浅析当前国内外建筑节能设计的发展水平

胡 羽 佳

(中国矿业大学国际学院，江苏 徐州 221000)

1 建筑能耗的概念

建筑能耗是指，在建筑物正常运行使用过程中，为维持建筑物基本的功能所消耗的能量，包括供热采暖，照明，动力，空调，通风，家用电器，输送，烹饪，给排水，热水供应，电梯，办公设备，厨房炊事等其他运行相关能耗。事实上，关于建筑能耗的概念，还有一种较为广义性的说法，从建筑材料制造、建筑施工，一直到建筑使用的全过程能耗叫做建筑能耗。但是，建筑材料制造，建筑施工的能耗属于第二产业，它的节能应该在工业生产中解决。而建筑使用能耗主要是第三产业和人民生活中，与前面两点分属不同领域，其节能路径不同，所以建筑能耗应为建筑使用能耗。并且依据国际通行的分类，建筑能耗是指建筑使用能耗。当前我国建筑行业除了建筑面积的急速增长，建筑能耗的增长也处于不断上升的阶段。清华大学建筑节能研究中心在《中国建筑节能年度发展研究报告2017》中指出，2015年建筑运行的总商品能耗(不含生物质能)为8.64亿tce，约占全国能源消费总量的20%。我国的建筑节能设计尚处在起步阶段，因此需要对国内外节能情况进行调查，找出差距设立发展目标。

2 建筑节能设计

2.1 建筑节能设计的内容

由于在建筑运营时所产生的能耗最大，所以绿色建筑主要针对于建筑运营时所产生的能耗进行设计应用。其中包括建筑节能新材料的应用、暖通节能设计的应用、新节能设备技术的应用、新能源的应用。

2.2 建筑节能设计的理念

墙体节能技术实质是墙体保温技术，墙体保温技术是在建筑物施工阶段，通过利用建筑保温材料将外界与室内的热量有效的进行隔绝，防止室内的热量进行不必要的扩散和流失，从而进一步的保障室内温度的稳定性，更进一步减少了对空调及加热器等其他电器的使用依赖，同时也减少了能源的消耗和浪费；暖通的动力设计可以降低建筑原有的能耗，例如热水器，可以采用太阳能进行加热，也可以采用地源热泵能源进行加热，或者用空气源也可进行加热，同时也有多种能源联合的方式进行，例如有太阳能和地源热泵的混合利用，针对于太阳光充足但较为寒冷的地区，可以采用太阳能和地源热泵能源混合的利用方式，一方面地源热泵弥补了夜间及有时太阳能不充足的情况，另一方面提高了能源的利用效率。还有利用低温热水地板辐射采暖系统，这套动力系统是把加热管理的装置放到混凝土埋管层里面，通过40 ℃～60 ℃的低温热水在管道内的循环流动，使地面温度升高到25 ℃～29 ℃，最后利用辐射与相互对流的供暖方式向室内辐散热量的供暖方式。建筑门窗可以体现节能最为主要的原因是室内采光率，在保证房屋室内采光效果的最大化的前提下，可以减少照明设备的使用和对电能的浪费。而节能技术在建筑门窗施工中的应用通过对门窗过梁的位置进行合理的计算设置不但节约了对钢筋等材料的应用，而且保证了其质量。较传统门窗相比较而言，抗风压性、雨水渗透性以及空气渗透性，与能源的消耗有着密切的关系。在设计过程中，可以尝试主动引入新型玻璃材料，例如真空玻璃，可以提升门窗的隔热效果，从而达到保温等效果；还有太阳能、风能、地热等的利用，利用这些能源，不会对环境造成污染和破坏。

3 建筑节能设计在国内的应用

自20世纪90年代“绿色建筑”概念的提出后，人们很快的意识到建筑物与周围环境相协调的重要性，紧接着绿色建筑计划的制定与实施提上了日程。随着工程师们的探讨和实践，作为新兴领域的绿色建筑行业发展到现在，已经在节能、节地、节水、节材等方面有了成熟的建筑技术，并广泛运用到工程建筑中，本文将结合国内外绿色建筑的案例，来对现如今绿色住宅的一般性技术做一个简要的分类、概括与分析。

绿色建筑设计的主要内容归根结底就是节能设计，绿色建筑节能部分技术设计分为体形系数、窗墙比、围护结构三个方面。

3.1 体形系数

体形系数(Shape Coefficient of Building)定义为建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的体积之比，即单位建筑体积所占有的外表面积，其中外表面积中不包括地面面积。

即S=F0/V0。

其中，S为建筑体型系数;F0为建筑的外表面积。

由定义可知,体型系数反映了一栋建筑体型的复杂程度和围护结构散热面积的多少，体型系数越大，则体形越复杂，其围护结构散热面积就越大，建筑物围护结构传热耗热量就越大，因此建筑体型系数是影响建筑物耗热量指标的重要因素之一，是绿色建筑设计所重要考虑的原因之一。所以根据，JGJ 26—2010严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准规定，寒冷地区体形系数的限值规定在0.26，具体如表1所示。

表1 寒冷地区居住建筑的体形系数限值

而山西省晋城市的参照建筑的体形系数需要满足0.4，而团队所调查的这个建筑的体形系数只有0.18，大大减少建筑物外围护结构临空面的面积大而造成的热能损失，达到绿色建筑的要求。

3.2 窗墙比

窗墙面积比是指某一朝向的外窗(包括透明幕墙)总面积，与同朝向墙面总面积(包括窗面积在内)之比。山西省晋城市的东南西北的墙窗比都需要不大于0.7，该建筑东南西北的窗墙比分别是：0.50，0.54，0.54，0.56，都符合标准。但是作为寒冷地区的绿色建筑，应增大南面的窗墙比，减少北面的墙窗比，适当开设东西两方向的墙窗比，从而可以获得更多光照与辐射，同时达到减少建筑能耗的目的，这是该绿色建筑中不足的地方。

3.3 围护结构

围护结构是指围合建筑空间的墙体、门、窗。

围护设施——为保障安全而设置的栏杆、栏板等围挡。由于围护结构具有隔热的能力，可以减少建筑物能耗从而达到绿色环保的效果，那么如何设置围护结构可以通过合理的选材和避免热桥来实现。在外围护构件中，由于结构要求，经常设有导热系数较大的嵌入构件，如：雨棚板，过梁等。这些构件保温性能差，散热多。为了避免热桥的影响，避免嵌入构件内外贯通，并对这些部位采取局部保温措施。

4 建筑节能设计在国外的应用

Sir Samuel Griffith Center是澳大利亚格里菲斯大学的一栋教学楼，它是可再生能源和离网技术的开拓性示范建筑，也是世界上第一个应用大型离网储氢系统的建筑。此建筑物完全由太阳能供电，并且完全独立于电网供电运行，在节能方面有着独特的优势。

该建筑的特点是在一般性的离网型发电系统(离网型光伏发电系统是指没有任何辅助电源，光伏发电是唯一电力来源的电源系统技术的基础上，利用氢作为太阳能能源的长期存储载体，真正实现了长期离网发电)。可再生能源(例如太阳能，风能等)的使用限制主要有两点：1)其可使用量在每日的不同时间不同。2)其可使用量在不同的季节不同。该建筑的运用氢储电的系统基本解决了这两个限制问题。该建筑通过光伏电池板获得太阳能进而发电。当太阳照射时，光伏电池板吸收比建筑日常用能更多的能量并且储存起来，多余的能量用于黑夜和阴雨天气。电池提供日常用电存储，氢作为长效电池发挥长效储电的作用。1 164块光伏电池板吸收光能发电。该建筑内所有能量均来源于此。在1 164个光伏电池板的作用下，即使在高峰时段，它的功率也可高达330 kW，超过其需求的3倍。根据这座建筑物的平均用电量，这个系统能够保证它在多日零光照的条件下正常运转。光伏电池板提供直流电，但建筑需要交流电。逆变器将直流电转换为交流电。所以当有阳光照射时，该建筑可以通过太阳能正常运行。每当光伏电池板阵列产生比建筑物正常运行所需电力更多的电时，第二个双向逆变器就会用这些暂时不需要的电为电池组充电。该逆变器还会转换由氢燃料电池产生的电。该电池组由1 024个锂离子电池组成，其具有较长的使用寿命并且比传统的深循环太阳能电池体积更小，质量更轻。当电池组充电完成时，多余的太阳能被用于产生氢气。通过电解器电解水，可以获得氢气。氢气产生之后，它依次被输送到净化装置和特制的储存系统中。最终将氢气以金属氢化物的形式储存在固体中，以这种方式储存大量能量是非常安全而有效的。当我们需要电力时，氢气会从储存器中释放出来并供给到产生直流电的燃料电池中。释放被存储的氢气十分简单，只要加热金属氢化物即可。由于燃料电池的效率并不是百分之百，所以只要使用氢气就会产生废热，而这些废热又会被用于加热氢气。已经存储好的热水确保热量始终满足释放氢气的温度。由燃料电池发出的电是为了给电池充电。当没有可用的太阳能电源时，电池通过双向逆变器产生交流电来给建筑物供电。在这个系统中，电池非常重要，燃料电池在恒定负载下运行时间最长，故而应用燃料电池。另外，这座建筑的能源需求为一般大学建筑的60%～70%。这是通过许多设计方案实现的，这些解决方案包括更多的开放式空间以及通过以太网提供电话服务和计算能力。该建筑物非常狭窄，只有20 m宽，这意味着日光可以直接从北面和南面进入，所以在大部分房间，白天几乎可以只使用自然光就能满足正常使用需求。而在阴天或夜间，该建筑物可以感受到日照水平，以平衡所使用人工照明灯的数量。

5 结语

我国正处于经济飞速发展和快速城镇化时期，建筑节能问题十分紧迫。1985年—2016年我国建筑面积，建筑能耗均处于长期飞速增长的阶段，2015年我国建筑能耗已经占全国能源消费总量的20%。然而，在建筑节能研究上，我国建筑能耗数据可利用性不高。我国建筑能耗数据来源为中国统计局的《中国统计年鉴》《中国能源统计年鉴》《中国城乡建设统计年鉴》。较为准确的计算方法是由清华大学建筑节能研究中心建立的中国建筑能耗模型。通过比较山西省晋城市政务服务中心与澳大利亚的教学楼Sir Samuel Griffith Center，可以得知：近几年，我国的绿色建筑发展迅速，建筑节能标准逐渐完善，建筑节能技术日趋先进，然而，由于我国节能与国外先进的节能技术尚存在不小的差距，所以还需要从政策上、措施上、技术上提高节能设计的水平。