建筑系统节能初探

第25卷,总第141期《节能技术》Vol. 25. Sum. No. 1412007年1月,第1期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYJan.2007,No.1建筑系统节能初探陈光,方正平,江清阳,王东伟(安徽工业大学,安徽马鞍山23002)摘要:本文在建筑节能中引入了系统和载能体的概念,提出了建筑系统节能的思想,分析了研究建筑系统节能所涉及的时空范围及内容,把资源与能源在时空范围的输入与输岀看作载能过程,通过载能流,简化了复杂的时空关系,基于此,用系统工程的研究方法,划分了建筑节能系统,探索了建模思路,提岀建模方法,为优化建筑节能方案和对建筑系统能耗模拟分析软件开发又提供了新思路。关键词:系统节能;建筑系统节能;栽能体;建模中图分类号:TU31文献标识码:A文章编号:1002-6339(2007)01-0030-06Elementary Study on Systemic Energy Efficiency in BuildingsCHEN Guang, FANG Zheng-ping, JIANG Qing-yang, WANG Dong-weiAnhui University of Technology, Anhui Province Ma'anshan 243002, China)Abstract: This paper introduces the concept of system and" energy - bearer" in building energy efficiencyand puts forward the thought of systematic energy efficiency in buildings. It also analyses the range of spacetime and content involved in studying systematic energy efficiency in buildings and considers the input and out-put of resources and energy within space time as the processes of carrying energy to simplify the complicated re-lations of space time through energy-current. Based on these, the paper compartmentalizes the system of energy efficiency in buildings and puts forward the thought and method of establishing the mathematical model bymeans of system engineering. It also provides a new idea of optimizing the project of energy saving in buildingsand exploits the analysis software on energy consumption in building systemKey words: systematic energy efficiency; systematic energy efficiency in buildings; energy -bearer; modeling0前言也是当代建筑科学技术的一个新的生长点3。虽然自80年代初开展建筑节能工作以来,我国的建筑节我国正在以空前规模建造高耗能建筑,据估算,能已取得长足的进展,如高能效的建筑设备研发、太建筑领域内的能耗占社会总能耗的30%以上,2000阳能等天然能源的利用、废热的循环使用以及建筑年全国建筑能耗3.50亿tce,如果建筑节能工作仍维节能的各种法律法规技术标准体系等方面都有很持目前状况,2020年建筑能耗将达到1089亿te,大推进国内外对建筑物节能研究也十分广泛(4-7),为2000年的3倍以上,占全社会总能耗的比例将上但是,笔者认为对建筑节能的研究未能跳出建筑单升至40%(2)。建筑节能是建筑发展的基本趋势,体,注意力比较集中在建筑单体中的墙体、门窗、屋面等某一项或某个建筑设备,或其生命周期中的某收稿日期2006-11-16修订稿日期2006-12-05个阶段缺少整体的、系统的观念和方法,这是不全作者简介:陈光(1963~),男,河北玉田,教授,博士。30面的。因为某建筑单体的节能并不代表整座城市是谓载能体是指:凡是在制备过程中,消耗了能量的物节能的,而城市功能区布局不当、交通、管网等建设体,以及本身能产生能量的物体8。由载能体的概不合理,也会产生能源利用率不高,增加建筑单体能念可知,为了节能我们必须:耗。我们应该协调多方面的因素,这种“协调”既有(1)既节约能源,又节约非能源。因为钢材、水空间意义上的协调,又有时间意义上的协调,是一个泥、砖瓦、玻璃、机器设备等原材料和中间产品都消涉及诸多因素的系统工程。耗了能源才生产出来的,包含了“物化了的能源”,节建筑系统节能的思想约这些非能源就是节约能源的需要。因此,节能工作一定要一手抓能源,一手抓非能源,这是节能工作1.1既要单体的节能又整体系统的节能的又一个根本观点。建筑节能之所以复杂,不仅是因为资源与能源(2)既要节约,又要合理利用。我们节能工作不在时空范围内的输入与输出过程中涉及的内容多、仅要降低载能体的单耗,又要降低单位载能体的载面广,更是因为所涉及的内容是由相互作用和相互能量,不是单纯抑制建筑用能需求,而是提高能效依赖的若于组成部分结合而成的具有特定功能的整比,建筑节能的关键在于提高建筑能量高效率15。体,具有不同于组成它的诸要素的新的属性,它是根据建筑系统节能的思想,建筑节能原有的节个系统。能含义也扩展了,建筑节能的研究范围、内容、方法因而建筑系统节能应紧紧围绕“系统”这个概念等都有了新的延伸。展开,要求节能工作既要考虑单体的节能,又要考虑整体系统的节能,还要注意前与后、左与右的协调与2建筑系统节能的时空范围配合,这是节能工作中的一个根本观点8)。其总的通过前面对建筑系统节能的认识可知,建筑系思想表述为统节能的研究领域不只局限于建筑单体,必然在空(1)整体性:并不是安装几种节能设备、采用间和时间上都会有新的延伸,其时空坐标如图1所些节能材料就能达到节能最优目标,而是要把节能示。要素放眼于它们所在的系统之中,把它们同其它要素联系起来,发挥出整体大于部分之和的功效。外环境系统(2)相关性:要考虑建筑系统内部的各个要素对城市系统能耗的相互影响,比如增大窗的面积就会减少墙的小区系统面积,这样就会对供暖、空调、通风及照明能耗等都空间领域建筑单体系统产生影响{90。不仅如此,还要考虑建筑单元子系统、建筑单体子系统、建筑小区系统、城市系统之间建材‖运建‖建筑拆生产输日造H运行除的相互关系对能耗的影响。比如单体与单体之间的布局,不仅影响到小区交通能耗,还影响到日照得时间领城热、通风散热及排水等。图1建筑系统节能研究领域的时空坐标(3)开放性:建筑节能工作与环境共生,①高效Fig. 1 The spatitemporal coordinates in research area利用外部环境提供的可再生自然能源,包括风能、太systematic energy efficiency in building阳能、地热能等。②节约资源就是保护环境12),2.1空间领域保护环境又可以减少因环境低劣而消耗能源与资由建筑系统的开放性及相关性决定了建筑系统源节能必须考虑从能源与资源的获取到输送、分配再(4)动态性:系统是一个“活”的有机体,系统的到消耗的整个过程在空间上必然涉及到外环境系平衡和稳定是一种动态的平衡和稳定。因此我们研统、城市系统建筑小区系统建筑单体及建筑单元究建筑系统节能时应充分考虑:①地区差异的观五个不同层次上的节能问题,而且能量的承载与交念(13)。②考虑时间因素,适应外环境的变化。③考换贯穿了这五个不同层次的系统,把它们紧紧联系虑建筑的全寿命过程14④考虑资源与能源的循在一起,在研究各个系统的节能时就离不开考虑它环再利用们之间的相互影响相互作用,只有这样才能达到整1.2既要合理利用能源,又要合理利用非能源系统节能还仅仅围绕“载能体”的概念展开。所体上的节能。(1)外环境系统建筑系统通过各种方式不断地作用。因为能量的承载与交换同样贯穿了建材生从外部环境获取各种能源及资源。只有在系统地了产、运输、建筑建造、运行、拆除各个阶段,把它们联解外环境(如地形地貌、天气状况等)的变化规律及系在一起,比如构成墙体的主要材料砖块,虽然在第其特征,才能让外环境的能源与资源有效的输入到阶段的生产载能比较少,但由于材质关系会影响建筑系统内,被有效利用到第二阶段的运输载能,其热工性能也会影响到第(2)城市系统:建筑系统与外环境的能源与资源四阶段的运行载耗,同样也会影响到废弃后处理的的输入与输出,必须通过城市系统来组织和调度,如载耗。通过交通网来组织建材、设备和人等物流分配,通过管网来组织水天然气等能源的分配,通过电网来细3建筑系统节能的研究内容织电能的分配,等等。所有这些组织与调度都是前面分析了建筑系统节能的时空领域,其实,在个载能过程,于是应协调好能源与资源的组织与调空间领域的载能过程同样存在时间性,在时间领域度,降低在输送、分配过程中的载能,如供热管网节的载能过程也存在空间性,时空是交叉的,这里为了能技术10、油气输配管网系统运行优化等7。研究方便,在空间上举例说明了能源载能流的组织(3)建筑小区系统:建筑小区系统也承担着对分配节能,在时间上举例说明了资源载能体在整个电、水、气等能源与资源的输入输出功能,但建筑小生命周期的利用节能。它们之间的能量流动错综复区对能源、资源的分配功能还主要表现在对可再生杂,但能量都通过载能体进行流动和利用,引进载能能源的分配上,如通过合理的组织小区布局,把太阳体概念后,这种复杂的关系就可以简化,如图2。能、风能合理分配到小区内各建筑单体和单体的某图2中标明了建筑整个生命周期的能量消耗过个部位,充分利用可再生能源载能体,如分布式能源程由许多道载能流程组成,每道流程由许多环节组系统。另外小区本身也消耗能源,如小区照明、景观成,每个环节又由多道相对应的工序组成,指向各工用水等,如何协调降低小区的这些载能也不容忽视。序的箭头表明了载能量的流向。在时间范围内,各(4)建筑单体系统:建筑单体系统主要包括建筑种资源载能体由生产载能、输送载能、建造载能、运结构、外形、朝向、内部空间分割、窗、墙组合方式等行载能及拆除处理回收载能五个环节组成,称为第要素及其相互关系。建筑单体系统联系着建筑空间道载能主流程,如:将墙体载能体从材料生产→≯材与环境空间,承担着接收、利用从城市、小区等外部料运输→墙的建造→墙的运行(指墙在生命周期内环境空间输送过来的能源与物质。如:通过天井、风与外环境传热引起增加冷热负荷的载能过程)→墙塔、幕墙等建筑结构形式,促进自然通风和自然采的拆除处理,整个载能过程看成一道流程;将空气载光,有效利用了由小区系统分配到各建筑单体的太能体从进入室内前的预处理(生产)→传送→运行调阳能与风能,又如建筑底层架空,屋顶绿化等方式有节到人体所需温湿度(运行)→排出室内的整个载能效利用了现有的空间资源。过程看成一道流程;将水载能体从污水(雨水)收集(5)建筑单元系统:主要包括供电、供水、供气、→水处理→输送→调节到所需的温度→排放的整个照明、烹饪、HVAC等设备及其安装运行,家具、装修载能过程看成一道流程,等等。在空间范围内,各种物、以及墙、门、顶、地板等建筑元素的材质性质、色能源载能体由开采及运输调配两个环节组成,称为彩搭配等,建筑单元把通过不同方式获得的各种能第二道载能主流程,如将电能载能体从发电(生产)源与资源,在单体内的各个要素相互联系、作用下进通过城市电网传送→小区调度到建筑单体的整个行消耗,可以把这种消耗过程看作是系统内各元素载能过程看成一道流程,将太阳能载能体通过小区与设备的一个载能过程。布局分配到建筑单体或其某个部位→收集利用的整2.2时间领域个载能过程看成一道流程等等。由建筑系统的动态性决定了建筑系统节能必须显然,节能工作就从载能体入手,其内容主要包考虑从建材生产、运输、建筑物的建造、运行,直至废括:(1)降低各道载能流程中载能体的单耗及载能弃的各个载能阶段的综合节能,在时间上建立全生量;(2)多利用可再生能源载能体;(3)回收各个环节命周期概念。这里所要强调的是在研究各个时间段散失的载能体及各种能量。其涉及的研究内容大体的节能时,离不开考虑它们之间的相互影响和相互如表1。32不可再生能源载能体开采环节(a)运输与调度环节(b)空间范生产藏能输送载能造载能运行款能拆除处理回收围环节(1)环节(2)环节(3)环节(4)载能环节(5)的载能流程运输与调度环节(c)可再生能源载能体利用环节(d时间范围的载能流程图2建筑节能系统的载能量流通示意图Fig. 2 The sketch map of the currency of energy-bearer in the system of energy efficiency in buildings表1建筑系统节能研究内容列表Table 1 The list of research contents of energy efficiency in buildings所涉及的途径途径所涉及的内容举例降低原材料(钢筋、水泥、砖瓦等建材)单耗及载建材的生产工艺城市交通布局(影响建材的运输能耗)、能量建材产业结构和市场运行等降低中间产品(墙、窗等围护结构及辅助设备施围护结构的施工方法、保温隔热等性能(影响到运行过程工、运行)单耗及载能量中吃掉的能耗)、围护结构的拆除处理、回收耗能、及所需建材的量(节材)等降低空气载能体的单耗及载能量新风处理(除尘加湿)、空气传送、空气调节到人体所需温降低各道载能流度的能耗、以及所需的新风量等程中载能体的单耗降低水(雨水和自来水)载能体的单耗及载能量水处理用能、水网调节输送用能达到人所需温度的耗能及耗水量(节水)等及载能量降低光能载能体(照明)单耗及载能量采光设备用能、围护结构采光建筑结构布局等降低建筑设备单耗及载能量(包括设备建造、运烹任、电视、电脑等设备及运行、设备运行中发热对冷热负行及运行中因发热(内扰)增加冷热负荷的载能)荷的影响(不包括HVAC设备和照明设备,因为其载能量已经加载在空气和光能载能体上)降低电、天然气、煤、燃气等不可再生能源单耗及城市布局、城市能源结构电网煤气管网及能源生产等载能量降低太阳能、风能、地热能等可再生能源载能体获取可再生能源的相关设备的制造、运行用能的单耗及载能量2.多利用可再生能多利用太阳能、风能、地热能等可再生能源载能小区布局、绿化、建筑形态、外部气候环境、地形地貌及其源载能体体相关设备技术3.回收各个环节散对废水、废热、废弃建筑材料、设备等回收循环再如中水回用、余热利用,建筑拆除后对钢筋等建材的回收失的载能体及各种用(载能量一般取零)能量据费用和效果选优的判别标准。可以总结出系统分4研究方法析的五项基本内容:系统目标、系统要素、系统划分、4.1系统工程方法定义及研究步骤建立模型和优化模型。系统工程方法就是从系统的观点出发,始终着4.2建筑系统节能研究步骤重从整体与部分之间、整体与外部的相互联系、相互(1)建筑系统节能目标分析作用、相互制约的关系中综合地、精确地考察对象,系统的目标即是建立系统的根据,也是系统的揭示对象的系统性质和运动规律,以达到最佳化目出发点,因而在研究建筑系统节能时,首先应分析系的的一种方法。统期望达到的目标。建筑系统节能的根本目标当然系统分析步骤:①分析期望达到的目标;②达到是节能,这个根本目标又由下面三个目标(降低各道日标所需的各种设备或技术以及各种方案所需的资载能流程中载能体的单耗及载能量,多利用可再生源和费用;③划分系统;④建立数学模型,表明日标、能源载能体,回收各个环节散失的载能体及各种能技术设备、环境资源间相互的数学或逻辑关系;⑤依量)组成,这三个目标下面又由许多下级标组成,目标之间既相互独立又相互影响制约。层面第一个层面针对时间载能流程建立模型,是建(2)建筑系统节能要素分析及系统划分筑单体的层面第二个层面是针对空间载能流程建般情况下,实现其一目标,涉及多种要素,系立模型,是为建筑物输送、分配能源所涉及的外环统要素为不同的设计而表现不同的功能,产生不同境、城市、小区层面。的系统变量,被各种手段联系成不同的系统结构,来现对第一道主载能体流程中的围护结构载能体实现系统功能,要素分析往往和系统划分是同步进子系统的载能量建立模型为例,提出建模思路,首先行的。是对墙体载能体(=1)的载能流程(共5个环节,=1~5)建立模型其载能量记为E1,k,1,则建筑节能系统E,,k,=∑、(E,,k,1+E1,2,k,1+E1,3,第一道载能主流程系统资源[第二道载能主流程系统(能源]E1,4,k,+E11,5,k,l(2)闻图圈南奇11可77E,L,k,l指载能体1(墙)在第1环节(建造墙体送除载戴载载载采再调调所需材料的生产环节)中,在k工序下对第l种能源能能能能环环环环环环生度莽能度节∏节∏节节节节能环|/节源∥环的载能量,同样,E,k,、E1,3,k,1、E1,4,,1、E1,k,分系系系系‖系系源系载节别指墙在第2~5环节(建造墙体所需材料的运输、统∏统∏统统∏统统戴系|统能∥/系统墙体建造、运行及拆除环节)中,在各自k工序下对图3建筑节能系统划分第l种能源的载能量,其中墙的运行载能是指墙在Fig 3 The division of the system of energy eficiency in buildings生命期内,在一定工况下“吃”掉的能量,主要是与我们把大系统分解为适当的子系统,寻求子系外环境传热引起增加冷热负荷的载能。统最优,然后,通过互相间的联系、协调与改进,保证然后再对每项建立子模型,如墙的运行环节载各子系统之间没有矛盾现象后再进行全面规划,以能:达到整个系统最优化。在前面初步分析了建筑系统印4,k,=4g(3)节能的研究范围和内容后,我们就可以较为合理地划分出系统,便于理清头绪,建立模型。为了研究方其中A墙为墙体面积,为传导系数(与墙体热工性便笔者按建筑在整个生命周期载能体在空间和时能有关)2为内外壁温度变化。同样对窗户建模,其间上的载能流程来划分系统,如图3所示。载能量记为E2,k,1,则(3)建立模型E2,l,1=2E2,,1+E2,2,k,l+E2,,+如前分析,为了研究方便,将建筑的整个生命周期看作由许多道载能流程组成,每道流程由多个环E2,4,k,+E2,5,k,l(4)节组成,每个环节由多道相对应的工序组成每一道要说明的是E2,4,k,模型比E1,4.复杂,包工序又有许多道平行工序,建筑在整个生命周期的括短波辐射得热引起的冷热负荷载能总载能量等于各道流程载能量的和,先对第一道主2,1=(aJ△A2+2.B2,y2J1△,)(5)流程所载的能量Q1建模,等于这一道流程所消耗的原材料、燃料、动力的载能量加和,即其中J=BJ如+F,J+F回p,J为直接传达日Q1=E,;k,(i=1,2..n;=1,2.照量(法线面直接传达日照量Jn、水平面的天空日5;k=1..m;L=1,2)(1)照量J、反射日照量J三项之和),2为表面x的受照率,Fax为表面x对天空的角系数,F,x为表E,为第一道主流程中第种载能体(共n)面x对地面的角系数。aJ2△A2为表面x对日照的直的载能流程的载能量,为环节号(共5个环节),k为N对应于相应环节的工序号(共m道),=(1或2),1接吸收部分,2B,2△A,为别的面反射到面的代表各工序对不可再生能源的载能量,2代表各工日照,另外还有一部分转化为长波辐射。序对可再生能源的载能量。屋顶E3,.,、门E,;,,以及地板E5,k,等其然后再对第二道主流程中燃料、动力的载能量它围护结构也可以用同样的方法算出载能量,这样建立模型,即每种燃料、动力本身所含的能量和输送就可以得到围护结构的总载能量过程中的载能,记为Q2,那么建筑在整个生命周期E围护结构=E1,,k,1+E2,,k,+E3,},+E4,小,k,的总载能量Q等于这两道主流程载能量的加和,即+E5,kQ=Q1+Q2,这样,建筑系统节能模型就分为两个通过引人载能体在各自工序中载能量μ产让算34建筑能耗的方法比较全面,它能反映如下特点(以围统工程的研究方法,根据载能流程,划分了建筑节能护结构模型为例)系统,探索了建模思路,提出了建模方法,为优化建①相关性筑节能方案和对建筑系统能耗模拟分析软件开发又首先,围护结构模型式(6)不是线性相加,提供了新思路。E,;,k,、E2,k,等是相互影响的,如式(3)中墙的面建筑系统节能方法的优点是显而易见,但由于积A和式(5)中窗的面积△A2是相互联系的,它们系统工程涉及内容多领域广,需要多方面知识技术共同影响着围护得热,在模型中就能体现出来。在子的综合,在这里笔者只是初步的提出了建筑系统节模型中,如式(2)中,E1,k,4、E12,、1、E13.,、能的思想和框架,具体应用到建筑的设计、评价中E14,A,1、E15,k,各个阶段的载能是相互影响的,不还有很长的路要走。是线性相加。参考文献再次,围护结构模型式与别的模型是有联系的,〔1〕涂逢祥建筑节能形势与政策〔J.中国建设信息供如空气载能体模型中涉及到壁面空气温度及流速热制冷,2006,(01):54-57这肯定影响到墙体运行载能E1,4,k,10〔2〕杨居光.建筑中的固化能耗[J.节能技术,2004,22(06):32-38②动态性〔3〕刘东,陈沛霖,张云坤建筑环境与暖通空调节能模型中J=J如m+FJ+Fgo,xJ本是随时J.节能技术,2001,19(02):17-19间变化而变化的因为日照量随时间在变化,而且根[4J Pantelis N. Botsarisa, Spyridon Prebezanos. A methodology据遮阳等设备运行在改变。for a thermal energy building audit. Building and Environment③考虑了整个周期的能耗,能反映出各个阶段2004,39:195-19的能耗对比。而且可根据研究需要把能源的输送、[5]T.Y Chen, J. Burnett, C. K Chau. analysis of embodied开采能耗也考虑在内。energy use in the residential building of Hong Kong. Energy, 2001④能反映出对可再生能源的利用量占总能耗的263-30比例。[6J0mar M Al-Rabghi, Douglas CHittle,En(4)系统优化in buildings: overview and blast example, Energy Conversion andmanagement2001,42:1623-1635建筑系统节能目标的最优化,最终是提供有关(7JE H. Mathewsas, D. Amdta, M. F Geyser. Reducing the的最优设计、最优控制和最优管理等方案。系统最energy consumption of a conference centre-a case study using soft优化是通过模型进行的建筑系统节能优化是一种war. Building and envimnment0,:47-44动态,由于研究对象的高度复杂性,因而在最优化技〔8〕陆钟武,蔡九菊,编著.系统节能基础[M〕.北京:科术方面,具有相当的难度。高速计算机为实现系统学出版社,1993,p.8-12的最优化提供了条件。优化方法可分为静态的分层9江亿我国建筑耗能状况及有效的节能途径[J暖优化和动态优化,分层优化主要是对空间范围的各通空调,2005,35(03):30-40个系统之间的优化,如对外环境系统、城市系统、小[10]Enedir Ghisi John A Tinker. An Ideal Window Area con区系统之间的优化,使其在整个研究范围最优。动cept for energy efficient integration of daylight and artificial light in态优化主要是对时间变化进行优化,使其在整个生buildings. Building and Environment, 2005, 40: 51-61〔11)蕾,秦佑国.可再生能源在建筑设计中的利用命周期内最优。〔J建筑学报,2006,(02):13-175结束语〔12〕伍小亭.公共建筑节能任重道远〔J.天津建设科技,2005,(06):69-10本文在建筑节能中引入了系统和载能体的概〔13〕吴元炜当代建筑节能设备与产品的发展趋势[J〕念,认为研究建筑节能应既节约能源,又节约非能建筑学报,202,(0m9:27源,既要单体的节能又要整体系统节能的思想,并采〔14宋春华观念·技术政策一关于发展“节能省地型用载能体的概念分析了建筑系统载能过程,研究了住宅的思考(建筑学报,200)5-7建筑系统节能所涉及的时空范围及内容,把空间上〔15龙惟定试论建筑节能的新观念[J中国住宅设施,2005,(02):10-13.分为外环境系统、城市系统、小区系统、建筑单体及〔16〕宋国宏推广建筑节能技术降低能源消耗〔J.节能建筑单元五个部分,把时间范围内,分为建材生产、技术,0,2(03):37-40运输、建筑建造、运行及拆除五个环节,并把资源与〔17〕谢萍,孙建刚,王金泰,等.长输管网优化运行,油气能源在时空范围内的输入与输出看作载能过程,通输配节能降耗[门〕.节能技术,200624(02):181-184过载能流,简化了复杂的时空关系,基于此,运用系TH媒35