建筑系统节能初探
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建筑系统节能初探
Elementary Study of Systemic Energy Efficiency in Buildings
陈 光
方正平
江清阳 Chen Guang
Fang Zhengping
Jiang Qingyang
中图分类号TU111 文献标识码A 文章编号1003—739X(2007)O4—0027—03
摘要在建筑节能中引入了系统和载能体的概
念,提出了建筑系统节能的思想,分析了研究
建筑系统节能所涉及的时空范围及内容,把资
源与能源在时空范围的输入与输出看作载能过
程,通过载能流,简化了复杂的时空关系,基
于此,用系统工程的研究方法,划分了建筑节
能系统,探索了建模思路,提出建模方法,为
优化建筑节能方案和对建筑系统能耗模拟分析
软件开发又提供了新思路。
关键词 系统节能 建筑系统节能 载能体
建模
Abstract l his pape r introduces the
concept of system and ene rgy—
bearer in building energy efficiency and
puts fo rwa rd the thought of systematic
ene rgy efficiency in buildings.It also
analyses the range of space time and
content involved in studying systematic
energy efficiency in buildings and considers
the input and output of resou rces and
energy within space time as the processes
of ca r rying ene rgy to simPIify the
complicated relations of space time
through energy—current.Based on this,the
paper compa rtmentalizes the system of
energy efficiency in buildings and put
fo rwa rd the thought and method of
establishing the mathematical model by
the means of systems engineering.1t also
provides a new ideal of optimizing the
Droject of energy saving in buildings and
exploits the softwa re of analyzing on
consumption in building system.
Key Words Systematic energy efficiency,
Systematic energy efficiency in buildings,
Energy—bearer,Modeling
作者单位 第 乍者
第二作者 第三作者 安徽工业大学建筑工程学院
教授 硕士研究生
讲师
邮 编 200237
收稿日期 2006 10 16 我国正在以空前规模建造高耗能建筑,2000年全
国建筑能耗3.50 X 10 tce,如果建筑节能工作仍维持
目前状况,2020年建筑能耗将达到1O.89 X 10 tee,为
2O00年的3倍以上,建筑节能开始成为我国节能的重
点,是可持续发展的重要战略r ,虽然自20世纪8O
年代初开展建筑节能工作以来,我国的建筑节能已取
得长足的进展 i,如高能效的建筑设备研发、太阳能
等天然能源的利用、废热的循环使用以及建筑节能的
各种法律法规、技术标准体系等方面都有很大推进,
国内外对建筑物节能研究也十分广泛r”1,但是,笔者
认为对建筑节能的研究未能跳出建筑单体,注意力比
较集中在建筑单体中的墙体、门窗、屋面等某一项或
某个建筑设备,或其生命周期中的某个阶段,缺少整
体的、系统的观念和方法,这是不全面。因为某建筑
单体的节能并不代表整座城市是节能的,而城市功能
区布局不当、交通、管网等建设不合理,也会产生能
源利用率不高,增加建筑单体能耗。我们应该协调多
方面的因素,这种“协调”既有空间意义上的协调,
又有时间意义上的协调,是一个涉及诸多因素的系统
工程
1建筑系统节能的思想
1.1 既要单体的节能又要整体系统的节能
建筑节能之所以复杂,不仅是因为资源与能源在
时空范围内的输入与输出过程中涉及的内容多、面
广,更是因为所涉及的内容是由相互作用和相互依赖
的若干组成部分结合而成的具有特定功能的整体,具
有不同与组成它的诸要素的新的属性,它是一个系
统。
因而建筑系统节能应紧紧围绕“系统”这个概念
展开,要求节能工作既要考虑单体的节能,又要考虑
整体系统的节能,还要注意前与后、左与右的协调与
配合,这是节能工作中的一个根本观点r 1。其总的思
想是:
①整体性:并不是安装几种节能设备、采用一些
节能材料就能达到节能最优目标,而是要把节能要素
放眼于它们所在的系统之中,把它们同其它要素联系
起来,发挥出整体大于部分之和的功效。
②相关性:要考虑建筑系统内部的各个要素对能
耗的相互影响,比如增大窗的面积就会减少墙的面
积,这样就会对供暖、空调、通风及照明能耗等都产
生影响 -- 。不仅如此,还要考虑建筑单元子系统、建
筑单体子系统、建筑小区系统、城市系统之间的相互
关系对能耗的影响。比如单体与单体之间的布局,不
仅影响到小区交通能耗,还影响到日照得热、通风散 热及排水等。
③开放性:建筑节能工作中与环境共生高效利用
外部环境提供的可再生自然能源,包括风能、太阳能、
地热能等节约资源就是保护环境r“1,保护环境又可以
减少因环境低劣而消耗能源与资源。
④动态性:系统是一个“活”的有机体,系统的
平衡和稳定是一种动态的平衡和稳定。因此,我们研
究建筑系统节能时应充分考虑:地区差异的观念r 、考
虑时间因素、适应外环境的变化、考虑建筑的全寿命
过程 、考虑资源与能源的循环再利用。
1-2既要合理利用能源,又要合理利用非能源
系统节能还仅仅围绕“载能体”的概念展开。所
谓载能体是指:凡是在制备过程中,消耗了能量的物
体,以及本身能产生能量的物体r 。由载能体的概念可
知,为了节能我们必须:
①既节约能源,又节约非能源。因为钢材、水泥、
砖瓦、玻璃、机器设备等原材料和中间产品都消耗了
能源才生产出来的,包含了“物化了的能源”,节约这
些非能源就是节约能源的需要。因此,节能工作一定
要一手抓能源,一手抓非能源。这是节能工作的又一
个根本观点。
②既要节约,又要合理利用。我们节能工作不仅
要降低载能体的单耗,又要降低单位载能体的载能量,
不是单纯抑制建筑用能需求,而是提高能效比,建筑
节能的关键在于提高建筑能量高效率r“ 。
根据建筑系统节能的思想,建筑节能原有的节能
含义也要扩展了,建筑节能的研究范围、内容、方法
等都有了新的延伸。
2建筑系统节能的时空范围
通过前面对建筑系统节能的认识可知,建筑系统
节能的研究领域不只局限于建筑单体,必然在空间和
时间上都会有新的延伸(图1 o
2.1空间领域
由建筑系统的开放性及相关性决定了,建筑系统
节能必须考虑从能源与资源的获取到输送、分配再到
消耗的整个过程,在空间上必然涉及到外环境系统、城
市系统、建筑小区系统、建筑单体及建筑单元五个不
同层次上的节能问题,而且,能量的承载与交换贯穿
了这五个不同层次的系统,把它们紧紧联系在一起,在
研究各个系统的节能时就离不开考虑它们之间的相互
影响、相互作用,只有这样才能达到整体上的节能。
①外环境系统:建筑系统通过各种方式不断地从
蛋参建筑第2 5卷4/2007 2l
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间
领
域
图1建筑系统节能研究领域的时空坐标 图2建筑节能系统的载能量流通示意图
表1 建筑系统节能研究内容列表
所涉及的途径 途径所涉及的内容举例
降低原材料(钢筋、水泥、砖瓦等建材)单 建材的生产工艺、城市交通布局(影响建材的运输能
耗及载能量 耗)、建材产业结构和市场运行等
降低中问产品(墙、窗等围护结构及辅助设 围护结构的施工方法、保温隔热等性能(影响到运行
备施工、运行)单耗及载能量 过程中吃掉的能耗)、围护结构的拆除、处理、回收
耗能、及所需建材的量(节材)等
降低空气载能体的单耗及载能量 新风处理(除尘加湿)、空气传送、空气调节到人体
1降低各道载能流 所需温度的能耗、以及所需的新风量等
程中载能体的单 降低水(雨水和自来水)载能体的单耗及载 水处理用能、水网调节输送用能、达到人所需温度的
耗及载能量 能量 耗能、及耗水量(节水)等
降低光能载能体(照明)单耗及载能量 采光设备用能、围护结构采光、建筑结构布局等
降低建筑设备单耗及载能量(包括设备建 烹饪,电视、电脑等设备及运行、设备运行中发热对
造、运行及运行中因发热(内扰)增加冷热 冷热负荷的影响(不包括HVAC设备和照明设备,因
荷的载能) 为其载能量已经加载在空气和光能载能体上)
降低电、天然气、煤、燃气等不可再生能源 城市布局、城市能源结构、电网、煤气管网及能源生
单耗及载能量 产等
降低太阳能、风能、地热能等可再生能源载 获取可再生能源的相关设备的制造、运行用能小区布
能体的单耗及载能量 局、绿化、建筑形态、外部气候环境、地形地貌及其
相关设备技术
2多利用可再生能 多利用太阳能、风能,地热能等可再生能源 如中水回用、余热利用,建筑拆除后对钢筋等建材的
源栽能体 栽能体 回收等
3回收各个环节散 对废水、废热,废弃建筑材料、设备等回收 失的栽能体及各 循环再用(载能量一般取零) 种能量
外部环境获取各种能源及资源。只有在系统地了解外
环境(如地形地貌、天气状况等)的变化规律及其特
征,才能让外环境的能源与资源有效的输入到建筑系
统内,被有效利用。
②城市系统:建筑系统与外环境的能源与资源的
输入与输出,必须通过城市系统来组织和调度,如通
过交通网来组织建材、设备和人等物流分配,通过管
网来组织水、天然气等能源的分配,通过电网来组织
电能的分配等。所有这些组织与调度都是一个载能过
程,于是应协调好能源与资源的组织与调度,降低在
输送、分配过程中的载能。
③建筑小区系统:建筑小区系统也承担着对电、
水、气等能源与资源的输入输出功能,但建筑小区对
能源、资源的分配功能还主要表现在对可再生能源的
分配上,如通过合理的组织小区布局,把太阳能、风
能合理分配到小区内各建筑单体和单体的某个部位,
充分利用可再生能源载能体,如分布式能源系统。另
外,小区本身也消耗能源,如小区照明、景观用水等,
如何协调降低小区的这些载能也不容忽视。
④建筑单体系统:建筑单体系统主要包括建筑结
构、外形、朝向、内部空间分割、窗、墙组合方式等
要素及其相互关系。建筑单体系统联系着建筑空间与