guò)0.3，南朝向窗墻面積不應(yīng)超過(guò)0.35。個(gè)別建筑采用落地窗、飄窗等形式，窗墻面積大大超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 建筑材料

建筑物是被建筑材料經(jīng)排列堆砌后所包圍的空間體。建筑材料的特性，直接決定了建筑物的保溫性能。尤其是建筑外墻和門(mén)窗的材料選擇，對(duì)建筑保溫節(jié)能是異常關(guān)鍵的。

但目前對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)使用的墻體材料、保溫材料及窗戶質(zhì)量要求并不明確。多是從強(qiáng)度、變形控制以及耐久性的角度，對(duì)墻體和門(mén)窗材料及材料的布置性質(zhì)給予了一定的說(shuō)明。

1.4 結(jié)構(gòu)布局及高程

建筑物的空間布局和高程，對(duì)建筑能耗亦有一定的影響，同樣建筑面積的建筑物，東西比南北朝向的建筑物能耗要增加5.5%左右，采取異型結(jié)構(gòu)，其保溫節(jié)能性能即有差異。通過(guò)門(mén)窗縫隙的空氣滲透損失的熱量也與朝向有關(guān)。樓層高度不一樣，其保溫節(jié)能性能亦不一樣。

1.5 區(qū)域氣候

建筑物所在區(qū)域的氣候特征，對(duì)建筑能耗影響較大，地區(qū)的風(fēng)向、風(fēng)量及降雨等對(duì)建筑能耗均有直接的影響。同一建筑，位于冬冷夏熱地區(qū)和冬冷夏暖地區(qū)，引起的全年建筑總能耗亦有較大差異。

建筑物的結(jié)構(gòu)布局、窗墻面積比及高程等，和建設(shè)規(guī)劃要求以及設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)風(fēng)格有關(guān)，區(qū)域氣候是自然因素，以上因素均不能做出合理的控制指標(biāo)以進(jìn)行對(duì)比。因此，下面主要從所選用的墻體和門(mén)窗材料角度，對(duì)節(jié)能建筑之節(jié)能效益、經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)保效益進(jìn)行分析。

2 節(jié)能建筑材料類(lèi)型

墻體材料在房屋建材中約占70%，是建筑材料的重要組成部分。就其品種而言，新型節(jié)能型墻體材料主要包括磚、塊、板等，如粘土空心磚、摻廢料的粘土磚、非粘土磚、建筑砌塊、加氣混凝土、輕質(zhì)板材、復(fù)合板材等。節(jié)能建筑所倡導(dǎo)的墻體材料類(lèi)型主要為多孔鉆和空心磚，表1為目前節(jié)能建筑常用磚體熱工性能及造價(jià)對(duì)比。

表1 常用磚體材料熱工性能及造價(jià)［9］

窗體材料以PVC塑料窗為主。最早由德國(guó)于20世紀(jì)50年代首先開(kāi)發(fā)成功，經(jīng)過(guò)50來(lái)年的努力和產(chǎn)品技術(shù)水平的不斷提高，塑料門(mén)窗以其保溫、隔熱、隔音、耐腐蝕等諸多優(yōu)勢(shì)，在歐洲乃至全世界迅速推廣應(yīng)用。表2是國(guó)內(nèi)所使用的各類(lèi)型窗的傳熱系數(shù)和節(jié)能效果的對(duì)比。

表2 常用窗體的熱工性能及節(jié)能效果［8］

表3 各節(jié)能窗墻材料節(jié)能效益計(jì)算

從表1、表2可看出，雙玻PVC塑料窗的節(jié)能效果比較顯著，能達(dá)到民用建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中全國(guó)大部分地區(qū)住宅采暖節(jié)能50%的要求。墻體材料方面，空心磚和多孔磚具有較好的保溫節(jié)能性能，尤其是空心磚，其節(jié)能性能較之以往的實(shí)心磚能提高近50%。

3 建筑節(jié)能效益

2008年重慶市主城區(qū)建成面積443.6km2，較之2007年增加5.02%，按此推算，2010年，重慶市主城區(qū)將完成建成面積約489.26km2，約合4.8 926億m2。假設(shè)其中建筑面積占32%，則主城區(qū)建筑用地面積約1.5 656億m2，按平均層高6層且每層高3.5m計(jì)算，則總建筑面積約9.3 937億m2，總外墻面積約32.878億m2。一般建筑的窗墻面積比為0.30～0.45，假定平均窗墻面積比約0.30，則主城區(qū)建筑物總窗戶面積約9.86億m2，總凈外墻面積約23.018億m2［4］。

則，夏季制冷期為減小冷負(fù)荷損失時(shí)，墻體、窗戶的年節(jié)能量可通過(guò)公式(1)計(jì)算:

式中:QS為墻體或窗戶夏季的節(jié)能總量，kWh;ns為重慶地區(qū)夏季需提供制冷調(diào)節(jié)的天數(shù)，d，取52;Kp為非節(jié)能型材料的傳熱系數(shù)，W/(m2·K);Ks為節(jié)能型材料的傳熱系數(shù)，W/(m2·K);tn為重慶地區(qū)需制冷月平均室外溫度，℃，取3.5;tp為制冷期室內(nèi)擬達(dá)到的目標(biāo)溫度，℃，取18;F為墻體或窗戶面積，m2。

冬季采暖期為減少熱量損失時(shí)，墻體、窗戶的年節(jié)能量可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算:

式中:QW為墻體或窗戶冬季的節(jié)能總量，kWh;nw為重慶地區(qū)冬季需進(jìn)行采暖調(diào)節(jié)的天數(shù)，d，取116;t'n為需采暖時(shí)室內(nèi)平均溫度，℃，取32.5;t'p為需采暖時(shí)室外的平均溫度，℃，取26;其他符號(hào)意義同前。

根據(jù)前述，采用各墻窗材料時(shí)，冬、夏季節(jié)能總量計(jì)算如表3所示。在表3的計(jì)算中，墻體為相對(duì)于常用的實(shí)心磚比較的節(jié)能量，窗體為相對(duì)金屬單框窗而比的節(jié)能量。

從表3可以看出:

(1)節(jié)能墻體材料和窗體材料，其節(jié)能潛力均非常巨大;

(2)采用空心磚較之采用多孔鉆做為墻體的主要材料時(shí)，節(jié)能效果將近翻了一倍;

(3)在所有窗體節(jié)能形式及材料中，采用PVC雙玻窗的效果是最明顯的，其次是鋁塑和鋼塑;

(4)窗戶面積較之墻體面積盡管不大，但卻是潛在的耗能大戶，采用節(jié)能的窗體材料，由此而引起的節(jié)能效益，比墻體采用節(jié)能材料所帶來(lái)的節(jié)能效益還大。

續(xù)表3

4 節(jié)能的經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益

以“空心磚+PVC雙玻窗”為墻窗材料進(jìn)行以下分析。

由表3可以看出，和傳統(tǒng)材料相比，采用空心磚作為墻體材料時(shí)，全年節(jié)能約33.05億kWh，采用PVC雙玻窗作為窗體材料時(shí)，全年節(jié)能約63.25億kWh，兩者合計(jì)約96.3億kWh。

若該部分能量全部通過(guò)電能無(wú)損耗的轉(zhuǎn)換，取重慶地區(qū)平均民用電和工業(yè)用電單價(jià)為0.65元/kWh，則，一年可以節(jié)省電費(fèi)為M=96.3×108×0.65=62.595億元。

若該部分電能全部通過(guò)火力發(fā)電來(lái)補(bǔ)償，我國(guó)目前的大部分火力發(fā)電，每生產(chǎn)1 kWh的電需燃煤平均0.35 kg［8］，則共燃煤 G=96.3×108×0.35/1000=3.3705×106t。而采取燃煤發(fā)電，將產(chǎn)生大量的 CO、CO2、NO2、SO2、懸浮物、煤灰渣等［8］，嚴(yán)重污染環(huán)境。

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)有建筑能耗巨大，采用節(jié)能型材料，如采用空心磚、多孔磚代替以往的實(shí)心磚，采用PVC雙玻窗、鋁塑或鋼塑雙玻窗，代替以往的金屬單玻窗，建筑節(jié)能效益顯著。

但我國(guó)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，距離發(fā)達(dá)國(guó)家還有較大差距，比如發(fā)達(dá)國(guó)家的節(jié)能建筑，其外墻的傳熱系數(shù)能達(dá)到0.6 W/m2·K以下。故我國(guó)的節(jié)能建筑材料及其形式，還需要大量的工作以進(jìn)一步完善和提高。

［1］ JGJ 134－2001夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］

［2］ 中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法［S］

［3］ JGJ 26－95民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］

［4］ 重慶市人大城環(huán)委，市建筑節(jié)能協(xié)會(huì)．重慶市現(xiàn)有公共建筑能耗狀況調(diào)研報(bào)告［R］．重慶，2007

［5］ 暖通規(guī)范管理組．暖通空調(diào)設(shè)計(jì)規(guī)范專題說(shuō)明選編［M］．北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，1990

［6］ 建設(shè)部建筑節(jié)能辦公室．建筑節(jié)能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范匯編［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003

［7］ GBJ 19－87采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］

［8］ 宋明健，宋代學(xué)，夏永閣．湖南地區(qū)應(yīng)用塑料窗的節(jié)能與經(jīng)濟(jì)效益分析［J］．能源工程，2006(2):62－66

［9］ 張?jiān)矗渭矽i，高壽云．內(nèi)插保溫層混凝土空心砌塊熱工性能數(shù)值模擬分析［J］．能源工程，2008，36(2):22－25，37