國內(nèi)外建筑節(jié)能關鍵技術的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

1、國內(nèi)外建筑節(jié)能關鍵技術的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢摘要建筑能耗將是我國未來能源消費的主要增長點，建筑節(jié)能技術的研究應用將對我國未來的能源消費產(chǎn)生深遠的影響。為此，本文對當前國內(nèi)外的建筑節(jié)能關鍵技術進行了比較系統(tǒng)的總結，并從建筑物本體、建筑設備和建筑環(huán)境控制系統(tǒng)三個角度重點回顧了我國的建筑節(jié)能技術的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了取得的成果的同時研究了各種關鍵技術的發(fā)展障礙。在此基礎上，展望了我國未來建筑節(jié)能的重點發(fā)展領域，并指出了未來應該重點支持的建筑節(jié)能關鍵技術的發(fā)展方向。1國外建筑節(jié)能關鍵技術的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢1.1房間空調(diào)器在世界空調(diào)器行業(yè)中，60%的市場被日本所占有，并且在制造技術、控制技術上都處于世界最前沿?，F(xiàn)以

2、日本空調(diào)器的發(fā)展為例來說明其變遷過程?？照{(diào)器的發(fā)展過程，大致可以分為五個階段。在其發(fā)展過程中，變頻技術和人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術在房間空調(diào)器上的應用，具有劃時代的意義，它不僅為創(chuàng)造舒適環(huán)境、實現(xiàn)空調(diào)器的高效節(jié)能運行提供了技術保證，而且為VRV空調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)和發(fā)展提供了堅強的技術基礎。日本空調(diào)器的發(fā)展主要集中在三個方面。追求空調(diào)器的高效節(jié)能，特別是在1972年石油危機以后，改善壓縮機、熱交換器、風扇的性能，加強對制冷循環(huán)特性的研究，優(yōu)化制冷系統(tǒng)，實現(xiàn)了空調(diào)系統(tǒng)的小型化、低能耗、低噪音、高可靠性；追求室內(nèi)環(huán)境的高舒適性，從單一的溫度控制發(fā)展到室內(nèi)熱環(huán)境特性（如PMV等）的綜合控制，從簡單的雙位控制發(fā)展到人

3、工神經(jīng)網(wǎng)絡與模糊技術相結合的智能控制，以實現(xiàn)人們對舒適性的要求；追求空調(diào)系統(tǒng)的多功能化、多元化，從單冷型窗式空調(diào)器發(fā)展到熱回收型VRV空調(diào)系統(tǒng)，極大地拓廣了冷劑式空調(diào)系統(tǒng)的使用范圍，開辟了集中空調(diào)系統(tǒng)的新領域。到了上世紀90年代以后，人們對舒適性的要求，趨向于自然環(huán)境的特征。人們希望空調(diào)環(huán)境具有能感覺到溫度和氣流的變化、能感覺到溫暖和涼爽、有音樂聲、有芳香感和明亮感等特征。總的目的是讓人處于一個精神愉快的空調(diào)環(huán)境中，這就是人們追求的“感知空調(diào)階段或動態(tài)自然環(huán)境階段”。要實現(xiàn)這種模擬自然環(huán)境，必須采用包括“人體感覺輸入控制”、“熱環(huán)境因素綜合控制”、“空氣質(zhì)量控制”、“聲、光控制”在內(nèi)的“環(huán)境變

4、化控制技術”，環(huán)境變化控制技術的實現(xiàn)不僅需要開發(fā)出相應的傳感器，更重要的是要建立一套符合人體生理和心理需要的人工環(huán)境智能控制理論。1.2小型中央空調(diào)1.2.1美國小型中央空調(diào)發(fā)展現(xiàn)狀美國的小型中央空調(diào)普及率較高，這與其良好的居住條件以及較高的生活水平是分不開的。美國是世界第一經(jīng)濟大國，人民生活水準較高，對居住的舒適性要求也較高，這些都促進了該國家用小型中央空調(diào)的普及使用。美國的別墅型住宅(SingleHouse)具有寬敞、高大的特點，通常由中、高收入的家庭居住。由于其層高較大，具有足夠的建筑空間用于布置風道，因此在美國，風管式系統(tǒng)在家用小型中央空調(diào)中所占的比重相當大。同時，由于美國居民對家用空

5、調(diào)舒適性的要求較高，因此多采用有新風的風管式系統(tǒng)。目前，美國風管式系統(tǒng)的年產(chǎn)量約為600萬臺/a,占其家用空調(diào)產(chǎn)量的一半左右。美國的公寓型住宅適合于中、低收入的人群居住，其消費水平偏低，其家用空調(diào)的型式以窗式空調(diào)器為主，也有采用小區(qū)供冷/熱水的，一般不使用家用小型中央空調(diào)。目前美國窗式空調(diào)器年產(chǎn)量約為600萬臺/a,占其家用空調(diào)產(chǎn)量的一半左右。美國的家用小型中央空調(diào)的型式以風管式系統(tǒng)為主，其具體形式多種多樣。風管式單元空調(diào)系統(tǒng)和風管式空調(diào)箱系統(tǒng)在美國的應用都很廣泛，此外，集成了燃氣爐的家用小型中央空調(diào)系統(tǒng)在美國的應用也非常普遍。此種家用小型中央空調(diào)系統(tǒng)在供冷季由制冷機組提供冷量，在供熱季由燃氣

6、爐提供熱量，對室內(nèi)回風和新風進行處理，消除房間空調(diào)負荷，同時也可以滿足家庭生活熱水的需求。1.2.2日本小型中央空調(diào)發(fā)展現(xiàn)狀與美國以風管式系統(tǒng)為主的特點不同，日本的小型中央空調(diào)走的是一條“氟系統(tǒng)”為主的發(fā)展道路，從窗式空調(diào)器到定速分體式空調(diào)器，再到變頻分體式空調(diào)器。同樣，日本的家用小型中央空調(diào)也以變頻空調(diào)即VRV系統(tǒng)(包括一拖多)為主。VRV空調(diào)系統(tǒng)的研究起源于日本，在日本已有多家公司擁有此項技術。三洋電機、日本電器HE、松下電器產(chǎn)業(yè)、大金工業(yè)、日立制作所、東芝、三菱電機、三菱重工、夏普、長府制作所等是世界最主要的變頻空調(diào)器生產(chǎn)企業(yè)，其變頻空調(diào)系統(tǒng)及控制器的開發(fā)能力都很強，且各家均有自己的特色

7、。其中大金工業(yè)、三菱電機、日立制作所、松下電器產(chǎn)業(yè)、東芝、三菱重工、夏普等幾家擁有多元VRV系統(tǒng)的開發(fā)、生產(chǎn)能力。大金工業(yè)、三菱電機、日立制作所、東芝四家企業(yè)的產(chǎn)品比較最為先進，大金工業(yè)的市場占有率最高，約為世界60%70%。在世界空調(diào)行業(yè)中，在20世紀90年代以前，60%的市場被日本所占有，并且在設備開發(fā)和控制技術上都處于世界最前沿。這為日本發(fā)展VRV系統(tǒng)提供了技術保證。同時，日本國土面積小而人口眾多，人口密度非常大，其住宅多屬于高密度住宅，建筑結構較為緊湊。一般層高均較低，不適合于布置需要占用較大層高的風管式空調(diào)系統(tǒng)。而且日本是個國內(nèi)資源匱乏的國家，其能源消耗主要依賴于從國外進口，因此該國

8、非常強調(diào)節(jié)能。家用空調(diào)作為能源消耗大戶，其節(jié)能技術的開發(fā)尤其受到重視oVRV系統(tǒng)的節(jié)能性是其在日本得到廣泛應用的一個重要原因。另外，對于專業(yè)的空調(diào)安裝隊伍來講，VRV系統(tǒng)的安裝非常規(guī)范，施工費用低。以上這些因素決定了日本家用小型中央空調(diào)的型式以VRV系統(tǒng)為主。此外，在日本，對于比較高檔的別墅住宅，也有采用風管式系統(tǒng)的，風管式單元空調(diào)系統(tǒng)和風管式空調(diào)箱系統(tǒng)都有應用。對于面積很大的高級住宅還采用新風機組+風管式空調(diào)箱系統(tǒng)，通過新風道將室外空氣引入室內(nèi)，運行時需要關閉房間所有的窗戶，原則上可實現(xiàn)全年連續(xù)運行。對于中級住宅或規(guī)模較小的高級住宅也有采用冷/熱水機組的，在這種系統(tǒng)中，室內(nèi)末端裝置多采用落地

9、式風機盤管，當采用吊頂式風機盤管，在冬季供熱時，室內(nèi)上下溫差太大，通常輔以電熱壁毯作為輔助熱源。小型空調(diào)系統(tǒng)的控制技術，至今已取得了顯著的進步。日本空調(diào)界現(xiàn)在所關注的問題主要集中在減少空調(diào)系統(tǒng)對環(huán)境、電網(wǎng)的污染，加速空調(diào)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的技術開發(fā)方面。削減氟里昂的使用量?，F(xiàn)在小型空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑主要采用HCFC22，由于削減計劃的逐漸實施，替代制冷劑大多偏向于采用混合工質(zhì)方案，但關于采用新工質(zhì)制冷系統(tǒng)的控制問題的研究仍屬空白。解決變頻系統(tǒng)電磁兼容性問題。高次諧波會降低空調(diào)系統(tǒng)的功率因數(shù)，造成配電系統(tǒng)的容量增大。對此方面的研究雖已取得了一定進展，但仍未達到理想的效果。抑制漏電電流。壓縮機電動機采用

10、PWM控制，由電動機線圈和壓縮機外殼之間的靜電產(chǎn)生漏電電流，特別是為降低壓縮機噪聲，提高載波頻率，會使漏電電流增大。雖對壓縮機電動機進行了強化絕緣處理，但仍需在變頻回路設計上提出更好的解決辦法。提高節(jié)能效果。家庭和辦公室，其空調(diào)系統(tǒng)的能耗占絕大部分。空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能，不僅要提高單臺設備的能源利用率，而且應對全家或整棟大樓的空調(diào)設備進行綜合控制和管理，以提高節(jié)能效果。1.3綠色建筑綠色建筑是指為人類提供一個健康、舒適的工作、居住、活動的空間，同時實現(xiàn)最高效率地利用能源、最低限度地影響環(huán)境的建筑物。其內(nèi)涵既通過高新技術的研發(fā)和先進適用技術的綜合集成，極大地減少建筑對不可再生資源的消耗和對生態(tài)環(huán)境的污

11、染，并為使用者提供健康、舒適、與自然和諧的工作及生活環(huán)境。綠色建筑已經(jīng)成為一個世界性的課題，國外從80年代就已開始研究，目前已有較成體系的設計方法、評估方法，各種新技術、新材料層出不窮。一些發(fā)達國家還組織起來，共同探索實現(xiàn)建筑可持續(xù)發(fā)展的道路，如：加拿大的“綠色建筑挑戰(zhàn)”(GREENBUILDINGCHALLENGE)行動，采用新技術、新材料、新工藝，實行綜合優(yōu)化設計，使建筑在滿足使用需要的基礎上所消耗的資源、能源最少。日本頒布了住宅建設計劃法，提出“重新組織大城市居住空間(環(huán)境)”的要求，滿足21世紀人們對居住環(huán)境的需求，適應住房需求變化。歐盟國家推動“焦耳2”行動計劃，因應可持續(xù)發(fā)展的要求

12、，通過在多個歐盟國家，選擇典型的具有示范性的綠色建筑設計項目，進行綠色建筑技術示范的行動計劃。其目的是驗證各種綠色技術，例如太陽能利用技術、地熱能和水能利用技術在綠色建筑設計和實踐中的應用。德國在90年代開始推行適應生態(tài)環(huán)境的住區(qū)政策，以切實貫徹可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。法國在80年代進行了包括改善居住區(qū)環(huán)境為主要內(nèi)容的大規(guī)模住區(qū)改造工作。瑞典實施了“百萬套住宅計劃”，在居住區(qū)建設與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)方面取得了令人矚目的成就。城市生態(tài)建筑在國際上有著廣泛的影響，不少發(fā)達國家根據(jù)各自的特點進行了實踐示范。比較典型的有英國BRE的環(huán)境樣板樓、法國巴黎的聯(lián)合國教科文組織(UNESCO)的辦公樓、Integer示范

13、房屋、美國匹茲堡的CCI中心、英國新國會大廈、德國柏林的新議會大廈、法蘭克福商業(yè)銀行、澳大利亞悉尼的奧林匹克村、丹麥KAB咨詢所設計的斯科特帕肯低能耗建筑等。這些綠色生態(tài)建筑通過精妙的總體設計，結合自然通風、自然采光、太陽能利用、地熱利用、中水利用、綠色建材和智能控制等高新技術，充分展示了生態(tài)建筑的魅力和廣闊的發(fā)展前景。圍繞推廣綠色建筑的目標，國外近年來發(fā)展了一些綠色建筑評估體系，并且有相應的標準和模擬軟件來評價。例如美國LEED綠色建筑評估體系、德國的LNB、英國的BREEM評估體系、澳大利亞的NABERS、加拿大的GBTools,挪威的EcoProfile、法國的ESCALE等。此外，日本

14、和臺灣省也相繼推出了針對綠色建筑設計的評價體系。此外，在這些評估體系中都制定了定量的分級體系。例如美國的LEED，英國的BREEM評估體系、加拿大的GBTools都要求用建筑能耗模擬預測程序DOE-2對被評估建筑的能耗狀況進行詳細的模擬計算和預測；加拿大的GBTools和臺灣的綠建筑評估手冊則要求對園區(qū)的二氧化碳排放和吸收平衡、水的平衡以及建筑材料采掘、制造及運輸過程中對資源的利用及對環(huán)境對影響進行全面的定量計算，再依據(jù)其結果進行評估。對于難以定量預測的內(nèi)容，則采用定性分析、分級打分的方法。這些評估體系的制定及推廣應用對以上國家或地區(qū)在城市建設中倡導“綠色”概念，引導建造者在建設過程中注重綠色

15、和可持續(xù)發(fā)展起了重要的作用。1.4熱電冷聯(lián)供技術美國近年來熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)展迅速，熱電聯(lián)產(chǎn)裝機容量在1980-1995年的15年間由12GW增加至45GW。目前，熱電聯(lián)產(chǎn)裝機容1量已占美國總裝機容量的約7%。在日本能源供應領域中，主要以熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)為熱源的區(qū)域供熱/冷系統(tǒng)是僅次于燃氣、電力的第三大公益事業(yè)，到1996年共有132個區(qū)域供熱/冷系統(tǒng)。燃氣輪機熱電冷聯(lián)產(chǎn)和汽輪機驅(qū)動壓縮式制冷設備是日本熱電冷聯(lián)產(chǎn)的主要形式。在歐洲，歐共體的熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電量已占其總發(fā)電量的9%（其中丹麥、芬蘭和荷蘭已達到30%以上）,并計劃到2010年達到18%,這將減少二氧化碳排放1.5億t。區(qū)域供冷沒有區(qū)域供熱應用的廣泛

16、。但由于其在經(jīng)濟上的吸引力也正在世界范圍內(nèi)慢慢被提倡和應用°1962年美國在HarfordcityConnecticut建成世界上最早的區(qū)域供冷系統(tǒng)，并可同時供應蒸汽。目前，美國已有超60個區(qū)域供冷系統(tǒng)。在日本的區(qū)域供冷發(fā)展非?？?，而歐洲也已有多個熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)投入運行。同時，因為小型燃氣輪機、燃氣內(nèi)燃機和微燃機的樓宇熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)具有效率高、占地少、保護環(huán)境、減少電線損失和急突發(fā)事件等綜合功能，在近期得到了快速的發(fā)展和應用。1.5智能建筑和智能控制技術智能建筑的發(fā)展不僅產(chǎn)生了如前文所述的智能大廈，而且產(chǎn)生了智能住宅。智能住宅己經(jīng)成為21世紀住宅的主流?，F(xiàn)代社會家庭成員正在以追求家庭

17、智能化帶來的多元化信息和安全、舒適的生活環(huán)境作為理想目標。智能住宅采用智能管理和控制的方法，將居室內(nèi)各種安全措施、信息設備及家用電器，通過家庭總線系統(tǒng)連接起來，構成完整的家庭智能系統(tǒng)，并以信息網(wǎng)絡為紐帶與小區(qū)物業(yè)管理系統(tǒng)互聯(lián)，形成開放式的小區(qū)節(jié)理體系。智能住宅的發(fā)展幾乎與智能大廈同步。早在1979年，美國斯坦福研究所提出家庭總線的概念。1989年推出了將電力供應、空調(diào)控制和數(shù)據(jù)通訊合成為整體的布線系統(tǒng)示范單元。美國住宅以分散別墅型住宅群為主，因此，對獨立單元型住宅智能化技術的研究相對成熟，如安保、防火、周界報警等。歐洲在1986年把集成化的家庭系統(tǒng)研究列為尤利卡計劃，大力進行研究。80年代，歐

18、洲電氣標準化委員會制定了家用數(shù)字總線標準，進一步規(guī)范化了智能住宅技術標準。日本住宅智能化技術的發(fā)展規(guī)律與美國類似，即開發(fā)、設計、施工規(guī)模化與集成化；以人為本，注重功能，兼顧未來發(fā)展與環(huán)境保護；大量采用新材料、新技術：充分利用信息、網(wǎng)絡、控制與人工智能技術，住宅技術現(xiàn)代化。在80年代，日本將家用電器、安保設備、通訊設備功能綜合后，提出了家庭自動化的新構想。1988年，建立了住宅信息化促進會，主要開展家庭總線技術的研究，并且公布了總線標準。近年來，為了適應大型住宅小區(qū)的需要，又提出了超級家庭總線系統(tǒng)的概念。1996年，日本推出多媒體住宅樣板計劃，將多媒體技術引入智能住宅。在東南亞，新加坡的智能住宅

19、技術研究則處于領先水平。2未來我國建筑節(jié)能關鍵技術展望和建議2.1建筑節(jié)能發(fā)展的重點領域建筑節(jié)能并不意味限制發(fā)展，正確的建筑節(jié)能觀，應該以提高建筑物的能量利用效率，同時盡量降低建筑物的固有能耗，用最小的能源消費代價取得最大的經(jīng)濟和社會效益，滿足日益增長的需求為目標，走可持續(xù)發(fā)展的道路。建筑節(jié)能工作應該同時從兩個角度同時展開。一方面是降低房間的冷、熱負荷，通過合理的建筑設計及采用新型的節(jié)能建筑材料解決減少房間負荷（圍護結構傳熱、新風得熱及房間內(nèi)人員、燈光、設備等的得熱量）的問題；另一方面通過提高建筑耗能系統(tǒng)（冷/熱源、輸配系統(tǒng)和末端設備）的效率降低為滿足冷、熱負荷的要求而消耗的能量。從新建建筑和

20、既有建筑角度看，因為根據(jù)世界銀行的預測，到2015年民用建筑保有量的一半是2000年以后新建的，而既有建筑的節(jié)能改造工作的開展相對比較困難，所以近期應該優(yōu)先考慮新建建筑的節(jié)能，包括建筑節(jié)能標準的制定和實施、建筑物和建筑設備的新技術開發(fā)和應用等。從建筑類型看，民用建筑應該更側重于新建建筑的建筑物本體的節(jié)能技術和優(yōu)化設計，兼顧發(fā)展建筑設備新技術；商業(yè)建筑和公共建筑則更應該側重于空調(diào)和采暖系統(tǒng)及照明設備方面的新技術和優(yōu)化控制技術，對新建商業(yè)建筑的空調(diào)采暖系統(tǒng)技術更新和對既有商業(yè)建筑的系統(tǒng)節(jié)能改造技術應該同時推動。此外，在對建筑節(jié)能技術的研發(fā)、應用加大支持力度的同時，應該從節(jié)能體制方面推動建筑節(jié)能工作，如建立基于市場的建筑節(jié)能機制、強化貫徹實施建筑節(jié)能標準、推動供熱/冷計量收費制度、制定建筑節(jié)能經(jīng)濟激勵措施等。2.2建筑節(jié)能的關鍵技術展望和建議通過前文分析結果，建議我國政府在“十一五”期間及中長期未來把下列建筑節(jié)能關鍵技術作為發(fā)展重點，并予以政策及資金方面的支持。2.2.1建筑物本體的關鍵節(jié)能技術(1) 節(jié)能型墻體材料、門窗、保溫及米光技術(2) 建筑低能耗圍護結構組合優(yōu)化設計方法(3) 利用