建筑節能技術發展研究分析
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【摘要】我國建筑節能經歷了三個指標階段，目前已有的城市開始執行75%的節能指標，各種節能技術支撐著建筑物逐步的降低能耗，近些年發展的被動式超低能耗建筑引領著建筑節能，近零能耗建筑是建筑節能的發展目標。提高圍護結構保溫效果，提高總的能源利用效率，可再生能源的應用，被動式建筑技術是達到近零能耗建筑的基本措施。
【關鍵詞】建筑節能;可再生能源;被動式建筑;
近零能耗建筑節能技術在國內推廣了幾十年，得到了快速的發展，已由上世紀80年代僅僅注重建筑物圍護結構，發展到注重建筑物全生命周期的能耗。從初期的側重節能各項參數發展到低能耗建筑技術的應用。并最終建造近零能耗的建筑。維持良好的室內環境是建筑物的一種基本功能，我國地域多種氣候環境，為了人們的生存、健康和生活舒適，建筑圍護結構應做好保溫隔熱，提高室內環境質量，提高各種功能設施能效，使節能建筑達到近零能耗建筑目標。
1建筑節能指標
上世紀提出的建筑節能，是為減少建筑物的熱能的散失，被稱為“提高建筑中的能源利用率”，在保證建筑物正常使用條件下節省能耗。進入新世紀的建筑節能概念，涵蓋了建筑材料生產、建筑物建造和運營過程中，滿足需要或達到相同條件下，在建筑物全壽命周期盡可能減少能耗。我國建筑節能是以1980－1981年的居住建筑能耗為基礎，在此基礎上提高能效30%，通常說的第一步節能30%標準;第二步節能是在第一步節能的基礎上再節約30%，即節能50%標準;第三步節能是在第二步節能的基礎上再節約30%，即節能65%標準。目前，我國住宅和公共建筑已強制執行節能50%的標準，一些大中城市開始執行節能65%的標準，北京、天津等城市在居住建筑方面已經開始執行節能75%的標準。建筑節能基本上是50%、65%、75%都在實施，一般情況是發達的省市節能率標準較高。針對建筑節能達到75%的指標以后，建筑節能如何實施和要求，是否再進一步制定百分比的節能目標，對此有不同的意見，有的提出再以75%為起點，再制定兩個百分比形成對應30%、50%、65%指標后的第二個深入三步節能。而在國際上，建筑節能先進國家已提出近零能耗建筑的概念和技術，并開始實施。我國建筑節能的發展方向及目標是建筑近零能 耗甚至是零能耗。住建部制定的《被動式超低能耗綠色建筑技術導則(試行)(居住建筑)》標準實施，將對于建筑節能得到進一步的提升。2016年7月，由中國建筑科學研究院會主編的國家標準《近零能耗建筑技術標準》開始編制。在評價指標上，現在全國普遍執行的是65%節能標準，該標準與近零能耗建筑的要求差距很大，如要達到近零能耗標準需要在這個基礎上再降低85%～95%，這是一個跨越式發展。近零能耗建筑的要求，并不單一強調追求某一項技術參數，而是全面的采用節能技術，使其運營的能耗指標降低到規定的范圍。立足我國國情，特別是考慮氣候特征的因素。因地制宜建立我國不同氣候區不同建筑的近零能耗建筑的耗能量。
2建筑節能措施
我國建筑節能自上個世紀80年初開始，從政策到技術都在不斷推進和發展，在建筑節能三步指標中，都具體的對應著不同的技術要求和各項技術參數的規定，并對應著具體的檢驗標準。從政策、技術和管理等都有一整套的制度、措施和方法。目前，建筑物的節能減排取得了顯著的成效，縮小了和發達國家的差距，在世界上取得了公認的成果。
2.1標準
自上世紀八十年代年以來，我國相繼出臺了多項建筑節能政策。目前，我國具有了設計、施工、驗收、運行、材料設備，評價管理等一系列較完善的建筑節能標準體系，支撐和保證了各個階段節能工作的順利推進。我國于1986年8月1日起實施第一階段節能30%的JGJ26－86《民用建筑節能設計標準(采暖居住建筑部分)》開始了我國建筑節能走向標準化。之后又了多種標準支撐著建筑節能工作，目前，設計標準有:JGJ26－2010《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》、JGJ134－2010《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》、JGJ75－2012《夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準》、GB50189－2015《公共建筑節能設計標準》。測試驗收規范有:JGJ132－2009《居住建筑節能檢測標準》、JGJ/T177－2009《公共建筑節能檢測標準》、GB50411－2007《建筑節能工程施工質量驗收規范》。評價規范有:GB/T50668－2011《節能建筑評價標準》、GB/T50378－2014《綠色建筑評價標準》、GB/T51165－2016《綠色飯店建筑評價標準》。還有JGJ/T391－2016《綠色建筑運行維護技術規范》及各項節能技術、材料、設備等眾多標準。
2.2節能措施
2.2.1建筑規劃與設計
建筑規劃應合理利用地形和周圍環境，利用自然環境創造良好的建筑室內微氣候，以盡量減少依賴建筑設備。建筑的總體規劃和總平面設計應有利于自然通風和冬季日照。建筑的主朝向宜選擇本地區最佳朝向或適宜朝向，宜避開冬季主導風向。建筑設計應遵循被動節能措施優先的原則，充分利用天然采光、自然通風，結合圍護結構保溫隔熱和遮陽措施，降低建筑的用能需求。建筑的節能設計應考慮日照、主導風向、自然通風、朝向、體形系數、墻窗比、遮陽等因素。
2.2.2提高圍護結構保溫效果
規定建筑圍護結構熱工性能參數限值，改善建筑物圍護結構的熱工性能，減少室內外熱量傳入，改善了建筑熱環境，從而減少建筑物冷、熱能量消耗。改善門窗材料的保溫隔熱性能和提高門窗的密閉性能，保溫地面減少地面熱損失。屋頂的保溫，在屋頂防水層下設置導熱系數小的輕質材料或在屋面防水層以上設置聚苯乙烯泡沫等保溫材料，屋頂采用綠化等技術。
2.2.3提高總的能源利用效率
提倡熱源宜采用廢熱或工業余熱，規定鍋爐運行效率，集中供暖系統耗電輸熱比、空調冷(熱)水系統耗電輸冷、室外管網的輸送效率，熱力管網安裝平衡閥保障系統水力平衡率達到要求。地源熱泵系統設計應選用高能效水源熱泵機組，并宜采取降低循環水泵輸送能耗等節能措施，提高地源熱泵系統的能效。采用余熱回收技術，通常情況下，建筑物的新風負荷占總負荷的35%左右，采用熱回收效率達75%的裝置，極大地減少新風負荷。在供暖系統采用分戶計量技術，在用戶散熱器上安設溫控閥，用戶可根據個性需要調控室內溫度，以達到既舒適又節能的效果。
2.2.4能源系統自動監控技術
采用能源管理和自動監測控制系統，監控室內的舒適度、空氣品質和能量消耗情況。對供暖通風與空氣調節系統應進行監測與控制。供暖空調系統設置室溫調控裝置;供暖系統安裝自動溫度控制閥。利用平衡閥及其專用智能儀表對供熱管網的流量進行合理分配，既保證供暖質量，又可以節約能耗。
2.3利用新能源
通過對建筑工程當地環境資源條件和技術經濟的分析，結合國家相關政策，優先應用可再生能源。建筑設計宜充分利用太陽能，采用光熱或光伏技術的應用及與建筑一體化系統。大力推廣熱泵技術，將低溫能源提升為可供建筑物應用的能源，推廣應用太陽能、地熱能、風能、生物質能等可再生能源技術。對采用可再生能源技術推出了資助的經濟鼓勵政策。地源熱泵的推廣應用，為建筑物減少常規能源使用尋求出一個重要的途徑，并已作為一種成熟技術廣泛的應用于各類建筑中。空氣能采用熱泵技術近幾年發展迅速，并得到了政府和社會的廣泛認可，近幾年一些地方已將空氣能列入可再生能源。空氣源熱泵供應熱水提高了居住環境質量，空氣源熱泵供暖不僅在北方村鎮的供暖中得到了大力推廣和“煤改電”的工程中發揮了主要技術作用，并且在集中供暖中已在幾十萬m2居住小區成功應用。
3零能耗節能建筑
近零能耗建筑在歐美發達國家已經成為建筑節能發展的最新趨勢，我國建筑節能工作通過近30年的發展，目前，需要樹立一個新的目標，國內節能減排的發展形勢要求建筑節能做出更大貢獻。近零能耗建筑發展方向是我國建筑節能工作的大勢所趨，也是我國建筑節能的發展目標。
3.1零能耗的概念
1992年，德國的Voss.K提出零能源建筑，是不消耗常規能源建筑，完全依靠太陽能或者其它可再生能源。由于實現零能耗建筑較為困難且成本較高，目前，歐洲公認的可實施的為“近零能耗建筑”。對于“近零能耗建筑”，各國定義不同，如德國的“被動房”也為零能耗建筑，指在滿足規范要求的舒適度和健康標準的前提下，全年供暖通風空調系統的能耗在0～15kW•h/(m2.a)的范圍內，建筑物總能耗低于120kW•h/(m2•a)的建筑。
3.2零能耗節能技術
零能耗建筑進行設計，通過被動式技術使建筑物能耗達到最小，主動式技術實現設備的高效率運行，利用太陽能和地熱能等可再生能源滿足建筑物對能源的需求，達到建筑物零能耗運行的節能效果。我國發展被動式超低能耗建筑，同時也要發展綠色建筑材料來實現符合中國特色的超低能耗建筑的發展。綠色建筑材料和高效能設備是發展中國被動式建筑重要的基礎，被動式建筑需高效的保溫材料，高性能的圍護結構，高效能的可再生能源利用設備及熱回收的新風系統。3.2.1建筑規劃與設計綠色節能技術是通過科學的整體沒計，充分利用自然風、光、水、熱資源，集成綠色配置、自然通風、自然采光、低能耗圍護結構、新能源利用、綠色建材和智能控制等高新技術。建筑選址規劃應合理、資源利用具有高效、綜合節能措施有效、建筑環境舒適健康、廢物排放減量無害、建筑功能靈活適宜等六大特點。不僅滿足人們的生理和心理需求，而且能源和資源的消耗更為經濟合理。綠建規劃設計，考慮日照、通風，為合理利用太陽能和光電、光熱創造有利條件。3.2.2圍護結構利用新型綠色建筑材料，盡可能的減少建筑物能量消耗，優化外墻保溫技術，對地面、屋面加強保溫處理。墻體可采用儲能材料，利用建筑結構自身的熱容特性，在保證建筑結構溫度的基礎上儲存能源。提高外窗的氣密性，減小傳熱系數，能夠達到德國被動式建筑對門窗的要求，除采用中空玻璃的low－E窗外，還應內充惰性氣體，采用夏季可有效遮擋太陽輻射，冬季可利用陽光獲取熱能進行保溫的熱發射鍍膜玻璃等新型玻璃。3.2.3提高能源的使用效率提高冷熱源設備能效，降低系統自身的耗能，提高系統輸送效率。照明系統采用新型節能裝置以獲得室內節能與照明的最佳效果。此外，在屋頂安裝可調節的采光系統，將陽光通過反射的“管道”送往室內。墻體、屋頂設計時，應考慮門窗、遮陽、熱量采集、自然通風和太陽能發電、熱水等的功能和需求，為建筑物提供需求以節省能源。采用通風換氣的熱回收技術，減少冬季人為開窗換氣產生的熱損失。3.2.4可再生能源利用充分利用太陽能資源，利用光熱對建筑物供暖和熱水供應，利用光電技術供室內照明和其他電器的需要。采用多種熱泵技術對建筑進行供暖或制冷的技術。地源熱泵通過輸入少量的高品位電能，可實現能量從低溫熱源向高溫熱源的轉移，在冬季向室內供熱，夏季則對室內制冷，實現對建筑物的空氣調節。我國地域廣闊，各地風能、太陽能、水能、生物質能、地熱能、海洋能等非化石可再生能源差異大，可結合實際情況采用可再生能源。3.2.5智能化運行管理零能耗建筑運行不僅需要足夠的可再生能源，同時，還需要通過主動節能的各種措施，合理調節設備用能需求，降低建筑物的總能耗。暖通空調系統消耗的能量在建筑物內占有相當大的比重。通過對供暖空調設備的節能控制，可以提高設備的運行效率，降低供暖空調系統運行能耗。照明用電在建筑中占有一定的能耗比重，照明控制得好對照明能耗影響較大，用電方面采用由各種控制技術組成的合理調節設備用能的控制系統。能耗分配控制策略，建立初始能耗指標體系，以能耗監測系統為基礎，采用了—種建筑能耗指標預測和基于光伏發電的能源分配控制策略的方法來保證零能耗建筑一年用能的平衡。以能耗指標為依據，建立能耗預警機制，最終構建均衡的能源分配控制系統，實現建筑的“零能耗”。
3.3成功案例
2014年5月，住房和城鄉建設部科技司組織開展，由中國建筑科學研究院具體組織落實的“被動式超低能耗綠色建筑項目”。共收到全國上報項目12個，其中住宅項目3個，公共建筑項目9個。分布在嚴寒地區，寒冷地區，夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區4個氣候區。截止2015年7月全國共有28個項目，總建筑40萬m2被動房項目列入住房和城鄉建設部科技項目計劃。(1)哈爾濱溪樹庭院就是較成功的被動式居住型建筑項目。通過建筑外圍護結構優化系統，采取高效的墻體外保溫、設置增厚的保溫層，嚴密的中空LOW－E玻璃外窗，內充氬氣，夏季可有效遮擋太陽輻射，冬季則可利用陽光獲取熱能進行保溫。并采用了可調式外遮陽等設施，使住宅能耗大大低于普通住宅。采用土壤源熱泵技術從土壤獲取能量，用以制冷或供熱，比傳統的空調系統節能40%～50%。天棚柔和式微輻射系統，通過天棚盤管中的供回水溫差，進行智能化調控，取消了傳統的供暖管網和供暖方式。無論外面天寒地凍還是酷熱難耐，室內總能保持冬季20℃、夏季26℃的舒適區間。建筑物采用全置換式新風系統。將室外空氣經過濾、加熱、加濕等多級處理后，經由設置在臥室、客廳地面上的新風口，將清新潔清的空氣送入室內。室內污濁空氣再由衛生間排風口排出。新風連續，形成下送上回置換式通風換氣，保持室內濕度在30%～60%的范圍之間，解決了哈爾濱冬季室內高溫低濕現象。并采用熱回收的新風技術降低了冬季加熱新風的能耗。項目實現了建造目標，認證為三星級綠色建筑，并獲創新獎。被認為:項目代表了未來建筑節能的發展方向，推動嚴寒地區建筑節能與綠色建筑工作科學快速發展，促進建筑行業轉型升級。(2)中國建筑科學研究院環能院近零能耗示范樓，采取高性能保溫隔熱材料，采用非化石能源減少甚至取消因供暖、空調而耗費的能源。以可再生能源為主要能源系統形式，采用地源熱泵、太陽能，以節能設計、節能工藝、對建筑智能化、精細化的科學運行管理。空調供暖方面，空調采用太陽能吸收式制冷與地源熱泵相結合的方式;供暖所需熱量則由地源熱泵系統、水蓄熱系統以及屋頂的真空玻璃管中溫集熱太陽能空調系統來提供。該示范建筑在冬季不使用常規能源，夏季供冷系統較常規系統節省50%，年平均能耗僅為25kW•h/m2。照明方面，采用多種光源和燈具形式，包括國際先進LED照明燈具和智能照明系統，可滿足室內照度500lx以上，照明功率密度5.5W/m2的要求。這幢樓通過屋頂的光導管，將室外自然光引入室內。光導管的反射率高達99.7%，且不受黃昏、黎明甚至陰天的影響。在公共區域照明方面，通過與南立面結合的光伏太陽能薄膜電池來實現。除了上述技術手段，對建筑智能化、精細化的管理和控制，也是該示范建筑實現節能效果的重點。基于2015年實際運行監測數據，全年冬季供暖65%負荷由地源熱泵系統提供，35%負荷由太陽能系統提供;全年夏季供冷80%負荷由地源熱泵系統提供，20%負荷由太陽能空調系統提供。中國建筑科學研究院環能院近零能耗示范樓通過高性能的建筑圍護結構、高效的建筑能源系統和優質的運行管理，以實際運行數據與同類建筑能耗相比，實現了節能80%以上的目標，成為中國建筑節能的領跑者。示范樓是中美清潔能源合作研究框架下，首個建成并良好運行的建筑，是中國建筑節能的里程碑。
4結語
我國建筑節能75%的指標實施后，建筑節建筑應以近零能耗建筑為節能目標，并制訂我國近零能耗建筑技術標準指導建筑節能的深入實施。制定近零能耗的實施規劃，大力利用可再生能源、因地制宜地制定不同氣候區和不同功能建筑的近零能耗指標。被動式超低能耗建筑是有效近零能耗的節能技術，既對資源高度節約，而又滿足了人們對舒適度的要求，在世界已被廣泛認可。因此，在我國應積極推動被動式超級能耗建筑的發展，有效控制和降低建筑領域能源消耗，是我國建筑節能的有效途徑。
參考文獻
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作者:董重成 單位:哈爾濱工業大學
