建筑能耗的影响因素

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Wladimir 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:①亚热带区，②干热区，③热带雨林区④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①寒冷气候;②温和气候;③干‘热气候;④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 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 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。

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。