夏热冬冷地区公共建筑节能设计的探讨

来源：职称驿站所属分类：建筑设计论文
发布时间：2012-11-19浏览：26次

　　摘要：根据夏热冬冷地区的气候特征与公共建筑的能耗特点，为减少空调和照明系统能耗进行了相关的节能方案设计。由于空调系统能耗是建筑总能耗中最重要的一个部分，重点析了与空调系统能耗密切相关的围护结构的节能方案，包括外墙设计、窗体设计和外遮阳设计简述了新风系统的热回收技术;提出了用LED技术代替现有节能灯的方案。改造后的能分析结果显示，提出的节能设计方案针对性强，对夏热冬冷地区公共建筑节能有着巨大的推动作用，并进一步强调了节能理念的重要性。

　　关键词：夏热冬冷,建筑节能设计,围护结构,LED技术

　　1 公共建筑能耗现状的分析

　　夏热冬冷地区气候的显著特点是夏季闷热，冬季湿冷，昼夜温差小，年降水量大。该地区最热月的平均温度为25~30℃，而且以28~30℃居多。多数地方高于35℃的酷热天气长达半个月至1个月。该地区涉及16个省、自治区、直辖市，是我国人口最密集，经济、文化较为发达的地区，政治、经济地位极为重要。该区域所在的省市，存在着大量公共建筑。

　　图1 酒店能耗统计图2 商场能耗统计

　　图3 写字楼能耗统计 (参见下页)

　　1.1 各类典型公共建筑能耗统计

　　如图1～3所示，各典型公共建筑中，空调系统

　　能耗几乎占了总能耗的一半，这是因为夏热冬冷地区在冬季没有暖气供应，使得夏季和冬季都需要长时间地由空调供冷和供热。照明能耗位居第二，与前者加起来接近或超过总能耗的80%，所以对这两块能耗进行节能设计对于整体实现节能具有巨大的潜力。另外，建筑通风系统能耗所占比例虽小，但与空调系统能耗关系密切，所以对于通风系统的节能设计也是一块不可小觑的施展空间。

　　1.2 公共建筑节能理念的分析

　　从能耗产生的机理来看，对空调系统能耗的影响主要是由建筑冷热负荷的要求和空调本身的技术效率所决定的。影响空调系统冷热负荷的因素主要包括气候、建筑的特征参数、围护结构热工性能(包括窗体热工性能、遮阳技术等)、室内热扰、温湿度、新风量指标等，变化规律错综复杂，与空调系统冷热负荷之间是一种高度非线性关系。对于既有建筑来讲，很多因素已无法改变，重点应着眼于几个便于改造的方面，比如围护结构、新风量等。空调的运行策略对节能也起着很大的作用，但这主要取决于全社会的用能理念。是一味要求对室内环境全年“恒温恒湿”，无论室内有没有人，空调系统“全时间、全空间”运行，讲究个人奢华享受;还是强调发挥人体对环境的适应能力，实现合理的时间和空间控制，追求人与自然的和谐发展。中国疾病预防控制中心的研究表明：人体与生俱来的特性决定了人更加倾向于自然通风环境下的宽广的热舒适范围，有变化的热环境更加有利于人体的健康;而适当提高空调运行温度，不仅可以节约能源，还可以提高人体神经末梢对外界刺激的调节能力，有益于健康。

　　同样，对于照明和办公用电设备，在采用高效节能的先进设备的同时，用科学的控制策略减少不必要的能源浪费也是十分必要的。

　　无论是对于能耗还是对于健康，走和谐型的绿色节能之路是科学的、可持续发展的。所以理念很重要，它是一切行动的先驱。“十二五”规划中指出：首先，要确立提高建筑使用寿命是最大的节约理念，如果我们的建筑使用寿命提高一倍，大致可以节约一半建材生产的资源和能源;第二要确立从规划、设计、施工、使用、维护和拆除再利用全过程和建筑全寿命周期综合考虑建筑节能的理念。像发达国家有一些整个房屋拆除以后，平均回收利用率到了80%，而我们大部分变成建筑垃圾，还占用了大量的地方来填埋。以下就减少空调和照明系统两方面的能耗来进行节能方案的研究。研究流程图如下：

　　2 公共建筑节能方案的研究

　　总体上来讲，夏热冬冷地区的建筑节能需要做到保温隔热。保温和隔热是两个不同的概念：保温是指围护结构在冬季阻止室内向室外传热，减少热负荷的增加;隔热是指围护结构在夏季隔离太阳辐射热和室外高温，减少冷负荷的增加。

　　2.1 空调系统的节能改造

　　空调系统节能主要靠降低建筑冷热负荷及合理配置系统，而降低冷热负荷应从两个方面入手：1)围护结构，优化建筑外墙、窗体等的结构，增加保温隔热性能;2)新风系统，减少热损失。

　　2.1.1 外墙设计

　　在节能建筑外墙设计中，单一材料墙(即采用保温、隔热性能较好的产品作为墙体材料，把保温与建筑的围护结构功能合二为一的墙体)由于对工艺要求很高，满足热工要求的墙体材料少，所以复合材料保温墙应用比较广泛。它是用高效的保温材料和装饰材料一起使用，建成复合的节能外墙，使结构材料承受压力，让轻质材料用于保温，饰面材料用于装修，分为内保温墙、外保温墙和夹芯保温墙三种(如图5~7)。这样的墙体不仅厚度小，还可以增加房屋的使用面积，且保温性能好，更有利于节能。

　　内保温是指在墙体内侧(室内)增加保温措施，它对材料性能、配套技术要求不太高，且易于施工维修，造价也比较低，但是在夏热冬冷地区这样湿度比较大的地区，内保温的保温层容易受潮而降低保温性能，在寒冷的冬季往往会出现结露，甚至长霉发黑，不利于人体健康，所以不建议在这一地区实用这种结构。

　　外保温是指墙体外侧(室外)增加保温措施，它能有效切断外墙上的混凝土圈梁、构造柱形成的热桥，提高外墙保温的整体性和有效性，防止内墙表面在冬季出现结露;能对外墙的主体结构层起到良好的保护作用，使外墙体不受室外周期性变化的空气温度和太阳辐射影响;改造时也不用进入室内，对住户干扰较少;另外还能相对减少保温材料的用量[2]。

　　夹芯保温是把保温材料(如聚苯、岩棉、玻璃棉等)放在墙体中间，形成夹芯墙。这种做法墙体结构与保温层同时完成，对保温材料的保护较为有利。但是为了保证墙体的结构强度，需要加钢筋，容易产生热桥;施工相对困难一些;由于保温两侧墙体温差较大，使外墙的建筑结构寿命缩短。

　　综上所述，外墙外保温技术在夏热冬冷地区是十分合适的。目前常用的外墙外保温系统技术有：1)膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温;2)胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统;3)挤塑聚苯板(XPS)薄抹灰外墙外保温系统;4)新型外墙保温系统(如泡沫玻璃建筑保温系统、无机保温砂浆系统以及预制复合板保温系统等)。

　　外保温层厚度对于保温、隔热以及散热性能影响非常大。夏热冬冷地区需要制冷时的室内外温差比采暖时要小得多，春秋夏三季的夜间，室外气温比室内低，此时保温性能太好而散热性能缺乏，会造成多余的冷负荷，这对于节能反而会造成相反的效果。文献[3]指出，对节能效果来说，外保温层厚度并不是越厚越好，推荐厚度为25mm。

　　2.1.2 窗体设计

　　建筑外门窗作为建筑外围护结构的组成部分，与墙体、屋面相比，其空气交换量多，能量损失大。在传统建筑中，通过门窗的传热量占总能耗的20%以上;在节能建筑中，门窗的热损失占建筑总能耗的比重更大。

　　外窗系统节能的关键因素有：1)外窗朝向;2玻璃种类;3)窗墙比(因改造比较困难，这里先不做分析)，而这三个因素又是互相影响、互相制约的。

　　(1)外窗朝向。夏热冬冷地区太阳照射的朝向在冬夏两季存在一定的差异。文献[3]中指出，夏季日射强度以东、西向为最高，西南、东南向次之，北向最小;冬季日射强度以南向剖面为最大，东、西向峰值较小，北向最小。杭州属于典型的夏热冬冷地区，其夏季受海风影响，吹东南风，冬季受来自西伯利亚的寒风影响，吹西北风，所以该地区的房屋朝向一般为南偏东方向，门窗尽量布置在南向、东南向与北向，这样不仅有利于夏季室内形成穿堂风，使室内温度降低，且冬季可以获得足够的日照，使室内温度升高。无论是保温需要还是隔热需要，都有利于节能。

　　(2)玻璃种类。对于环境热量，即5~50μm波段的远红外线，普通浮法玻璃是不透过的，其反射率非常低，吸收率非常高，可达83.7%，可见玻璃的导热系数是一个重要参数。一般来讲，传热系数越低，越有利于建筑物节能(这里不考虑采光)。玻璃的导热系数为1W/m2K，而空气的导热系数为0.024W/m2K，氩气的导热系数为0.016W/m2K，因此由两片或多片玻璃和空气层组成的中空玻璃其导热系数降低很多，普通单片浮法玻璃的导热系数为5.2~6.0W/m2K，普通中空玻璃的导热系数降至2.5~3.2W/m2K，充氩气后，中空玻璃的导热系数一般可再降低0.2~0.3W/m2K。

　　随着建筑节能规范的实施和管理力度的加大，限制并禁止使用非中空玻璃双玻门技术，大大推进了中空玻璃的发展[4]。表1例举了几种常用窗体的热工性能对比，文献[5]-[6]对各种类型的玻璃进行了详细的分类能耗分析，包括每种朝向的全年负荷。

　　目前国内比较公认的是采用低辐射Low-E中空玻璃，因其表面镀有极薄银层，具有很低的表面辐射率和很高的红外线反射率。普通玻璃只能阻挡10%以下的太阳辐射热，低辐射Low-E中空玻璃能阻挡80%左右的太阳辐射，充入氩气，导热系数可达1.6~1.8W/m2K，遮阳系数0.41。对于夏热冬冷地区来讲，低辐射Low-E中空玻璃能很好地起到夏季隔热冬季保温的作用。

　　另外，增加窗体的气密性，积极采用隔热断桥节能型框材，保证中空玻璃门窗的总体节能效果。

　　2.1.3 外遮阳

　　建筑节能不能完全依赖提高外围护结构热阻来实现，从隔热方面来讲，在屋顶或外墙上设遮挡太阳照射物的方法，不仅能遮挡辐射热，而且还有通风冷却的效果，也不影响冬天的保温作用。

　　活动外遮阳技术能很好地解决在不同季节的遮阳问题。针对夏热冬冷地区日照方向的特点，对建筑东、西向的处理是夏季减小建筑冷负荷的关键。研究表明，建筑的东、西、南面外墙即使在不采取外墙保温措施，仅安装外遮阳设施的情况下也能起到很好的节能效果[3]，有效防止了这一地区“西晒”过热的现象。

　　对屋顶采取一定的遮阳措施，也起着十分有效的节能作用。屋面进行绿色覆盖，既可遮阳，又能隔热，也能起到美化环境的作用，此外，还有通风屋面、蓄水屋面等节能措施。国外有不少专家对“冷屋顶”(cool roofs)进行了大量的研究，发现其节能效果很显著。所谓“冷屋顶”是指日射反射率高的屋顶，它通过对普通屋顶涂上高反射率的涂料，提高屋顶的日射反射率，减少太阳热量的吸收，从而达到减少空调冷负荷和空调节能的目的。研究表明：采用“冷屋顶”可使空调负荷减少约10%~50%。

　　2.1.4 新风系统

　　空调系统在满足室内热舒适的同时必须保证良好的室内空气品质。对公共建筑来说，室内空气品质依靠新风来维持，但新风量增加的同时也增加了室内的冷热负荷，造成了空调系统能耗的增加，因此需要采用排风热回收技术，尽可能地减少室内温度的损失。目前有两种回收模式：显热回收模式和全热回收模式。

　　显热回收模式是指室内排风由转轮室内侧吸入，并将所含的部分冷量传递给转轮，新风从转轮室外侧吸入，将积蓄其上的冷量传递给新风;全热回收模式在吸附全热回收装置中还存在湿分的迁移，因此在工作中不仅传递显热还进行潜热交换。

　　分析表明[7]，在夏热冬冷地区由于新风湿负荷较大，采用全热回收装置比显热回收装置具有更大的节能效益。如图8所示，在各温频段，全热回收模式的新风负荷降低60%以上，能使建筑空调冷负荷降低18%~23%，而显热回收模式仅降低新风负荷5%~20%，建筑空调冷负荷降低8%以下。

　　2.2 照明系统的节能

　　如上所述，照明能耗在公共建筑中占到了总能耗的15%以上，大商店更是接近总能耗的一半，所以照明系统的节能是整个建筑节能的重要影响因素之一，是建筑实施可持续发展战略的一个关键环节。当然，对于照明而言，不能片面追求节能，忽视照明数量和质量[8]。

　　对于公共建筑照明来讲，可通过各种措施来降低照明能耗。可以增加采光度，如在室外加采光板;也可以通过一些新的控制策略，如用照度传感器来控制照明亮度，其节能效果比普通节能灯更好[3];而对于既有建筑照明来讲，更加直接而且方便有效的方法就是采用更节能更环保的照明设备。

　　据统计，以一盏 5W的 LED灯为例，对比25~40W的白炽灯，节能效果达80%以上;对比6~11W的节能灯，可节能30%以上。5W的LED灯替换40W的白炽灯以后，一年可以省电50kWh以上;如果中国近4亿户家庭每家将2只白炽灯更换为LED灯，节约的电能将超过葛洲坝全年的发电量。LED灯采用PWM恒流技术，效率高、热量低、恒流精度高、易于控制。LED智能照明系统的研发已经全面展开，如中祥智能LED灯管(红外感应)在地下停车场照明节能改造。该改造具体特点为：“有车(人)通过，16W工作照明，没车(人)通过，2W节能照明，省电效果达到90%”。每500盏灯的地下车库，每年可以节省15万度电，1000个500盏灯的地下车库照明，每年可以节省1亿5千万度，节约标准煤6300万公斤，减少二氧化碳排放17.700亿公斤。

　　此外，LED灯还具有超长寿命(可达五万小时，普通白炽灯使用寿命仅有一千小时，普通节能灯使用寿命也只有八千小时)、高光效率、高安全系数、绿色环保、保护视力等无可比拟的优点。

　　但是，就目前来讲LED灯单价昂贵，是节能灯的10倍以上，如此巨大的初期投入不是每个企业都能承受的，所以在一定时期内应该不会取代节能灯;然而，随着LED技术的不断提高，其成本必然会降低，市场占有量必然会上升。市调机构预估，2011年全球LED灯泡渗透率为3%，出货量将达六亿颗，产值80亿美元;至2013年，随着40W和60W传统灯泡掀起大换潮，总体市场规模将剧增至二十五亿颗。

　　中国目前白炽灯超10亿盏，照明耗能约占电1/6，国家发改委正着手制订“白炽灯淘汰路线图”，初步计划2018年起国内基本不再使用白炽灯。而LED照明节能环保长寿，非常符合“十二五”精神，已成为国家认定最有前景的一块领域，只要成本下降到一定程度，它的经济实用性将超过荧光节能灯照明，越来越得到社会的认可并且逐步取代传统照明。

　　3 总结

　　通过对夏热冬冷地区公共建筑空调系统以及照明系统的节能设计，可以得到以下结论：

　　(1)在公共建筑能耗中，空调系统和照明系统的能耗占到了总能耗的80%以上，对两者进行节能设计是十分必要而有效的。对于节能而言，一味追求技术上的提高是不够的，需要引入更多正确的节能理念，对于这一点应引起足够的重视。

　　(2)由于夏热冬冷地区气候以及日照的特殊性，在节能设计的过程中必须从实际出发，考虑多方面的因素，因地制宜才能起到最好的节能效果。

　　(3)外墙外保温技术在夏热冬冷地区是十分合适的。保温层厚度对节能效果也有较大的影响，推荐为25mm。

　　(4)低辐射Low-E中空玻璃能阻挡80%左右的太阳辐射，导热系数可达1.6~1.8W/m2K，能很好的起到夏季隔热冬季保温的作用。

　　(5)外遮阳技术能有效降低太阳辐射热，防止夏热冬冷地区“西晒”过热的现象。另外，屋顶遮阳措施能很好的起到节能效果，“冷屋顶”技术可使空调负荷减少约10%~50%。

　　(6)夏热冬冷地区由于新风湿负荷较大，采用

　　全热回收装置比显热回收装置具有更大的节能效益。

　　(7)LED作为一种新型节能、环保的绿色光源产品，对建筑节能有着巨大的潜力，是社会发展的趋势。

　　另外，太阳能、风能、地热能等多种新能源的发展前景也十分广阔。力总消耗量的

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