建筑能耗的影响因素.doc

1、建筑能耗的影响因素摘 要：近年来，能源危机直接拖住了中国经济高速运行的后腿，能源所引起的环境恶化更增添了生存的忧患，如何改善生存环境、降低能源消耗、回归简约自然，是 21 世纪中国所面临的首要任务。除了公共建筑，居住建筑的能耗也是相当大的，而建筑能耗是整个节能行业的一个重要组成部分，并越来越引起人们的关注，加强建筑节能工作不仅是经济建设的需要，更是社会发展必须要解决的一项重要和刻不容缓的工作。本文针对建筑能耗的因素来讨论建筑节能问题。影响建筑节能的因素总体上可以概括为三个方面：(1)环境的因素；(2)建筑围护结构本身的因素；(3)设备的因素。 气候环境的因素20 世纪初，德国气候学家 Wlad

2、imir Koppen(1928)和他的学生 Rudolph Geigerg 一起提出了世界气候区划图，并被称为气候区划标准，是目前世界上应用最广泛的气候区划标准 。Lippsmeier 于 1956 年按照基本气候要素将世界气候分为:亚热带区，干热区，热带雨林区季风区， 湿热区五个主要气候区和两个子气候区山地区(高度为影响该地区气候的主要因素)和海洋 6气候区 。Szokolay(1987 从人体热舒适的角度， 考虑空气温度、湿度、太阳辐射等因素的影响，将气候分为四个气候区，分别为寒冷气候;温和气候;干热气候;湿热气候;并对每个气候区的建筑设计提出了相应的指导原则和建议。这种分区是目前建筑热

3、工界应用最多的分区方法 。建筑能耗与气候条件息息相关。有些严寒地区常年处于寒冷天气，建筑室内冬季需要采暖量相对较高，如哈尔滨。而有些温和地带一年四季如春，室内采暖空调设备耗能相对较少，如昆明。而我国南方绝大部分地区都处于夏热冬冷地区，其能耗也与其他地区具有很大差异。这里以南京气候为例：南京市属夏热冬冷地区，具有夏季炎热、太阳辐射强烈，冬季寒冷的特点。夏季需要采用空调降温；冬季需要采暖供热才能保证室内舒适的环境。对于围护结构和建筑整体方案而言，要兼顾夏季隔热和冬季的保温两种不尽相同的需求。这就要求在全年的时间尺度上尽可能长时间地营造自然舒适的室内环境，也就是使室内的自由温度尽量处于舒适温度的范围

4、内，减少采暖空调设备使用的时间，求得最好的节能效果。 建筑围护结构的因素1.围护结构形状和位置对建筑能耗的影响如朝阳方向的窗户，首先考虑的因素是太阳得热。虽然任何方向都可以得到天空中的阳光漫射热。 但是， 阳光直射得热量远远大于漫射得热量。 在冬季正午， 太阳高度低，阳光可以通过南面的窗户进人室内， 在夏季正午， 太阳高度高， 阳光直照到南面窗户上， 采用遮雨蓬或者适当的屋檐遮蔽， 能够很好的控制窗户得热。如果选择活动遮阳蓬并适当放置，既可以控制窗户在冬季的采光和获得热量，又可以调节夏季的阳光得热。特别注意夏季对西向窗户的阳光得热控制。2.围护结构的材料对建筑能耗的影响围 护 结 构 对 热

5、能 传 递 方 式 分 辐 射 、 传 导 、 对 流 。 这 三 种 方 式 对 建 筑 外 围 护 结 构 的影 响 也 有 所 不 同 。 热 辐 射 :主 要 发 生 在 作 为 屋 顶 、 墙 体 材 料 玻 璃 与 太 阳 热 能 之 间 。太 阳 直 射 热 和 辐 射 热 被 照 射 物 吸 收 后 ， 一 部 分 转 化 成 物 质 热 能 量 表 征 为 玻 璃 板 材 本 体 的温 度 升 高 ， 一 部 分 转 化 为 远 红 外 热 辐 射 能 ， 还 有 一 部 分 被 墙 体 材 料 反 射 。 热 传 导 :主要 由 于 建 筑 外 围 护 结 构 室 内 外

6、的 温 差 使 热 能 沿 墙 体 、 屋 顶 实 体 材 料 由 温 度 高 的 一 侧(室 内 面 或 室 外 面 )向 温 度 低 的 一 侧 (室 外 面 或 室 内 面 )移 动 。 热 对 流 :是 通 过 空 气 空 间和 缝 隙 进 行 的 。 自 然 状 态 下 热 对 流 行 为 是 竖 向 移 动 。 当 热 对 流 发 生 在 水 平 空 气 层 间 时 将发 生 环 状 对 流 现 象 ， 此 时 的 热 对 流 是 最 大 的 。 垂 直 空 气 层 间 的 热 对 流 就 很 小 。因 为 窗 户 和 墙 体 的 材 料 和 热 工 特 性 不 一 样 ， 因 此

7、 传 热 方 式 也 有 区 别 。 在 热 辐 射 得 热 中 ，窗 户 的 透 射 率 很 强 。 所 以 依 靠 透 射 到 窗 户 的 红 外 线 和 可 见 光 得 热 。 而 墙 体 主 要 依 靠 吸收 太 阳 辐 射 为 主 ， 其 透 射 率 几 乎 为 零 。因 此 ， 为 了 增 加 围 护 结 构 的 的 热 量 ， 减 少 散 热 损 失 ， 在 建 筑 外 围 护 结 构 中 非 采 光 部分 可 以 采 用 金 属 面 板 (铝 板 、 钢 板 、 搪 瓷 板 等 )或 非 金 属 面 板 (铝 塑 复 合 板 、 陶 土 板 、人 造 板 、 石 材 板 、 阳

8、 光 板 等 )。 在 对 建 筑 物 没 有 过 于 苛 刻 要 求 的 条 件 下 应 尽 量 选 择 非 金属 面 板 :如 采 用 铝 塑 复 合 板 ， 既 保 持 了 外 表 面 金 属 的 质 感 ， 中 间 阻 燃 的 塑 料 板 又 起 到 了阻 断 热 能 侵 入 墙 体 的 作 用 ;陶 土 板 外 表 面 涂 有 二 氧 化 钦 具 有 自 洁 功 能 和 光 反 射 作 用 ， 中空 型 腔 和 开 放 式 结 构 有 利 于 通 风 散 热 提 高 了 墙 体 的 隔 热 性 能 ;人 造 板 也 以 其 保 温 、 隔热 阻 燃 的 材 质 和 外 表 面 多 彩

9、 各 异 的 装 饰 层 成 为 良 好 的 节 能 板 面 材 料 ； 对 于 玻 璃 材 料 的 选择 也 有 以 下 建 议 ： a)采 用 低 辐 射 玻 璃 (LOW 一 E)以 减 少 辐 射 传 热 :通 过 中 空 玻 璃 传 热 最多 的 是 辐 射 传 热 ， 因 此 减 少 辐 射 传 热 对 提 高 中 空 玻 璃 的 隔 热 能 力 效 果 十 分 显 著 。 (b)适度 控 制 中 空 玻 璃 空 气 层 的 厚 度 :中 空 玻 璃 对 能 量 波 的 传 递 是 通 过 玻 璃 及 其 内 部 空 气 层 进行 的 。 (c)改 善 中 空 玻 璃 空 气 层

10、结 构 :若 在 中 空 玻 璃 中 冲 人 氢 气 (Ar)等 惰 性 气 体 抑 制空 气 的 闭 环 对 流 其 U 值 还 可 进 一 步 降 低 。3.窗墙比面积对建筑负荷的影响窗墙比是指窗户洞口面积与房间立面单元面积( 即建筑物高与开间定位线围成的面积) 的比值。不同的窗墙比对建筑负荷的影响是很大的。 以下是西安建筑科技大学某学生利用 D e S T 软件对一办公室的能耗模拟计算说明工程概况此办公楼为一栋南北朝向的凹形建筑,共 8 层,地下一层, 地上 7 层, 总建筑高度 2 3 . 9 m , 总建筑面积 9 8 0 0 m, 体形系数约为 0 . 2 , 其标准层平面图见图

11、1 。建筑结构为框架剪力墙结构,墙身砌体:标高 0 . 0 0 0 以上外墙为 2 4 0 厚非承重空心砖; 标高 0 . 0 0 0 以上内墙为 1 8 0 厚非承重空心砖。2）室内参数本文房间参数设定如下:普通办公室: 每室人数为两人, 人均散热量 6 4 W, 人均产湿量 0 . 0 6 8 k g / h , 人均最低新风量 3 0 m/ h ; 每室灯光的功率设为 1 0 W/ m, 设备最大功率设为 5 0 0 W, 每室家具系数为 1 0 。会议室 : 人数设定为 0 . 6 人/ m, 人均散热量 6 4 W, 人均产湿量 0 . 0 6 8 k g / h ,人均最低新风量

12、3 0 m/ h ;灯光的功率设为 1 0 W/ m, 设备最大功率设为 3 0 0 W, 每室的家具系数为 1 0 。普通办公室、会议室等空调房间, 室内空调温度上限统一设定为 2 6 , 温度下限统一设定为 2 2 。普通办公室的空调运行时间为: 周一到周六上午 8 : 0 0 1 2 : 0 0 , 周一到周五下午 3 : 0 0 6 : 0 0 ; 会议室的空调运行时间为: 周一到周五 8 : 0 0 2 2 : 0 0 , 周六上午 8 : 0 0 1 2 : 0 0 。过度季节的空调温度设定采用系统默认值。卫生间、 楼梯间、 电梯间、 走廊及储藏室等辅助空间不作空调处理, 其数值都

13、采用系统默认值。3） 模拟计算结果及分析本文在东、 西、 南、 北四个朝向上对不同窗墙面积比下的办公楼能耗做了模拟计算。模拟计算的时间步长为一年。 在作某一方向上的负荷计算时,其余方向上的窗墙面积比按满足采光要求值设定。根据模拟所得数据, 绘出在东、 西、 南、 北四个朝向上办公楼在不同窗墙面积比下热负荷、冷负荷及总负荷的负荷曲线( 分别见图 2 、 图 3 、 图 4 、 图 5 ) 。4）结果分析对热负荷的影响, 北向最大。窗墙面积比每变化 0 . 1 , 北热负荷的平均变化率达到了近 0 . 7 %, 东向次之, 南向第三,向最小,且西向和南向都是以窗墙面积比比值 0 . 4 0 为限界

14、随窗墙面积比比值的增大热负荷快速增加。对冷负荷的影响, 西向最大, 窗墙面积比每变化 0 . 1 , 西冷负荷的平均变化率达到了近 4 . 0 %, 南向次之, 北向第三,向最小,且窗墙面积比的微小变化在四个方向上都会引起负荷的大幅增加。对总负荷的影响, 西向最大, 窗墙面积比每变化 0 . 1 , 西总负荷的平均变化率达到了近 1 . 8 %, 东向最小。比较窗墙积比对冷、 热负荷的影响可知, 其对冷负荷影响大, 在影响别最大的西向, 冷、 热负荷的变化率差, 达到了近 9 0 0 0 倍,影响差别最小的北向,冷、热负荷的变化率差,也达到了 2 0 0 倍,可见窗墙面积比对冷负荷的影响主导了

15、整个建筑能量消耗水平。5）结论造成窗墙面积比对建筑负荷在各朝向影响不同的原因: 窗对建筑能耗的影响主有两方面的因素, 一是窗因受太阳辐射影响而造成的建筑室内辐射得热;二是窗的热工性能差造成夏季空调、 冬季采暖室内外温差的热量损失。从太阳辐射角度考虑,冬季通过窗进入室内的太阳辐射有利于建筑节能, 而夏季太阳辐射却又是建筑能耗增加的主要因素; 从窗的热工性能考虑, 减小窗的传热热阻在冬季有利于室内保温, 而夏季却又不利于室内热量的散失。此, 在窗的热工性能一定的情况下, 最主要的因素就是太阳辐射的影响。中国位于北半球, 不同朝向墙面日辐射和峰值出现的时间是不同, 太阳照到西向和南向时, 是一天中辐

16、射强度最大的时刻, 太阳辐射得热形成了建筑的大量冷负荷 , 因此, 这就是西向和南向窗墙面积比对建筑负荷影响较大的原因。东向和北向由于受太阳辐射的影响因素较小,热量的主要传递方式是由于窗的热工性能所引起的温差传热, 当增大窗户面积时, 通过窗的热传导引起负荷增大的幅度没太阳辐射那么明显,这就是为什么东向和北向窗墙面积比对建筑负荷影响较小。 设备因素1）设备组成建 筑 设 备 包 括 建 筑 电 气 、 供 暖 、 通 风 、 空 调 、 消 防 、 给 排 水 、 楼 宇 自 动 化 等 。建 筑 内 的 能 耗 设 备 主 要 包 括 空 调 、 照 明 、 热 水 供 应 设 备 等 。

17、南 方 地 区 空 调 系 统 和 照 明 系统 的 耗 能 在 大 多 数 的 民 用 建 筑 能 耗 中 占 主 要 份 额 ， 空 调 系 统 的 能 耗 更 达 到 建 筑 能 耗40% 60%， 成 为 建 筑 节 能 的 主 要 控 制 对 象 。2） 建 筑 设 备 节 能 设 计 应 注 意 的 问 题建 筑 的 节 能 设 计 ， 必 须 依 据 当 地 具 体 的 气 候 条 件 ， 首 先 保 证 室 内 热 环 境 质 量 ， 同 时 ，还 要 提 高 采 暖 、 通 风 、 空 调 和 照 明 系 统 的 能 源 利 用 效 率 ， 以 实 现 国 家 的 节 能 目

18、 标 、 可 持续 发 展 战 略 和 能 源 发 展 战 略 1。 a)合 适 、 合 理 地 降 低 设 计 参 数 当 地 资 源 情 况 ， 充 分 考 虑 节 能 、 环 保 、 合 理 等 因 素 ， 通 过 经 济 技 术 性 分 析 后 确 定 。合 适 、 合 理 的 降 低 设 计 参 数 不 是 消 极 被 动 地 以 牺 牲 人 类 的 舒 适 、 健 康 为 前 提 。 空 调 的 设计 参 数 ， 夏 季 空 调 温 度 可 适 当 提 高 一 点 如 25 26 、 冬 季 的 供 暖 温 度 可 适 当 低 一 点 。 b)建 筑 设 备 规 模 要 合 理 建

19、 筑 设 备 系 统 功 率 大 小 的 选 择 应 适 当 。 如 果 功 率 选 择 过 大 ， 设 备 常 部 分 负 荷 而 非 满负 荷 运 行 ， 导 致 设 备 工 作 效 率 低 下 或 闲 置 ， 造 成 不 必 要 的 浪 费 。 如 果 功 率 选 择 过 小 ， 达不 到 满 意 的 舒 适 度 ， 势 必 要 改 造 、 改 建 ， 也 是 一 种 浪 费 。 建 筑 物 的 供 冷 范 围 和 外 界 热 扰量 基 本 是 固 定 的 ， 出 现 变 化 的 主 要 是 人 员 热 扰 和 设 备 热 扰 ， 因 此 选 择 空 调 系 统 时 主 要 考虑 这 些

20、 因 素 。 同 时 ， 还 应 考 虑 随 着 社 会 经 济 的 发 展 ， 新 电 气 产 品 不 断 涌 现 ， 应 注 意 在 使用 周 期 内 所 留 容 量 能 够 满 足 发 展 的 需 求 。 c） 建 筑 设 备 设 计 应 综 合 考 虑 建 筑 设 备 之 间 的 热 量 有 时 起 到 节 能 作 用 ， 但 是 有 时 候 则 是 冷 热 抵 消 。 如 夏 季 照 明 设备 所 散 发 的 能 量 将 直 接 转 化 为 房 间 热 扰 ， 消 耗 更 多 冷 量 。 而 冬 天 的 照 明 设 备 所 散 发 的 热量 将 增 加 室 内 温 度 ， 减 少 供

21、 热 量 。 所 以 ， 在 满 足 合 理 的 照 度 下 ， 宜 采 用 光 通 量 高 的 节 能灯 ， 并 能 达 到 冬 夏 季 节 能 要 求 的 照 明 灯 具 。 d） 建 筑 能 源 管 理 系 统 自 动 化建 筑 能 源 管 理 系 统 （ EMS， Building Automation System） 是 建 立 在 建 筑 自 动 化系 统 （ BAS， Building Automatic System） 的 平 台 之 上 ， 是 以 节 能 和 能 源 的 有 效 利 用为 目 标 来 控 制 建 筑 设 备 的 运 行 。 它 针 对 现 代 楼 宇 能 源

22、 管 理 的 需 要 ， 通 过 现 场 总 线 把 大 楼中 的 功 率 因 数 、 温 度 、 流 量 等 能 耗 数 据 采 集 到 上 位 管 理 系 统 ， 将 全 楼 的 水 、 电 力 、 燃 料等 的 用 量 由 计 算 机 集 中 处 理 ， 实 现 动 态 显 示 、 报 表 生 成 。 并 根 据 这 些 数 据 实 现 系 统 的 优化 管 理 ， 最 大 限 度 地 提 高 能 源 的 利 用 效 率 。 BAS 系 统 造 价 相 当 于 建 筑 物 总 投 资 的0.5% 1%， 年 运 行 费 用 节 约 率 约 为 10%， 一 般 4 5 年 可 回 收 全

23、 部 费 用 。 e） 建 筑 物 空 调 方 式 及 设 备 的 选 择 ， 应 根 据 当 地 资 源 情 况 ， 充 分 考 虑 节 能 、 环 保 、合 理 等 因 素 ， 通 过 经 济 技 术 性 分 析 后 确 定 。总 结随着建筑节能工作的开展和人们对能源、环境等问题的日益重视，我国也已开展了零能耗建筑的研究。研究思路主要集中在太阳能利用技术方面，对于被动式的技术方法研究还未见有实质性开展。巨大的能源需求必将对我国今后的能源使用模式产生重要的影响，甚至会严重影响我国的经济发展。如果仍然按部就班，那么势必会出现时间更长、涉及面更广的“电荒”现象。因此，本着与时俱进的科学发展观，发展该地区的低能耗、建筑节能研究所面临的问题迫在眉睫。我们需要深入研究建筑能耗的影响，才能更好的解决能源的消耗问题。