公共建筑节能设计标准读解

公共建筑节能设计标准读解我国20世纪60年代中期至70年代，由于片面的强调降低基本建设的造价和减轻结构自重，导致一再削弱维护结构的保温隔热水平，采暖和空调能耗大，经济和社会效益都很差。现我国建筑用能已接近全国能源消费总量的1/3。建筑在我国分为工业建筑和民用建筑。工业建筑本身能耗不大,所以国家还未对工业建筑作节能方面的要求。民用建筑又分为两大类：居住建筑和公共建筑.在各专家编写规范之前的社会调查阶段中由电业总局与燃气公司提供的数据显示：就目前中国居民的消费水平和消费习惯而言，居住建筑能耗与公共建筑或国外居住建筑相比是非常少的。居住建筑提倡节能设计，目的是提高人们生活的舒适性。而公共建筑提倡节能设计才是建立集约型社会的关键环节。公共建筑分为以下几类：办公建筑(写字楼、政府部门办公楼)，商业建筑(商场、金融建筑),旅游建筑(旅馆、娱乐场所)，科教文卫建筑(文化、教育、科研、医疗、卫生、体育)，通信建筑(邮电、通讯、广播)以及交通运输(机场、车站等)。有数据显示：就政府部门办公楼每年所消耗能量相当于全国八亿农民全年全部的能耗：办公室里夏天穿毛衣御寒、冬天衬衣短袖解署、白天亮灯办公、热水机饮水机下班后没人关。现在全球范围内已开始能源紧张，尤以中国较为严重，随着中国经济的高速发展,对能源的使用和节约就更加迫切了。其实建筑节能并不是一个新的课题，而是建筑基础学科建筑热工学的一个部分，我国也早在1993年颁布了相应的规范民用建筑热工设计规范， 1996年颁布了民用建筑节能设计标注(采暖居住建筑部分), 2001年颁布了夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准，这些规范的颁布，也反应了我国建筑节能的发展轨迹：由北向南，由居住建筑到公共建筑。但由于种种原因，这些规范的条款未列入国家强制性条文范围内，各地也未发布政府令加以强调，所以执行力度也未达到应有的效果。但2005年7月1日颁布实施的公共建筑节能设计标准中有许多条款被列入国家的强制性条文内,相应的各地政府发布了具有地方法律效力的法令,上海市在2005年6月13日发布的政府令第50号：上海市建筑节能管理办法强制规定：自2005年7月15日起新建住宅与政府投资的公共建筑必须进行节能设计。办法的第九条与第十条分别对设计单位与图纸审查机构提出具体的要求。所以，对于建筑设计单位,建筑的节能设计已经进入了一个全新的时期！以下着重介绍公共建筑节能设计标准对有关建筑部分的要求。标准比刚才提到以往的有关规范要严格些,按照本标准设计,与未采取节能措施前相比，全年能耗应减少50%。标准的章节不多,共7页17条,但简明扼要,省去了复杂的热工公式,归纳总结出来几点要点，强调了规范的实用性。涉及到的基础知识及术语结合规范本身展开叙述：一,热工设计的分区：按照我国的气候条件,划分为五个分区:严寒地区,寒冷地区,夏热冬冷地区,夏热冬暖地区以及温和地区。热工分区的基本规律是：严寒地区和寒冷地区基本是我国的三北地区：东北,华北,西北。这些地区的地域辽阔，面积大，建筑节能设计起步也比较早，经验相对来说比较丰富，主要考虑的是冬季保温。夏热冬冷地区大体上是长江中下游地区，如：成都、武汉、南京、上海等，这些地区的建筑的节能设计由于历史原因起步较晚，面积虽然不是最大，但人口密度高，也是我国经济最发达地区，可以说这一地区的节能潜力最大，效果也会最明显。设计考虑的是冬季保温与夏季防热兼顾。夏热冬暖地区大体上是华南地区：福州、广州、南宁、台北等。这些地区的建筑设计主要考虑的是夏季防热。温和地区，冬暖夏凉，四季如春，如：昆明、西昌、元江等。一般可不考虑夏季防热，部分地区注意冬季保温。公共建筑节能设计标准在这五个分区的基础上根据公共建筑节能的设计特点作了些调整：把严寒地区细分为严寒A区与严寒B区,而温和地区不强制执行节能设计标准。二,体形系数:即建筑的外表面积与体积之间的比值.体形系数越小就越有利于节能,减少外表面与室外空气的接触,就能减少散热。与以往的规范不同，新的标准中弱化了体形系数的概念，只在4.1.2条规定严寒地区与寒冷地区对体形系数的限制是0.4，其他地区该系数对建筑的节能体现不明显,所以不作限定。三,热传导系数：这个概念是本标准的核心名词.所有的围护结构：门、窗、外墙、屋顶以及地面都围绕这个概念展开的。图纸审查或政府检查部门的抽查也是这个数据。她的名词解释为：围护结构两侧空气温度差为1，1h通过1m2面积传递的热量，单位W/m2.k 。简单的说便是热量在某种材料里传递的速度,速度越小,那么这种材料的隔热性能也就越好。怎样求得这个数据呢？ 传热系数K01/ R0 。 R0 ，传热阻 ：R0 Ri + R + Re 单位：m2/K .WRi 与Re 分别是材料内外表面的换热阻。他们是固定数据，可由表差得：0.11m2/K .W 0.04m2/K .W 。R是各层材料的热阻之和。某单层材料的热阻R=，为该材料的厚度，单位是m，为该材料的导热系数，单位是W/m .K。为此公式求值过程中的关键数据，也是每种材料的固有的属性。她的名词解释为：1m厚的物体，两侧空气温度差为1，1h通过1m2面积传递的热量，单位W/m.k 。通常把导热系数小于0.3 W/m .K并能用于绝热工程的材料，叫做绝热材料。导热系数是绝热材料的最重要最基本的热物理指标。例如：普通混凝土1.74W/m .K，钢筋混凝土1.51W/m .K，多孔砖0.58W/m .K，聚乙烯泡沫塑料0.047W/m .K，聚氨酯硬泡沫塑料0.0216W/m .K，（这种材料在全球范围内尤其在欧美等发达国家作为建筑绝热工程中最普遍使用的材料），而铸铁49.9W/m .K。实际的工程应用中，卡特比勒办公楼的外墙部分设计采用聚异氰脲酸酯（PIR），这种更新型的材料0.020W/m .K，属绝热材料。这便是维护结构的传热系数K值的求解过程。下面结合公共建筑节能设计标准对上海地区的各部分围护结的隔热要求构逐一探讨：1.屋面：K0.70W/m2.k我们的习惯做法一般可以满足这个要求。例如：120厚现浇混凝土楼板20厚水泥砂浆找平层泡沫混凝土找坡层最薄30厚40厚的0.03W/m .K挤塑板（XPS）防水层20厚水泥砂浆保护层，这样的做法就可以达到K0.60W/m2.k。须注意关键的保温层一般应选用40厚挤塑板，若选用聚苯板，厚度应增加至60。2.外墙：K1.0W/m2.k不作外墙保温的习惯做法是绝对达不到这个新规范要求的。例如：20厚水泥砂浆240厚多孔砖20厚水泥砂浆的无外墙外保温的传统构造传热系数K1.66W/m2.k，即便在前段时间简易的外墙保温做法保温砂浆，也达不到规范的新要求。经计算得知：在墙体与外墙砂浆之间增加20厚的0.03W/m .K挤塑板，这样的构造使得外墙整体的传热系数K0.86W/m2.k1.0W/m2.k。这叫做外墙外保温技术，是业界内公认的一种效果很好的做法。他的优点是技术成熟，产品寿命较长，也可使外墙的主要部分受到保护，大大降低温度应力的起伏，提高结构的耐久性。但他的缺点是在高层建筑中有安全隐患，外墙面砖的做法受到限制。外墙内保温的做法不能很好的解决建筑热桥的问题，同时房间内部使用和改造都受到很大的限制，所以现在工程上已很少用这种做法了。还有一种做法叫做中间保温，做两层墙，中间夹保温材料，这种做法效果好，是建筑保温的发展趋势，国外的工程中这种做法早已普及，在我国的发展受到限制主要是因为一造价高，二构造做法与现行的做法差别太大，影响面广，难以一时普及。3.外窗部分由于外窗在建筑中变化丰富，窗框材料、玻璃品种，有无遮阳等都会严重影响建筑热工性能，所以，规范在这部分的规定并没有一刀切。根据窗墙比系数的不同，对窗体的要求分成不同的几类。所谓窗墙比，并非窗和墙的面积的比值，而是窗与其所在墙体的面积之比。规范在保证外窗自然采光的范围内鼓励窗的面积越小越好，即窗墙比越小越好。因为就现在已知能做到的最好的窗：双玻中空双腔充惰性气体40厚，铝合金断热型材，这种窗体构造的传热系数K1.5W/m2.k，而普通的单玻铝合金窗的传热系数K6.4W/m2.k，是墙的6倍。据统计，通过窗流失的热量占建筑能耗的46，因此控制窗墙比是个有效的节能手段。标准中强制规定“建筑每个朝向的窗（包括透明幕墙）墙面积比均不应大于0.7”，此规定一出，必将会极大的影响建筑外观，金茂大厦或者东方艺术中心等全玻璃的建筑势必会大大的减少。夏热冬冷地区（上海）是这样详细规定的：当窗墙比0.2时，窗的传热系数K4.7W/m2.k。在实际工程的应用中，塑钢单玻窗或铝合金双玻窗可以满足要求，但钢铝单玻窗不满足要求。由此可见，在任何情况下，普通铝合金单玻窗是达不到要求的，必将会面临被淘汰的境地；当窗墙比在0.2和0.3之间时，窗的K3.5W/m2.k。双玻铝合金中空（16厚空气层）的传热系数K3.6W/m2.k，同样不满足要求，若改为断热桥的铝合金型材便满足。当窗墙比在0.3和0.4之间，窗的传热系数K3.0W/m2.k。断热桥铝合金中空玻璃可以满足要求。当窗墙比在0.4至0.5之间，窗的K2.8W/m2.k。当窗墙比在0.5至0.7之间，窗的K2.5W/m2.k，一般情况下中空充惰性气体玻璃镀膜断热桥铝合金的窗体构造可满足要求。以上为公共建筑节能设计标准对窗的要求，窗体构造部分是平时总结的一般规律，规范并未提及，在遇到实际工程应进行具体分析和计算。标准除了对窗的传热系数做了具体规定外，还有另外一个有关窗的概念影响建筑的热工性能：遮阳系数，SC值。简言之，对太阳光的遮挡程度。共两种形式：有外遮阳式，无外遮阳式。并不是一提到遮阳就得在室外设置外遮阳挡板，无外遮阳时，通过玻璃的镀膜，也会产生遮阳的作用，当然规范提倡在夏热冬冷地区设置外遮阳措施。标准这样规定：有外遮阳时，遮阳系数玻璃的遮阳系数外遮阳的遮阳系数；无外遮阳时，遮阳系数玻璃的遮阳系数。遮阳系数越小，阻止阳光进入室内的效果就越好。外遮阳系数虽有很复杂的公式，但很容易理解。无外遮阳时，玻璃的遮阳系数是这样求得的：以3mm的标准白玻璃的太阳光透过率0.89为基数，建筑物所使用玻璃的太阳光透过率除以0.89得出的数字就是玻璃的遮阳系数。标准规定窗墙比0.2时，外窗玻璃的SC不作要求，其他情况的窗墙比要求SC在0.4和0.6之间，东南西向的玻璃鼓励镀膜。至此公共建筑节能设计标准的主要的硬性内容就总结完成了，最后，标准还提到了一个软概念：权衡判断，为尊重建筑师的创意，在设计过程中，即便有违反强制性条文的做法，也不一定会因此不能通过审查，可以通过提高建筑其他部分的的性能来满足整体建筑的计算能耗。商业建筑节能技术与市场分析1、中国商业建筑能耗现状随着改革开放和经济发展，我国商业建筑的面积日趋增大，据统计目前已经建成大约2000多幢高级宾馆和写字楼，800多家大型商场，设有中央空调系统的建筑面积约1.5亿平方米。根据商业建筑的能耗调查统计，设有空调系统的商业建筑每年的能源消耗费用接近150元/平方米，现有商业建筑的每年的能源消耗费用就高达225亿元人民币。商业建筑消耗的能源主要用于空调、照明、热水供应以及其它动力设备等方面。表1显示了上海地区各种商业建筑能源消耗的各成分比例。其中空调能耗是商业建筑的能耗的主要部分，占总能耗的5060。 表1： 上海地区商业建筑能耗成分比例 空调 照明 卫生热水 动力设备及其它 饭店 46.1 13.5 31 9.4 商场 40.5 33.7 10.7 15.2 写字楼 49.7 33.3 2.7 17 医院 30. 3 13. 9. 41 8.14 空调能耗主要由以下几方面组成：补偿维护结构传热的能耗占4050，新风处理能耗占3040，空气、水输送能耗占2530。北京某著名商业建筑各设备(冷冻机、水泵、空调箱、照明、动力)电耗的积分图。该建筑的65的电耗是空调系统。 2、中国商业建筑节能潜力通过对中国商业建筑的调查和分析发现，商业建筑具有巨大的节能潜力。主要表现在以下几方面：中国商业建筑的能耗高于国外发达国家的商业建筑能耗。例如清华同方人环工程公司在1998年对北京市的十家营业较好的大商场进行了全面的测试和统计，这些商场的全年运行能耗平均大约是188 kwh/m2.a，而气候条件大致相当的日本的同类建筑的平均全年能耗大约是135 kwh/m2.a，也就是说北京市的商场的能耗要比日本高出将近40。同类型的的商业建筑之间的能耗也有较大差别。北京十家大型百货商场每平方米耗电量，从图中可看出耗电量最高的商场比耗电量最低的商场能耗高出将近50。此外写字楼和旅馆类建筑的情况也是这样的。北京16家星级旅馆的1997年的能耗状况，能耗最大的旅馆能耗费是能耗最小的旅馆能耗费的将近3倍。 通过对商业建筑的模拟分析发现，建筑的理想能耗与实际能耗有较大差别，主要是空调系统运行管理较差、缺乏空调自控系统、原有空调系统存在许多不合理设计等原因造成。通过对这些不合理成分的改造，能以较小的投入获得极大的节能效果。例如下图所示为北京某四星级饭店的水系统，从图中可看出，标准层加压泵后的阀后压力为1.12MPa，而加压泵前的阀前压力为1.15MPa，即经过加压泵后压力反而降低，主要原因是加压泵前后的阀门开度只有25，这说明标准层加压泵是多余的，如果取消标准层加压泵，经估算每年可节电10，约22万度电，节省运行费16.5万元。 近年来已有不少的节能改造项目竣工，这些改造项目都显示出较大的经济效益，说明商业建筑有巨大的节能潜力。例如北京双安商场的空调风系统的改造，通过充分利用春秋季室外新风为商场内供冷，从而减少了一个月的冷机运行时间，据统计每年可节省能耗费30万元左右。改造所需的40万元的投资一年时间就可以回收。此外在亮马河大厦，通过节能改造，一年可以节约运行费用300多万，所需的投资不到一年的时间即可回收。上述分析表明，中外对比、同类建筑的对比、理论计算和实际测试的对比、商业建筑成功的改造实例都充分说明中国的商业建筑具有巨大的节能潜力，商业建筑节能改造有很好的经济效益。3、中国商业建筑节能的途径和技术手段技术手段的推广和合理利用是商业建筑节能的关键。适合中国商业建筑的节能的方法并不是建造一两幢新的商业建筑来展示新技术，而是通过一些投资小见效快的技术手段对现有商业建筑的改造和提高运行管理水平来提高能源利用效率。就是说商业建筑的节能关键不在于以后新建的商业建筑，而在于对已有商业建筑的节能改造，这是商业建筑节能的重点所在。表2显示了不同节能改造技术的经济效果，从表中可以看出，通过改善维护结构来节能的经济效益是最低的。 表2：不同节能改造技术的经济分析 改造投资 改造收益 投资回收年限 提高运行管理水平 1$ 1020$ 12月 更换风机、水泵 1$ 0.81.0$ 11.2年 增加自动控制系统 1$ 0.30.5$ 23年 系统形式的全面更新 1$ 0.20.4$ 35年 建筑材料更换 1$ 0.10.05$ 510年 近年来，清华大学通过对数十幢商业建筑的调查和测试分析，总结出一套适合中国商业建筑节能工作开展的成套技术MATE技术，并成功地在一些改造工程中得到了验证和完善。该技术是包括调研测试（Measure）、全面分析（Analyze）、跟踪实施（Tackle）和节能评估（Evaluate）在内的“MATE建筑节能改造技术”。 4、商业建筑节能的市场机制和可持续发展根据已有节能改造项目的统计，节能改造每平方米可获得2030元的直接效益，所以如果商业建筑节能按照在北京建立示范工程、在中国主要大城市建立推广中心、全国范围推广三个阶段来发展的话，各阶段的的改造效益如下：* 第一阶段： 改造面积：30万平方米；直接效益：600900万元* 第二阶段： 改造面积：40