建筑物能量周期最小化回顾和分析

翻译题目：建筑物能量周期最小化回顾和分析 建筑物能量周期最小化:回顾和分析摘要住宅建筑的能量生命周期由建筑的潜在能量包括建筑的材料和构造,还有建筑的显现能量组成。以往的研究结论是:建筑的潜在能量是一个相对较小的值,一般可以忽略不计。对以往的能力生命周期的研究进行分析和验证，发现建筑的潜在能量是需要考虑气候因素的，而且在较为温暖的地区，潜在能量在整个能量生命周期的占有比例高达25%。二氧化碳的时间价值在能量生命周期的研究中通常是被忽略的，在国家的减排机制中，能耗的减少依然是一个重要的因素。应用净现值原则成为未来影响能量分析和运用的目标。由此表明潜在能量在温和气候下将占未来建筑能量的35%。该研究突出强调一个完整的方法来实现低生命周期能耗建筑。关键词：能量周期；住宅建筑；隐藏能量； 1介绍在过去的几十年中，有一个较大范围的调查，调查建筑物的能量生命周期。为了减少建筑的循环能量，传统的重点一直都放在通过降低建筑的能耗、建筑的升级和提高设备的工作效率来减少建筑的循环能量。大多数设计的改变降低了建筑的潜在能量和物化能的影响。目前的研究依然将能源的运用作为主要参数，当试图减少建筑的能量生命周期，建筑潜在能量的改变可以被忽略不计。可以说，低碳型经济已经成为世界各地不同地区的主要经济模式。本文重新审视现有的建筑物能量生命周期研究，侧重于住宅楼，并探讨如何使用潜在能源，且其对减少建筑物的生命周期能源的重要性。 重新看待建筑能量周期是对建筑进一步分析的必要。分析对完成气候对潜在能量的影响很重要。同时国家以减少温室气体的排放量作为目标，这也会影响分析。因此，可以说未来的设计对最大限度的减少建筑能量周期比现在有更深的了解。2能量生命周期分析文献综述（LCEA）2.1生命周期的分析（LCA）生命周期的分析（LCA）是一种技术，用来鉴别和分析环境对产品、过程和期间的影响。材料和能源的使用与排放系统被用作对环境评估，它包括对材料的提取、生产、运输、使用和处理。生命周期阶段示于图1。2.2能量周期的分析(LCEA)建筑所需要的全部能量以及从建筑开始建造到被拆迁的时间，这被称为建筑的能量周期。建筑的能量生命周期包括潜能和显能。显能是用于空间的冷却和加热的能量，包括通风、照明、热水和住宅内的电气设备。潜能是指用于提取原材料的能量，然后再将他们用于制造和装配新的产品，产品的运输和施工。此外，用于节能改造拆迁建筑物的能量也属于潜能。图2显示系统边界的整个能耗分析。图2：系统边界的生命周期能源分析（拉梅什等人，2010，p.1593）。据此，一个完整的系统能量是包括所有制造阶段，使用和拆除的潜能和显能。分析其中一个能量周期的优点在于这个阶段是可以确定的。因此，该方法可以通过降低能源消耗来为此相加改进。因此，温室气体排放量也将减少。2.3一级和二级能源要获得能量生命周期分析的准确结果，重要的是弄清能量传递的形式。传递的能量是指被使用的能源6。初级能源使用产生能量传递，这些能量被消耗在传递过程中(例如，煤和氢)。因此在文献综述（LCEA）所写的都是一级能源（例如，煤和氢）6。例如，在研究澳大利亚、费依等地，规定的3.4个单位能量为一度电。这意味着3.4单位的初级能源的煤被用1单位的电力形式表现出来。2.4显能由于运作能比一般都比潜在能源大，所以在能源生命周期分析中，它已经被广泛的做了研究。无论无源还是有源技术都建议减少这种能源。无源技术，例如使用高级的保温外墙和屋顶，寻找方向更好的房子，使用遮阳板和玻璃，以此来提高窗户的性能，蓄热器和被动式太阳能采暖技术已经被运用。不同类型的保温器在不同地区的保温已经被研究过了。例如，在Mithraratne& Vale 12的一标准的木材框架房子中，被在新西兰的建筑行业咨询委员会（BIAC）选中，且对其做了更高的研究。澳大利亚维多利亚州文物建筑的研究结果显示占主导地位的运作能源和保温措施极大地降低了能源的生命周期。相当多的研究显示，降低运作能源主要依靠建筑的热模型9，12，14E16。但是，它的真正性能是不能通过建立模型来确定的。例如，Belusko等17测量绝缘屋面系统的实际热阻，发现实际绝缘的水平只有模拟的一半。这是由于为了提高建筑物的绝热水平，它在模拟时提高了间隙和假设的热电阻值。因此，为了达到预期的降低值就需要额外的加材料，这些额外的材料又将增加建筑的能量。这就增加了运作能在建筑能源生命周期的比例，所以需要考虑建筑物中使用的实际运作能量。建筑物的总运作能量包括家电、热水、供暖与制冷、照明。但是，在研究范围中的建筑设计可以说只有家电和制冷设备被视为对建筑物有强烈影响。所有其他的运营能量通常许多在研究能源生命周期是都用这种方法。加热和冷却系统需要消耗建筑物一般的总能量。这一直都被许多人研究。这个技术被用于满足建筑的加热和制冷需求，同时这也是影响建筑运作能量的主要因素。加热和制冷系统的类型取决于当地的气候、那里的建筑结构和可用的自然资源（例如天然气、太能能和风能）等方面。例如，在炎热干燥的地区，如中国的西北部、中东、印度内大陆、非洲东部、美国西南部地区、澳大利亚南部和墨西哥北部，直接蒸发冷却（DEC）比制冷散热系统的能效高。在潮湿气候的地区，露点冷却器可以有非常高的工作效率23。液体循环系统采用热水加热，也可以用冷却水供冷。加热水的能量可以是气体或者是太阳能电池或木材加热设备24。这类采暖系统已经在欧洲使用了近一个世纪。低碳节能建筑在应用设计时基于无源和有源技术。低能高效的技术包括太阳能集热器和生物质燃烧器2。本文指出，可再生能源可以是建筑零消耗。这些屋子的目的是减少每年对热能和电力的能源需求，充分利用可再生能源，包括太阳能、光热、光电和风力发电机。对WANG的个例分析25表明这个是可行的。在英国设计一个零能耗的住宅首先考虑被动式设计方法，以减少建筑对热和其他显能的需求，专为可再生能源系统。2.5能量的体现材料上所蕴含的能量会影响建筑的能量生命周期。在某些情况下，作者相信这种能量仅能体现占10%20%的能量生命周期。这种分析来自瑞典和澳大利亚。这在研究中国的现代城市和农村住宅建筑中都有明显体现。但是，其他研究表明，对于低能耗建筑，生命周期的40%60%能用用于生产和施工阶段。因此，潜在能量能在低能耗建筑中被使用。文献中有许多不同的方法来减少住宅的能耗，如使用蕴含能源材料，设计轻巧高效率的结构，最大限度地减少材料消耗，使用再生/可重复使用的材料，未来的重修和拆迁尽可能多的在本地购买材料。其中潜在能量材料和材料的回收被研究的最多。在Ramesh等的研究中，利用空心混凝土，水泥土、粉煤灰和其混凝土用蕴含能量材料来替代传统的套图烧制砖建筑物的外墙。他们还在印度研究了不同绝缘厚度的墙壁和屋顶的建筑在五个不同气候条件下的情况，得出了一定的厚度情况下会限制能量生命周期的增加。Venkatarama Reddy &Jagadish分析了将有内含能量的建材作为基本建材的建筑，如不同类型的砖石、砂浆和砖石地板/屋顶系统。他们研究出了一个较为重要的成果，水泥砖石砌成的墙面比烧粘土砖石更有效率,且他只有烧粘土砖石能量的四分之一。2.6 减少建筑物的能量生命周期减少建筑物的能量生命周期包括优化建筑元件的大小如窗子的大小、绝缘水平和混凝土地板对建筑物加热和冷源值的影响。这种优化需要考虑的是加热和冷却的设备。热水系统，其他可以再生能源技术和其他电器可以独立的最小化，这将直接减少建物的能量生命周期。重新审视以前的研究也会可以尽量的减少建筑物的能量生命周期。Verbeeck, G & Hens 33对能量生命周期进行的深入的优化，他们运用Genetic Algorithms这种作为解决多变量问题的方法。他们确定的方法构架，可以最大限度地减少能量生命周期。这种方法包括提高建筑的保温效果，采用高效率的加热系统和用可再生能源驱动的供暖系统。这项研究主要是在运营的能量上。在最近的研究中。Verbeeck&Hens 34进行了多次全面的研究节能的措施，包括绝缘材料和玻璃及潜在能量的重要性。此外还得出一个重要的结论，附加的潜在能量更小且回收期绝大多数都超过2年。他们强调建筑物内产生的能量消耗，并尽最大努力利用木材等可再生能源，且在瑞典已做到这一点。他们指出，传统的房子在建造阶段消耗的能量为总能的45%。然而，根据不同的能量供应系统，这一数字可高达60%。这与能量生命周期的运用和潜在能量是不同的一个例子，这取决于建筑性质、材料、建筑寿命、地理位置和气候条件。Wallhagen的研究表明在瑞典这个比值在54%到91%之间。其他的研究调查认为尽量减少潜能对环境的影响，需要考虑到全球变暖的潜能（GWP）。研究者研究影响改变在整个建筑内部设计以及材料的回收利用周期的GWP。WANG专注于通过优化来最大限度地减少生命周期对环境影响。虽然这些研究推广了许多的参数，但他们对于能量生命周期物化的最小化和最大化的方法需要被考虑。2.7 碳的时间价值建筑物能量生命周期的最小化需要在减少温室气体为背景的情况下达到目标，需要和时间联系在一起。在物理上，一年一吨二氧化碳和50年一吨二氧化碳是一样的。然而在排放目标上第一年和第五十年的排放目标是不同的，碳的使用率要适用于当前的排放量。因为升温速率加快，二氧化碳会明明显增加,因此每年二氧化碳的排放量的目标是在改变的。这种温室气体排放量减少的安排是要与第一年比较，来得出未来几年内其减少的价值。因此，碳的时间价值是重要的因素，在进行建筑的能耗生命周期的分析时，碳的时间价值和物理性能可以用来评估相关温室气体净排放量。一些部门，如林业可以用碳的物理性能来对碳的储存进行评估。然而，迄今为止很少考虑将这一因素应用在建筑物上。这一因素进一步强调体现能源组件的重要在能耗分析中。2.8 计算极限从文献中发现，不同的被动和主动技术已经被成功的用于住宅建筑物能源减少的运算时，大多数的结论是显能只能代表整个能量生命周期能源的80%-90%。然而，经过进一步检查基于现有建筑物的报告，发现对于低能耗建筑潜能在整个周期的比例可以高达40%-60%。此外，以往的研究对气候的影响没有考虑在内。最后，现有的LCEA研究没有考虑碳的时间价值这一个因素。3.住宅建筑能量周期数据分析3.1现有住宅的LCEA使用已经公布的研究，住宅建筑的能量周期在显能方面的研究已经很多了。本文介绍了来自世界各地不同城市的24个住宅楼的能力周期分析结果。表1显示整个案例的主要特征。其目的是表示选择不同国家，不同气候条件。建筑的潜能和显能具体用来加热和制冷时，在可能的情况下，这些结果是一级能量。这是可实现的情况。在计算时将显能作为主要的能量，而一些其他的能量将在终端使用。然而，这个研究是在挪威做的，这里98%的电力都是有水电生产的，主要和最终使用的能源差异需要统一用转换的系数。在显能分析中，几乎所有情况都只考虑能量用在加热和制冷系统中，但也要包括其他电器家电。3.2分析和结果 表2显示的是潜在能量、显现能量和能量循环计算所有的案例和标准单位是kwh/m 2每年。图3表示能量周期中显能的值。此图与拉美什曲线图是一致的。1的研究表示了显能和能量周期之间的一种线性关系。两个较高的值包括设备的额外能量的体现和路线。开始看数据，似乎再次证明显能在所有情况下都是占据主导的因素。在表2中的后部分，总的潜能和显能在每个建筑物的能量之比在每一种情况下，这表按降序排列，其中气候区的影响比较突出。总体而言，潜能在温和的气候地区比寒冷的气候表现的更明显。为了量化这种效果，确定HDD和CDD的每一个位置。这个参数是一个表示气候热和冷的确定量。根据ASHRAE计算升温和降温天数确定平均温顿和基准温度（基数为10或18.3），然后求和为一个特定的时间周期（即一个月）进行计算。式1表示计算出每一个城市的值，HDD和CDD从2009年的AEHRAE中选取。若一个城市没有记录，那读数就选择和这个城市最近的城市作为数值。其中图3 可控制能量与能量周期HDD=Ni=1（TBase - Ti） （1）式中N表示月份的天数，TBbase为参考温度，据此，计算日度数，10C用于作为HDD的基座温度在此计算中，并且Ti的意思是指每天的日平均气温、最高和最低温度。重要的是只有正值才能用于这个式子。最后每年的温暖和寒冷天数是每月日度数超过12个月。式（2）中CDD以18.3作为基础温度。CDD= Ni=1 （Ti Tbase） （2）表3表示了每一种情况下HDD+CDD值和总潜能在能量循环的比。10或18.3作为基础温度分别被用于HDD和CDD。表3是按降序排列的。图4 显性能量与能量周期比的散点图图4表示表3的结果，表示的比例体现到整个生命周期对能源的总加热和降温度日数中。据了解,对于处在极端气候条件下的国家,如瑞典或挪威,他们的HDD+CDD的值很高,这个比率比不在此极端的国家低。例如，对于在墨尔本的一个有良好隔热的房子，澳大利亚是027，而这个数字在瑞典和挪威范围在0.105和0.051之间。这两种情况在澳大利亚，相比同类的例子在同一地区对于潜能的研究更为广泛，他们不影响该数据的趋势。这一分析表明，尽管人们普遍认为在寒冷地区显能的能量周期占80%-90%，在温和气候地区这一个数额要少，潜能占的比例较高。这一个假设凸显了温和气候的重要性，如澳大利亚的潜能。来自挪威和瑞典的例子是不遵守这条规则的。这两个房子都采用了非常高的隔热材料。在文献中提前讨论这个例子，相对于传统建筑节能建筑对于潜能的消耗要求要高。Sartori&Hestnes 2研究同一个文件。同时参考其他结论。得出的一个结论是，任何种类的节能能量房子潜能是比正常的房子要高。为了研究碳的时间价值的影响，基于时间排放目标（ET）是潜能和显能的价值。式（3）定义FutureETEF(未来目标排放量)作为ETEP的函数，作为一个函数的年降低率（RR）。许多地区，包括欧盟和澳大利亚都有一个目标，从1990年到2050年排放量减少约80%。这相当于每年下降2%(R