建筑节能关键技术的回顾和展望我国建筑节能技术发展回顾.docx

1、建筑节能关键技术的回顾和展望我国建筑节能技术发展回顾建筑节能关键技术回顾和展望我国建筑节能技术发展回顾综述Survey建筑节能关键技术回顾和展望我国建筑节能技术发展回顾康艳兵(能源研究所,北京100038)摘要:建筑能耗将是我国未来能源消费的主要增长点,建筑节能技术的研究应用将对我国未来的能源消费产生深远的影响.为此,本文对当前国内外的建筑节能关键技术进行了比较系统的总结,并从建筑物本体,建筑设备和建筑环境控制系统三个角度重点回顾了我国的建筑节能技术的发展现状,分析了取得的成果的同时研究了各种关键技术的发展障碍.在此基础上,展望了我国未来建筑节能的重点发展领域,并指出了未来应该重点支持的建筑节

2、能关键技术的发展方向.关键词:建筑节能;关键技术;回顾和展望中图分类号:TU11文献标识码:A文章编号:10032355(2003)11-001808Abstract:BuildingenergyconsumptionwillbethemaingrowthpointofChinaSfutureenergyconsumption.BuildingenergyefficiencytechnologieswillgreatlyinfluenceChinaSfutureenergydevelopment.Thispaperhassummarizedthekeytechnologiesofbuildin

3、genergyefficiencyinChinaandforeigncountries.Fromtheviewpointsofbuildingitself,buildingserviceequipmentandbuildingenvironmentcontrol,itreviewsthecurrentstatusofthebuildingenergyefficiencytechnologiesdevelopmentinChina,andanalyzesthebarriersofthekeytechnologiesdevelopment.Basedonthehistoricreviews,itp

4、rospectsthekeydevelopingfieldsofChinaSfuturebuildingenergysaving,andproposesthedevelopingdirectionofthekeytechnologiesofbuildingenergyefficiencythatshouldbegivencrucialsupports.Keywords:buildingenergyefficiency;keytechnologies;reviewandprospect按照国际惯例,建筑能耗是指建筑使用过程中的能耗,包括采暖,空调,热水供应,炊事热水,家用电器等方面的能耗.其中,

5、以建筑采暖和空调能耗为主,占建筑总能耗的5070%.建筑节能技术一般可分为三大类,即建筑物本体(如围护结构)节能技术,建筑系统和设备(包括家电等)节能技术和建筑环境控制系统(供热系统,空调系统以及热水供应系统等)节能技术.以中央空调系统为例,空调终端能耗取决于空调负荷和空调系统效率.而空调负荷由建筑围护结构,新风和室内人员,灯光,设备的得热引起(一般情况下,约各占1/3);空调系统效率则取决于冷源(制冷机效率),输配系统(风机,水泵,风网,水网),末端装置(空调箱,风机盘管的传热及除湿性能)的整体综合性能.1建筑物本体节能技术发展回顾1.1围护结构新型节能材料发展状况1.1.1节能墙体收稿日期

6、:2003.08.25作者简介:康艳兵(1971.),男,汉族,中共党员,河北省武强县人,毕业于清华大学热能工程系暖通空调专业(现在的建筑技术科学系),博士.2001年6月到国家发改委能源研究所工作,主要从事建筑节能,能源效率,能源系统分析和能源政策等领域的研究工作;目前,已有25篇文章被国内外刊物和会议论文集收录.18中田鼢第25卷第11期2003年11月V01.25No.11Nov.2oo3Survey综述墙体是建筑围护结构的主体.我国长期以实心粘土砖为主要墙体材料,这对能源和土地资源都是严重的浪费.九五期间,引进并建成了一批具有当代国际先进水平的新型墙体材料生产线,包括利废空心砖生产线,

7、小型混凝土空心砌块生产线,轻型板材生产线等.新型墙体材料在产品质量,档次,功能等方面也有了很大提高.我国生产,开发,引进了很多新型高效保温绝热材料,如岩棉,玻璃棉,聚苯乙烯塑料,聚胺酯泡沫塑料及聚乙烯塑料.研究了各类保温隔热材料的热工性能及其保温隔热效果.在节能的前提下,复合墙体将会成为当代墙体的主流.为防止热桥效应,对原有建筑改造主要采用外保温方法,我国在这方面已取得一些有价值的研究成果.通常做法是将聚苯板粘贴,钉挂在外墙表面.覆以平行网布后用聚合物水泥砂浆罩面;或将岩棉粘贴,并钉挂在外墙外表面后,覆以钢丝网再作聚合物罩面;也可以将玻璃钉挂在外墙再覆以外挂板.目前存在的问题是表面有裂缝,空鼓

8、和脱落的现象.九五是新型墙体材料的快速发展时期.2000年,新型墙体材料产量达2100亿块(标准砖),占墙体材料总量的28%,比1995年提高l2个百分点.实心粘土砖由1995年的6300亿块减少到2000年的540o亿块.累计节约土地近40万亩,节能6000万tee,利用废渣2亿t,实现新型墙材建筑面积2亿m,节能建筑面积7470万m.1.1.2节能门窗由于玻璃窗的传热能力比砖墙大得多,所以充分利用保温隔热性能好的玻璃窗能有效的降低建筑物的冷/热负荷.改善门窗绝热性能的首要措施是增加窗玻璃层数,在内外层玻璃之间形成密(封)闭空气层.双层窗的传热系数比单层窗降低一半,三层窗的传热系数比双层窗又

9、降低1/3.窗上加贴透明聚酯膜,也颇有效.随着高强度钢塑窗和绝热性能好的塑料窗等新型窗子的推出,原有钢窗将完全被取代.加设门窗密封条是提高门窗气密性的重要手段.密封条因弹性良好,经久耐用,得到广泛应用.对于大面积使用玻璃窗甚至整面外墙全是玻璃做成的玻璃幕墙的商业建筑来说,利用保温隔热性能好的玻璃窗就显得尤为重要.随着技术发展,低辐射玻璃(1owE玻璃)正在逐渐得到推广应用.它是利用真空沉积技术在玻璃表面沉积一层低辐射涂层,一般由若干金属或金属氧化物薄层和衬底层组成.普通玻璃的红外发射率约为0.8左右,lowE玻璃红外发射率最低可达到0.04,对红外光谱有很强的反射作用.调整制造工艺可制造出各种

10、不同光学性能的产品,如对太阳光有不同透过率的高透过率lowE玻璃(冬季利用太阳辐射),低透过率lowE玻璃等(夏季减少太阳辐射).这种lowE玻璃除了可以有效处理穿透玻璃的太阳辐射射能量之外,还可以有效阻挡室内空气与室外空气的热传导.例如lowE层在室内侧的玻璃窗的传热系数比普通玻璃窗低40%左右.1.1.3节能屋面国内常用的几种节能屋面是:高效保温材料保温屋面,架空型保温屋面,浮石沙保温屋面和倒置型保温屋面.平屋顶多采用加气混凝土保温,厚度增加到50100mm.有的用水泥聚苯板,水泥珍珠岩或浮石砂保温.有的则在架空混凝土薄板下设袋装膨胀珍珠岩,保温效果更好.坡顶屋面为便于设置保温层,可以在坡

11、顶内铺钉玻璃棉毡或岩棉毡,也可以在天棚上铺设上述绝热材料.1.2建筑物中相变材料蓄能技术因为相变材料具有贮能密度高,相交温度接近于一恒定温度等优点,从而可提供足够的蓄热/冷容量,同时能够大幅度提高自然冷/热源(例如,夏季,当室外空气温度低于相交温度时即可视为可利用的自然冷源)的可利用潜力,并且使系统容易控制,从而有效解决能量供给与需求时间上的不匹配问题.这些优势有助于弥补冬季利用太阳能和夏季利用夜间通风等传统被动式节能方法中存在的蓄热容量小,传热温差小,受自然条件的制约大,可调节能力差等不足.所以,相交贮能技术在建筑节能中具有非常广泛的应用前景.我国已经展开对这方面技术的研究.清华大学研究提出

12、的夜间通风相变贮能吊顶系统,利用相变材料的同时采用了堆积床换热器形式,从而大幅度提高了系统的传热面积和传热能力,实测的系统降温效果非常显着,比其它房间降低了35oc,夏季房间温度大部分时间保持在29以下.同时,研究结果表明,该系统在乌鲁木齐,西安,呼和浩特,太V_01.25N0.1lN0v.2003第25卷第11期2003年11月中回镌19综述Survey原,兰州等昼夜温差较大的地域有良好的降温效果,从而可以减小空调负荷,甚至取代传统空调.1.3超低能耗建筑和绿色建筑绿色建筑已经成为一个世界性的课题,包括了建筑选址,水系统,节能等5个大方面的内容.国外从80年代就已开始研究,90年代后,绿色建

13、筑的概念引入我国,并与天人合一的中华传统文化结合,得以进一步发展.但是,我国与欧美先进国家相比尚有较大差距,还没有规范的绿色建筑,尚处于对超低能耗建筑的研究和少量示范的阶段.目前,上海,深圳等地已积极开展立项,建立超低能耗建筑.例如,上海已通过市建委立项,要建一栋1000m左右的超低能耗建筑办公楼和一栋600m左右的超低能耗建筑住宅.科技部与美国DOE合作,目前已开始建一座低能耗办公建筑,但由于建筑规模较大,许多内容又要照顾使用方的意见,因此.许多有效的生态与节能措施不能在此项目中实施.目前,清华大学也正在筹建一座配合2008年北京奥运会的低能耗示范性办公建筑.并且,北京市锋尚集团也已经开发建

14、造了低能耗建筑.总体来看,超低能耗建筑和绿色建筑在我国尚处于超前性的概念阶段.但是,如何根据中国的特点,将国外的有关低能耗建筑的先进理念和先进技术有效地引入我国,使其能够在我国大规模得到应用,同时为我国进一步出台更加严格的建筑节能标准和节能政策提供理论依据,对实现我国建筑节能工作的跨越式的可20q,ti鼢绣持续发展,并有效解决由于建筑能耗带来的能源浪费和环境污染问题有着非常重要而深远的意义.2建筑设备节能技术发展回顾本文的建筑设备既包括了采暖,空调,通风设备及系统,又包括了照明,家电,热水器,办公设备等.2.1采暖,空调,通风系统2.1.1制冷空调设备改革开放20年来,我国的制冷空调行业发展迅

15、速.目前,我国已成为世界上仅次于美国,日本的世界第三大制冷空调设备生产国,市场潜力巨大.制冷空调产品按使用动力不同,可分为电制冷和吸收式制冷.制冷压缩机又可分为活塞式,离心式,回转式以及80年代发展起来的涡旋式等.吸收式又可分为单效,双效及开发中的三效吸收式制冷机.由于80年代以来我国电力供应紧张,所以吸收式制冷机90年代得到空前的发展,溴化锂吸收式制冷机是我国唯一具有自主知识产权的中央空调产品,在大型空调设备中占有重要的地位.1997年国内销售量约为3000台,世界上第二,仅次于日本.中国大中型制冷机主要是离心机和螺杆机,1997年二者的销售量分别为1000台和2500台左右.活塞式冷(热)

16、水机组,螺杆式冷(热)水机组和离心式冷水机组主要以国外技术引进为主,辅以部分自我开发.在大型制冷机变容量控制技术的发展方面,我国与国外的技术差距明显.2.1.2热电冷联供技术在热电联产基础上增加制冷设备,形成热电冷联产系统.制冷设备主要是吸收式制冷机,其制冷所用热量由热电联产系统供热量提供.有的系统同时增设压缩式制冷机,直接由供热汽轮机驱动或汽轮发电机组发电驱动.为平衡负荷或优化运行,一些系统还设置了蓄热/冷装置.因此,由上述各种热电联产装置与制冷机及其他部件(如热网,蓄冷器等)的组合,可形成多种热电冷联产系统形式.由于热电冷联供技术采用清洁高效的天然气机组,是国家非常支持的一种技术.所以,虽

17、然热电冷联产形式在我国刚刚起步,但发展迅速.全国多个城市拥有在燃煤热电厂基础上建立的热电冷联产系统,如济南热电冷联产系统的供冷总容量近几年已从无发展到49.6MW,杭州两个正在建设的热电冷联产系统供冷总容量将超过120MW.在燃气轮机基础上建立的燃气热电冷联产系统也已出现,如上海黄浦区中心医院热电冷联产系统,环球金融中表1不同制冷方式性能比较制冷方式coP电制冷以天然气为燃料的直燃机以天然气为燃料的蒸汽吸收机以煤为燃料的蒸汽吸收机房问空词器蓄冷空词水源热泵4.51.2.1.41.0.1.21.0.1.22.5.33.44.5.5.5第25卷第11期2003年11月V01.25No.11Nov.

18、2oo3Survey综述心热电冷联产系统和浦东国际机场热电冷联产系统等.而清华大学也正在计划实施一个庞大的热电冷联供的示范工程,将原来的学校电厂改造为热电冷联供系统,满足全学校的热电冷需求.热电冷联产系统的核心技术问题一方面是确定热电厂最佳内部结构,即机组型式,单机容量和各种基本装置组合的优化等,另一方面是供热,供冷,发电系统的动态特性研究及整个系统的优化匹配和优化运行控制.2.1.3蓄能技术(1)蓄冷空调据统计,国内部分城市的夏季高峰用电量中空调就占了30%50%,导致电力系统峰谷差急剧增加,电厂低谷期效率明显下降,对电网造成了巨大的压力,甚至出现有些城市在夏季用电高峰期对空调拉闸限电的现象

19、.所以,蓄冷空调系统是实现电网的削蜂填谷的重要途径.为此,我国已经出台了分时电价政策,在某些城市峰谷期电价比已经达到了45倍,这给蓄冷空调的广泛应用带来了契机.蓄能空调是在蓄冷,蓄热技术的基础上发展起来的新技术.蓄冰技术,水蓄冷技术,目前在我国已经得到普遍应用.从具体技术上来讲,虽然蓄能空调技术与蓄冷蓄热技术并无本质的区别,但是在不同的蓄冷蓄热技术的组合形式上,蓄能空调技术却丰富了许多.如:水蓄冷+水蓄热的技术,内融冰+水蓄热的技术,外融冰+水蓄冷+水蓄热的技术,风冷热泵+蓄冷(冰)+蓄热的技术,水源热泵+蓄冷(冰)+蓄热的技术等等.我国蓄能空调技术发展迅速,其技术含量已达到国际一流水平.(2

20、)蓄热式采暖此外,相变蓄热地板与电采暖结合,也是相变材料在建筑节能中利用的一种新模式.国外对蓄热式地板采暖有了一些研究和应用.在西班牙,对放在恒温环境中的小室做了蓄热地板电采暖的实验,用以比较相变材料和混凝土的蓄热性能.在加拿大,研究了用混凝土蓄热的地板采暖系统在不同室外温度下的使用效果.欧洲在被动式太阳房中应用了蓄热电采暖地板.我国清华大学研究了一种带有相变材料潜热贮能板的地板电采暖系统,建立了分析此系统热性能的理论模型,通过数值模拟,分析了在我国不同气候地区冬季该系统的应用效果.结果指出,在北京,上海,大连等地冬季使用电加热相变蓄热地板采暖,通过在晚上23:00至凌晨7:00蓄存电热,全天

21、室内温度可保持在l625o【=之间,基本满足人的舒适性要求.(3)太阳房蓄热系统太阳房是一种利用太阳能,靠建筑围护结构本身来完成吸热,蓄热,放热功能的采暖系统,从而降低冬季的采暖负荷,甚至无需其它采暖方式就可满足舒适的室内环境要求.太阳房目前在我国应用得非常少,主要原因之一就是不能够很好地解决能量供给与需求时间上的不匹配问题,并且目前比较通用的显热蓄热方式的蓄热能力不足.为了解决这些问题,我国的一些高校和其它科研部门正在研究相变材料潜热蓄热在太阳房中的应用技术.在上述蓄能技术中,相变贮能的关键技术是合适相变温度的相变材料的研制开发,相变传热过程分析及蓄热和放热过程的系统控制.而蓄冰空调的关键技

22、术是结冰和融冰过程的特性,虽然在国内已经展开了这些方面的研究,并且蓄冰空调已经有了很多实例工程,但是没有很好地解决,以至于不能很好地进行优化控制.2.1.4供热(供冷)计量收费相关的技术供热计量收费是在我国推动节能型建筑的前提.但是,从90年代初期开始推动这项制度以来,一直没有大规模地得到应用.其中,除了体制方面的因素外,一些相关技术的不成熟也是阻碍其应用的一个原因.相关主要的技术包括热计量仪表及其他检测技术,热网的改造和调节技术,相邻房间的偷热问题等.2.1.5水源热泵技术水源热泵技术是利用地球表面浅层水源(如地下水,河流,湖泊)中吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源,并采用热泵原理

23、,通过少量的高位电能输入,实现低位热能向高位热能转移的一种技术.该系统有诸多优点:?地下水温度在一年内波动幅度远小于室外空气,是很好的热泵热源和空调冷源.水体温度较稳定的特性可使热泵保持稳定,高效的运行工况,COP可达到4.55.5.同时,在冬季不存在结露,结霜等问题;在夏季某些情况下甚至可直接从地下水作为冷源给用户供冷,而不用开启水源热泵.?通过水源热泵系统,冬季从V0J.25No.Nov.2oo3第25卷第11期2003年11月中田21综述Survey地下取热存冷,夏季取冷存热,若建筑物需要的冬季供热量和夏季供冷量差不多,则一年内地下基本热平衡,未取出或者存入热量,不会造成热污染.?由于地

24、下水通过换热器换热后排回地下,仅仅利用了地下水的冷量(热量),而不消耗一滴水资源,地下水的整个流程都不与空气接触,因此也不会造成地下水资源的污染.?水源热泵系统可供热,供冷,还可以供生活热水,一机多用,一套系统可以替换原来的锅炉加空调两套系统.水源热泵是一种性能稳定,节能,节水,环保,经济的系统方式.这种技术近几年来在我国得到了比较迅速的发展.技术方面的主要问题是热泵系统的优化控制,优化运行以及深井回灌等问题.此外,一些人对水源热泵存在误解,认为它会造成地下水的污染,并且一些城市目前抽水和回灌都要分别收费,导致此方式由于缺乏经济性而无法得到推广.2.1.6地板采暖和吊顶冷辐射技术人们的舒适感觉

25、是足暖头寒,并且通过辐射方式供冷,供热可以增强室内环境的舒适性.研究表明,冬天如果采用地板采暖,当房间温度为16时,人们的热舒适感觉相当于约18时的水平.所以,这种方式可以降低采暖能耗,达到舒适,节能的双重目的.地板采暖在欧洲和日本应用得比较广泛.但是,近年来在我国的发展非常迅速.目前,在北京等城市得到了较大规模的商业应用,并且开始出现国产化的设备.吊顶冷辐射技术在国外研究22中田缸活得比较早,我国尚处于研究的初步阶段.其中的一个关键问题是如何有效地解决结露的问题.2.1.7独立除湿技术中央空调系统中,一般的供水温度是7.之所以采用低温供水方式,主要的一个目的是为了解决除湿的问题.低温供水导致

26、的负面效果是降低了制冷机的效率.冷冻水供水温度提高1,效率可提高3%左右.所以,如果能够实现独立除湿,制冷机仅承担降温的作用,则可以采用更高的供水温度,制冷机效率会大幅度提高.可以说,如果能够很好地解决独立除湿的问题,将是空调技术领域的一场革命.日本等国家对独立除湿技术的研究比较早,并已经获得了一些成果.我国对这项技术的研究和开发尚处于初级阶段.采用的技术手段主要为高分子化合物等形式.2.1.8自然风模拟技术空调送风系统导致的吹风感是影响人们舒适性的一个因素.因为空调系统的机械通风方式导致的吹风感让人感到不舒服,是形成空调综合症的一个主要原因.尽管动态风的研究已经开展了很长一段时间,但是尚未能

27、够很好地解决吹风感让人感到不舒服的问题.另一方面,室外的自然风则使人感到非常惬意.所以,关于自然风与空调系统的机械通风在机理方面的区别以及空调系统自然风模拟技术引起了人们的极大关注.近年来,一些高校和空调企业展开了这方面的研究.但是关于自然风机理和在空调系统中自然风模拟的技术还有待于进一步深入研究.2.1.9新风处理及空调系统的余热回收技术为满足卫生和舒适性的要求,在不同的建筑中对新风量有不同的要求.研究结果表明,新风负荷一般占建筑物总负荷的约30%40%,所以,控制和正确使用新风量是空调系统最有效的节能措施之一.除了严格控制新风量的大小之外,还要合理利用新风.春秋季或冬季,有些房间仍需供冷,

28、此时当室外空气焓值小于室内空气设计状态的焓值时,可采用室外新风为室内降温,可减少冷机的开启量,节省能耗.以北京为例,在春秋两个季节,差不多有三个月的时间,可以利用新风的冷量,采用新回风混合或是全新风来供冷,而不用开冷冻机.分析结果表明,新风量如果能够从最小新风量到全新风变化,在春秋季可以节约近60%的能耗.全年累计变新风量所需的供冷量比固定的最小新风量所需的供冷量少将近20%.所以充分利用低温室外新风的节能效果是很明显的.此措施的投入比较小,但是对节能的效果可能是非常明显的,应该进一步推广应用.此外,对空调系统的余热回收应该给予高度重视.尤其是2003年为预防SAS,很多商业建筑和公用建筑的中

29、央空调系统都采用了全新风的方式,大幅度提高了空调负荷.所以,应该通过全热式换热器将空调房间排风与新风进行热,湿交换,充分利用空调房间排风的降温除湿潜力.2.2家用电器,热水器,照明设备2.2.1房间空调器我国房间空调业起步较晚,第25卷第11期2003年11月V01.25No.11Nov.2oo3Survey综述现已经历了从进口散件组装,生产窗式空调器到生产分体空调器三个阶段.发展至今,我国空调业仍处在国际空调技术的低水平上,仅相当于日本上世纪80年代初第三代产品的水准.我国空调厂家几乎全部采用着同一生产模式,即进口压缩机,国内采购换热器及其它部件,机壳在国内采购或由国外开模国内生产,最后由空调厂家组装,销售.近年来,由于人们生活水平提高和消费意识的超前,出现了空调市场的繁荣,1998年我国