淺析當前國內外建筑節能設計的發展水平

胡 羽 佳

(中國礦業大學國際學院，江蘇 徐州 221000)

1 建筑能耗的概念

建筑能耗是指，在建筑物正常運行使用過程中，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，動力，空調，通風，家用電器，輸送，烹飪，給排水，熱水供應，電梯，辦公設備，廚房炊事等其他運行相關能耗。事實上，關于建筑能耗的概念，還有一種較為廣義性的說法，從建筑材料制造、建筑施工，一直到建筑使用的全過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業，它的節能應該在工業生產中解決。而建筑使用能耗主要是第三產業和人民生活中，與前面兩點分屬不同領域，其節能路徑不同，所以建筑能耗應為建筑使用能耗。并且依據國際通行的分類，建筑能耗是指建筑使用能耗。當前我國建筑行業除了建筑面積的急速增長，建筑能耗的增長也處于不斷上升的階段。清華大學建筑節能研究中心在《中國建筑節能年度發展研究報告2017》中指出，2015年建筑運行的總商品能耗(不含生物質能)為8.64億tce，約占全國能源消費總量的20%。我國的建筑節能設計尚處在起步階段，因此需要對國內外節能情況進行調查，找出差距設立發展目標。

2 建筑節能設計

2.1 建筑節能設計的內容

由于在建筑運營時所產生的能耗最大，所以綠色建筑主要針對于建筑運營時所產生的能耗進行設計應用。其中包括建筑節能新材料的應用、暖通節能設計的應用、新節能設備技術的應用、新能源的應用。

2.2 建筑節能設計的理念

墻體節能技術實質是墻體保溫技術，墻體保溫技術是在建筑物施工階段，通過利用建筑保溫材料將外界與室內的熱量有效的進行隔絕，防止室內的熱量進行不必要的擴散和流失，從而進一步的保障室內溫度的穩定性，更進一步減少了對空調及加熱器等其他電器的使用依賴，同時也減少了能源的消耗和浪費；暖通的動力設計可以降低建筑原有的能耗，例如熱水器，可以采用太陽能進行加熱，也可以采用地源熱泵能源進行加熱，或者用空氣源也可進行加熱，同時也有多種能源聯合的方式進行，例如有太陽能和地源熱泵的混合利用，針對于太陽光充足但較為寒冷的地區，可以采用太陽能和地源熱泵能源混合的利用方式，一方面地源熱泵彌補了夜間及有時太陽能不充足的情況，另一方面提高了能源的利用效率。還有利用低溫熱水地板輻射采暖系統，這套動力系統是把加熱管理的裝置放到混凝土埋管層里面，通過40 ℃～60 ℃的低溫熱水在管道內的循環流動，使地面溫度升高到25 ℃～29 ℃，最后利用輻射與相互對流的供暖方式向室內輻散熱量的供暖方式。建筑門窗可以體現節能最為主要的原因是室內采光率，在保證房屋室內采光效果的最大化的前提下，可以減少照明設備的使用和對電能的浪費。而節能技術在建筑門窗施工中的應用通過對門窗過梁的位置進行合理的計算設置不但節約了對鋼筋等材料的應用，而且保證了其質量。較傳統門窗相比較而言，抗風壓性、雨水滲透性以及空氣滲透性，與能源的消耗有著密切的關系。在設計過程中，可以嘗試主動引入新型玻璃材料，例如真空玻璃，可以提升門窗的隔熱效果，從而達到保溫等效果；還有太陽能、風能、地熱等的利用，利用這些能源，不會對環境造成污染和破壞。

3 建筑節能設計在國內的應用

自20世紀90年代“綠色建筑”概念的提出后，人們很快的意識到建筑物與周圍環境相協調的重要性，緊接著綠色建筑計劃的制定與實施提上了日程。隨著工程師們的探討和實踐，作為新興領域的綠色建筑行業發展到現在，已經在節能、節地、節水、節材等方面有了成熟的建筑技術，并廣泛運用到工程建筑中，本文將結合國內外綠色建筑的案例，來對現如今綠色住宅的一般性技術做一個簡要的分類、概括與分析。

綠色建筑設計的主要內容歸根結底就是節能設計，綠色建筑節能部分技術設計分為體形系數、窗墻比、圍護結構三個方面。

3.1 體形系數

體形系數(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;F0為建筑的外表面積。

由定義可知,體型系數反映了一棟建筑體型的復雜程度和圍護結構散熱面積的多少，體型系數越大，則體形越復雜，其圍護結構散熱面積就越大，建筑物圍護結構傳熱耗熱量就越大，因此建筑體型系數是影響建筑物耗熱量指標的重要因素之一，是綠色建筑設計所重要考慮的原因之一。所以根據，JGJ 26—2010嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準規定，寒冷地區體形系數的限值規定在0.26，具體如表1所示。

表1 寒冷地區居住建筑的體形系數限值

而山西省晉城市的參照建筑的體形系數需要滿足0.4，而團隊所調查的這個建筑的體形系數只有0.18，大大減少建筑物外圍護結構臨空面的面積大而造成的熱能損失，達到綠色建筑的要求。

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)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，都符合標準。但是作為寒冷地區的綠色建筑，應增大南面的窗墻比，減少北面的墻窗比，適當開設東西兩方向的墻窗比，從而可以獲得更多光照與輻射，同時達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 圍護結構

圍護結構是指圍合建筑空間的墻體、門、窗。

圍護設施——為保障安全而設置的欄桿、欄板等圍擋。由于圍護結構具有隔熱的能力，可以減少建筑物能耗從而達到綠色環保的效果，那么如何設置圍護結構可以通過合理的選材和避免熱橋來實現。在外圍護構件中，由于結構要求，經常設有導熱系數較大的嵌入構件，如：雨棚板，過梁等。這些構件保溫性能差，散熱多。為了避免熱橋的影響，避免嵌入構件內外貫通，并對這些部位采取局部保溫措施。

4 建筑節能設計在國外的應用

Sir Samuel Griffith Center是澳大利亞格里菲斯大學的一棟教學樓，它是可再生能源和離網技術的開拓性示范建筑，也是世界上第一個應用大型離網儲氫系統的建筑。此建筑物完全由太陽能供電，并且完全獨立于電網供電運行，在節能方面有著獨特的優勢。

該建筑的特點是在一般性的離網型發電系統(離網型光伏發電系統是指沒有任何輔助電源，光伏發電是唯一電力來源的電源系統技術的基礎上，利用氫作為太陽能能源的長期存儲載體，真正實現了長期離網發電)。可再生能源(例如太陽能，風能等)的使用限制主要有兩點：1)其可使用量在每日的不同時間不同。2)其可使用量在不同的季節不同。該建筑的運用氫儲電的系統基本解決了這兩個限制問題。該建筑通過光伏電池板獲得太陽能進而發電。當太陽照射時，光伏電池板吸收比建筑日常用能更多的能量并且儲存起來，多余的能量用于黑夜和陰雨天氣。電池提供日常用電存儲，氫作為長效電池發揮長效儲電的作用。1 164塊光伏電池板吸收光能發電。該建筑內所有能量均來源于此。在1 164個光伏電池板的作用下，即使在高峰時段，它的功率也可高達330 kW，超過其需求的3倍。根據這座建筑物的平均用電量，這個系統能夠保證它在多日零光照的條件下正常運轉。光伏電池板提供直流電，但建筑需要交流電。逆變器將直流電轉換為交流電。所以當有陽光照射時，該建筑可以通過太陽能正常運行。每當光伏電池板陣列產生比建筑物正常運行所需電力更多的電時，第二個雙向逆變器就會用這些暫時不需要的電為電池組充電。該逆變器還會轉換由氫燃料電池產生的電。該電池組由1 024個鋰離子電池組成，其具有較長的使用壽命并且比傳統的深循環太陽能電池體積更小，質量更輕。當電池組充電完成時，多余的太陽能被用于產生氫氣。通過電解器電解水，可以獲得氫氣。氫氣產生之后，它依次被輸送到凈化裝置和特制的儲存系統中。最終將氫氣以金屬氫化物的形式儲存在固體中，以這種方式儲存大量能量是非常安全而有效的。當我們需要電力時，氫氣會從儲存器中釋放出來并供給到產生直流電的燃料電池中。釋放被存儲的氫氣十分簡單，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產生廢熱，而這些廢熱又會被用于加熱氫氣。已經存儲好的熱水確保熱量始終滿足釋放氫氣的溫度。由燃料電池發出的電是為了給電池充電。當沒有可用的太陽能電源時，電池通過雙向逆變器產生交流電來給建筑物供電。在這個系統中，電池非常重要，燃料電池在恒定負載下運行時間最長，故而應用燃料電池。另外，這座建筑的能源需求為一般大學建筑的60%～70%。這是通過許多設計方案實現的，這些解決方案包括更多的開放式空間以及通過以太網提供電話服務和計算能力。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入，所以在大部分房間，白天幾乎可以只使用自然光就能滿足正常使用需求。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量。

5 結語

我國正處于經濟飛速發展和快速城鎮化時期，建筑節能問題十分緊迫。1985年—2016年我國建筑面積，建筑能耗均處于長期飛速增長的階段，2015年我國建筑能耗已經占全國能源消費總量的20%。然而，在建筑節能研究上，我國建筑能耗數據可利用性不高。我國建筑能耗數據來源為中國統計局的《中國統計年鑒》《中國能源統計年鑒》《中國城鄉建設統計年鑒》。較為準確的計算方法是由清華大學建筑節能研究中心建立的中國建筑能耗模型。通過比較山西省晉城市政務服務中心與澳大利亞的教學樓Sir Samuel Griffith Center，可以得知：近幾年，我國的綠色建筑發展迅速，建筑節能標準逐漸完善，建筑節能技術日趨先進，然而，由于我國節能與國外先進的節能技術尚存在不小的差距，所以還需要從政策上、措施上、技術上提高節能設計的水平。