基于系统考虑的建筑节能设想★

常路彪

(聊城大学东昌学院，山东聊城 252000)

1 概述

在我国，建筑总能耗已超过全国总能耗的1/3，与发达国家建筑能耗所占的比例接近(发达国家建筑能耗一般占全国总能耗的1/3至40%左右);而仅计算商品能源的建筑总能耗也达到全国总能耗约1/4，由于人民生活水平正在逐步提高，经济发展，用能增长迅速，这个比例还在逐步攀升［1］。在我国不仅近400亿m2既有建筑中，99%为高能耗建筑，而且在数量巨大的新建房屋建筑中，95%以上的也是高能耗建筑［4］。

我国十二五规划纲要明确提出要合理控制能源消耗总量，提高能源利用效率，其中抓好建筑等重点领域的节能，被重点提了出来。要降低建筑能耗，一方面需要采用先进节能技术和措施，降低建筑能量的使用量，另一方面需要综合考虑建筑能耗，避免建筑内能源的浪费和重复使用，提高建筑能耗的利用效率。

2 建筑的各种能耗

广义的建筑能耗不仅指建筑使用过程中的能源消耗，还包括建筑建设过程中的能源消耗，而狭义的建筑能耗仅仅指建筑物使用过程中的能源消耗。由于建筑使用过程中的能源消耗量巨大，在我国使用过程中节能的潜力巨大，所以我们将建筑节能的重点放在建筑的使用阶段。建筑在使用过程中，对能耗的需求有很多种，以下对建筑所需要的各种能耗以及它们的来源和使用进行阐述。

2.1 建筑运行所需要的能量

建筑在使用过程中的能源消耗，主要包括温度调节(包括水温调节、空气的温度调节)、给排水、空气调节(室内换气、湿度调节)、照明、炊事、家用电器等方面。主要涉及到热能、势能、风能、光能、电能以及其他能源。

2.2 建筑内能量的来源

如果把一栋建筑看成一个独立的系统，该系统就需要不断的和外界进行各种能量的交换，我们这里分析建筑内各种能量的来源，寻找出对社会、对自然影响和破坏比较小的能量来源。建筑所需要的能源主要来自以下方面:1)电能。现在建筑内绝大部分的设备是通过电力来驱动的，各种电器的用电都是由外部电网供入，除非个别示范建筑的电力可以由本身的太阳能或风能发电以外，在我国几乎所有的建筑都是要消耗外界的电能。2)制热(制冷)用能。现在为了保证建筑的舒适性，人们越来越多的改变建筑内部的温度，主要是北方城镇建筑内取暖和南方建筑制冷。建筑取暖主要是利用煤炭锅炉的燃烧转化为热量，进行集中供暖。建筑制冷主要是利用电力将热量转移到建筑外部。3)光能。建筑的另一部分能耗是光能，白天主要是利用自然光进行照明、晚上或自然采光不理想的条件下，采用灯具将电能转化发光，对于光能的节约主要是从加大对自然光的利用和降低发光用电能两方面入手。4)通风用能。建筑内部人类活动需要新鲜的空气，要与外部进行气体的交换，一般采用自然通风和机械强制通风，在进行建筑设计的时候，我们应尽量方便采用自然通风，减少机械通风。5)势能。对于非单层建筑来说，建筑需要将人、物品、水等从低位提升到高位，增加其势能，消耗以电能为主的能源。

2.3 建筑物能耗的使用

1)制热(制冷)用能。人们为了保证建筑内的环境舒适，需要对建筑内的温度进行调节，在我国主要是北方在寒冷季节进行采暖，南方在炎热季节进行空调制冷。随着我国经济的发展，人们对居住环境的舒适要求越来越高，出现了采暖区域向南扩展，制冷区域向北扩展的趋势。仅北方城镇采暖能耗就占全国城镇建筑总能耗的45%，为建筑能耗的最大组成部分［5］。所以建筑用热能(制冷用能)应该成为我国建筑节能的重点控制对象。建筑用热能(制冷用能)主要是改变建筑内部温度，使其高于(或低于)外部自然温度。要节约这部分用能，我们可以从以下方面着手:a.提高制热(或制冷效率)，减少在制热(或制冷)过程中的能源消耗;b.减少建筑内热量(或冷量)向建筑外部的扩散;c.借助外部自然能源为建筑提供热量(或冷量)。我国北方城镇供暖一般采用的是集中供暖，通过采用介质——水，将热量从锅炉传输到用户家中。一方面我们要提高锅炉的煤热转化效率，用较少的煤炭资源产生较多的热量，另一方面我们要减少热量在传输过程中的耗散，再一方面就是减少热量在住户家中的浪费，在传统的供暖计费模式下，以建筑面积来收取采暖费，与人们对热量的使用情况无关，人们缺少、也无法对热量进行节省，而采用新的计费模式后，以消耗的热量来计费，这样人们就会减少在室内无人时的供热量，节约能源。在我国建筑室内的热量绝大部分是通过围护结构传导出去的，要节约建筑采暖(制冷)用能，减少围护结构对热量的传导是主要手段，人们一般采用低导热的建材来进行建筑保温。建筑还可以利用外部自然资源来改善人们居住环境，例如在冬季采暖季节，可以利用外部的太阳能来提高建筑内温度，现在正在推广的太阳能热水器也是利用太阳能来对水进行加热。

2)照明用能。建筑内部照明白天还主要是用自然光，在晚上和天气条件不好的情况下，采用电能发光。但有些建筑由于设计不合理，内部照明全部采用电灯发光，其实这完全可以避免，只要将窗户或采光井设计合理，白天完全可以用自然光。

3)势能。建筑给水主要是利用水泵，将水从低位提升到高位，增加水的势能，另外，在高层建筑中，人和物品是利用电梯提升，增加势能。在这过程中，主要是通过消耗电能，将能量以势能的形式储存起来。但人们从没有利用过这部分储存的势能，最后都白白浪费，更有甚者再次通过电梯将势能减下去。

4)通风用能。一般建筑利用开窗等自然方式通风，不耗费任何资源，但大型建筑需专门利用排风系统来进行排风换气。

5)其他能。在建筑内部还有许多设施利用电或石化产品的能量，例如炊具、冰箱、卫浴等。

3 建筑能耗的分析

前面所说的建筑能耗都是单独的分析和利用，没有考虑能量之间的关系，根据能量守恒定律，能量是不会凭空的产生和消失的，只会从一种形式转换为另一种形式。我们可以将建筑物内各种能量综合的分析，看看哪些能量我们还可以再利用，充分利用各种能量的转换，降低使用外部能量。

3.1 热能分析

热能总是从热量高的地方传递到热量低的地方，建筑取暖和制冷是人为的改变热量的平衡，使热量从低位转移到高位，期间消耗其他能量。既然耗费能量进行了热能的转移，我们能否将转移的热能用到我们所需要的地方，例如我们用空调将热量从室内转移到了室外，一方面该部分热量白白浪费，另一方面还增加了外界的温度，如果我们将这部分热量拿来加热水，既节约了烧水的这部分能量消耗，又不会增加外界的温度。

另外，冰箱制冷也要将热量转移到外面，从而达到内部低温的效果，如果将这部分热量转移到室内，对于冬季采暖的地区，可能因为室内温度较高，冰箱的耗能将会增加，如果将冰箱内部的热量转移到建筑外部，冰箱的耗能将会大大减小，甚至不需要能量。对于制冷的地区，将冰箱内部的热量转移到室内会增加室内温度，从而导致室内制冷能耗的增加，不如直接将冰箱内的热量转移到室外节省，具体如图1所示。

图1 冰箱转移热量示意图

3.2 势能分析

上层建筑内的一切物体相对于底层都具有重力势能，而现在的建筑却没有对这部分能量加以任何利用，如果在上层物体下降时，拿这部分能量做功，或用来发电，或转化为其他能量，这也将节约一部分建筑能耗。

3.3 照明分析

建筑内利用自然光照明主要是通过窗户，但窗户是室内热量向外耗散的主要通道，所以在建筑设计的时候，建筑采光与建筑保温成为一对矛盾。为此，我们要改善窗户质量，尽量使其透光性好，热传导性小。

3.4 气压分析

建筑内部需要通风，当外界有空气流通的时候，在建筑内外会形成气压差，利用这个气压差，我们可以实现建筑的自然通风。建筑通风主要是通过窗户或专门的通风口进行，由于外部空气流通的速度(风速)不固定，所以窗户和通风口的大小应该是可以调整的，另外最好在通风过程中加以除尘、加湿、加热等，改善进入室内空气的质量。当建筑通风的时候，室内空气会将室内的温度带走，从而导致室内热量的散失，这也是一对矛盾，最好是实现用室内的空气热量和室外空气热量的交换，利用室内空气将室外空气加热，减少热量的损失。

4 建筑节能的建议

当今，建筑节能并不是在牺牲建筑舒适度的前提下降低能源消耗，而是提高能源的利用效率，在不增加(或少增加)建筑能耗的前提下，改善建筑舒适性，这就是著名的需求侧管理。而系统的考虑建筑内各种能源的消耗，以及相互的关系，是提高建筑能源利用率的一种重要思想。另外，我们在考虑建筑内是否要增加某一节能设施的时候，可以利用“能耗价值工程”的方法，来体现该设施的节能指标，具体的公式:能耗价值工程=生命期内节约或创造的能量÷建设该设施增加的能耗。

例如:某建筑内增加一件冰制品，用来降低室内温度，该冰制品的能耗建筑工程=由此减少的制冷能耗量÷加工该冰制品能耗量;安装某太阳能热水器的能耗价值工程=太阳能热水器在施工过程中产生的能量÷建设该热水器的耗能量;在考虑是否要增加某一窗户的时候，增加该窗户的能耗价值工程=(利用自然光节约的能量－增加该窗户导致的热能耗散量)÷该窗户的建设耗能。

5 结语

通过系统的考虑建筑节能就是综合考虑各种能量使用，避免能量浪费和重复使用，要尽可能减少二次或多次能源的消耗。

建筑节能是全世界面临的一个重要课题，需要对建筑内的每一种设施的能耗情况都进行详细的研究，获得各种设施的能耗数据，为今后研究建筑节能提供基础的数据支撑和参考。

［1］江 亿.我国建筑耗能状况及有效的节能途径［J］.暖通空调，2005，35(5):30-40.

［2］涂逢祥.中国建筑节能60年:任重道远［J］.城市住宅，2009(10):76-79.

［3］龙惟定.试论建筑节能的新观念［J］.中国住宅设施，2005(2):10-13.

［4］贠英伟，吴香国，范丰丽.我国建筑节能现状分析及对策［J］.重庆科技学院学报(自然科学版)，2006，8(1):62-65.

［5］江 亿，杨 秀.我国建筑能耗状况及建筑节能工作中的问题［J］.中华建设，2002(2):12-18.