建筑能耗与建筑节能设计.doc

建筑节能与物理环境建筑能耗与建筑基金资助：国家创新研究群体科学基金（50921005） 作者简介：刘加平（1956-），男，陕西大荔，教授，工学博士。email:节能设计刘加平 杨 柳（西安建筑科技大学绿色建筑研究中心，西安 710055）摘 要： 简单回顾了建筑能耗的构成及节约潜力，解释了建筑采暖、通风与空调能耗的形成机理和节约途径，分析了城镇建筑与农村建筑节能设计的差异，以及可采取的技术路线和方法，目的在于说明，对于建筑热工方向的专业人员，研究与建筑设计相融合的设计原理和方法，属本分。关键词：建筑能耗，采暖空调能耗，建筑节能设计1 建筑能耗及节约潜力建筑能耗包括建筑物的建造能耗、运行能耗以及拆除能耗已是业内常识。虽然统称为建筑能耗，但不同的用能过程，使用的能源品位不同，涉及的专业分工不同，节约的途径和方法因此而不同，可节约的潜力差异也较大： 首先来看建筑物的建造能耗。简单说来，建造能耗包括建材产品的生产能耗、建筑材料与部件的运输能耗、建筑施工能耗等。建材产品种类繁多，生产工艺过程也不尽相同。因此，建材产品的节能，一是要研发低能耗的建材产品，二是提高常用建材产品的生产效率。至于运输能耗，涉及到物流和运输工具等行业。施工能耗与建筑施工组织、施工机械能效相关。所以，建造能耗的能耗多寡与节约潜力，很大程度取决于相关行业的技术水平。从建筑设计专业角度，建造能耗与己关系不大，尽管建筑设计过程决定着建筑物的构造及所选用材料。 再来看拆除能耗。包括拆除过程以及垃圾处理能耗等。在整个建筑能耗中，拆除能耗所占的比例较小，不论是人工拆除还是爆破炸毁。产生的建筑垃圾，处理起来挺费周折，如能再生使用，则可大幅度节约拆除能耗。需要关注的是，我们很多既有建筑，由于功能不能满足现今生活方式需求，或所在位置影响城市整体规划布局，在未到使用年限时被拆除掉，既花费了大量拆除能耗，还浪费了建造阶段的初始能耗。 建筑运行能耗是建筑用能的主要部分已为人所周知，通常包括建筑采暖、空调、通风、照明、电器设备、炊事及生活热水能耗等。不同类型的建筑，所在不同的地域气候，各部分所占比例差异较大，可节约的比例也各不相同。建筑运行能耗，按用途的不同，可以归为两类：第一类是调节建筑室内热湿环境能耗：采暖、空调及通风能耗。第二类是提升工作和生活质量能耗：照明、电梯及其他电器设备能耗。两类能耗的最大差异在于，不论前者消耗的是那种高品位的化石能源（电能、天然气、油、煤），其效用仅仅是改变了室内热环境的质量，或者说，是将由室外气候条件引起的、偏离了人体基本热舒适区间的室内热环境，调节到了舒适区间内。而后者则是，电能直接用于驱动灯具和电器设备，天然气或电能直接用于驱动炊事设备。前者能耗的高低与建筑物的性能有关，而后者的能耗则取决于照明以及电器设备的效率。显然，节约的途径和可节约的潜力是完全不一样的。2 采暖、空调与通风能耗不同的专业背景，对建筑节能的理解有较大的差异。对于建筑热工学科和暖通学科的专业人员，很自然地认为，建筑节能主要就是节约采暖、空调与通风能耗。采暖通风与空调能耗因人对室内热环境的需求和室外气候的剧烈变化而产生。当室外气象要素和太阳辐射热作用引起建筑室内热环境达不到人体的基本热舒适需求时，需要建筑设备向室内补充热量或冷量。这部分能耗占到建筑总能耗的70%左右。气候和太阳能辐射参数对建筑物和室内热环境的热作用是一常温下的复杂热过程。简单归纳，可分为以下三种情况： 建筑物显热交换。室外气流与围护结构外表面对流热交换、大气长波辐射温度与围护结构外表面长波辐射热交换、太阳辐射被围护结构外表面吸收，均影响到建筑物的热量得失，进而影响到室内热环境和采暖与空调负荷的大小。 建筑物潜热交换。室外空气相对湿度、降水量与频率等直接影响围护结构的湿迁移过程，进而影响到建筑的热过程以及建筑能耗量。 太阳辐射直接作用于建筑围护结构表面或进入建筑室内，减少建筑物冬季采暖能耗或增加夏季空调能耗。云量影响建筑围护结构表面与天空的长波辐射热交换过程，也会影响到建筑的采暖与空调能耗。 围护结构内表面温度动态分布。众所周知，从建筑使用者的角度，与人的热感觉有关的重要参数之一是室内平均辐射温度（MRT）。一般意义上，MRT的平均值越靠近舒适区，人体热感觉越好。但MRT与室外空气温度始终是随时间波动的，如果MRT的动态值与空气温度动态变化值合理匹配的话，就可能会在较长时间内使得室内热环境处于人体可容忍的区间内，从而不用启动采暖或空调系统。而且，即就是超出人体可容忍的区间而必须开启设备系统，能耗也会很小。因此，采暖、空调与通风能耗可解析为两部分：建筑物本体能耗和建筑设备系统损耗。前者取决于建筑物的热工性能，后者取决于用能设备的效率。因此，大幅度节约采暖、空调与通风能耗，必须具备以下三要素： 设计、建造适应地域气候的“低能耗建筑”。低能耗建筑是指，建筑物的全年运行能耗、特别是采暖、空调与通风能耗指标较大幅度低于设计标准的规定值。实现低能耗的基本思路是“降低供热供冷负荷、缩短供热供冷需求时间”，从研究角度，是建筑热工专业的使命，而对于工程应用，则是建筑设计专业的责任和义务。 研发、设计高效的建筑采暖、通风与空调设备系统，通常由热能动力、制冷工程等专业完成。合理运用建筑用能设备，巧妙设计高效的输配系统，显然是建筑设备（暖通）专业的历史使命。 研发利用太阳能、生物质能等替代能源技术及设计方法。孰知的被动式设计属于建筑学学科范畴，而专门的主动式利用技术和设备，则只能依靠暖通学科和热能工程学科了。3 城镇建筑与建筑节能设计建立在现代建筑工业基础之上的城镇建筑，包括居住建筑和各类公共建筑以及工业建筑等。经过几代人的研究和实践，已经建立了适合我国国情且完整的设计规范体系。在此“体制”约束下，每一类型的建筑，均已形成相对固定的“空间模式和构造体系”。针对不同气候区的城镇居住与公共建筑，我国已经编制颁布了一系列的建筑节能设计标准体系。应该说，只要在建筑设计中满足了建筑节能设计标准的规定和要求，现代城镇建筑就可以达到建筑节能指标。常用的设计手法不外乎选择适宜的建筑形体，注意立面朝向和色彩，巧妙的建筑内部空间组织和平面布局，合理的重质结构（墙体、屋面、地面）构造以及匹配的轻质结构（幕墙、 门、窗）面积与构造等。但在建筑设计行业，由于对建筑节能的肤浅或片面理解，就出现了很多令建筑热工专业人员无可奈何的现象，最为典型的是：建筑节能是由专门的节能设备和技术装配起来的，所以，建筑节能设计是在建筑方案设计完成后，由建筑热工或采暖通风与空调专业人员负责的业务，对于建筑师来说，建筑节能设计，就是围护结构保温设计加上选用合适的门窗。业界流行如此理念和现象，导致的结果是： 建筑师的推卸了本应属于自己的建筑节能设计责任和义务。一栋建筑物能耗的高低，与建筑物的平面、朝向、体型、立面、空间组织、构造等有密切关系，也就是说，从建筑方案设计伊始，建筑师的每一个构思和选择，都会影响到建筑室内热环境和能耗。而行业内的实际状况是，多数建筑师是在建筑方案设计完成后，才会想起要满足节能指标要求，当然只能求助于建筑热工或暖通专业人员通过技术和设备手段来弥补建筑的缺陷。 出现了许多高能耗建筑，特别是大型标志性公共建筑。首都机场T3航站楼是最为恶劣的典型案例：一味追求“最大、最气派、最奇特”，几乎没有考虑室内热环境和节能问题。候机大厅室内局部层高达到30米，而且是轻质半透明屋顶构造，要达到冬夏季室内设计温度要求，需要消耗数倍于其他公共建筑的能量。4 农村建筑与建筑节能设计现今的农村建筑基本上由传统乡土建筑、新建砖混结构房屋构成，二者的比例，在东西部有较大差距。但不论是传统的乡土建筑，还是新式的砖混结构房屋，相对于城镇建筑来说，都还是“体制”外的产物。传统乡土聚落和建筑是建立在农耕生产方式之上、以手工建造方式、通过千百年的不断“试错、改良”方式逐渐积淀起来的产物（没有建筑师的建筑），是先民“智慧的结晶”：具有与特定地域生产、生活方式相对应的建筑模式（已经成为定式的建筑形态、空间构成、建筑构造等）和风貌（即“千篇一律和百花齐放”属性）；就地取材，建造技术简单、成本相对低廉。具有与地域自然和人文相适应的人居环境以及节能低碳属性。但是，在人类居住生活高度文明的今天，从居住者角度，传统乡土建筑有着以下致命的缺陷：一是建筑室内空的功能难以满足现代生活方式需求，包括室内空间功能分离、现代家居和家用电器设施的布置、现代炊事用具的安放等。特别重要的是，传统乡土建筑普遍缺少卫生设施；二是建筑室内热环境难以达到舒适标准，如采用现代采暖与空调设备，则建筑能耗要比城镇建筑高。现代化进程中逐渐富裕起来的农村居民一直在寻求新的居住建筑模式。就目前来看，现有的农村新建建筑，基本上是通过模仿城镇建筑、经过工匠的简化而形成的产物，其基本特征是：室内空间构成与平面布局与城镇建筑相近，可以基本满足现代生活方式的功能需求；使用现代建材工业产品，施工技术简单，不需要专门设计，不需要报批，建造成本相对低廉。这些特点恰好弥补了传统乡土建筑的缺陷，因而很受广大乡村居民的喜爱。但普遍又出现了新的问题：一是简单构造致使建筑热工性能很差，失去了原有乡土建筑与地域气候相适应的特点。在严寒的冬季和酷热的夏季，建筑室内热环境质量很差。随着经济水平的提升，必将大幅度增加采暖与空调能耗。二是普遍缺乏地域风貌特色，不论南北东西，到处都是混凝土盒子。或者是实施了所谓的“穿衣戴帽”工程，建筑的地域风貌，成了一种建筑外部装饰。鉴于农村建筑的特点，运用城镇建筑的节能设计程序、方法和技术解决农村建筑的节能问题，显然是对于城镇建筑，特别是高层建筑，轻质外保温技术、LOW-E玻璃门窗、太阳能一体化设备等技术是现时比较适宜的节能技术，但对于农村建筑，则不能简单照搬。以外保温为例，如用于农村建筑，致使建筑成本提高，墙体抗压强度低、施工难度高、耐久性差等问题更加显露，显然是不合适的。相对而言，农村住房建设用地较为宽松，完全可以采用增加构造层厚度来解决保温问题，对采暖地区，甚至夏热冬冷部分地区，运用增强型生土构造，即可提高保温性能，还可增加热稳定性。设计建造低能耗建筑，对于农村建筑来说，是相当困难的，绝不是“做个设计而言”那么简单。因为，对建筑师而言，设计低能耗建筑，首先要有地域适宜性的低能耗建筑模式。对于“千城一面”的城镇居住建筑，业界数十年的研究和工程实践，已经形成了固定的模式及设计规范体系，设计人员需要做的是室内平面布局、立面形式选择和围护结构加保温。而对于地域气候和经济水平差异巨大的农村，当要设计一栋建筑时，依据的基本模式和体系是什么？恐怕首先要做的，是研究适合于该地域的低能耗建筑模式，否则，一定是模仿城镇建筑设计，在千城一面之后，“万村同貌”将是必然结果。长期研究和实践表明，研究创作一种低能耗建筑模式，不能仅仅考虑解决节能问题，而需要全面、综合满足建筑物的必备属性，以实现“坚固、实用、美观”和节能。作者及其团队通过长期的理论和实践研究发现：在低能耗建筑模式研究中，应遵循建筑性能化指标的“层级递进”原理：必须逐级满足建筑安全、功能便利、成本适宜、美观、舒适等使用者的需求，才可能实现“低能耗”建筑目标。以及完成的成功案例很多，其他文中已有著述，不再重复。参考文献：1 Jiaping Liu, David Wang, Liu Yang, An Instance of Critical Regionalism: New Yaodong Dwellings in North-Central China, Traditional Dwellings And Settlements Review, USA，20042 Liu Jiaping, Yang Liu, Hu Rongrong, Research and Practice On the Sustainable Revival of Vernacular Architecture in China Western, Proceedings of International Symposium on Sustainable Habitat Systems, Dec. 3-