超低能耗建筑节能潜力及技术路径研究

左雅丽，邵 爽

（同圆设计集团股份有限公司烟台分公司，山东 烟台 264000）

随着全球能源危机和环境问题的日益严重，建筑行业作为能源消耗和碳排放的主要来源之一，其节能减排的重要性不言而喻。超低能耗建筑作为一种具有高效节能、环保可持续的建筑形式，逐渐受到广泛关注。超低能耗建筑的节能潜力包括：降低能源消耗：超低能耗建筑通过采用先进的节能技术和设备，提高建筑物的保温隔热性能，减少能源消耗[1]。例如，使用高性能的保温材料、优化建筑结构设计和使用高效节能设备等。提升能源利用率：超低能耗建筑采用可再生能源和清洁能源，如太阳能、风能等，提高能源利用效率。同时，通过智能化的能源管理系统，实现能源的优化配置和高效利用。降低碳排放：超低能耗建筑通过减少化石能源的使用，降低碳排放。同时，采用低碳材料和低碳施工技术，减少建筑建设过程中的碳排放[2]。基于超低能耗建筑的节能潜力，开展对其技术路径研究。

1 超低能耗建筑冷热源系统方案选择

建筑冷热源常见方案包括：①热泵型风冷冷热水机组；②变制冷剂流量系统；③燃气锅炉+水冷式冷水机组；④太阳能与地源热泵复合式系统。针对上述4种方案，选择出最具超低能耗性能的冷热源方案。采用层次分析的方法，按照图1中各项指标，实现对4种方案的综合比选。

图1 层次分析结构图

采用AHP（Analytic Hierarchy Process）方法构建了该系统的分级体系。通过对该系统的分层分析，可以得到一个对建筑冷热源方案综合评价的体系。在此基础上，构建判断矩阵：

式中：A代表判断矩阵；aij代表某一项指标。通过9级互反标度的方式，对判断矩阵中各因素在决策中相对重要性进行表征。

在得到了以上的评判矩阵之后，需要根据AHP的相应要求，对其进行一致性检查，检查的方法已经在AHP的有关介绍中作了相应的解释[3]。在一致性测试的基础上，利用特征量的方法，确定了各个指标的对应权重。在实际应用中，利用mata对判断矩阵进行特征值和特征矢量的运算，并利用特征矢量来确定各个因子的权重。为了增强评判矩阵的科学性，本文采用调研的方法，向业内资深专家征询了有关因素的权重。

根据相应算法，得到各个方案中各项因素相对优的隶属度值[4]。由于所选择的指标均为成本型指标或收益型指标，因此，只需要从这两个方面确定相应的隶属度。其中，成本型指标的隶属度函数为：

式中：rij代表成本型指标的隶属度；vij代表实际值；vimin代表某一因素i属性值的下限值；vimax代表某一因素i属性值的上限值。对于经济型指标，其隶属度函数为：

在此基础上，结合隶属度最大原则，得出4项方案的隶属度从大到小的排列顺序为：V4（方案④隶属度）＞V3（方案③隶属度）＞V2（方案②隶属度）＞V1（方案①隶属度）。综合上述得到的结果，选择将第4种方案作为超低能耗建筑冷热源系统方案。

2 超低能耗建筑节能潜力分析

为详细分析超低能耗建筑的节能潜力，选择将某地区19层居住建筑模型作为研究对象，在基准条件下和高性能围护结构条件下进行对能源消耗的模拟[5]。在基准条件下，建筑的冷热源设备参数记录如表1。

表1 基准条件下建筑冷热源设备参数表

根据上述设定，得到如图2所示的基准条件下建筑能耗模拟模型。

图2 基准条件下建筑能耗模拟模型

为了进一步完善能耗模拟模型，将末端全面每小时负荷数据作为外部数据引入其中。这些数据为模型提供了更为精确的能耗动态信息，使得模拟结果更为接近实际情况。

超低能耗建筑在冷热源的选择上采用了高能效的分体空调进行供冷。分体空调作为一种高效、节能的冷热源设备，在超低能耗建筑中得到了广泛的应用[6]。为了确保模拟计算的准确性，在冷源分体空调的能效选择上采用了1级能效。这意味着该设备在提供冷量的同时，能够实现更低的能耗，从而达到超低能耗的目标。

在能源消耗模拟计算的过程中，我们根据表2中的内容对超低能耗建筑冷热源设备参数进行了详细设置。这些参数包括设备的型号、规格、能效等级、运行模式等，它们共同决定了设备的能耗和性能表现。通过合理的参数设置，我们能够确保模拟计算的准确性和可靠性，为后续的节能优化提供有力的支持。

表2 超低能耗建筑冷热源设备参数设置表

根据上述参数设置，得到如图3所示的超低能耗建筑能耗模拟模型。

图3 超低能耗建筑能耗模拟模型

通过模拟，得到建筑基准与超低能耗模型全年能耗模拟结果对比图，如图4所示。

图4 建筑基准与超低能耗模型全年能耗模拟结果对比

从图4中可以清晰地看到，基准建筑的能耗在全年中占据了绝对的主导地位，占比90%以上。这意味着除非采取有效的节能措施，建筑的大部分能耗都来自于基准建筑。

然而，对于那些采用了高性能围护结构的建筑，情况发生了显著的变化。它们的能耗相较于基准建筑有了明显的下降，下降幅度接近50%。这一数据强有力地证明了高性能围护结构在节能方面的巨大潜力。

除了围护结构的改进，高性能冷热源设备也为降低能耗作出了显著贡献。与基准建筑相比，采用了这些设备的建筑，其能耗被有效地控制为70%～80%。这意味着通过技术的进步和设备的更新，建筑物的能耗可以大幅度降低。

此外，高效的围护结构和排风热回收措施也为减少空调的能量消耗发挥了关键作用。通过这些措施，空调的能耗得以显著减少，进一步证明了在建筑节能中，综合运用各种技术和措施的重要性。

3 技术应用与建筑能耗实测验证

在实地勘察的基础上，采取随机抽样的方式，在一套高层住宅的北侧卧室外墙面上进行布点试验。选择符合规范规定的墙体面积为试验区，在墙内设置两个测温仪（热电偶）和两个热通量测板；在墙的外部设置了一个温度测量点（热电偶）。依据住宅建筑节能试验规范，结合实际试验情况，对采集到的巡检仪资料进行分析、筛选，选择48 h的全部数据，在此阶段试验环境较为稳定。求出墙体的热阻为66.90 m2·k/W；换算为外墙换热系数0.14 m2·k/W。结果表明，该设计值满足并超过了设计指标。

利用红外热像仪对试验室、试验室进行全局摄像及局部摄像，确定各测点的最低温测点，并在室内布设温差电偶，逐时记录、分析。试验目标与工作原理：依据红外热像理论，采用红外热像分析法，测定建筑围护结构的内外表面最低温点处，并设置热电偶作为测温装置。试验范围应优先选取墙角、外墙及屋面结合部等关键部位。

该示范楼的外墙无明显的热工缺陷，最易产生热桥的地方是墙角处、窗框等连接处的温度与整个建筑物的平均温度差为1～3℃。在试验中，我们在外墙上选取了一个温度相对较低的位置，并将其安装在一个温度比较低的地方。

外围护结构热桥部分内表面的温度评价可以按照下述公式进行：

式中：θI代表热桥部分在室内和室外环境中的内表面温度；tdi代表室内计算温度；trm代表受监测房间室内平均温度；θIm代表热桥部位内表面温度逐时值算数平均值；tem代表室外空气逐时值算数平均值；tde代表围护结构冬季室外计算温度。

通过上述公式计算可以得出，建筑壁面最低点折算温度高于露点温度，因此，不会出现结露的情况。在此基础上，对建筑物外部整体的热成像进行分析，建筑不透光墙体具有较好的热工特性，且不透光墙体内部温度分布均匀，窗缘与主体部位的温差为1～3℃，隔热效果好，不存在明显的热工问题。

通过实测验证，对外墙的换热系数进行了详细的对比和分析。在这次测试中，发现外墙的换热系数为0.14 W/m2·k，这个数值与居住建筑节能设计标准规定的0.55 W/m2·k相差甚远。但与建筑设计值0.15 W/m2·k的实测值相吻合。这一结果表明，在设计上，外墙的设计值比现行规范的要求更为严格，且经过实际测试，外墙的换热性能完全符合设计要求。

此外，还注意到室内热桥表面的平均温度高于露点温度。这意味着在正常条件下，热桥表面不会出现结露的情况。这样的结果表明，在建筑设计中，已经充分考虑了防结露的问题，从而保证了建筑的舒适度和安全性。

最后，对非透明围护结构的保温性能进行了评估。通过测试和分析，发现非透明围护结构的保温性能表现良好，没有明显的热工缺陷问题。这再次证明了建筑设计的科学性和有效性。

综上所述，通过实测验证，证实了上述提出的技术应用路径下得到的超低能耗建筑，在设计、材料和施工等方面的合理性，并确认了其节能效果和安全性，这为类似的建筑项目提供了有益的参考和借鉴。

4 结语

超低能耗建筑作为一种前沿的建筑形式，展现了高效节能和环保可持续的特性。在当今全球能源危机和环境问题日益严重的大背景下，超低能耗建筑具有巨大的节能潜力和市场前景。通过采用一系列先进的技术路径，超低能耗建筑能够显著降低建筑物的能源消耗。除了技术路径，管理手段也是实现超低能耗的重要环节。通过制定科学合理的能耗标准和规范，建立有效的能耗监测和评价体系，以及推广节能意识和教育，可以促进建筑行业的绿色发展和社会的可持续发展。

超低能耗建筑不仅能够为业主带来长期的经济效益，还能为社会创造巨大的环境效益。它不仅可以减少能源消耗和碳排放，还能提高建筑物的舒适度和居住质量。因此，超低能耗建筑将成为未来建筑行业的重要趋势，对于推动全球的绿色发展和可持续发展具有重要意义。