建筑能耗的影響因素

1、建筑能耗的影響因素摘要:近年來，能源危機(jī)直接拖住了中國經(jīng)濟(jì)高速運(yùn)行的后腿，能源所引起的環(huán) 境惡化更增添了生存的憂患，如何改善生存環(huán)境、降低能源消耗、回歸簡約自 然，是21世紀(jì)中國所面臨的首要任務(wù)。除了公共建筑，居住建筑的能耗也是相 當(dāng)大的，而建筑能耗是整個節(jié)能行業(yè)的一個重要組成部分，并越來越引起人們 的關(guān)注，加強(qiáng)建筑節(jié)能工作不僅是經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，更是社會發(fā)展必須要解決 的一項(xiàng)重要和刻不容緩的工作。本文針對建筑能耗的因素來討論建筑節(jié)能問 題。影響建筑節(jié)能的因素總體上可以概括為三個方面：(1)環(huán)境的因素；(2)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身的因素；(3)設(shè)備的因素。氣候環(huán)境的因素20世紀(jì)初，德國氣候?qū)W家 Wla

2、dimir Koppen(1928)和他的學(xué)生Rudolph Geigerg一起提出了世界氣候區(qū)劃圖，并被稱為 氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)，是目前世界上應(yīng)用最廣泛的氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)。Lippsmeier于1956年按照基本氣候要素將世界氣候分為：亞熱帶區(qū)，干熱區(qū)，熱帶雨林區(qū)季風(fēng)區(qū)，濕熱區(qū)五個主要?dú)夂?區(qū)和兩個子氣候區(qū)山地區(qū)(高度為影響該地區(qū)氣候的主要因素)和海洋6氣候區(qū)。Szokolay(1987從人體熱舒適的角度，考慮空氣溫度、濕度、太陽輻射等因 素的影響，將氣候分為四個氣候區(qū)，分別為 寒冷氣候；溫和氣候；干熱氣 候;濕熱氣候；并對每個氣候區(qū)的建筑設(shè)計(jì)提出了相應(yīng)的指導(dǎo)原則和建議。這 種分區(qū)是目前建筑熱工界應(yīng)用

3、最多的分區(qū)方法。建筑能耗與氣候條件息息相關(guān)。有些嚴(yán)寒地區(qū)常年處于寒冷天氣，建筑室 內(nèi)冬季需要采暖量相對較高，如哈爾濱。而有些溫和地帶一年四季如春，室內(nèi)采暖空調(diào)設(shè)備耗能相對較少，如昆明。而我國南方絕大部分地區(qū)都處于夏熱冬 冷地區(qū)，其能耗也與其他地區(qū)具有很大差異。這里以xx氣候?yàn)槔耗暇┦袑傧臒岫涞貐^(qū)，具有夏季炎熱、太陽輻射強(qiáng)烈，冬季寒冷的特 點(diǎn)。夏季需要采用空調(diào)降溫；冬季需要采暖供熱才能保證室內(nèi)舒適的環(huán)境。對 于圍護(hù)結(jié)構(gòu)和建筑整體方案而言，要兼顧夏季隔熱和冬季的保溫兩種不盡相同 的需求。這就要求在全年的時間尺度上盡可能長時間地營造自然舒適的室內(nèi)環(huán) 境，也就是使室內(nèi)的自由溫度盡量處于舒適溫度的范

4、圍內(nèi)，減少采暖空調(diào)設(shè)備 使用的時間，求得最好的節(jié)能效果。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的因素1 .圍護(hù)結(jié)構(gòu)形狀和位置對建筑能耗的影響如朝陽方向的窗戶，首先考慮的因素是太陽得熱。雖然任何方向都可以得 到天空中的陽光漫射熱。但是，陽光直射得熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于漫射得熱量。在冬季 正午，太陽高度低，陽光可以通過南面的窗戶進(jìn)人室內(nèi)，在夏季正午，太陽高 度高，陽光直照到南面窗戶上，采用遮雨蓬或者適當(dāng)?shù)奈蓍苷诒危軌蚝芎玫?控制窗戶得熱。如果選擇活動遮陽蓬并適當(dāng)放置，既可以控制窗戶在冬季的采 光和獲得熱量，又可以調(diào)節(jié)夏季的陽光得熱。特別注意夏季對西向窗戶的陽光 得熱控制。2 .圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料對建筑能耗的影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)對熱能傳遞方式分

5、輻射、傳導(dǎo)、對流。這三種方式對建筑外圍護(hù) 結(jié)構(gòu)的影響也有所不同。熱輻射：主要發(fā)生在作為屋頂、墻體材料 一玻璃與太陽熱能之間。太陽直射熱和輻射熱被照射物吸收后，一部分轉(zhuǎn)化成物質(zhì)熱能量表征為玻 璃板材本體的溫度升高，一部分轉(zhuǎn)化為遠(yuǎn)紅外熱輻射能，還有一部分被墻體材料反 射。熱傳導(dǎo)：2 / 8主要由于建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)室內(nèi)外的溫差使熱能沿墻體、屋頂實(shí)體材料由溫度高的一側(cè)（室內(nèi)面或室外面）向溫度低的一側(cè)（室外面或室內(nèi)面）移動。熱對流:是通過空氣空間和縫隙進(jìn)行的。自然狀態(tài)下熱對流行為是豎向移動。當(dāng)熱對流發(fā)生在水平空氣層間時將發(fā)生環(huán)狀對流現(xiàn)象，此時的熱對流是最大的。垂直空氣層間的熱對流就很小。因?yàn)榇皯艉蛪w的材

6、料和熱工特性不一樣，因此傳熱方式也有區(qū)別。在熱輻射得熱中，窗戶的透射率很強(qiáng)。所以依靠透射到窗戶的紅外線和可見光得熱。而墻體主要依靠吸收太陽輻射為主，其透射率幾乎為零。因此，為了增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的的熱量，減少散熱損失，在建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中非采光部分可以采用金屬面板（鋁板、鋼板、搪瓷板等）或非金屬面板（鋁塑復(fù)合板、陶土板、人造板、石材板、陽光板等）。在對建筑物沒有過于苛刻要求的條件下應(yīng)盡量選擇非金屬面板:如采用鋁塑復(fù)合板，既保持了外表面金屬的質(zhì)感，中間阻燃的塑料板又起到了阻斷熱能侵入墻體的作用;陶土板外表面涂有二氧化欽具有自潔功能和光反射作用，中空型腔和開放式結(jié)構(gòu)有利于通風(fēng)散熱提高了墻體的隔熱性能;人造

7、板也以其保溫、隔熱阻燃的材質(zhì)和外表面多彩各異的裝飾層成為良好的節(jié)能板面材料；對于玻璃材料的選擇也有以下建議：a）采用低輻射玻璃（LOW E）以減少輻射傳熱：通過中空玻璃傳熱最多的是輻射傳熱，因此減少輻射傳熱對提高中空玻璃的隔熱能力效果十分顯著。（b）適度控制中空玻璃空氣層的厚度：中空玻璃對能量波的傳遞是通過玻璃及其內(nèi)部空氣層進(jìn)行的。改善中空玻璃空氣層結(jié)構(gòu):若在中空玻璃中沖人氫氣（Ar）等惰性氣體抑制空氣的閉環(huán)對流其U值還可進(jìn)一步降低。3 .窗墻比面積對建筑負(fù)荷的影響窗墻比是指窗戶洞口面積與房間立面單元面積（即建筑物高與開間定位線圍成的面積）的比值。不同的窗墻比對建筑負(fù)荷的影響是很大的。以下是西

8、安建筑科技大學(xué)某學(xué)生利用D e S K件對一辦公室的能耗模擬計(jì)算說明工程概況此辦公樓為一棟南北朝向的凹形建筑,共 8層 ,地下一層,地上 7層 ,總建筑高度23.9 m總建筑面積9 8 0 0 m體形系數(shù)約為0.2其標(biāo)準(zhǔn)層平面圖見圖1。建 筑結(jié)構(gòu)為框架剪力墻結(jié)構(gòu),墻身砌體:標(biāo)高 ± 0 . 0 0 0以上外墻為2 4 0厚非承重空心磚;標(biāo)高 ± 0 . 0 0 0以上內(nèi)墻為18 0 厚非承重空心磚。2）室內(nèi)參數(shù)本文房間參數(shù)設(shè)定如下:普通辦公室:每室人數(shù)為兩人，人均散熱量6 4 W,人均產(chǎn)濕量0.0 6 8 k g / h人均最低新風(fēng) 量3 0 m/ h ;每室燈光的功率設(shè)為

9、1 0 W/ m,設(shè)備最大功率設(shè)為5 0 0 W每室家具 系數(shù)為 1 0。會議室:人數(shù)設(shè)定為0.6人/ m,人均散熱量6 4 W,人均產(chǎn)濕量0.0 6 8 k g / h人均最 低新風(fēng)量3 0 m/ h ;燈光的功率設(shè)為1 0 W/ m,設(shè)備最大功率設(shè)為3 0 0 W每室的 家具系數(shù)為1 0。普通辦公室、會議室等空調(diào)房間,室內(nèi)空調(diào)溫度上限統(tǒng)一設(shè)定為26 ,溫度下限統(tǒng)一設(shè)定為22 。普通辦公室的空調(diào)運(yùn)行時間為:周一到周六上午8:0012:00，周一到周五下午3:0 06 :0 0 ;會議室的空調(diào)運(yùn)行時間為:周一到周五8 :0 0 2 2 :0 0 ,周六上午8 :0 0 1 2 :0 0。過度季

10、節(jié)的空調(diào)溫度設(shè)定采用系統(tǒng)默認(rèn)值。衛(wèi)生間、樓梯間、電梯間、走廊及儲藏室等輔助空間不作空調(diào)處理,其數(shù)值都采用系統(tǒng)默認(rèn)值。3）模擬計(jì)算結(jié)果及分析本文在東、西、南、北四個朝向上對不同窗墻面積比下的辦公樓能耗做了模擬計(jì)算。模擬計(jì)算的時間步長為一年。在作某一方向上的負(fù)荷計(jì)算時,其余方向上的窗墻面積比按滿足采光要求值設(shè)定。根據(jù)模擬所得數(shù)據(jù),繪出在東、西、南、北四個朝向上辦公樓在不同窗墻面積比下熱負(fù)荷、冷負(fù)荷及總負(fù)荷的負(fù)荷曲線（分別見圖2、圖3、圖4、圖5 ）。 4）結(jié)果分析對熱負(fù)荷的影響,北向最大。窗墻面積比每變化0 . 1 ,北熱負(fù)荷的平均變化率達(dá)到了近0 . 7 %東向次之,南向第三,向最小 ,且西向和

11、南向都是以窗墻面積比比值 0 . 4 0為限界隨窗墻面積比比值的增大熱負(fù)荷快速增加。對冷負(fù)荷的影響,西向最大,窗墻面積比每變化0 . 1 ,西冷負(fù)荷的平均變化率達(dá)到了近4 . 0 %,南向次之 ,北向第三,向最小,且窗墻面積比的微小變化在四個方向上都會引起負(fù)荷的大幅增加。對總負(fù)荷的影響,西向最大,窗墻面積比每變化0 . 1 ,西總負(fù)荷的平均變化率達(dá)到了近1 . 8 %,東向最小。比較窗墻積比對冷、熱負(fù)荷的影響可知,其對冷負(fù)荷影響大,在影響別最大的西向,冷、熱負(fù)荷的變化率差,達(dá)到了近9 0 0 0倍 ,影響差別最小的北向,冷、熱負(fù)荷的變化率差,也達(dá)到了2 0 0倍 ,可見窗墻面積比對冷負(fù)荷的影響

12、主導(dǎo)了整個建筑能量消耗水平。5）結(jié)論造成窗墻面積比對建筑負(fù)荷在各朝向影響不同的原因:5/ 8窗對建筑能耗的影響主有兩方面的因素，一是窗因受太陽輻射影響而造成的 建筑室內(nèi)輻射得熱；二是窗的熱工性能差造成夏季空調(diào)、冬季采暖室內(nèi)外溫差的 熱量損失。從太陽輻射角度考慮，冬季通過窗進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射有利于建筑節(jié) 能，而夏季太陽輻射卻又是建筑能耗增加的主要因素；從窗的熱工性能考慮，減小窗 的傳熱熱阻在冬季有利于室內(nèi)保溫，而夏季卻又不利于室內(nèi)熱量的散失。止匕在窗的熱工性能一定的情況下，最主要的因素就是太陽輻射的影響。中國 位于北半球，不同朝向墻面日輻射和峰值出現(xiàn)的時間是不同，太陽照到西向和南向 時，是一天中

13、輻射強(qiáng)度最大的時刻，太陽輻射得熱形成了建筑的大量冷負(fù)荷，因此，這就是西向和南 向窗墻面積比對建筑負(fù)荷影響較大的原因。東向和北向由于受太陽輻射的影響 因素較小，熱量的主要傳遞方式是由于窗的熱工性能所引起的溫差傳熱，當(dāng)增大窗戶面積時，通過窗的熱傳導(dǎo)引起負(fù)荷增大的幅度沒太陽輻射那么明顯，這就是為什 么東向和北向窗墻面積比對建筑負(fù)荷影響較小。設(shè)備因素1）設(shè)備組成建筑設(shè)備包括建筑電氣、供暖、通風(fēng)、空調(diào)、消防、給排水、樓宇自動化 等。建筑內(nèi)的能耗設(shè)備主要包括空調(diào)、照明、熱水供應(yīng)設(shè)備等。南方地區(qū)空調(diào) 系統(tǒng)和照明系統(tǒng)的耗能在大多數(shù)的民用建筑能耗中占主要份額，空調(diào)系統(tǒng)的能 耗更達(dá)到建筑能耗40%60%,成為建筑

14、節(jié)能的主要控制對象。2）建筑設(shè)備節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)，必須依據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w的氣候條件，首先保證室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì) 量，同時，還要提高采暖、通風(fēng)、空調(diào)和照明系統(tǒng)的能源利用效率，以實(shí)現(xiàn)國 家的節(jié)能目標(biāo)、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和能源發(fā)展戰(zhàn)略。a）合適、合理地降低設(shè)計(jì)參數(shù)當(dāng)?shù)刭Y源情況，充分考慮節(jié)能、環(huán)保、合理等因素，通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)性分析 后確定。合適、合理的降低設(shè)計(jì)參數(shù)不是消極被動地以犧牲人類的舒適、健康為前提?？照{(diào)的設(shè)計(jì)參數(shù)，夏季空調(diào)溫度可適當(dāng)提高一點(diǎn)如2526C、冬季的供暖溫度可適當(dāng)?shù)鸵稽c(diǎn)。b)建筑設(shè)備規(guī)模要合理建筑設(shè)備系統(tǒng)功率大小的選擇應(yīng)適當(dāng)。如果功率選擇過大，設(shè)備常部分負(fù)荷而非滿負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致設(shè)備工

15、作效率低下或閑置，造成不必要的浪費(fèi)。如果功率選擇過小，達(dá)不到滿意的舒適度，勢必要改造、改建，也是一種浪費(fèi)。建筑物的供冷范圍和外界熱擾量基本是固定的，出現(xiàn)變化的主要是人員熱擾和設(shè)備熱擾，因此選擇空調(diào)系統(tǒng)時主要考慮這些因素。同時，還應(yīng)考慮隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，新電氣產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，應(yīng)注意在使用周期內(nèi)所留容量能夠滿足發(fā)展 的需求。c)建筑設(shè)備設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮建筑設(shè)備之間的熱量有時起到節(jié)能作用，但是有時候則是冷熱抵消。如夏季照明設(shè)備所散發(fā)的能量將直接轉(zhuǎn)化為房間熱擾，消耗更多冷量。而冬天的照明設(shè)備所散發(fā)的熱量將增加室內(nèi)溫度，減少供熱量。所以，在滿足合理的照度 下，宜采用光通量高的節(jié)能燈，并能達(dá)到冬夏季節(jié)能要求

16、的照明燈具。d)建筑能源管理系統(tǒng)自動化建筑能源管理系統(tǒng)(EMS, Building Automation System)是建立在建筑自動 化系統(tǒng)(BAS Building Automatic System)的平臺之上，是以節(jié)能和能源的有效 利用為目標(biāo)來控制建筑設(shè)備的運(yùn)行。它針對現(xiàn)代樓宇能源管理的需要，通過現(xiàn)場總線把大樓中的功率因數(shù)、溫度、流量等能耗數(shù)據(jù)采集到上位管理系統(tǒng)，將全樓的水、電力、燃料等的用量由計(jì)算機(jī)集中處理，實(shí)現(xiàn)動態(tài)顯示、報表生成。并根據(jù)這些數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化管理，最大限度地提高能源的利用效率。BAS系統(tǒng)造價相當(dāng)于建筑物總投資的 0.5%1%,年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約率約為10%, 一般45年可回收全部費(fèi)用。e)建筑物空調(diào)方式及設(shè)備的選擇，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)刭Y源情況，充分考慮節(jié)能、環(huán)保、合理等因素，通過經(jīng)濟(jì)