日本的建筑节能概念与政策

1、国外技术介绍日本的建筑节能概念与政策北京工业大学陈超日本九州大学渡边俊行北京工业大学谢光亚同济大学于航摘要介绍了日本面对能源消耗持续增长的形势所制定的节能目标、建筑节能判定标准和节能措施,认为我国应积极引入先进的节能观念和方法,制定科学有效的建筑能效评价体系。关键词能源环境建筑节能日本J a p a n es e c o n c e p ts a n d m e a s ures of b uil din g e n erg y effi ci e n c y By Chen Chao,Toshiyuki Watanabe,X ie G uangya and Y u H angAbs t r

2、a c tP r e s e n t s t he e ne r g y s a vi ng g o a l s,buil di ng e ne r g y c ri t e ri a a nd me a s ur e s f o r imp r ovi ng e ne r g y e f f i c i e nc y e s t a bli s he d b y t he J a p a ne s e g ove r nme n t,hol ds t ha t a dva nc e d i d e aa nd me t ho ds s houl db e p os i t i ve l y

3、i n t r o duc ed i n t o Chi na,a nd a s c ie n t if i c a nd e f f e c t i vea s s e s s me n t s ys t e m s houl db e e s t a bli s he d f o r buil di ng e ne r g y b e ha vi our.Ke yw o r dse ne r g y,e nvi r onme n t,buil di ng e ne r g y e f f i c i e nc y,J a p a nBeijing Polytechnic Universit

4、y,China1能源问题与建筑随着经济的飞速发展和人口的持续增长,能源问题已成为先进国家和发展中国家都面临的迫切需要解决的重大课题之一。日本1990年的能源消费量已较1960年增加了395%。民用部门能源消费量增长速度最快,而民用部门的能耗又多为建筑能耗。广义建筑能耗指从建筑材料制造、建筑施工直至建筑使用全过程的能耗;狭义建筑能耗指维持建筑功能所消耗的能量,包括照明、供暖、空调、电梯、热水供应、烹调、家用电器以及办公设备等的能耗。面对巨大的建筑能耗,能源完全依赖进口的日本早在1997年11月就提出了2010年的节能目标,其中要求民用部门节能31%,它们被细分为:建筑节能11%、家电效率的提高节

5、能8%、生活习惯的改善节能6%、住宅节能5%、照明效率的提高和高效率化液晶显示的采用等节能2%。显然,其中以建筑节能的幅度最大,占1/3强。笔者认为要减少建筑的能耗,必须从源头抓起,即从建筑最初的规划、设计阶段抓起,把好建筑的规划、设计、施工的审批关,增强政府部门的审批和督促的力度;国家制定相应的建筑节能政策、法规及标准,以增强建筑的设计和使用者的节能意识;并通过相应的节能法规和节能标准,控制建筑的能耗,提高建筑物内空调系统、供暖系统、照明和其他动力设备系统的能源利用效率;同时,提高建筑围护结构的热工性能也同样是很重要的。2日本的建筑节能新概念1964年东京奥运会的成功举办对推动当时日本经济的

6、飞速发展、繁荣日本建筑业市场,无疑起到了非常积极的作用。2008年北京也将举办奥运会,从某种意义上来说,我国目前的经济发展势头与日本40年前的情况有许多类似和可比之处1。为迎接2008年北京奥运会,所产生的“奥运经济”效应也将迎来新的一轮建设高峰。如何把好建筑的规划、设计、施工关,对我国若干年后在能源规划、环境保护、建筑节能等方面的陈超,女,1958年6月生,博士,教授100022北京市朝阳区平乐园100号北京工业大学建工学院(01067391608E2mail:chenchaocc收稿日期:2002-01-08修回日期:2002-10-20政策、法规、标准的制定将具有深远的影响和重大的意义。

7、日本在建筑节能方面的政策制定、法规实施与监管方面有许多值得我们借鉴和总结的经验,笔者拟藉此机会对日本最近的建筑节能动态进行简单介绍。在日本,最近提出了“建筑的节能与环境共存设计”的概念,所谓建筑的环境共存设计,是指建筑设计时必须把长寿命、与自然共存、节能、节省资源与能源的再循环等因素考虑进去,以保护人类赖以生存的地球环境,构筑大家参与的“环境行动”的氛围;同时,对住宅也提出了类似的概念“环境共生住宅”,并把这些因素和要求作为法规列入到地球环境建筑的法规中,即:长寿命应该将建筑看成是具有一代人乃至几代人可持续使用价值的社会资本,来进行计划、规划、设计、建设、运行和维护管理。与自然共存建筑应与自然

8、环境相互协调,与多种生物共存,成为良好社会环境的构成要素。节能减少能源的使用量、提高能源的利用效率、尽可能多地利用自然能源。节省资源与能源的再循环有效利用资源和能源,积极采用新建筑材料、新施工方法,避免浪费和损失。日本政府早在1979年就颁布了关于能源合理化使用的法律(以下简称节能法,并于1992年和1999年先后修订过两次。该法律制定的目的是,对于将要建设的新建筑,要使建设方和设计方在建筑物建设时就想方设法提高建筑物的能量利用效率;对于已建成的建筑,业主有义务根据该法律对建筑物进行节能改造。该法律的制定既不是为了控制建筑物在投入使用后的能耗总量,也不是作为罚款的依据,而是对建设方努力节能义务

9、的规定。为了使所制定的法规得以执行,日本政府为此制定了许多具体可行的监督措施和必须执行的节能标准,并有明确的节能目标;而且其节能标准是将公共建筑和住宅建筑分开制定的,公共建筑还按其使用功能不同而划分为宾馆、医院、百货商场、办公建筑、学校等5个类型,并分别给出了相应的节能标准。其中两个很重要的建筑节能判断标准值得介绍,它们是反映建筑围护结构热工性能的判断标准全年热负荷系数PAL和反映建筑物内设备系统的耗能特性的判断标准设备系统能量消费系数CEC。这两个判断标准,从对建筑本身的热工性能和建筑设备系统的能源利用效率两个方面,对所建建筑的耗能标准从规划设计阶段就开始进行定量控制。2.1全年热负荷系数P

10、AL2.1.1全年热负荷系数PAL的定义它是perimeter annual load for air2conditioning的缩略,其定义式为:PAL=建筑物周边区全年冷热负荷周边区的楼板面积之和其中,室内周边区空间是指除地下层外各层距外墙中心轴线5m水平距离内的室内部分,从屋檐以下各层的室内空间及室外相连接的地面层以上部分的空间。该周边区空间是通过外墙和外窗而直接受室外气象条件影响的建筑物的外区。建筑物周边区全年冷热负荷是指在1年中,各个房间在按用途不同预先设定的使用时间内,由于室内外温差(供暖时室内温度20或22、供冷时室内温度26通过外墙及外窗而产生的对流热、通过外墙及外窗而产生的辐

11、射热、室内周边地区的内部发热及新风等引起的冷暖负荷的总和(MJ/a,它们与空调设备的实际运行时刻表没有关系。根据节能法的规定,凡是建筑面积大于2000m2的公共建筑(办公楼、商店、宾馆、医院、学校、餐馆的建设方,在向当地政府主管部门报建时必须提交记载有该建筑物的节能判断指标(PAL,CEC计算值的设计文本。对于不同功能的公共建筑,提出了不同的PAL节能判断基准值2(见表1。表1PA L节能判断基准值M J/(m2a宾馆酒店医院百货商场办公建筑学校建设方必须达到的PAL值419356377335335建设方努力达到的PAL值377314356293293由于规模和层数越小的建筑物,建筑物的外围表

12、面与周边区的楼板面积的比值就会越大,PAL值也必然会大,为此考虑了一个规模修正系数f,规模修正系数f的值与平均层楼板面积和层数有关(见表2。表2规模修正系数f2地下层除外的楼层数平均层楼板面积3/m2<501002003001 2.40 1.68 1.32 1.202以上 2.00 1.40 1.10 1.003平均层楼板面积等于除地下层以外的地上各层楼层面积的总和与除地下层以外的地上层的层数之比。所设计建筑物的PAL(PAL节能判断基准值×f2.1.2全年热负荷系数PAL的计算为了计算各建筑物的PAL值,日本空调卫生工学会于1972年开发了动态空调负荷计算软件HASP/ACL

13、D/7101(HASP/ACLD是Heating,Air2conditioning and SanitayEngineering Program/Air2ConditioningLoad的缩略,后经多次改版,现在PAL值用HASP/ACLD/7101,8001,8502,扩张度日(EDD法进行计算。建筑物周边区全年冷热负荷包括由于室内外温差通过外墙及外窗而产生的对流热、通过外墙及外窗而产生的辐射热、室内周边区的内部发热及新风等负荷。在计算空调冷负荷时,室内温度按26考虑;计算供暖热负荷时,室内温度按22考虑,但百货商场及学校按20考虑。在利用扩张度日(EDD法计算年负荷Q时,分别按期间供暖负荷

14、Q H和期间制冷负荷Q C来考虑,即年热负荷为Q=Q H+Q C(1期间供暖负荷为Q H=24k H K TEHD(2期间制冷负荷为Q C=24k C K TECD(3式(2,(3中的k H,k C为地域修正系数。如前所述,由于在计算PAL值时空调系统的运行时间是预先统一设定的,没有考虑日本各地区由于气象条件的不同空调系统的运行时间也会不同的因素,故在此根据其用途按计算建筑物所在地区的不同进行修正。另外,式(2,(3中的EHD和ECD分别代表扩张供暖度日(d和扩张制冷度日(d,它们的定义式分别为EHD(ref,j=ref-o-I s(j+0.045I l(j(4ECD(ref,j=o-ref+

15、I s(j-0.045I l(j(5其中ref为参照温度,ref=d-;d 为设计室温,=GA pK T,G为内部发热密度,kW/m2,A p为楼板面积,m2;K T=K3+0.3V A p;K3为外墙的总传热系数,kW/(m2;0.3为空气的体积比热容,kW/(m3;V为单位面积室外新风量,m3/(m2h;=TK T,T为总日射率;=K 3K T;o为室外温度,;I s(j为外墙某方位j的日射量,kW/m2;I l(j为外墙某方位j的(长波有效辐射量,kW/m2。在具体计算PAL值时,必须注意:与办公建筑和商业建筑有所不同的是,宾馆需将客房部和非客房部、医院需将住院部和非住院部、学校需将教室

16、部和非教室部等分开后,分别进行计算。这是由于需考虑到空调高发热房间、低发热房间及非空调房间的热负荷和系统运行时间等的影响。计算对象一定是距外墙中心线5m以内的室内部分及最上层与室外接触的部分,原则上非空调房间的塔屋不计算。周边区的划分,通常是按5个区即东、南、西、北、水平(屋面划分,并对各区的楼板面积分别计算。由于受相邻建筑的影响,对于未被太阳照射的墙面应采用没有考虑日射及长波有效辐射的度日值计算。非空调房间视其用途的不同可采用不同的方法处理。例如,可视为中间夹层(如竖井等;也可从计算空间中除去。这时相邻的墙体按未被太阳照射的墙面(如顶层塔屋等处理;还可将外墙的传热系数及总日射率减半处理(如仓

17、库、空调机房等。不同用途的建筑物,根据它的使用特点设定相应的内部发热量,包括在室人数、照明亮度、内部发热设备的发热量及工作时间等的设定。根据建筑物用途的不同,确定相应用途的空调房间和非空调房间各室内周边区空间的参照温度ref。在计算地区、参照温度ref和(供暖期H、供冷期C及室内周边区空间的方位这4个参数确定后,相应的扩张供暖度日EHD值和扩张制冷度日ECD值也就可以确定了。2.1.3全年热负荷系数PAL提出的必要性全年热负荷系数PAL实际上是通过计算建筑物室内周边区空间的全年冷热负荷值,来评价外墙、外窗的隔热及保温性能。建筑物外围护结构保温性能的好坏直接影响到建筑物的空调负荷和供暖负荷的大小

18、以及将来空调设备系统常年能耗的多少。此项系数的提出,主要是为了通过控制建筑围护结构的热工性能达到控制通过建筑物外墙、外窗的热损失的目的。要建节能建筑,首先必须要让建设方、建筑师和设备工程师具有强烈的节能意识,让建筑师在方案设计的最初阶段,就必须将建筑造型与建筑节能同时结合起来考虑,最大限度地减少建筑物的围护结构热损失。2.2设备系统能量消费系数CEC2.2.1空调设备系统能量消费系数CEC AC的定义全年热负荷系数PAL是评价建筑物围护结构的保温性能的节能指标,设备系统能量消费系数CEC(coeffcient of energy consumption则是通过计算在全年假想负荷前提下设备系统的

19、全年能源消费量,来直接评价建筑物内的设备系统的能量转换率的节能指标。根据它可以评价所设计的设备系统的能源利用效率是否高、设备系统的运行管理模式是否节能。设备系统能量消费系数根据设备用途的不同又细分为空调设备系统(AC、通风换气设备系统(V、照明设备系统(L、卫生热水设备系统(HW和电梯输送设备系统(CV等的能量消费系数。对建筑面积大于2000m2的公共建筑(办公楼、商店、宾馆、医院、学校、餐馆等,根据建筑功能的不同,节能法均给出了相应的节能判断标准值。同样,建设方在向当地政府主管部门报建时,也必须提供这些系数的计算值,以此作为判断所设计系统是否节能的依据之一。这里重点介绍空调设备系统能量消费系

20、数CEC AC,该系数是根据在所计算的全年假想空调负荷前提下空调设备系统(包括冷热源设备、水泵和风机动力输送设备、末端空调设备的全年能源消费量,来评价建筑物内空调设备系统的能量利用效率的节能指标。它的定义式是:CEC AC=全年空调能源消费量全年假想空调负荷其中,全年假想空调负荷包括室内热负荷和基准室外新风负荷。在这里有一点必须指出的是,即使是对于同样的建筑、同样的年假想空调负荷,由于采用了不同的空调方式,选用了不同种类、不同型号、不同能耗效率的空调设备,采取了不同的节能控制运行模式,系统全年消耗的空调能量完全有可能不一样。显然,CEC AC值越小,所设计的空调设备系统的能量利用效率就越高。对

21、于不同功能的建筑,同样其节能判断标准也是不一样的2,见表3。表3CEC AC基准值宾馆酒店医院百货商场办公建筑学校建设方必须达到的CEC AC值2.5 2.5 1.7 1.5 1.5建设方努力达到的CEC AC值2.3 2.3 1.5 1.4 1.4该项节能判断标准的提出,对设备工程师在设计空调系统时,对系统方案的选取、设备的选型提出了具体的节能要求。由于受CEC AC判断标准值的限制,设备工程师在考虑系统方案时,必须充分考虑设计对象的建筑特点、功能要求,采用与之相适应的空调方案;同时在设备选型时,必须采用高效、节能的产品,以保证系统在投入使用后,不但能为用户创造一个舒适的工作环境,同时也使空

22、调能耗控制在合理的范围内。2.2.2空调设备系统能量消费系数CEC AC的计算CEC AC的计算也是根据日本空调卫生工学会编制的计算机数值模拟软件BECS/CEC/AC(它是将用于大型计算机的HASP/ ACLD/8501和HASP/ACSS/8502的计算软件改编成可用于个人计算机的计算软件进行模拟计算的。HASP/ACLD/8501是以不断反复迭代计算一直到空调设备的能力与热负荷、室内温湿度等平衡为原则;而BECS/CEC/AC则是以能用个人计算机为前提,然后从计算时间开始,以热量平衡为中心求解。该软件用过负荷的方式,把不能处理的负荷作为未处理负荷对待。空调机的过负荷作为返回到室内的未处理

23、房间热负荷,从分母的假想空调负荷中减去,以此作为修正;而热源设备的未处理负荷则是换算成一次能源消费量,加入到分子中进行修正。BECS/CEC/AC计算软件按功能的不同分为3大模块,分别是输入模块IOU(input output utility、热负荷计算模块STL(space thermal load、节能运行数值模拟模块SER(space energy requirement。其中,输入模块是将建筑物的建筑特征作为输入参数输入,它有3个功能,即画面输入功能、错误检查功能及输入数据变化功能;热负荷计算模块以HASP/ACLD/8501为基础进行年负荷计算,但与HASP/ACLD/8501不同的

24、是:考虑了间歇式运行工况下的空调负荷;可以不限定设备的装机容量;负荷计算时虽是将显热和潜热分开计算,但输出数据则是全热量;按房间的用途不同、季节不同,给出了室内温度的基准固定数据;节能运行数值模拟模块则是将相应的空调系统的动力设备按顺序输入,根据给出的各设备的技术参数(热量、风量、水量、电量等、运行时间、是否有节能控制措施等进行模拟运行计算。为了减少迭代的次数,根据对系统的输入描述,从空调设备上游侧(热源设备到下游侧依次进行计算。在计算过程中,还考虑了各种节能方式的采用。比方说,VAV方式、室外新风量的有效控制方式、热源设备的台数控制方式等等。例如单是在室外新风量的有效控制方式中,就提供了4种模式供选择:最小新风量;停止室外新风;最佳室外新风量;全热交换器。最初,年能量消费量是根据“全负荷相当运行时间法”手算而得的,后来由于建筑物用途的扩大,同时所设计系统引入了很多节能手法,影响变量增加,