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图中所示的是我国建筑能耗和社会能源消费总量的变化,我们可以看出从1996年到2001年我国建筑能耗的比重越来越大,2002年到2003年即使有过调整建筑的能耗依然居高不下。
(三)、我国建筑能耗现状总结
这让我们了解到,我国建筑用能面临形势相当严峻。
建筑耗能问题已成为困扰发达国家特别是发展中国家的首要问题。
因此建筑节能刻不容缓!
建设部制定的目标:
2020年我国住宅和公共建筑的建造和使用能源资源消耗水平要达到中等发达国家的水平。
这个时候各种各样的建筑节能技术就应运而生了。
建筑节能的主要方法和技术
建筑节能针对不同的地区和不一样的气候所采取的节能方法和技术是不一样的。
寒冷地区:
以节约采暖能耗为主,兼顾夏季空调节约,对围护结构以保温为主;
夏热冬冷地区:
既要节约冬季采暖能耗,也要节约空调能耗;
对围护结构既要保温,又要考虑夏季隔热;
夏热冬暖地区:
主要是节约空调能耗,北区兼顾冬天采暖节约;
对围护结构主要考虑隔热。
通常节能途径主要是通过避风向阳,争取良好的日照—南北向;
加强气密性,减少冷风渗透;
提高围护结构的保温性能;
减小体形系数。
(一)、提高围护结构的保温性能
(1)、外墙节能。
外墙占全部围护面积的60%以上,其能耗占建筑物总能耗的40%,所以它是节能途径的一大重点。
以前的传统建筑所用的是单一的墙体,它有分许多种类如加气混凝土、烧结多孔砖和钢筋混凝土等等。
在探究新型材料的道路上,人们发现了许多密度小导热小的墙体的材料,但是它的效果来的并不震撼,所以这个时候就出现了复合墙体。
它是指在墙体主结构上增加一层或多层保温材料形成内保温、夹心保温和外保温复合墙体。
他们的构造如下图所示。
它们的优缺点如下:
•内保温:
施工简单、造价低、热桥多、内应力、内部结露、室温波动大
•外保温:
无热桥、保护承重结构、耐久性好、室温稳定、造价略高、外饰面难度大
•夹心保温:
中间产品,墙厚度大。
方向:
板材
(2)、门窗的节能。
■单位面积通过门窗的能耗约为墙体的4倍,所以窗墙面积比一般为30%左右。
■玻璃节能
下图所表示的是透过不同玻璃的太阳能辐射量。
由图中可以看出相比于普通玻璃和吸热玻璃,反射玻璃可以将大部分的太阳辐射反射出去。
门窗的节能要点是①减少冷风渗透。
可采取的措施:
采光处与通风处分离;
块型加大,减小缝长;
提高密闭性。
②提高保温性能。
在选材上,玻璃用中空玻璃、真空玻璃、LOW-E玻璃或是有填充保温材料的玻璃。
框料可使用塑钢或断热桥铝合金材料的。
(二)、利用可再生的清洁能源。
(1)、利用热泵系统节能
将地热能直接用于采暖、供热和供热水是仅次于地热发电的地热利用方式。
锅炉一次能源利用率为0.8~0.95,而热泵投入产出比为400%。
土壤热泵有以下几种类型:
垂直埋管、水平埋管和盘形埋管。
因为这种利用方式简单、经济性好,倍受各国重视,特别是位于高寒地区的西方国家,其中冰岛开发利用得最好。
该国早在1928年就在首都雷克雅未克建成了世界上第一个地热供热系统,现今这一供热系统已发展得非常完善,每小时可从地下抽取7740t80℃的热水,供全市11万居民使用。
由于没有高耸的烟囱,冰岛首都已被誉为“世界上最清洁无烟的城市”。
此外利用地热给工厂供热,如用作干燥谷物和食品的热源,用作硅藻土生产、木材、造纸、制革、纺织、酿酒、制糖等生产过程的热源也是大有前途的。
目前世界上最大两家地热应用工厂就是冰岛的硅藻土厂和新西兰的纸桨加工厂。
我国利用地热供暖和供热水发展也非常迅速,在京津地区已成为地热利用中最普遍的方式。
⑵太阳能辅助热泵热水系统
⑶利用风能
(三)、各类节能方法
(1)屋面隔热
其作用:
隔绝外界温度,保障屋内温度不会因外界温度的升高而使屋内温度发生大的变化。
一般是在南方等炎热的地区设有隔热层,在北方一般是保温层为主。
这样做的好处是在使用空调的时候室内温度不易受外界的影响,使空调更节约电力。
现在有用隔热材料(聚氨脂)铺设及屋面种植植物等方法来达到屋面隔热。
聚氨酯发泡剂隔热材料成本核算相对低些,种植屋面的成本要高些,但是隔热效果要好些,但是这种方法对防水层的要求很高,如果防水层没有处理到位的话,发生渗水情况后的维修费用就要高许多。
屋面隔热的类型:
1、实体隔热屋面:
空调建筑,办公、学校晚上不用的建筑。
2、种植屋面:
无土草坪。
3、架空通风屋面:
间层高200左右,檐口进风、屋脊出风。
①预制板、大阶砖架空。
②槽板、大瓦通风。
③双层屋面。
④吊顶。
4、蓄水屋面:
水深50~200,种浮生植物或浅色漂浮物。
5、反射降温屋面:
浅色硕石、涂料、通风屋面加铝箔。
6、蒸发降温屋面:
淋水、喷雾、硕石灌水。
建筑屋顶绿化可明显降低建筑物周围环境温度(0.5℃—4.0℃),而建筑物周围环境的温度每降低,建筑物内部空调的容量可降低6%,对低层大面积的建筑物,由于屋面面积比墙面面积大,夏季从屋面进入室内的热量占总围护结构得热量的70%以上,绿化的屋面外表面最高温度比不绿化的屋面外表面最高温度(可达60℃以上)可低20℃以上。
而且城市中心地区热气流上升时,能得到绿化地带比较凉爽空气流的自然补充,以调节城市气候。
种植屋面保温效果很明显。
不论北方或南方都有保温作用。
特别干旱地区,入冬后草木枯死,土壤干燥,保温性能更佳。
保温效果随土层厚增加而增加。
种植屋顶有很好的热惰性,不随大气气温骤然升高或骤然下降而大幅波动。
冰岛和斯堪的那维亚半岛的种植屋面,已有百年历史,证实上述情况。
绿色植物可吸收周围的热量,其中大部分用于蒸发作用和光合作用,所以绿地温度增加并不强烈,一般绿地中的地温要比空旷广场低10—17.8℃。
另外屋面绿化可使城市中的灰尘降低40%左右;
可吸收诸如SO2、HF、CL2、NH3等有害气体;
对噪声有吸附作用,最大减噪量可达10分贝;
绿色植物可杀灭空气中散布着的各种细菌,使空气新鲜清洁,增进人体健康。
不少人认为屋顶绿化对抗渗防漏不利,这是一种比较片面的看法。
实际上土壤在吸水饱和后会自然形成一层憎水膜,可起到滞阻水的作用,从这个角度看对防水有利。
并且覆土种植后,可以起到保护作用:
使屋面免受夏季阳光的曝晒、烘烤而显著降低温度,这对刚性防水层避免干缩开裂、缓解屋面震动影响,柔性防水层和涂膜防水层减缓老化、延长寿命十分有利。
当然也有不利影响:
当浇灌植物用的水肥呈一定的酸碱性时,会对屋面防水层产生腐蚀作用,从而降低屋面防水性能。
克服的办法是:
在原防水层上加抹一层厚1.5—2.0cm的火山灰硅酸盐水泥砂浆后再覆土种植。
同普通硅酸盐水泥砂浆相比,火山灰硅酸盐水泥砂浆具有耐水性、耐腐蚀性、抗渗性好及喜湿润等显著优点,平常多用于液体池壁的防水上。
将它用于屋顶覆土层下的防水处理,正好物尽其用,恰到好处。
在它与覆土层的共同作用下,屋顶的防水效果将更加显著。
屋顶绿化与地面绿化的一个重要区别就是种植层荷重限制。
应根据屋顶的不同荷重以及植物配置要求,制定出种植层高度。
种植土宜采用轻质材料(如珍珠岩、蛭石、草炭腐殖土等)。
种植层容器材料也可采用竹、木、工程塑料、PVC等以减轻荷重。
若屋顶覆土厚度超过允许值时,也会导致屋顶钢筋砼板产生塑性变形裂缝,从而造成渗漏。
所以必须严格按照前面所述,确定覆土层厚度。
由于层顶绿化的特殊性,种植层厚度的限制,植物配植以浅根系的多年生草本、匍匐类、矮生灌木植物为宜。
要求耐热、抗风、耐旱、耐贫瘠,如彩叶草、三色堇、假连翘、鸭跖草、麦冬草、佛甲草等。
屋面绿化的造价为70--120元/m2,与普通隔热屋面相似,从使用角度分析,改造一个上人活动的绿化屋面每平方米只需增加100元左右。
总之,屋面绿化的普及和实施是有利于环境、有利于城市、有利于居民的综合性好事,应积极推广。
(2)、照明节能
1991年1月美国环保局(EPA)首先提出实施"
绿色照明(GreenLights)"
和推进"
绿色照明工程(GreenLightsProgram)"
的概念,很快得到联合国的支持和许多发达国家和发展中国家的重视,并积极采取相应的政策和技术措施,推进绿色照明工程的实施和发展。
1993年11月我国国家经贸委开始启动中国绿色照明工程,并于1996年正式列入国家计划。
近几年我国国民经济稳步发展,电力供应极度紧张,有人把绿色照明等同节能。
应该指出,节能不单纯是涉及到能源的供应条件和经济效益的问题,鉴于我国的电力主要来自烧煤,照明节能就意味着减少CO2、SO2、NOX等有害气体排放,所以必须从大气环境角度高度对待节能、积极推进绿色照明产品。
LED发光原理:
发光二极管LED(LightEmittingDiode)是利用二极管內电子与空隙结合过程中能量转换产生光的输出。
LED特性:
冷性发光不产生热,元件寿命长(十万小时以上)、反应速度很快、体积小、功耗小、适合量产,高可靠度。
LED制作材料通常为砷、磷、镓等Ⅲ-Ⅴ族元素,制作过程包括上游的晶圆制作、磊晶成长,中游的扩散制程、金属蒸镀、晶粒制作,以及下游的产品封装及应用市场等。
LED可分为可见光(450~780nm)与不可见光,在可见光部分传统亮度产品已是成熟型产品,产量虽大,不过由于价格低产值不高,年复合成长率也只有10%;
高亮度LED是目前的主流产品,主要应用在大型看板、交通标志、背光源、汽车第三刹车灯。
较成熟AlGaInP(红、橙、黃光)应用广泛,专利问题不大,价格已与传统亮度接近,应用的领域巨大。
现阶段最热门的属GaInN(蓝、绿光)产品,近年在蓝色背光源手机风潮下需求强劲,产品应接不暇。
GaInN+荧光粉(白光)主要应用于照明上,由于蓝光的突破全球大厂纷纷投向白光照明的研发,加上近期全彩手机风行,使白光背光源炙手可热,未来技术若有进展,将逐步取代一般照明市场,拥有庞大的商机。
在不可见光方面,主要用在红外线(850~950nm)及光通讯(850~1550nm)领域,由于这方面投入较高,技术难度大,产品的价格与毛利率也较好,目前市场是美、日、欧等大厂分食的局面。
根据StrategiesUnlimited的预估,1998年世界可见光LED生产值,以10.4亿美元及54.1%的占有率最高;
第二是台湾3.46亿美元、18%的占有率,美国以16.5%、3.18亿美元,排名第三;
欧洲地区则有2亿美元产值,及10.4%占有率。
建筑节能材料发展方向
随着建筑节能政策的实施,建筑使用者对室内热环境要求的日益提高,保温材料将得到快速发展。
主要有以下几个方面:
①向多功能复合化发展。
②向轻质化发展。
③向绿色化发展。
④透明保温材料的应用得到推广。
⑤无机保温材料将得到广泛应用。
(1)、中空玻璃
是由2片(或3片)玻璃与空气层组合而成。
有些中空玻璃空气间层为真空或充惰性气体,因此具有优良
的保温隔热与隔声特性,在国外建筑中大量应用。
如德国生产的真空中空玻璃总厚度仅6mm,传热系数仅为1.512W/(m2,K),这样,大大减少了室内外通过门窗的热交换,降低了建筑采暖空调能耗,限制了表面的冷凝现象,给人们的工作、生活提供了舒适的室内环境。
用不同的镀膜玻璃或普通透明玻璃的多种组合,能形成
具有特殊性能的中空玻璃,产生出优良的隔热隔音和艺术效果,尤其在大型公共建筑门窗、采光天棚中应用广泛。
(2)、泡沫玻璃
质量轻,甚至比饼干还要轻,吸音效果非常好。
可和其他材料一起用于外墙。
(3)、墙体保温材料
聚氨酯硬泡是墙体保温材料中保温性能最好,前景广阔。
实例一、
这幢坐落在宁波诺丁汉大学内,看起来匪夷所思又美轮美奂的玻璃屋建筑,是国内第一幢实现零排放的大楼。
在这幢楼里,用水、用电都由大楼自身生产,从而实现了能源自给自足,不会给自然界本身增加任何排放负担。
这幢楼的四面都是通透的玻璃,在这样的楼里,自然不用考虑采光还会有什么问题。
虽然宁波诺丁汉大学可持续发展学院院长乔大宽教授(JoDarkwa)认为称这幢大楼为玻璃屋不是很恰当,但人们还是习惯于将它称为“玻璃屋”。
在很多人眼中,它简直就是一个玩具——与蛋壳、鸟巢建筑一样令人匪夷所思。
这幢大楼地上5层,地下一层,为框架剪力墙结构。
四面全是玻璃,其中朝南面是双层玻璃,中间有相当空隙,以利于空气流动。
位于北半球的中国大陆,面南方向阳光充裕,易于获取太阳能。
这幢大楼运用的技术,英国诺丁汉大学早在2000年就用于类似的生态楼上。
而现在建造的这幢大楼,将在原先的技术基础上,运用更多学科前沿的技术成果。
大楼的“老板”乔大宽,身兼宁波诺丁汉大学可持续发展学院院长和可持续能源技术研究中心主任二职。
“玻璃屋”建成后,这两个机构将设在楼内,包括实验室、展览室、办公室、会议厅和教室等。
乔大宽说,英国诺丁汉大学在生态节能技术研究领域享有国际声誉,宁波诺丁汉大学的可持续能源技术研究中心的学术研究由诺丁汉大学建筑环境学院主导。
他所主持的可持续能源技术研究中心,科研重点是再生能源技术在民居和商业建筑的应用。
这幢大楼正是乔大宽在中国推出的“示范样板”。
整个建筑的设计,旨在尽量减少对周围环境的影响,并且采用先进的可再生能源技术,利用当地的建筑材料,将建筑对自然界的影响降到最低限度。
”乔大宽说。
理所当然地,这幢大楼被称为中国第一幢“零排放”大楼。
这幢建筑预计能在这个春节后投入使用,现在只能从图纸上看它将来的面目。
不过,大楼涉及的技术并非深不可测。
在酷热的夏季里,南面是最热的了,但在玻璃大楼的南面是双层玻璃,中间有个夹层,空气的制冷和加热,就在这个夹层里完成。
这个夹层和地能相连,通过一个专用的地能水泵,夏天的时候空气从七八十米深的地下走一遭,带上来的是最凉爽的冷气。
我们知道窑洞里是冬暖夏凉的,这和地能的性质和原理完全一致。
因此,冬天的时候,玻璃夹层中的空气从地下走一遭,带上来的就是温暖的地热,可以为大楼取暖。
当然,冬季取暖还有太阳能。
用太阳能集热器将太阳能吸收于双层玻璃的空气中,利用空气的流动性,将热能输送到大楼各个部位。
包括制冷和取暖在内,都通过玻璃夹层中的空气进行,而没有专门的管道。
通常大楼制冷取暖都采用空调机,消耗能源。
而玻璃大楼通过光能转换和地能、电能转换,用于节省能源消耗。
从外面看来,面南的双层玻璃是前倾的。
这个角度是基于中国特殊的气候条件,通过复杂的计算数据设计的。
宁波夏天比较长,光源充足,需要制冷的时间远远长于需要供暖的时间。
前倾设计,便是为了保证有一部分大楼处于阴影中,不会造成室内温度过高。
“空调”问题解决了,照明等电力资源的供应当然也很重要。
大楼顶端和地下室上面都有开放式天窗和玻璃,便于采集日光。
这样,由于大楼四周都是透明的,如果在白天,仅凭日光就可以满足所有的照明需要了。
晚上照明则需要电力,大楼的电力系统就会开始工作。
大楼前面有两个设施,一个是风能发电机,另一个是太阳光伏水泵(PV)。
通过这两组设备,将太阳能转换为电能,通过专用的蓄电池储存起来。
风能发电机与我们印象中的荷兰风车相同。
光伏水泵则比较少见,就像几块划了横格的黑板拼凑起来的平板,类似于常见的太阳能热水器,但是平面的。
光伏水泵的容量非常大,不仅能够供电梯、办公室和其他设备的电力需求,还可以用专门的蓄电池储备起来,或者给附近的体育馆、夜间办公室等提供电能。
玻璃大楼设计、利用的所有技术、理念,都是如何收集和使用自然界能源,达到自给自足的目标。
在大楼整个楼顶和窗户边的金属装饰材料,都是这种太阳能发电板。
仅这些发电板,晴好天气每小时就可发电600千瓦至800千瓦,供60个至80个100瓦的灯泡同时工作。
多余电能被贮存起来,在晚上或阴雨天使用,即使两周持续阴雨仍不会有断电之苦。
但在漫长的梅雨季节,太阳能的收集会受到影响。
气候恶劣性谁也不能忽视。
根据他们的设计,天气好的话有三种能源获取方式,不好的话至少也有两种,可以保证能源供应不会出现中断,比如太阳能受影响时还能采集地能和风能,对大楼的能源供应不会造成影响。
实际上,梅雨季节可能给大楼带来好处。
大楼设有雨水收集和废水利用设施,将雨水收集起来,供大楼冲洗厕所之用。
玻璃大楼的目标是,大楼完全利用自然界现有资源,不给自然界增添任何负担,实现完全自给自足。
从实例到现实的思考
这幢在中国大陆还是“第一”的大楼,在英国已经成为主流建筑。
甚至英国政府已经宣布,英国将在10年内实现建筑物“零排放”,由此将对实施“零排放”的建筑取消总额达数千万英镑的印花税。
从技术上说,英国和中国的距离并不遥远,差别只在理念上。
现在建造这幢大楼的目的,正在于推进中国在这方面的技术应用和理念普及。
实际上,这幢大楼采用的光伏水泵、太阳能集热器等主要设备,都是中国公司生产的。
从单个的技术上讲,这些技术并非多么高深,只是企业愿不愿意投产。
他们已经有技术和生产能力,只是建筑所需的产品需要根据规格订制,而中国企业现在的市场客户还不够多,因而未能形成大的产业。
乔大宽希望和中国企业合作的产品,包括利用太阳能生产环保材料和蓄电池等相关产品。
他希望在这幢大楼竣工后,在科研方面取得进展,同中国企业的合作正式起步,这对中国非常必要。
诺丁汉大学建造这幢大楼的一个初衷是起示范作用,推进中国在节能建筑方面的科研,另一方面则是为地方发展相关产业提供智力支持。
校方表示,从经济上说,虽然这种建筑的造价要提高50%左右,但从长远看来,可以节省非常多的能源投入。
由于建造类似的大楼会增加成本,这可能是企业不愿意建造此类大楼的原因。
乔大宽说,与中国本土企业合作,正是为了降低建造成本、提高效率,以利于零排放大楼的推广。
“这是有效的宣传途径,完全可以做到。
”
而在更为系统、复杂的大楼设计上,中国公司也可以承接。
一幢大楼的设计和具体产品的生产,可能会涉及到具体企业的知识产权问题,但设计理念、原理等方面的知识,已经是公开知识,任何国家都可以采用。
而且,这种建筑对环境没有特殊要求,只需根据当地的特殊气候环境在设计时加以考虑便是。
比如,只需有一面朝南,便可以获取太阳能;
从隐性考虑的话,风力因素可以考虑进去,如果风能和采光都很好的地方,当然最理想了。
乔大宽说,除了推进相关领域的研究、科研,他们还愿意和中国本土公司在可持续发展能源开发方面进行合作。
“中国是一个能源消耗大国,节能将是对全世界的贡献。
大楼还是科研对象
在宁波诺丁汉大学校门旁边,是一汪湖水。
湖面虽小,乔大宽也不想放过。
他的设想是,今后能利用湖泊收集雨水,循环再利用于卫生间用水。
“湖也是将要利用的能源,这湖是自己的,很便利。
在诺丁汉大学校园里,资源的循环利用从来都被看重。
正如在新大楼设计的雨水收集系统一样,宁波诺丁汉大学校园里现有的地下雨水管道已经很发达,流经路面的雨水可以收集起来加以利用。
目前正在设计管道,以用于卫生间的冲洗用水,实现循环利用。
在大楼还没建成,但已经有人担心,这幢建筑在中国的推广可能面临难题。
它不仅不同于中国以往的土木建筑,也与传统西方石质建筑、以及现代建筑相去甚远。
在讲究厚重感的大学校园里,未免显得过于突兀。
因为听说诺丁汉大学在造“玻璃屋”而专门去参观过的浙江万里学院2005级建筑系学生商宏说:
“让人有进入童话世界之感,感觉当作实验还可以,要是满街都造成这种建筑,真不敢想象会成什么样子。
“这只是第一幢范本大楼,首先证明大楼可以实现能源的自给自足。
在推广时,可以采用各种建筑模式,并不一定都要建成玻璃屋。
从总体外观上来看,我们这幢建筑还是很吸引人的。
这幢建筑的外观设计是一家意大利公司设计的,技术由英国诺丁汉大学和宁波诺丁汉大学携手提供,建造是中国的建筑公司完成的。
在2008年3月份建成投入使用后,学生可以参与到针对大楼的科研活动中来。
“大楼本身就是一个科研对象。
结语
建筑节能并非房地产一个行业的问题,目前国内乃至全球正在面临的能源危机是关系整个人类社会生存发展的大计。
朱镕基说,跨入新世纪,我们将向现代化建设第三步战略的目标迈进,环境保护面临着更在的压力和挑战。
我们必须认真实施可持续发展战备,把环境保护和生态建设放到更重要的位置。
要坚持统筹规划,依靠科技进步,加大资金投入,加强污染治理,大力植树种草,搞好水土保持,改善生态环境。
我们相信,通过全国人民坚忍不拔的努力,就一定能够使中华大地水更清、天更蓝、山川更加秀美。
所以我国的节能技术任重道远。
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