基于系統(tǒng)考慮的建筑節(jié)能設(shè)想★

常路彪

(聊城大學(xué)東昌學(xué)院，山東聊城 252000)

1 概述

在我國(guó)，建筑總能耗已超過(guò)全國(guó)總能耗的1/3，與發(fā)達(dá)國(guó)家建筑能耗所占的比例接近(發(fā)達(dá)國(guó)家建筑能耗一般占全國(guó)總能耗的1/3至40%左右);而僅計(jì)算商品能源的建筑總能耗也達(dá)到全國(guó)總能耗約1/4，由于人民生活水平正在逐步提高，經(jīng)濟(jì)發(fā)展，用能增長(zhǎng)迅速，這個(gè)比例還在逐步攀升［1］。在我國(guó)不僅近400億m2既有建筑中，99%為高能耗建筑，而且在數(shù)量巨大的新建房屋建筑中，95%以上的也是高能耗建筑［4］。

我國(guó)十二五規(guī)劃綱要明確提出要合理控制能源消耗總量，提高能源利用效率，其中抓好建筑等重點(diǎn)領(lǐng)域的節(jié)能，被重點(diǎn)提了出來(lái)。要降低建筑能耗，一方面需要采用先進(jìn)節(jié)能技術(shù)和措施，降低建筑能量的使用量，另一方面需要綜合考慮建筑能耗，避免建筑內(nèi)能源的浪費(fèi)和重復(fù)使用，提高建筑能耗的利用效率。

2 建筑的各種能耗

廣義的建筑能耗不僅指建筑使用過(guò)程中的能源消耗，還包括建筑建設(shè)過(guò)程中的能源消耗，而狹義的建筑能耗僅僅指建筑物使用過(guò)程中的能源消耗。由于建筑使用過(guò)程中的能源消耗量巨大，在我國(guó)使用過(guò)程中節(jié)能的潛力巨大，所以我們將建筑節(jié)能的重點(diǎn)放在建筑的使用階段。建筑在使用過(guò)程中，對(duì)能耗的需求有很多種，以下對(duì)建筑所需要的各種能耗以及它們的來(lái)源和使用進(jìn)行闡述。

2.1 建筑運(yùn)行所需要的能量

建筑在使用過(guò)程中的能源消耗，主要包括溫度調(diào)節(jié)(包括水溫調(diào)節(jié)、空氣的溫度調(diào)節(jié))、給排水、空氣調(diào)節(jié)(室內(nèi)換氣、濕度調(diào)節(jié))、照明、炊事、家用電器等方面。主要涉及到熱能、勢(shì)能、風(fēng)能、光能、電能以及其他能源。

2.2 建筑內(nèi)能量的來(lái)源

如果把一棟建筑看成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，該系統(tǒng)就需要不斷的和外界進(jìn)行各種能量的交換，我們這里分析建筑內(nèi)各種能量的來(lái)源，尋找出對(duì)社會(huì)、對(duì)自然影響和破壞比較小的能量來(lái)源。建筑所需要的能源主要來(lái)自以下方面:1)電能?，F(xiàn)在建筑內(nèi)絕大部分的設(shè)備是通過(guò)電力來(lái)驅(qū)動(dòng)的，各種電器的用電都是由外部電網(wǎng)供入，除非個(gè)別示范建筑的電力可以由本身的太陽(yáng)能或風(fēng)能發(fā)電以外，在我國(guó)幾乎所有的建筑都是要消耗外界的電能。2)制熱(制冷)用能?，F(xiàn)在為了保證建筑的舒適性，人們?cè)絹?lái)越多的改變建筑內(nèi)部的溫度，主要是北方城鎮(zhèn)建筑內(nèi)取暖和南方建筑制冷。建筑取暖主要是利用煤炭鍋爐的燃燒轉(zhuǎn)化為熱量，進(jìn)行集中供暖。建筑制冷主要是利用電力將熱量轉(zhuǎn)移到建筑外部。3)光能。建筑的另一部分能耗是光能，白天主要是利用自然光進(jìn)行照明、晚上或自然采光不理想的條件下，采用燈具將電能轉(zhuǎn)化發(fā)光，對(duì)于光能的節(jié)約主要是從加大對(duì)自然光的利用和降低發(fā)光用電能兩方面入手。4)通風(fēng)用能。建筑內(nèi)部人類(lèi)活動(dòng)需要新鮮的空氣，要與外部進(jìn)行氣體的交換，一般采用自然通風(fēng)和機(jī)械強(qiáng)制通風(fēng)，在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們應(yīng)盡量方便采用自然通風(fēng)，減少機(jī)械通風(fēng)。5)勢(shì)能。對(duì)于非單層建筑來(lái)說(shuō)，建筑需要將人、物品、水等從低位提升到高位，增加其勢(shì)能，消耗以電能為主的能源。

2.3 建筑物能耗的使用

1)制熱(制冷)用能。人們?yōu)榱吮ＷC建筑內(nèi)的環(huán)境舒適，需要對(duì)建筑內(nèi)的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，在我國(guó)主要是北方在寒冷季節(jié)進(jìn)行采暖，南方在炎熱季節(jié)進(jìn)行空調(diào)制冷。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)居住環(huán)境的舒適要求越來(lái)越高，出現(xiàn)了采暖區(qū)域向南擴(kuò)展，制冷區(qū)域向北擴(kuò)展的趨勢(shì)。僅北方城鎮(zhèn)采暖能耗就占全國(guó)城鎮(zhèn)建筑總能耗的45%，為建筑能耗的最大組成部分［5］。所以建筑用熱能(制冷用能)應(yīng)該成為我國(guó)建筑節(jié)能的重點(diǎn)控制對(duì)象。建筑用熱能(制冷用能)主要是改變建筑內(nèi)部溫度，使其高于(或低于)外部自然溫度。要節(jié)約這部分用能，我們可以從以下方面著手:a.提高制熱(或制冷效率)，減少在制熱(或制冷)過(guò)程中的能源消耗;b.減少建筑內(nèi)熱量(或冷量)向建筑外部的擴(kuò)散;c.借助外部自然能源為建筑提供熱量(或冷量)。我國(guó)北方城鎮(zhèn)供暖一般采用的是集中供暖，通過(guò)采用介質(zhì)——水，將熱量從鍋爐傳輸?shù)接脩?hù)家中。一方面我們要提高鍋爐的煤熱轉(zhuǎn)化效率，用較少的煤炭資源產(chǎn)生較多的熱量，另一方面我們要減少熱量在傳輸過(guò)程中的耗散，再一方面就是減少熱量在住戶(hù)家中的浪費(fèi)，在傳統(tǒng)的供暖計(jì)費(fèi)模式下，以建筑面積來(lái)收取采暖費(fèi)，與人們對(duì)熱量的使用情況無(wú)關(guān)，人們?nèi)鄙佟⒁矡o(wú)法對(duì)熱量進(jìn)行節(jié)省，而采用新的計(jì)費(fèi)模式后，以消耗的熱量來(lái)計(jì)費(fèi)，這樣人們就會(huì)減少在室內(nèi)無(wú)人時(shí)的供熱量，節(jié)約能源。在我國(guó)建筑室內(nèi)的熱量絕大部分是通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)出去的，要節(jié)約建筑采暖(制冷)用能，減少?lài)o(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)熱量的傳導(dǎo)是主要手段，人們一般采用低導(dǎo)熱的建材來(lái)進(jìn)行建筑保溫。建筑還可以利用外部自然資源來(lái)改善人們居住環(huán)境，例如在冬季采暖季節(jié)，可以利用外部的太陽(yáng)能來(lái)提高建筑內(nèi)溫度，現(xiàn)在正在推廣的太陽(yáng)能熱水器也是利用太陽(yáng)能來(lái)對(duì)水進(jìn)行加熱。

2)照明用能。建筑內(nèi)部照明白天還主要是用自然光，在晚上和天氣條件不好的情況下，采用電能發(fā)光。但有些建筑由于設(shè)計(jì)不合理，內(nèi)部照明全部采用電燈發(fā)光，其實(shí)這完全可以避免，只要將窗戶(hù)或采光井設(shè)計(jì)合理，白天完全可以用自然光。

3)勢(shì)能。建筑給水主要是利用水泵，將水從低位提升到高位，增加水的勢(shì)能，另外，在高層建筑中，人和物品是利用電梯提升，增加勢(shì)能。在這過(guò)程中，主要是通過(guò)消耗電能，將能量以勢(shì)能的形式儲(chǔ)存起來(lái)。但人們從沒(méi)有利用過(guò)這部分儲(chǔ)存的勢(shì)能，最后都白白浪費(fèi)，更有甚者再次通過(guò)電梯將勢(shì)能減下去。

4)通風(fēng)用能。一般建筑利用開(kāi)窗等自然方式通風(fēng)，不耗費(fèi)任何資源，但大型建筑需專(zhuān)門(mén)利用排風(fēng)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行排風(fēng)換氣。

5)其他能。在建筑內(nèi)部還有許多設(shè)施利用電或石化產(chǎn)品的能量，例如炊具、冰箱、衛(wèi)浴等。

3 建筑能耗的分析

前面所說(shuō)的建筑能耗都是單獨(dú)的分析和利用，沒(méi)有考慮能量之間的關(guān)系，根據(jù)能量守恒定律，能量是不會(huì)憑空的產(chǎn)生和消失的，只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式。我們可以將建筑物內(nèi)各種能量綜合的分析，看看哪些能量我們還可以再利用，充分利用各種能量的轉(zhuǎn)換，降低使用外部能量。

3.1 熱能分析

熱能總是從熱量高的地方傳遞到熱量低的地方，建筑取暖和制冷是人為的改變熱量的平衡，使熱量從低位轉(zhuǎn)移到高位，期間消耗其他能量。既然耗費(fèi)能量進(jìn)行了熱能的轉(zhuǎn)移，我們能否將轉(zhuǎn)移的熱能用到我們所需要的地方，例如我們用空調(diào)將熱量從室內(nèi)轉(zhuǎn)移到了室外，一方面該部分熱量白白浪費(fèi)，另一方面還增加了外界的溫度，如果我們將這部分熱量拿來(lái)加熱水，既節(jié)約了燒水的這部分能量消耗，又不會(huì)增加外界的溫度。

另外，冰箱制冷也要將熱量轉(zhuǎn)移到外面，從而達(dá)到內(nèi)部低溫的效果，如果將這部分熱量轉(zhuǎn)移到室內(nèi)，對(duì)于冬季采暖的地區(qū)，可能因?yàn)槭覂?nèi)溫度較高，冰箱的耗能將會(huì)增加，如果將冰箱內(nèi)部的熱量轉(zhuǎn)移到建筑外部，冰箱的耗能將會(huì)大大減小，甚至不需要能量。對(duì)于制冷的地區(qū)，將冰箱內(nèi)部的熱量轉(zhuǎn)移到室內(nèi)會(huì)增加室內(nèi)溫度，從而導(dǎo)致室內(nèi)制冷能耗的增加，不如直接將冰箱內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到室外節(jié)省，具體如圖1所示。

圖1 冰箱轉(zhuǎn)移熱量示意圖

3.2 勢(shì)能分析

上層建筑內(nèi)的一切物體相對(duì)于底層都具有重力勢(shì)能，而現(xiàn)在的建筑卻沒(méi)有對(duì)這部分能量加以任何利用，如果在上層物體下降時(shí)，拿這部分能量做功，或用來(lái)發(fā)電，或轉(zhuǎn)化為其他能量，這也將節(jié)約一部分建筑能耗。

3.3 照明分析

建筑內(nèi)利用自然光照明主要是通過(guò)窗戶(hù)，但窗戶(hù)是室內(nèi)熱量向外耗散的主要通道，所以在建筑設(shè)計(jì)的時(shí)候，建筑采光與建筑保溫成為一對(duì)矛盾。為此，我們要改善窗戶(hù)質(zhì)量，盡量使其透光性好，熱傳導(dǎo)性小。

3.4 氣壓分析

建筑內(nèi)部需要通風(fēng)，當(dāng)外界有空氣流通的時(shí)候，在建筑內(nèi)外會(huì)形成氣壓差，利用這個(gè)氣壓差，我們可以實(shí)現(xiàn)建筑的自然通風(fēng)。建筑通風(fēng)主要是通過(guò)窗戶(hù)或?qū)ｉT(mén)的通風(fēng)口進(jìn)行，由于外部空氣流通的速度(風(fēng)速)不固定，所以窗戶(hù)和通風(fēng)口的大小應(yīng)該是可以調(diào)整的，另外最好在通風(fēng)過(guò)程中加以除塵、加濕、加熱等，改善進(jìn)入室內(nèi)空氣的質(zhì)量。當(dāng)建筑通風(fēng)的時(shí)候，室內(nèi)空氣會(huì)將室內(nèi)的溫度帶走，從而導(dǎo)致室內(nèi)熱量的散失，這也是一對(duì)矛盾，最好是實(shí)現(xiàn)用室內(nèi)的空氣熱量和室外空氣熱量的交換，利用室內(nèi)空氣將室外空氣加熱，減少熱量的損失。

4 建筑節(jié)能的建議

當(dāng)今，建筑節(jié)能并不是在犧牲建筑舒適度的前提下降低能源消耗，而是提高能源的利用效率，在不增加(或少增加)建筑能耗的前提下，改善建筑舒適性，這就是著名的需求側(cè)管理。而系統(tǒng)的考慮建筑內(nèi)各種能源的消耗，以及相互的關(guān)系，是提高建筑能源利用率的一種重要思想。另外，我們?cè)诳紤]建筑內(nèi)是否要增加某一節(jié)能設(shè)施的時(shí)候，可以利用“能耗價(jià)值工程”的方法，來(lái)體現(xiàn)該設(shè)施的節(jié)能指標(biāo)，具體的公式:能耗價(jià)值工程=生命期內(nèi)節(jié)約或創(chuàng)造的能量÷建設(shè)該設(shè)施增加的能耗。

例如:某建筑內(nèi)增加一件冰制品，用來(lái)降低室內(nèi)溫度，該冰制品的能耗建筑工程=由此減少的制冷能耗量÷加工該冰制品能耗量;安裝某太陽(yáng)能熱水器的能耗價(jià)值工程=太陽(yáng)能熱水器在施工過(guò)程中產(chǎn)生的能量÷建設(shè)該熱水器的耗能量;在考慮是否要增加某一窗戶(hù)的時(shí)候，增加該窗戶(hù)的能耗價(jià)值工程=(利用自然光節(jié)約的能量－增加該窗戶(hù)導(dǎo)致的熱能耗散量)÷該窗戶(hù)的建設(shè)耗能。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)系統(tǒng)的考慮建筑節(jié)能就是綜合考慮各種能量使用，避免能量浪費(fèi)和重復(fù)使用，要盡可能減少二次或多次能源的消耗。

建筑節(jié)能是全世界面臨的一個(gè)重要課題，需要對(duì)建筑內(nèi)的每一種設(shè)施的能耗情況都進(jìn)行詳細(xì)的研究，獲得各種設(shè)施的能耗數(shù)據(jù)，為今后研究建筑節(jié)能提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支撐和參考。

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