第一章建筑节能基本知识

第一章概述
1-1 建筑节能是现代建筑设计的趋势
建筑节能是可持续发展概念的具体体现，也是世界性的建筑设计大潮流，同时又是建筑科学技术的一个新的增长点。

设计、建造、使用节能建筑有利于国民经济持续、快速、健康发展，保护生态环境。

一、建筑节能是关系人类命运的全球性课题
20世纪世界建筑科学技术突飞猛进，房屋建筑快速发展，在能源危机阴影的笼罩下，各发达国家建筑围护结构的保温、隔热和气密性大有提高，采暖、空调和照明设备与技术日益进步，人们越来越能够在更为优裕和舒适的室内环境中生活与工作。

人类建筑文明取得了前所未有的成就。

然而，人们未曾料到，与这种文明进步相伴而来的是一系列严重的负面影响：
在一些密闭建筑物空气中，含有尘埃和细菌以及从建筑材枓、家具和办公用具中释放出来的千百种挥发性有机物，使人体器官受损，影响公众的健康和生命；每年新建和改建的几千万栋建筑，要消耗掉几十亿吨林木、砖石和矿物材料，造成森林的过度砍伐，目前世界森林覆盖率只有22%，而且很不均匀，材料资源的大量开采，带来土地的破坏，植被的退化，物种的减少和自然环境的恶化；住宅与公共建筑的采暖、空调、照明和家用电器等设施消耗了全球约1/3的能源，主要是化石能源。

而这些化石燃料是地球经历了亿万年才形成的，它将在我们这几代人中间消耗殆尽；我们的建筑物在使用能源的过程中排放出大量的SO2、NO X、悬浮颗粒物和其他污染物，影响人体的健康和动植物的生存；世界各国房屋能源使用中所排放的CO2，大约占到全球CO2排放总量的1/3，其中住宅大体占2/3，公共建筑占1/3。

由于CO2排放量的增加，地球大气中CO2的浓度急剧增长，已经从19纪的260 ppm增加到现在的360ppm，而且还在快速增加。

在这多方面的危害中，令世人最为关注的是温室气体CO2的排放。

由于CO2浓度的增加，正在使地球变暖，气温愈益升高，造成两极融缩、冰川消失、海面升高、珊瑚死亡、洪水泛滥、干旱频发、土地沙化、风沙肆虐、疾病流行、物种灭绝等灾难性后果。

近几年全球气候异常，灾害的频繁为多年来所仅见，更加证实了地球变暖的灾害不容忽视。

随着今后温室气体浓度的进一步增加，后果将更加不堪设想。

这就是说，世人在梦想未来世界将更加美好的甜蜜时刻，蓦然回首，竟然发现世界自然环境已经处于大灾大难的边缘，而人类自己正是这场灾难的制造者。

这是大自然对破坏它的人类的毫不留情的“报复”。

为此，许多有识之士已经开始反思：以牺牲资源和环境为代价取得的繁荣和舒适，只可能是短暂和表面的。

在巨大的危险面前，人类必须尽快拯救这个星球，这是一个经过几十亿年演化才产生的生机蓬勃的世界，这是迄今为止所发现的宇宙间唯一有人类生存的星体。

二、建筑节能的世界性努力
面对着上述与人类前途命运攸关的全球性问题，21世纪全世界的建筑节能事业，
肩负着重大的历史使命，必须全面推进建筑节能，以挽救这个世界。

为此，要做好各类气候区、各个同家、各种建筑的节能工作。

要全方位、多学科地、综合而又交叉地研究和解决一系列经济、技术与社会问题，在进一步提高生活舒适性、增进健康的基础上，在建筑中尽力节约能源和自然资源，大幅度地降低污染，减少温室气体的排放，减轻环境负荷，并正在从多方面作出世界性的努力：
1．积极采用新技术节能降耗，尽可能将建筑能耗下降到最低限度
从20世纪70年代爆发能源危机以来，发达国家积极采取对策，其单位面积的建筑能耗已有大幅度的降低。

如与我国北京地区采暖度日数相近的一些发达国家，新建建筑每年采暖能耗已从能源危机前的300kW·h/m2左右，降低到100kW·h/m2左右。

尽管节能的经济效益一般会随着节能率的提高而愈益降低，但预计在今后不长的时间内，还将进一步降低至30~50kW·h/m2。

其采用的主要技术是：
（1）对建筑围护结构进行高水平的保温隔热。

例如，窗户采取多层窗、中空玻璃、低发射率玻璃、填充惰性气体等方法，使整窗传热系数从1.5~2.5W/（m2·K）降低至1.0W/（m2·K）左右；对外墙加强保温隔热，特别是采用外保温，使外墙传热系数从0.3~0.5W/（m2·K）降至0.1～0.2W/（m2·K）左右；在围护结构保温隔热良好的情况下，室内用砖石、混凝土等重质材料建成厚重结构，以利于蓄存室内热能，调节室温。

（2）采用高能效供热、制冷、照明和家电的设备和系统，减少输热、输冷能耗，充分利用清洁能源，扩大热电联供或热电冷联供，扩大应用热泵、贮能、热回收和变流量技术。

2．最大限度地有效利用天然能源，首先是太阳能
在不同的地区，特别是太阳能源比较丰富的地区，太阳能在建筑中应用将得到很大扩展，其应用方面包括：
（1）太阳能采暖与制冷。

窗户是利用太阳能的关键部位，其中大有文章，冬季通过太阳照射直接获益得热。

太阳能制冷技术与蓄存技术也会发展。

（2）用太阳能集热器供应热水，提高集热效率和用热的稳定性。

（3）充分利用太阳采光又避免过热，用百叶、窗帘及建筑遮阳进行调节。

（4）利用太阳能光电池发电。

提高太阳能转换率，并降低光电板价格。

（5）其他自然能源，如地热能也将得到利用。

地源热泵可用于建筑采暖与制冷。

风力资源丰富的地方也可利用风能发电。

在沿海地区还可以利用潮汐能发电。

3．充分利用废弃的资源，避免使用对人体有害的物料
由于建筑用资源消耗巨大，必须保护好地球资源，尽量减少资源消耗量，提高资源的利用效率；充分利用好废弃的、再生的或可以再生的资源。

（1）工业废弃物，如粉煤灰、尾矿、炉渣、煤矸石、灰渣等数量巨大，根据其性能做成建筑材料扩大使用。

（2）旧有建筑物拆下的材料，如钢材、木材、砖石、玻璃、塑料、纸板等，可重复利用或再生利用。

（3）一些对人体有害的材料，包括目前使用的某些有机建筑材料，会散发出一些有害气体，有些矿物材料会放出有害辐射，这些材料在长期使用条件下对人体健康不利，将逐步停止使用。

与此同时，一些天然材料将更受青睐。

4．利用生态技术建设美好家居
建筑绿化也是常见的利用自然生态的方法。

建筑物周边广植树木，有防风、遮阳、蓄水、清新空气及改善景观等效果。

立体绿化，建立屋顶花园和立体花园。

利用生物治理病虫害，使我们的环境清洁美丽，而且无污染。

5．利用传统技术，发展新兴技术使建筑物的使用功能更加符合人类生活的需要
创造健康、舒适、方便的生活环境是人类的共同愿望，也是绿色生态环保建筑的基础和目标，为此，21世纪的绿色生态环保建筑应该是：
（1）冬暖夏凉。

由于围护结构的保温隔热和采暖空调设备性能愈益优越，建筑热环境将更加舒适。

（2）通风良好。

自然通风与人工通风相结合，空气经过净化，通风持续不断，换气次数足够，室内空气清新。

（3）光照充足。

尽量采用自然光，自然采光与人工照明相结合。

（4）智能控制。

采暖、通风、空调、照明、家电等均可由计算机自动控制，既可按预定程序集中管理，又可局部手工控制；既满足不同场合下人们不同的需要，又可少用能源。

（5）降低噪声。

创造良好的适宜生活与工作的声环境。

世界是千差万别的，绿色生态环保建筑的发展也会多姿多彩，会随着气候、地区、国家、文化和技术而异，也会随着建筑类型、规模、质量、材料与设备而不同。

但是，提高能源利用效率、生态和谐、可持续发展的道路是一致的。

1-2国外建筑节能现状
国外从1973年“国际石油危机”时起，开始重视建筑节能，近年来由于建筑能耗的不断增加和环境污染的日趋严重，更加深了建筑节能的力度，有90多个国家和地区在建筑节能上取得了不同程度的收获。

由于各国国情不同，其建筑能耗也各异，国际上发达国家的建筑能耗一般占其全国总能耗的三分之一左右，图1-1为欧美各国建筑能耗占总能耗的比例。

可以看出，建筑能耗除了与各国的发达程度有关外，还和其所处的地理位置紧密相关，一般高纬度寒带地区的国家建筑能耗均比较大。

二十多年来，一些建筑节能搞得比较好的国家和地区，取得了较好的节能效果，其主要经验是根据各国的具体情况颁布了一系列建筑节能标准，其特点有：
图 1-1 欧美各国建筑能耗占总能耗比例
1．颁布严格的建筑外围护结构绝热标准，规定了建筑物墙体、屋顶和楼面的传热系数，设计单位按标准进行设计，房产业主按标准进行验收，政府主管部门按标准进行考核。

表1-1为欧洲各国80年代新建房屋的外围护结构的传热标准。

2
2．根据科技进步不断修正标准参数提高建筑能效，英国近十多年来通过不断修订标准，使其外围护结构的传热系数从80年代初的0.6W/m2·K，降到1988年的0.45W/m2·K，使房屋的保温绝热效果不断提高，表1-2为英国建筑围护结构绝热标准的提高情况。

法国的情况也是如此，它们现行的建筑标准已是第三个节能25%的标准了。

2
3．高度重视耗能设备的更新换代，用高能效电器和燃气装置取代原有的低质耗能设备。

将不断涌现的新技术运用于建筑是取得建筑节能效果的重要措施，例如推广节能灯、节能电冰箱和高效燃气设备等，如法国1975年以前建成的住宅，目前已有75%以上的建筑采用了集中供暖，大大降低了能耗，欧洲议会通过立法强化建筑节能标准，推广使用高
效节能设备。

4．大力推广新型建筑材料，尤其是保温绝热材料和节能窗户的应用对于降低建筑能耗，改善建筑热环境，取得了相当良好的效果，表1-3为英、法、德国人均保温材料用量统计，表1-4为八十年代末各国PVC塑料门窗在门窗中的占有率。

表1-3英、法、德国人均保温材料用量统计表
5．积极开展太阳能在建筑中的应用和推行智能房屋计划。

工业发达国家建筑节能的下一个目标就是将改善环境与新能源开发相结合，大力推广利用太阳能。

推行“智能”房屋计划则是解决都市建筑节能的重要途径，美国目前每年以200万套的速度增长。

6．重视既有建筑的节能改造。

现有建筑数总是占建筑总数的很大比例，只有搞好了旧有建筑的节能改造，才能使建筑节能工作大见成效。

欧洲和北美在这方面有许多成功的经验，大大降低了建筑能耗，例如丹麦1992年比1972年采暖面积增加了39%，但采暖能耗却减少了31%。

英国1989年和1970年相比，建筑节能率已达到46.8%。

法国1984年建筑能耗占全国总能耗的42~45%，但到1990年已下降到28%，说明节能改造成效很大。

7．强化建筑节能标准与法规的宣传和普及工作。

许多建筑节能搞得好的国家，均与其对于标准与法规的宣传普及分不开，有些缺乏能源而又寒冷的国家确实做到了对能源供应有危机感，对生存环境有责任感，从而把节约能源看成是保护地球，造福子孙的大事，形成人人自觉的行动。

1-3 我国建筑能耗概况
建筑节能是世界性的大潮流和大趋势，同时也是中国改革和发展的迫切要求，这是不以人的主观意志为转移的客观必然性，是21世纪中国建筑事业发展的一个重点和热点。

其原因是：
1．冬寒夏热是中国气候的主要特点
冬季，西伯利亚和蒙古高原的寒流频繁南侵；夏季，大陆腹地受到强烈的太阳辐射。

与世界上同纬度地区的平均温度相比，大体上东北地区气温偏低14~18℃，黄河中下游偏
低10~14℃，长江南岸偏低8~l0℃，东南沿海偏低5℃左右；而7月各地平均温度却大体要高出 1.3~2.5℃。

与此同时，我国东南地区常年保持高湿度，整个东部地区夏季湿度很高，亦即夏季闷热，冬季潮凉，此种不良的气候条件，当然会导致中国采暖空调能耗很高。

2．我国建筑用能数量巨大，浪费严重
我国人口众多住宅建筑规模巨大。

至2000年底，全国既有房屋建筑面积，城市已至76.6亿m2（其中住宅44.1亿m2），农村为299.4亿m2（其中住宅约占80%）。

其中按采暖建筑节能标准建造的只有l.4亿m2，且限于少数城市的居住建筑。

近几年全国每年建成的房屋建筑面积达16~19亿m2。

从住宅数量上看是非常庞大的，但保温隔热的总体水平和气密性都很差，采暖系统大都很落后，以北京市拥有量较多的多层砖混住宅为例，过去一贯采用结构为370mm实心黏土砖外墙，240mm实心黏土砖内墙，单框钢窗。

这类门窗厚度薄，缝隙大，其空气渗透损失的热量，占全部热损失的一半以上，而外墙和楼梯间的保温效果也差，散热量超过总散热量的1/3。

与气候条件接近的发达国家相比，我国居住建筑单位面积采暖能耗为他们的3倍左右，而且室内热环境很差。

现在，这些高耗能建筑冬季采暖与夏季空调的使用正日益普遍，能源浪费更加严重。

3．我国国民经济增长迅速，能源增长应得到控制
从新世纪开始，我国将进入全面建设小康社会，加快推进现代化的新发展阶段，开始实施第三步战略部署。

预计第一个10年国内生产总值将翻一番。

加入WTO后，中国经济将更快融入全球化进程，城市化不断加快，住房需求继续扩大，住房建设仍将是国民经济新的增长点和消费热点。

因此，建筑用能及其占总能耗的比例必将稳步增长。

但中国人均能源资源远低于世界平均水平，特别是石油和天然气资源更为短缺。

今后，全国能源总产量的增加应得到控制，能源结构需进行调整，煤炭用量所占的比例应逐步减少，而天然气、电力等清洁能源应得到较快增加，太阳能等可再生能源也将较快发展。

通过西部大开发，西电东送、西气东输，将为建筑用能结构的调整创造有利条件。

4．我国北方城市冬季采暖期空气污染十分严重
从全国总体来看，总悬浮颗粒、二氧化硫和氮氧化物等大气主要污染物指标，北方城市重于南方城市，采暖期重于非采暖期，而采暖期的污染值又随着气温的降低，即采暖燃煤量的增加而升高。

由此可见，建筑采暖是城市大气的一个主要污染源。

只有从源头上减少建筑采暖能耗，才能使北方城市采暖期大气污染的严重状况得到根本改变。

5．地球变暖正在使我国蒙受巨大损失
由于中国国民经济的发展和用能量的增加，尽管已经做出多方面的减排努力，但温室气体排放量仍在快速增长，目前我国已成为世界上温室气体排放第二大国，而且还将继续增加。

目前，建筑耗能量已超过全国耗能量的1/4。

随着人民生活的继续改善，建筑耗能量及其所占比例还将不断增加，由此排放的温室气体也必然会随之增长，从而为地球变暖火上加薪。

我国气温正在升高，华北平原1980年至1989年气温偏高0.1~0.6℃；1990年至1998年气温偏高0.2～0.8℃。

地球变暖造成的后果，愈是在生态环境薄弱的地区，表现得愈为严重。

我国近几年由于气候变化引起的特大灾害十分频繁，许多地方发生特大洪水、持续干旱，荒漠化加剧和沙尘暴频发，使我国蒙受损失之大，应引起国人的警觉。

由此可见，中国的建筑节能问题和世界的前途、人类的命运、民族的生存以及经济社会的可持续发展紧密相连。

在这样的形势下，中国建筑节能工作严重滞后的状况必然要尽
快得到扭转，走上迅速发展的道路。

1-4 采暖居住建筑节能基本原理和节能途径
一、采暖居住建筑的主要特点
统计显示，在居住建筑中住宅大约占92%，其余的为集体宿舍、招待所、托幼建筑等。

这些建筑的共同特点是供人们昼夜连续使用。

所以这类建筑常对室内热环境和空气质量有较高要求，室内都设计安装有采暖设备及通风换气装置。

在冬季按我国现行标准，冬季室内温度要求达到16~18℃，高级别建筑要求达到20~22℃。

从建筑尺度上看，居住建筑层高一般为2.7~3.0m，开间一般为3.3~4.5m。

住宅建筑中人均占有居住面积约为7~8m2，占有居住容积18.2~20.8m3。

城镇居住建筑以多层建筑为主，大城市中有一定数量的中高层住宅。

近年来由于建筑设计的多样化，城镇新建居住建筑物体形系数有变大的趋势。

例如，在北京市和天津市等寒冷地区，多层住宅体形系数已从原来的0.30左右向0.35左右增大。

二、采暖居住建筑的能耗构成
建筑能耗可分成建筑材料生产能耗、建筑施工能耗、建筑使用能耗三个部分。

在这里主要讨论建筑使用能耗。

采暖居住建筑的耗热量由通过围护结构的传热耗热量和通过门窗缝隙的空气渗透耗热量两部分组成。

以北京地区80住2—4、80MDl、81塔1等三种多层住宅为例，建筑物耗热量主要由通过围护结构的传热耗热量构成，占73%~77%，其次为通过门窗缝隙的空气渗透耗热量，占23%~27%。

传热耗热总量中，外墙占23%~34%，窗户占23%~25%，楼梯间隔墙占6%~11%，屋顶占7%~8%，阳台门下部占2%~3%，户门占2%~3%，地面占2%。

窗户总耗热量，即窗的传热耗热量加上空气渗透耗热量占建筑物全部耗热量的50%。

从上述可见，窗户是耗热较大的构件，是节能的重点部位，改善建筑物窗户（包括阳台门）的保温性能和加强窗户的气密性是节能的关键。

另一方面我国对保证室内空气卫生要求所需的换气次数有明确标准，加强窗户的气密性以减少冷风渗透耗热量需注意保证室内最低换气次数。

使用气密性很高的窗户时应考虑增加主动式排风装置。

从围护结构各部位传热耗热量所占比例看，外墙最大，第二是窗户，之后是楼梯间隔墙（以楼梯间不采暖住宅为例）和屋顶等。

所以外墙仍是节能设计的重点部位。

三、采暖居住建筑节能基本原理
采暖居住建筑物在冬季为了获得适于居住生活的室内温度，必须有持续稳定的得热途径。

建筑物总的热量中采暖供热设备供热占大多数，其次为太阳辐射得热，建筑物内部得热（包括炊事、照明、家电和人体散热等）。

这些热量的一部分会通过围护结构的传热和门窗缝隙的空气渗透向室外散失。

当建筑物的总得热和总失热达到平衡时，室温得以稳定维持。

所以建筑节能的基本原理是：最大限度地争取得热，最低限度地向外散热。

具体可总结成以下几个方面：
（1）通过有效的组团规划、单体设计，从朝向、间距、体型上保证建筑物受太阳辐射面积最大。

（2）减小建筑物的体型系数及外表面积和加强围护结构保温，以减少传热耗热量。

（3）提高门窗的气密性，减少空气渗透耗热量，提高门窗保温性减少其传热耗热量。

（4）改善采暖供热系统的设计和运行管理，提高锅炉运行效率；加强供热管线保温；加强热网供热的调控能力。

1-5 空调建筑节能原理
一、影响空调负荷的主要因素
热动态模拟研究结果表明，影响空调负荷的主要因素如下：
1．围护结构的热阻和蓄热性能
对于非顶层房间，当窗墙面积比为30%时，增加建筑物各朝向外墙热阻，对空调设计日冷负荷和运行负荷的降低并不显著。

例如外墙热阻从0.34增到1.81（m2·K/W），设计日冷负荷降低10%~13%。

对于顶层房间，当窗墙面积比为30%时，增加屋顶热阻值，可使设计日冷负荷降低42%，运行负荷降低32%，效果明显。

对于任何位置任何朝向的空调房间，外墙和屋顶的蓄热能力对空调负荷的影响极小，仅2%左右。

但当外墙和屋顶蓄热能力较小时，增加热阻带来的效果很明显，而外墙和屋顶蓄热能力较大时，增加热阻带来的降低空调负荷的效果较差。

也就是说从降低空调负荷效果上看，热阻作用大于蓄热能力的作用。

即采用热阻较大，蓄热能力较小的轻质围护结构以及内保温的构造做法，对空调建筑的节能是有利的。

2．房间朝向状况，蓄热能力
房间朝向对空调负荷影响很大。

不论围护结构热阻和蓄热能力怎样，顶层及东西向房间的空调负荷都大于南北向房间。

因此将空调房间避开顶层设置以及减少东西向空调房间是空调建筑节能的重要措施。

对于允许室温有一定波动范围的舒适性空调房间，增加围护结构的蓄热能力，对降低空调能耗具有显著作用。

例如，当室温允许波动范围为±2℃时。

厚重的围护结构房间的运行能耗仅为轻质房间的1/3左右。

3．窗墙面积比，窗户遮阳与空气渗透情况
空调设计日冷负荷和运行负荷是随着窗墙面积增大而增加的。

大面积窗户，特别是东西向大面积窗户，对空调建筑节能极为不利。

提高窗户的遮阳性能，能较大幅度地降低空调负荷，特别是运行负荷。

同时加强门窗的气密性，对空调建筑节能有一定意义。

二、空调建筑节能基本原理
我国夏热冬冷的长江流域中下游地区和夏热冬暖的广东、广西、福建地区，空调在建筑中的使用越来越普遍。

这些地区空调耗电已成为建筑能耗的重点。

因此，必须通过技术途径实现空调建筑的节能。

本书所述空调建筑系指一般夏季空调降温建筑，即室温允许波动范围为土2℃的舒适性空调建筑。

空调建筑得热一般有以下三种途径：①太阳辐射通过窗户进入室内构成太阳辐射得热；②围护结构传热得热；③门窗缝隙空气渗透得热。

这些得热随时间而变化，且部分得热被内部围护结构所吸收和暂时贮存，其余部分构成空调负荷。

空调负荷有设计日冷负荷
和运行负荷之分。

设计日冷负荷专指在空调室内外设计条件下，空调逐小时冷负荷的峰值，其目的在于确定空调设备的容量。

运行负荷系指在夏季空调期间为维持室内恒定的设计温度，需由空调设备从室内除去的热量。

空调运行能耗系指在夏季空调期间，在空调设备采用某种运行方式的条件下（连续空调或间歇空调），为将室温维持在允许的波动范围内，需由空调设备从室内除去的热量。

根据空调建筑物夏季得热途径，总结出以下节能设计要点：
（1）空调建筑应尽量避免东西朝向或东西向窗户，以减少太阳直接辐射得热。

（2）空调房应集中布置，上下对齐。

温湿度要求相近的空调房间宜相邻布置。

（3）空调房间应避免布置在转角处，有伸缩缝处及顶层。

当必须布置在顶层时屋顶应有良好的隔热措施。

（4）在满足功能要求的前提下，空调建筑外表面积宜尽可能的小，表面宜采用浅色，房间净高宜降低。

（5）外窗面积应尽量减小，窗墙面积比不宜超过0.30（单层窗）和0.40（双层窗）。

向阳或东西向窗户，宜采用热反射玻璃、反射阳光镀膜和有效的遮阳构件。

（6）外窗气密性等级不应低于《建筑外窗气密性能分级及检测方法》（GB7107—2002）中规定的3级水平。

（7）围护结构的传热系数应符合《采暖通风与空气调节设计规范》（GBJ19—87）规定的要求（表1-5）。

（8）间歇使用的空调建筑，其外围护结构内侧和内围护结构宜采用轻质材料；连续使用的空调建筑，其外围护结构内侧和内围护结构宜采用厚重材料。

1-6 我国建筑节能的目标与任务
一、建筑节能发展的基本目标
根据建设部节能工作协调组颁布的《建筑节能“九五”计划和2010年规划》，为不断提高建筑用能源的利用率，改善居住热舒适条件，促进国民经济和生活环境的协调发展，提出以下节能基本目标：
（1）新建采暖居住建筑1996年以前在1980~1987年当地通用住宅设计能耗水平基础上普遍降低30%，为第一阶段节能目标；1996年起在达到第一阶段要求的基础上再节能。