《建筑设计与经济》建筑节能设计和应用

建筑节能设计和应用,中国建筑科学研究院上海分院孙大明,上海市注册建筑师建筑设计与经济,上午课程介绍,建筑节能和建筑热工概念知识建筑节能推广、禁止和限制项目建筑节能图纸审查注意事项国内外建筑节能技术介绍,下午课程介绍,别墅型建筑节能设计要点公共建筑节能设计技术和方法建筑节能应用技术1,上海市建筑节能图纸审查范围,从2004年4月1日起外环线以内的新建住宅建设项目；本市范围内的新建政府机关办公用房、商场、旅馆、办公楼和由它们组成的综合楼建设项目。目前不审查的项目和范围,中华人民共和国建设部中华人民共和国国家发展计划委员会中华人民共和国国家经济贸易委员会中华人民共和国财政部于2001年11月20日联合发布“建科2001239号令”第二条中强调对于达不到节能标准强制性条文规定要求的应按照建设部实施工程建设强制性标准监督规定（建设部令第81号）或参照民用建筑节能管理规定（建设部令第76号）等有关条款进行处罚。第六条要求夏热冬冷地区新建、改建、扩建居住建筑的建筑和建筑热工与暖通空调均应执行节能标准；单身宿舍、学校、幼儿园、办公楼、医院建筑的建筑和建筑热工与暖通空调设计可参照节能标准执行。,管理措施,规划方案审批阶段建设项目可研报告审查阶段初步设计方案审查阶段施工图设计文件审查阶段审图机构应当将建筑节能内容列入审查范围，并按审查要点进行审查，对不符合节能强制性标准要求的建设项目，不予审查通过。竣工验收备案阶段,第一部分建筑节能和建筑热工概念知识,围护结构,建筑物及房间各面的围挡物，如墙体、屋顶、门窗、楼板和地面等。按是否同室外空气直接接触以及在建筑物中的位置，又可分为外围护结构和内围护结构。,基本概念,导热系数,是指在稳态条件下1米厚的物体两侧表面温差为1度，1小时内通过1平方面积的热量，单位为W/(mK)，它是材料特性，同厚度没有关系，符号为。,内外表面换热系数,内表面换热系数围护结构内表面温度与室内空气温度之差为1度，1小时内通过1平方米表面及传递的热量。取值8.7W/(m2K)，热阻为1/8.7=0.115外表面换热系数取值23W/(m2K)，热阻为1/23=0.043,热阻,材料厚度除以导热系数，是指阻抗传热的能力，单位为(m2K)/W，同材料厚度有关系，符号为R。围护结构的多层构造热阻可累加。R=R外+R1+R2+R内,传热系数,在稳态条件下，围护结构两侧空气温度差为1K，单位时间内通过单位面积传递的热量。值为热阻的倒数。单位：W/(m2.K)U-Value单位：Btu/h-ft2-F换算比例：0.175,基本概念,热惰性指标,表征围护结构对温度波衰减快慢程度的无量纲指标。单一材料围护结构热惰性指标为热阻和蓄热系数的乘积；多层材料围护结构热惰性指标为多层材料的热阻和七蓄热系数乘积的累加值。,基本概念,热惰性指标的计算和比较,围护结构采用含有轻质绝热材料时，常出现热惰性指标值较低的情况。为了避免出现这种情况，提高采暖和空调时室内温度的稳定性。在得出维护结构的传热系数和热惰性指标后，同规范表4.0.8进行比较核对。如不符合要求，则进一步以民用建筑热工设计规范5.1.1条来验算隔热设计要求。,基本概念,热惰性指标D反映围护结构热稳定性的一个参数。D=RS=R1S1+R2S2+R3S3（对外墙仅计算主墙体部位，不包括热桥部分）在夏热冬冷地区节能设计标准中，控制在D值有两个作用：使外墙和屋面的夏季隔热性能不低于热工规范要求。提高房间在采暖和空调时室内温度的稳定性。因此，如D值小于规定，可验算隔热设计要求内表面最高温度不大于夏季室外计算温度最高值（36.1）验算条件：1.0Km1.52.5DD2.0，0.5；D热惰性指标，外表面的太阳辐射吸收系数，Km平均传热系数外墙热桥部位的冬季内表面温度不应低于室内空气露点温度。,对屋面的热工要求,Km0.8D3.0，0.73.0D2.0，0.62.5D2.0，0.5D热惰性指标，外表面的太阳辐射吸收系数，Km平均传热系数,对外窗的要求,外窗的面积不宜过大。建筑物标准层外窗的窗墙面积比不宜大于0.45，其中东、西向外窗的窗墙面积比不应大于0.30垂直墙面上外窗的传热系数应根据同一朝向的窗墙面积比按下表取值。,天窗、顶棚和内窗,天窗和透明顶棚的传热系数K不应大于2.5W/（m2*K）;空调房与非空调房之间的内窗传热系数K不应大于4.7W/（m2*K）;,遮阳系数规定,东、西向外窗的遮阳系数或采取遮阳措施后的综合遮阳系数不应大于0.60。天窗玻璃以及透明顶棚的遮阳系数或综合遮阳系数不应大于0.50。,外门、分隔门和楼板传热系数要求,外门透明K3.0；非透明K1.5分隔门K2.0分隔墙K2.0楼板K2.0底层自然通风架空楼板K1.5,规范对玻璃幕墙的要求,非透明幕墙应满足对外墙的性能要求。玻璃幕墙的传热系数和气密性应满足外窗的要求。东、西向玻璃幕墙的综合遮阳系数不应大于0.60。玻璃幕墙必须有可开启部分，其可开启部分的玻璃面积不宜小于幕墙面积的15%。,玻璃幕墙的节能应用,玻璃幕墙特点：视野开阔，通透性强写字楼进深大，采光要求较高，玻璃幕墙相对易满足其设计要求,玻璃幕墙的劣势,大面积反光造成光污染。玻璃幕墙多数不能开启，通风差。玻璃的保温性能差，能耗大，造成日后运行、维护费用高。,被动式幕墙节能设计,采用镀膜玻璃、LOW一E玻璃、热反射玻璃、中空玻璃及隔热断桥铝型材降低结构传热系数K。消除结构体系热桥。降低空气渗透热损失、减少开启窗扇面积、提高其密封性等。,光电幕墙追求合理利用太阳能,光电幕墙是一种集发电、隔音、隔热、安全、装饰功能于一身的新型建材，充分体现了建筑的智能化与人性化特点，实际上它就是太阳能光电幕墙玻璃。由光电板系统和幕墙系统组成的光电幕墙是主动利用太阳能,是以后一个应用发展的方向。,太阳能光电幕墙集合了光伏发电技术和幕墙技术，是一种高科技产品，代表着国际上建筑光伏一体化技术的最新发展方向。地球上每平方米土地每年所获得的太阳直射光和斜射光平均为1000千瓦时，怎样才能有效利用大自然所赋予的宝贵财富呢？早在100多年前，人们就发明了光电模板，即利用光照使浸入电解液的锌电板产生电流。到了1954年，美国研究人员使用元素硅取得巨大成就，光电模板首先被用在宇宙航行上。现在，人们越来越关注健康，绿色环境意识日益增强，科技发展进步已将光电模板装入幕墙中变为可能，使用光电幕墙的时候到了。光电模板简称为PV，已是使用三四十年的光电材料，它的优点是可在气候恶劣的情况下照常工作。这是一种完善的技术，可应用于许多领域，比如在当今不可或缺的通信领域。将光电模板装入幕墙中，无需再增加建筑平面面积。,那么，光能是如何转变成电能，又是如何运用到幕墙上呢？设计光电幕墙需考虑电池、模板、导线和变压器各个因素，各电池组成模板，各模板组成小分格，并通过导线连接，所有导线又组成一个PV变压器。一个PV变压器是一个封闭的幕墙部分，每套光电设备可由一个或多个变压器组成。每套光电设备都先产生直流电，再由直流电转变成交流电，并由电压网传输，逆整流器再将230/400伏的电压转变成频率通常为50赫兹的电能。晶体电池通过导线相互连通，并被接在大表面的模板上，这些电池被嵌入坚硬的树脂玻璃中，导线可接在模板背面或玻璃边缘。作为模板一个组成部分的非晶体是一个完整的平面，相互连通，被嵌入两块玻璃和透明度高的树脂中。所有模板都可作为幕墙的建筑材料使用，这些模板极为坚固，电绝缘性好，符合二级安全标准。采取这些措施后，即使发生失误，在可触摸部位也不会出现危险的电压。光电模板具备抵御外界环境侵扰的能力，或在臭氧，或在酸雨，或在零下50摄氏度至90摄氏度的环境中，光电模板仍可使用几十年，而且是极为美观的造型材料。,光电幕墙首先是一种高科技的建筑外壳，可满足抵御恶劣天气的所有要求，当然也可满足建筑物理上的要求，比如阻燃、隔热和消音等。光电幕墙还提供了一种与众不同的造型，因为这是科技发展进步的标志，也是企业文化不可或缺的一个要素。光电幕墙加装光电模板后，可节省传统的建筑材料，比如光电模板可代替抛光的自然建材。光电幕墙也大大减轻了环境的负担，因为它保护自然资源免受损失。在传统的发电厂内，最常见的是用化石类燃料发电，而用光电模板发电100千瓦时，可省油26升或省煤50千克，这也意味着少排放57千克的二氧化碳、71克的二氧化硫和75克氮的氧化物。光电幕墙的最大优点在于，它不需燃料，不产生废气，无余热，无废渣，无噪音污染，可用来发电。由于能发电，可少交电费，在国外还可将多余的电卖给电业局。由此可见，光电幕墙本身就是效益。,光电幕墙实例工程,国际世界上最大的太阳能光电系统安装在新慕尼黑贸易展览中心。该系统由7812块西门子单晶硅组件组成方阵，每块功率130W，所发电力与20KV电网相联，每年能发电100万KWH，足够340户德国家庭使用。国内深圳高深圳高新技术产业园区的方大集团科技中心大厦工程，采用的光电幕墙设计峰值发电功率为10.3千瓦，建筑标高为97米，是我国第一幢光电幕墙建筑。,双层通风幕墙,封闭式内通风幕墙开敞式外通风幕墙,封闭式内通风幕墙,适用于取暖地区，对设备有较高的要求。外幕墙密闭，通常采用中空玻璃，明框幕墙的铝型材应采用断热铝型材；内幕墙则采用单层玻璃幕墙或单层铝门窗。为了提高节能效果，通道内设电动百页或电动卷帘。,开敞式外通风幕墙,开敞式外通风幕墙的内幕墙是封闭的，采用中空玻璃；外幕墙采用单层玻璃，设有进风口和排风口，利用室外新风进入，经过热通道带走热量，从上部排风口排出，减少太阳幅射热的影响，节约能源。它无须专用机械设备，完全靠自然通风，维护和运行费用低，是目前应用最广泛的形式。开敞式外通风幕墙的风口可以开启和关闭。,遮阳类型分类,外遮阳内遮阳固定式遮阳活动式遮阳,建筑外围护结构的节能设计，由开窗、方位、遮阳到隔热材料等因素环环相扣，这些因素都左右着建筑物的耗能量。在保温措施很充分的建筑中，热量的得失大部分是通过窗户发生的。因此，选择合适的方向和遮阳，是建筑物是节约能源最有潜力的工具。,遮阳的需求随气候和房屋朝向而变化。基本的规则如下：,外窗的主要遮阳技术：,电动悬挂板遮阳,水平滑动屏风式,电动遮阳百叶,对于东西立面可调节式遮阳是非常重要的，因为太阳的入射高度角低，使固定的遮阳设备很难达到一个准确的支出角度。可调节式遮阳给与你更大的可控性，可以选择和调整太阳光的强弱和视野。适合的可调节系统包括：水平滑动屏风式，天窗式遮阳棚，曲臂遮阳棚和可调节式外遮阳百叶。北向敞开的地方（和赤道回归线以上的南向）接收来自高角度的太阳光，所以它比东向和西向敞开的地方相比需要较窄小的上部遮阳设备。固定的水平遮阳用在面向北边的玻璃窗，比如说屋檐，遮阳棚和植被凉棚，当它们调整到正确的角度后是非常合适的。对于别墅型建筑，可以运用植物对建筑物进行遮阳，尤其在窗户部分，以减少不需要的强光和得热。可以在高温潮湿和一些高温干燥的气候环境种植常青植物。在其他的气候条件下把每年落叶的蔓藤植物或树木用在房子北面，落叶性的植物或常青树木用在东面和西面。运用外遮阳或百叶窗遮盖天窗和屋顶玻璃，这也是非常重要的，因为屋顶玻璃窗比没有经过遮盖的西向窗户接收多过两倍的热量。,天窗和屋顶玻璃的主要遮阳技术：,电动遮阳卷帘,水平延伸的遮阳篷,水平移动的铝合金遮阳百叶,类型：办公楼地点：瑞士特点：美观、经济、有效,同济大学图书馆西、北向外遮阳,同济大学图书馆西、北向外遮阳,活页式遮阳,通风与空气调节,通风与空调方式应根据能源条件、建筑规模、使用情况和用户要求等因素综合考虑，进行技术经济比较后合理确定。当条件运行时，在公共建筑中可采用热、电、冷联产技术；以及太阳能、地能等可再生能源的利用。,设备配置和选择,选用的主机应满足蒸气压缩循环冷水（热泵）机组性能参数表直燃型溴化锂吸收式冷（热）水机组的性能系数蒸气溴化锂吸收式冷水机组的性能参数,控制,采用集中空调方式的建筑物应设置建筑设备自动控制系统。当通风空调系统的冷、热源主机为两台及以上时，宜设机组群控系统，实现优化运行。每个空调区域应设置温控器。空调系统宜根据CO2浓度进行新风量的自动调节地下停车库的送、排风系统宜根据CO浓度进行自动控制。,管道绝热,空调风管冷热水管可用材料：离心玻璃棉，发泡酚醛。,按计算表和计算公式取值,热水供应,卫生器具的一次用水量、小时用水量和水温按规范要求确定。燃油、燃气的热水锅炉或热水器、其热效率均应大于80%。使用燃气的功率大于48KW的水加热装置不应采用长明火。,照明,室内照明用电负荷采用面积估算法,光源与灯具的选择,优先采用荧光灯和高效的气体放电灯、并配用电子镇流器或节能型电感镇流器；功率大于100W的室外光源，其光效不应低于60lm/W。充分利用自然光，以及有效地利用电能。,电力设计,用电负荷计算宜采用需要系数法，并考虑同时使用系数。用电设备的电负荷值及热负荷值应根据设备的技术参数确定。当缺乏相关资料时，应根据情况从室内用电设备的安装容量表中选用。,供配电系统设计,变、配电所应靠近负荷中心，缩短低压供电线路的长度单台用电功率大于350KW的电动机宜采用中压电机。应采用低损耗、高效率的变压器。电动机能耗应符合电动机能效限定值表的规定。,建筑物年能耗费用评估法,当设计建筑物不能满足本标准第3、4、5、6、7章中的有关规定时，应按本章规定的方法判断设计建筑物是否符合节能要求。本章规定设计建筑物的年能耗费用应小于或等于标准建筑物的年能耗费用。,设计建筑物年能耗费用的计算依据,室外气象计算条件应采用上海市典型气象年数据。空调室内温、湿度计算参数和新风量计算参数均按设计文件确定。建筑物的外形、朝向、以及每个朝向平均的窗墙面积比、建筑物围护结构热工性能计算参数根据设计文件确定。,标准建筑物,按所设计的建筑物的大小和形状设计一个节能建筑，称之为“标准建筑”。此“标准建筑”的相关热工参数定义必须满足标准的最低要求。“标准建筑”是用来进行对比评定的节能建筑,标准建筑物参数设定,室外气象计算条件应采用上海市典型气象年数据。空调室内计算参数应按以下规定选取：若设计建筑物室内温、湿度计算参数水平高于表4.2.1中的规定，根据表4.2.1选取；若设计建筑物室内温、湿度计算参数水平低于表4.2.1中的规定，则与设计建筑物相同；非空调房间的室内的计算温度按式（8.3.2-1）计算；tn=(tm+tn)(8.3.2-1),标准建筑物的围护结构定义,建筑物的外形和围护机构应符合以下规定：1标准建筑物的外形和朝向与设计建筑物相同，东、西向外窗的窗墙面积比去0.30，其它个各朝向外墙的窗墙比面积为0.45；2建筑物热工性能应满足本标准的要求,能耗分析计算,冰蓄冷系统，对用户而言并不能节能，但从电厂的角度考虑是节能系统。,铺土种植屋顶在钢筋混凝土屋面板上铺上一层土，再在上面终止作物，即为铺土种植屋顶。铺土种植屋顶是利用植物的光合作用、叶面的蒸腾作用以及对太阳辐射热的遮挡作用，来减少太阳辐射热对屋面的影响。此外，土层也具有一定的蓄热能力，并能保持一定水分，通过水分的蒸发吸热也能提高隔热效果。铺土种植屋顶的基层和防水层，与其他常用平屋顶的做法类似。铺土种植屋顶不仅是保温隔热的理想方案，而且在城市绿化，调节小气候，净化空气，降低噪声，美化环境，解决建房与农田争地等方面都有作用，是一项值得推广应用的措施。、蓄水屋顶水的蒸发热很大，蒸发1kg水需要2428kJ的热量。利用水的这个特点，若在平屋顶上蓄一定厚度的水，利用水的蒸发来吸收太阳辐射热，能取得很好的隔热效果。蓄水屋顶的水层厚度，从白天隔热和夜间散热的作用综合考虑，宜小于5cm而大于3cm。蓄水隔热屋顶要求屋顶有很好的防水质量，否则屋顶长期浸水，易发生漏水现象。但另一方面，屋顶用水隔热后，大大降低了结构的平均温度和振幅。不仅可以防止防水层由于高温涨缩引起的破坏，也防止了构造由于温度应力而产生裂缝；此外，长期处于水的养护之下，防水层可避免因干缩出现裂缝，嵌缝材料可免受紫外线照射老化而可延长使用寿命。从这方面看，蓄水屋顶又能防止屋顶发生漏水现象。,太阳能热水器主要的应用为高效平板太阳集热器和全玻璃真空集热管。利用被动太阳能改善城镇住宅建筑室内热环境研究方法为应用动态模拟计算，进行建筑热工参数计算分析，预测室内环境参数，获得应用被动太阳能的最佳建筑设计方案。,太阳能在建筑节能方面的应用主要有以下几方面,多层建筑太阳能热水系统解决方案,可根据不同的建筑风格和要求设计不同的解决方案热水器设计纳入建筑设计施工规范能较好地和建筑融为一体经济分析计算与优化,投资回收期为7.5年,投资回收期分析,供热水系统图,供热水系统图,小区规划中太阳能应用,太阳能灯具,太阳能灯具,太阳能灯具,地热关于地热的应用。中国是个低温地热资源丰富的国家，直接利用地热洗浴、治疗已有2000年以上的历史。低温地热一般首先应用于采暖、然后根据温度水平进行梯级应用，其另一应用是用作于水源热泵系统冬季的辅助热源。,低温地板辐射采暖低温地板辐射采暖是国内近年来发展的一种新型供暖方式，埋管式地面辐射采暖的温度剃度小、室内温度均匀、易于敷设和易于施工，也便于分户温控及计量。目前，也有提出夏季应用辐射地板供冷，但是由于受到地板结露条件的限制，进水温度如果过低，会限制辐射地板供冷所能承担的冷负荷。夏季湿度较高的地区要谨慎使用。,冷热电联产技术冷热电联产（BuildingCoolingHeatingandPower）是指能给区域和楼宇提供制冷、制热和电力的能源供给系统。如下图所示，通过能源的梯级利用，燃料通过热电联产装置发电后，变为低品味的