国内外建筑节能关键技术的发展现状及趋势

摘要：建筑能耗将是我国未来能源消费的主要增长点，建筑节能技术的研究应用将对我国未来的能源消费产生深远的影响。为此，本文对当前国内外的建筑节能关键技术进行了比较系统的总结，并从建筑物本体、建筑设备和建筑环境控制系统三个角度重点回顾了我国的建筑节能技术的发展现状，分析了取得的成果的同时研究了各种关键技术的发展障碍。在此基础上，展望了我国未来建筑节能的重点发展领域，并指出了未来应该重点支持的建筑节能关键技术的发展方向。

1 国外建筑节能关键技术的发展现状和趋势

1．1 房间空调器

在世界空调器行业中，60%的市场被日本所占有，并且在制造技术、控制技术上都处于世界最前沿。现以日本空调器的发展为例来说明其变迁过程。空调器的发展过程，大致可以分为五个阶段。在其发展过程中，变频技术和人工神经网络技术在房间空调器上的应用，具有划时代的意义，它不仅为创造舒适环境、实现空调器的高效节能运行提供了技术保证，而且为VRV空调系统的开发和发展提供了坚强的技术基础。
日本空调器的发展主要集中在三个方面。追求空调器的高效节能，特别是在1972年石油危机以后，改善压缩机、热交换器、风扇的性能，加强对制冷循环特性的研究，优化制冷系统，实现了空调系统的小型化、低能耗、低噪音、高可靠性；追求室内环境的高舒适性，从单一的温度控制发展到室内热环境特性(如PMV等)的综合控制，从简单的双位控制发展到人工神经网络与模糊技术相结合的智能控制，以实现人们对舒适性的要求；追求空调系统的多功能化、多元化，从单冷型窗式空调器发展到热回收型VRV空调系统，极大地拓广了冷剂式空调系统的使用范围，开辟了集中空调系统的新领域。
到了上世纪90年代以后，人们对舒适性的要求，趋向于自然环境的特征。人们希望空调环境具有能感觉到温度和气流的变化、能感觉到温暖和凉爽、有音乐声、有芳香感和明亮感等特征。总的目的是让人处于一个精神愉快的空调环境中，这就是人们追求的“感知空调阶段或动态自然环境阶段”。要实现这种模拟自然环境，必须采用包括“人体感觉输入控制”、“热环境因素综合控制”、“空气质量控制”、“声、光控制”在内的“环境变化控制技术”，环境变化控制技术的实现不仅需要开发出相应的传感器，更重要的是要建立一套符合人体生理和心理需要的人工环境智能控制理论。

1．2 小型中央空调

1．2．1 美国小型中央空调发展现状

美国的小型中央空调普及率较高，这与其良好的居住条件以及较高的生活水平是分不开的。美国是世界第一经济大国，人民生活水准较高，对居住的舒适性要求也较高，这些都促进了该国家用小型中央空调的普及使用。
美国的别墅型住宅(SingleHouse)具有宽敞、高大的特点，通常由中、高收入的家庭居住。由于其层高较大，具有足够的建筑空间用于布置风道，因此在美国，风管式系统在家用小型中央空调中所占的比重相当大。同时，由于美国居民对家用空调舒适性的要求较高，因此多采用有新风的风管式系统。目前，美国风管式系统的年产量约为600万台／a，占其家用空调产量的一半左右。美国的公寓型住宅适合于中、低收入的人群居住，其消费水平偏低，其家用空调的型式以窗式空调器为主，也有采用小区供冷／热水的，一般不使用家用小型中央空调。目前美国宙式空调器年产量约为600万台／a，占其家用空调产量的一半左右。
美国的家用小型中央空调的型式以风管式系统为主，其具体形式多种多样。风管式单元空调系统和风管式空调箱系统在美国的应用都很广泛，此外，集成了燃气炉的家用小型中央空调系统在美国的应用也非常普遍。此种家用小型中央空调系统在供冷季由制冷机组提供冷量，在供热季由燃气炉提供热量，对室内回风和新风进行处理，消除房间空调负荷，同时也可以满足家庭生活热水的需求。

1．2．2 日本小型中央空调发展现状

与美国以风管式系统为主的特点不同，日本的小型中央空调走的是一条“氟系统”为主的发展道路，从宙式空调器到定速分体式空调器，再到变频分体式空调器。同样，日本的家用小型中央空调也以变频空调即VRV系统(包括一拖多)为主。
VRV空调系统的研究起源于日本，在日本已有多家公司拥有此项技术。三洋电机、日本电器HE、松下电器产业、大金工业、日立制作所、东芝、三菱电机、三菱重工、夏普、长府制作所等是世界最主要的变频空调器生产企业，其变频空调系统及控制器的开发能力都很强，且各家均有自己的特色。其中大金工业、三菱电机、日立制作所、松下电器产业、东芝、三菱重工、夏普等几家拥有多元VRV系统的开发、生产能力。大金工业、三菱电机、日立制作所、东芝四家企业的产品比较最为先进，大金工业的市场占有率最高，约为世界60%~70％。
在世界空调行业中，在20世纪90年代以前，60%的市场被日本所占有，并且在设备开发和控制技术上都处于世界最前沿。这为日本发展VRV系统提供了技术保证。

同时，日本国土面积小而人口众多，人口密度非常大，其住宅多属于高密度住宅，建筑结构较为紧凑。一般层高均较低，不适合于布置需要占用较大层高的风管式空调系统。而且日本是个国内资源匮乏的国家，其能源消耗主要依赖于从国外进口，因此该国非常强调节能。家用空调作为能源消耗大户，其节能技术的开发尤其受到重视。VRV系统的节能性是其在日本得到广泛应用的一个重要原因。另外，对于专业的空调安装队伍来讲，VRV系统的安装非常规范，施工费用低。以上这些因素决定了日本家用小型中央空调的型式以VRV系统为主。
此外，在日本，对于比较高档的别墅住宅，也有采用风管式系统的，风管式单元空调系统和风管式空调箱系统都有应用。对于面积很大的高级住宅还采用新风机组十风管式空调箱系统，通过新风道将室外空气引入室内，运行时需要关闭房间所有的窗户，原则上可实现全年连续运行。对于中级住宅或规模较小的高级住宅也有采用冷／热水机组的，在这种系统中，室内末端装置多采用落地式风机盘管，当采用吊顶式风机盘管，在冬季供热时，室内上下温差太大，通常辅以电热壁毯作为辅助热源。
小型空调系统的控制技术，至今已取得了显著的进步。日本空调界现在所关注的问题主要集中在减少空调系统对环境、电网的污染，加速空调系统可持续发展的技术开发方面。①削减氟里昂的使用量。现在小型空调系统的制冷剂主要采用HCFC22，由于削减计划的逐渐实施，替代制冷剂大多偏向于采用混合工质方案，但关于采用新工质制冷系统的控制问题的研究仍属空白。②解决变频系统电磁兼容性问题。高次谐波会降低空调系统的功率因数，造成配电系统的容量增大。对此方面的研究虽已取得了一定进展，但仍末达到理想的效果。③抑制漏电电流。压缩机电动机采用PWM控制，由电动机线圈和压缩机外壳之间的静电产生漏电电流，特别是为降低压缩机噪声，提高载波频率，会使漏电电流增大。虽对压缩机电动机进行了强化绝缘处理，但仍需在变频回路设计上提出更好的解决办法。④提高节能效果。家庭和办公室，其空调系统的能耗占绝大部分。空调系统的节能，不仅要提高单台设备的能源利用率，而且应对全家或整栋大楼的空调设备进行综合控制和管理，以提高节能效果。

1．3 绿色建筑

绿色建筑是指为人类提供一个健康、舒适的工作、居住、活动的空间，同时实现最高效率地利用能源、最低限度地影响环境的建筑物。其内涵既通过高新技术的研发和先进适用技术的综合集成，

极大地减少建筑对不可再生资源的消耗和对生态环境的污染，并为使用者提供健康、舒适、与自然和谐的工作及生活环境。
绿色建筑已经成为一个世界性的课题，国外从80年代就已开始研究，目前已有较成体系的设计方法、评估方法，各种新技术、新材料层出不穷。一些发达国家还组织起来，共同探索实现建筑可持续发展的道路，如：加拿大的“绿色建筑挑战” (GREEN BUILDING CHA-LLENGE)行动，采用新技术、新材料、新工艺，实行综合优化设计，使建筑在满足使用需要的基础上所消耗的资源、能源最少。日本颁布了《住宅建设计划法》，提出“重新组织大城市居住空间(环境)”的要求，满足21世纪人们对居住环境的需求，适应住房需求变化。欧盟国家推动“焦耳2”行动计划，因应可持续发展的要求，通过在多个欧盟国家，选择典型的具有示范性的绿色建筑设计项目，进行绿色建筑技术示范的行动计划。其目的是验证各种绿色技术，例如太阳能利用技术、地热能和水能利用技术在绿色建筑设计和实践中的应用。德国在90年代开始推行适应生态环境的住区政策，以切实贯彻可持续发展的战略。法国在80年代进行了包括改善居住区环境为主要内容的大规模住区改造工作。瑞典实施了“百万套住宅计划”，在居住区建设与生态环境协调方面取得了令人瞩目的成就。
城市生态建筑在国际上有着广泛的影响，不少发达国家根据各自的特点进行了实践示范。比较典型的有英国BRE的环境样板楼、法国巴黎的联合国教科文组织(UNESC0)的办公楼、Integer示范房屋、美国匹兹堡的CCI中心、英国新国会大厦、德国柏林的新议会大厦、法兰克福商业银行、澳大利亚悉尼的奥林匹克村、丹麦KAB咨询所设计的斯科特帕肯低能耗建筑等。这些绿色生态建筑通过精妙的总体设计，结合自然通风、自然采光、太阳能利用、地热利用、中水利用、绿色建材和智能控制等高新技术，充分展示了生态建筑的魅力和广阔的发展前景。
围绕推广绿色建筑的目标，国外近年来发展了一些绿色建筑评估体系，并且有相应的标准和模拟软件来评价。例如美国LEED绿色建筑评估体系、德国的LNB、英国的BREEM评估体系、澳大利亚的NABERS、加拿大的GBTools，挪威的Eco Profile、法国的ESCALE等。此外，日本和台湾省也相继推出了针对绿色建筑设计的评价体系。此外，在这些评估体系中都制定了定量的分级体系。例如美国的LEED，英国的BREEM评估体系、加拿大的GBToo1s都要求用建筑能耗模拟预测程序DOE?2对被评估建筑的能耗状况进行详细的模拟计算和预测；加拿大的GBToo1s和台

湾的绿建筑评估手册则要求对园区的二氧化碳排放和吸收平衡、水的平衡以及建筑材料采掘、制造及运输过程中对资源的利用及对环境对影响进行全面的定量计算，再依据其结果进行评估。对于难以定量预测的内容，则采用定性分析、分级打分的方法。这些评估体系的制定及推广应用对以上国家或地区在城市建设中倡导“绿色”概念，引导建造者在建设过程中注重绿色和可持续发展起了重要的作用。

1．4 热电冷联供技术

美国近年来热电联产发展迅速，热电联产装机容量在1980?1995年的15年间由12Gw增加至45GW。目前，热电联产装机容量已占美国总装机容量的约7％。在日本能源供应领域中，主要以热电联产系统为热源的区域供热／冷系统是仅次于燃气、电力的第三大公益事业，到1996年共有132个区域供热／冷系统。燃气轮机热电冷联产和汽轮机驱动压缩式制冷设备是日本热电冷联产的主要形式。在欧洲，欧共体的热电联产发电量已占其总发电量的9% (其中丹麦、芬兰和荷兰已达到30%以上)，并计划到2010年达到18％，这将减少二氧化碳排放1．5亿to区域供冷没有区域供热应用的广泛，但由于其在经济上的吸引力也正在世界范围内慢慢被提倡和应用。1962年美国在Harford city Connecticut建成世界上最早的区域供冷系统，井可同时供应蒸汽。目前，美国已有超60个区域供冷系统。在日本的区域供冷发展非常快，而欧洲也已有多个热电冷联产系统投入运行。同时，因为小型燃气轮机、燃气内燃机和微燃机的楼宇热电冷联供系统具有效率高、占地少、保护环境、减少电线损失和急突发事件等综合功能，在近期得到了快速的发展和应用。

1．5 智能建筑和智能控制技术

智能建筑的发展不仅产生了如前文所述的智能大厦，而且产生了智能住宅。智能住宅已经成为21世纪住宅的主流。现代社会家庭成员正在以追求家庭智能化带来的多元化信息和安全、舒适的生活环境作为理想目标。智能住宅采用智能管理和控制的方法，将居室内各种安全措施、信息设备及家用电器，通过家庭总线系统连接起来，构成完整的家庭智能系统，并以信息网络为纽带与小区物业管理系统互联，形成开放式的小区管理体系。
智能住宅的发展几乎与智能大厦同步。早在1979年，美国斯坦福研究所提出家庭总线的概念。1989年推出了将电力供应、空调控制和数据通讯合成为整体的布线系统示范单元。美国住宅以分散别墅型住宅群为主，因此，对独立单元型住宅智能化技术的研究相对成熟，如安保、防火、周界报警等。欧洲在1986年把集

成化的家庭系统研究列为尤利卡计划，大力进行研究。80年代，欧洲电气标准化委员会制定了家用数字总线标准，进一步规范化了智能住宅技术标准。日本住宅智能化技术的发展规律与美国类似，即开发、设计、施工规模化与集成化；以人为本，注重功能，兼顾未来发展与环境保护；大量采用新材料、新技术：充分利用信息、网络、控制与人工智能技术，住宅技术现代化。在80年代，日本将家用电器、安保设备、通讯设备功能综合后，提出了家庭自动化的新构想。1988年，建立了住宅信息化促进会，主要开展家庭总线技术的研究，并且公布了总线标准。近年来，为了适应大型住宅小区的需要，又提出了超级家庭总线系统的概念。1996年，日本推出多媒体住宅样板计划，将多媒体技术引入智能住宅。在东南亚，新加坡的智能住宅技术研究则处于领先水平。

2 未来我国建筑节能关键技术展望和建议

2．1 建筑节能发展的重点领域

建筑节能并不意味限制发展，正确的建筑节能观，应该以提高建筑物的能量利用效率，同时尽量降低建筑物的固有能耗，用最小的能源消费代价取得最大的经济和社会效益，满足日益增长的需求为目标，走可持续发展的道路。
建筑节能工作应该同时从两个角度同时展开。一方面是降低房间的冷、热负荷，通过合理的建筑设计及采用新型的节能建筑材料解决减少房间负荷(围护结构传热、新风得热及房间内人员、灯光、设备等的得热量)的问题；另一方面通过提高建筑耗能系统(冷／热源、输配系统和末端设备)的效率降低为满足冷、热负荷的要求而消耗的能量。
从新建建筑和既有建筑角度看，因为根据世界银行的预测，到2015年民用建筑保有量的一半是2000年以后新建的，而既有建筑的节能改造工作的开展相对比较困难，所以近期应该优先考虑新建建筑的节能，包括建筑节能标准的制定和实施、建筑物和建筑设备的新技术开发和应用等。
从建筑类型看，民用建筑应该更侧重于新建建筑的建筑物本体的节能技术和优化设计，兼顾发展建筑设备新技术；商业建筑和公共建筑则更应该侧重于空调和采暖系统及照明设备方面的新技术和优化控制技术，对新建商业建筑的空调采暖系统技术更新和对既有商业建筑的系统节能改造技术应该同时推动。
此外，在对建筑节能技术的研发、应用加大支持力度的同时，应该从节能体制方面推动建筑节能工作，如建立基于市场的建筑节能机制、强化贯彻实施建筑节能标准、推动供热／冷计量收费

制度、制定建筑节能经济激励措施等。

2．2 建筑节能的关键技术展望和建议

通过前文分析结果，建议我国政府在“十一五”期间及中长期未来把下列建筑节能关键技术作为发展重点，并予以政策及资金方面的支持。

2．2．1 建筑物本体的关键节能技术
(1)节能型墙体材料、门窗、保温及采光技术
(2)建筑低能耗围护结构组合优化设计方法
(3)利用相变贮能推动建筑物节能降耗的技术
(4)超低能耗建筑和绿色建筑的研发、示范和推广应用

2．2．2 建筑设备的关键节能技术
(1)房间空调器的节能技术(变频技术、户式中央空调器、热泵除霜技术等)
(2)螺杆机及多级高效吸收式制冷机的研发和应用
(3)消除供热／冷计量收费领域的技术障碍(热表、管网调节等方面)
(4)随着能源结构优化，各种采暖方式和供冷方式的技术经济评价分析及比较
(5)热电冷联供技术(系统优化匹配设计及控制等)
(6)水源热泵技术的推广应用
(7)蓄能技术(从新型相变材料开发和相变传热技术角度推动蓄能技术在蓄冷空调、地板采暖、蓄热电采暖器、热电冷联供及太阳房等领域的应用)
(8)绿色照明技术及其产业化
(9)地板采暖和吊顶冷辐射技术的研发和应用
(10) 太阳能热水器技术及其产业化
(11) 独立除湿技术的研发
(12) 空调自然风模拟技术的研发和应用
(13)新风处理及余热回收技术
(14)可再生能源在建筑用能领域的应用技术(太阳能、自然通风、夜间通风、地热、地下和地面水体蓄能、燃料电池、其它形式的余热回收等)

2．2．3 建筑热环境控制关键技术
(1) VRV(变容量)、VWV(变水量)和VAV(变风量)控制技术
(2) 热网控制调节技术
(3) 建筑设备总系统的优化集成设计和控制技术
(4) 建筑物能耗评估技术及建筑热环境全工况模拟分析软件的开发及应用
(5) 建筑物热性能的检测技术