日本的建筑节能概念与政策_陈超

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
Japanese concepts and measures of building e nergy efficiency
B y Ch e n Ch a o★,To s h i y u k i Wa t a n a b e,Xi eGu a n g y aa n dYu Ha n g
Abs t r act　P r es ent s t he ener gy s a v i ng g oal s,bui l d i ng ener g y c r i t er i a a nd meas ur es f or impr ov i ng ene rg y e f f i c i enc y es t ab l i s hed by t he J apa nes e g ov er nment,hol ds t ha t adv anc e d i de a and met hods shoul d be pos i t i ve l y i nt r odu c ed i nt o Ch ina,a nd a s c i ent i f i c and e f f e c t i v e ass ess ment s y s t em shoul d be es t ab l i she d f o r bu i l di ng e ner gy beh av i ou r.
Keywor ds　e ne r gy,e nvi ro nment,bui l d i ng ene rg y ef f i c i enc y,J ap an
★Beijing Polytech nic Un iversity,Ch ina
1　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
(010)67391608
E-mail: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。

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:
①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。

②与自然共存———建筑应与自然环境相互协调,与多种生物共存,成为良好社会环境的构成要素。

③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。

④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PAL
2.1.1　全年热负荷系数PAL的定
义　它是perimeter annual load for air-
conditioning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(M J/
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1　PAL节能判断基准值
MJ/(m2·a)
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f[2]
地下层除外的
楼层数
平均层楼板面积＊/m2
<50100200300
12.401.681.321.20
2以上2.001.401.101.00
　＊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)×f
2.1.2　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HA SP/
ACLD/7101(HA SP/ACLD是
Heating,Air-conditioning and Sanitay
Engineering Prog ram/Air-Conditio ning
Load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
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 T·EHD(2)
期间制冷负荷为
Q C=24k C K T·ECD(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(θref,ρ,σ,j)=∑[θref-θo-ρI s(j)+0.045σI l(j)](4) ECD(θref,ρ,σ,j)=∑[θo-θref+ρI s(j)-0.045σI l(j)](5)其中θref为参照温度,θr ef=θd-Δθ;
θd为设计室温,℃,Δθ=GA p
K T
,G为
内部发热密度,kW/m2,A p为楼板面积,m2;K T=K＊+0.3VA p;K＊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/(m2·h);ρ=ηT
K T
,ηT为总日射
率;σ=K＊
T
;θo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:
①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。

②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。

③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。

④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。

⑤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(如仓库、空调机房
等)。

⑥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。

⑦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θr ef。

⑧在计算地区、参照温度θref和
ρ(供暖期ρH、供冷期ρC)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CEC
2.2.1　空调设备系统能量消费系数
CEC A C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3　CEC 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
C EC A C值2.52.51.71.51.5
建设方努力达到的
C EC A C值2.32.31.51.41.4
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/ A CLD/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ST L(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/
A CLD/8501为基础进行年负荷计算,
但与HASP/ACL D/8501不同的是:
①考虑了间歇式运行工况下的空调
负荷;②可以不限定设备的装机容
量;③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;
④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:①最小新风
量;②停止室外新风;③最佳室外新
风量;④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,导致了后来的计算机数值
模拟计算求解。

在日本,《节能法》不但对公共建
筑有明确的节能指标要求,对住宅的
节能也有相应的规定和要求,新建住
宅的业主同样也有义务努力削减所
建住宅的冷热源负荷,其全年冷暖空
调的负荷的计算也有相应的计算软
件。

并且,对外墙及外窗在设计、施
工中的保温隔热性、气密性、遮阳、防
结露等的具体做法都有明确的规定。

另外,对住宅的通风换气、冷暖空调
方式、卫生热水都有相应的设计节能
标准。

3　结语
由于日本政府在《节能法》中对
所建建筑有明确的节能要求和节能
标准(PAL,CEC),因此,设计工程师
必须协同建设方一起在建筑节能设
计方面下功夫,从建筑、设备、将来的
运行管理方式等各个方面采取措施
(例如,对光和热的控制、充分利用大
自然的能源、提高能源的利用效率
等),以保证所设计的建筑物的PAL,
CEC等节能指标值均控制在《节能
法》规定的标准以内。

提高设计师、建设方的节能意
识,是保证建筑节能的重要措施之
一。

尽管各国有不同的气候条件、经
济水平、生活习惯,即便是同一个国
家,由于地区的不同也会存在上述因
素的影响,但是建筑节能的普遍原则
对世界各国应该是可以适用的。

为
了提高我国的建筑设计水平,使我国
的建筑节能工作真正收到实效,我们
以为:
①应该积极学习和引进国外先
进的节能概念和评价方法,并引到建
筑设计行业中;
②由政府部门或专业学会组织
牵头制定符合我国国情的、切实可行
的节能标准;
③开发计算类似PAL,CEC AC
的计算软件,在计算机技术如此成熟
的今天,这已不是很难的课题,而且
已有了许多这方面的研究成果可以
利用;
④应对所设计的工程项目增大
审核力度,将这些节能指标作为必审
项目列入到政府的审批项目中。

我们期待一套科学的、有效的建
筑能效评价体系早日推出,以指导我
国的节能建筑、绿色建筑的合理规划
和设计。

参考文献
1　[日]桥本寿朗.现代日本经济.上海:上
海财经大学出版社,2001
2　财团法人住宅·建筑省ェネルギÅ机
构.建筑物の省ェネルギÅ基准と计算
の手引.日本:财团法人住宅·建筑省ェ
ネルギÅ机构,1995。