我国建筑耗能状况及有效的节能途径 摘要

我国建筑耗能状况及有效的节能途径摘要：本文为清华大学建筑学院建筑学院副院长、中国工程院院士江亿教授，在2005年5月中国北京国际科技产业博览（第八届科博会）中国能源战略高层论坛会上的主题发言，本文简要分析了我国建筑能源消耗状况，从用能特点出发，对建筑物和建筑用能途径进行了新的分类，给出各类的现状，问题和节能潜力。在此基础上列出为实现建筑节能所需要的主要技术与产品研究领域和政策研究与保障机制。文中列出的关键技术研究为：基于模拟分析的建筑节能优化设计；新型建筑围护结构材料与部品；通风装置与排风热回收装置；热泵技术；降低输配系统能源消耗的技术；中央空调的温度湿度独立控制技术；建筑自动化系统的节能优化控制；楼字式燃气驱动的热电冷三联供技术；燃煤燃气联合供热和未端调峰技术以及节能灯，节能灯具与控制。与政策与保障机制相关的研究问题为：建筑能耗数据的统计系统；住宅能耗标识方法与保障机制大型公共建筑能耗评估与用能配额制；各种建筑用能装置的能耗标识标准与方法。关键词：建筑节能围护结构采暖空调节能政策北京第八届科博会中国能源战略高层论坛会发言人简介：江亿，教授，中国工程院院士；1977年毕业于清华大学建筑工程系，1981年获清华大学硕士学位，1985年获清华大学博士学位，1988年由教委派往英国作为访问学者进修一年，2001年为中国工程院院士；现任清华大学建筑学院副院长，建筑技术科学系系主任博士生导师，北京市政府顾问团顾问，全国暖通空调委员会副主任，全国建筑物理委员会委员，建设部智能建筑专家委员会委《员ASHRAE学会会员，英国CISB学报海外编委，暖通空调》杂志编委，英国通风学报编委；江亿教授是人工环境工程学科的倡导者之一。该学科旨在节省能源保护环境的前提下，为人类创造各种适宜的室内物理环境。围绕此目标，江亿教授系统地参与了该学科基础理论、基础方法的建立和发展，完成了多项核心技术研究并直接主持了上百项人工环境工程项目。一、我国建筑能耗状况和节能潜力我国目前城镇民用建筑（非业建筑）运行耗电为我国总发电量的22％－24％，北方地（建筑消耗的能源为全国商品能区城镇采暖消耗的燃煤为我国非发电用煤量的15％－18％。源的21％－24％。）这些数值都仅为建筑运行所消耗的能源，不包括建筑材料制造用能及建筑施工过程能耗。目前发达国家的建筑能耗一般在总能耗的三分之一左右。随着我国城市化程度的不断提高，第三产业占GDP比例的加大以及制造业结构的调整，建筑能耗的比例将继续提高，最终接近发达国家目前的33％的水平。根据近30年来能源届的研究和实践，目前普遍认为建筑节能是各种节能途径中潜力最大、最为直接有效的方式，是缓解能源紧张、解决社会经济发展与能源供应不足这对矛盾的最有效措施之一。（a）北方地区采暖能耗，目前我国城镇民用建筑能源消耗按其性质可分为如下几类：城镇民用建筑采暖能耗：平均约为20公斤标煤1－2，城镇民用建筑采暖面积约为65亿㎡，（b）除采暖外的住宅能耗（照明、炊事、此项能耗约占民用建筑，总能耗的56％－58％；生活热水、家电、空调），折合用电量为3okwh/㎡a3，目前城镇住宅总面积接近为100（c）除采暖外的一般性非住宅民用建筑能耗（办亿㎡，约占民用建筑总能耗的18％－20％；公室、中小型商店、学校等），主要是照明，空调和办公室电器等，用电量在20－40kwh/㎡（d）大型公共建筑能耗（高档写字楼、星级酒a之间，约占民用建筑总耗能的14％－16％；店、大型购物中心等），此部分建筑总面积不足民用建筑面积的5％，但单位面积用电量多达100－300kwh/㎡a4，因此用电量占民用建筑总量的30％以上，此部分建筑能耗占民用建筑总用电量的12％－14％，是非常值得关注的部分。上述分析之所以把采暖能耗分出是因为此部分能耗以直接燃煤和热电联产之排热为主，而其它部分能耗则以用电为主；之所以把非住宅民用建筑分为一般（c）与大型（d）是因为这两类建筑的单位面积用电量差别巨大。目前我国正处在城市化高速发展的过程中。为适应城镇人口飞速增加的需求和继续改善人民生活水平的需要，在2020年前我国每年城镇新建筑的总量将持续保持在10亿㎡/年左右，到2020年新增城镇民用建筑面积将为100～150亿㎡，由于人民生活水平提高，采暖需求线不断南移，新建建筑中将有70亿㎡以上需要采暖，10亿㎡左右为大型公建d类，按照目前建筑能耗水平，则需要增加1.4亿吨标煤/年用于采暖，增加4000－4500亿kwh/a用电量。这将成为对我国能源供应的巨大压力，在实施建筑节能标准之前建造冬季采暖平均热指标在30－50w/㎡为北欧相同气候条件下建筑采暖能耗的2－3倍。新建筑通过改进建筑设计、加强围护结构保温和有效利用太阳能，可使建筑采暖需热量降低至目前的二分之一甚至三分之一，采暖标煤耗量可仅为6－7公斤/㎡。目前北方城镇建筑近60％采用不同规模的集中供热系统供热。由于调节不当导致部分建筑过热、开窗散热造成的热量浪费平均为供热量的30％以上。部分小型燃煤锅炉效率低下也是造成能耗过高的原因之一。通过更换供热方式，改善管网系统的调节、提供热源效率这三方面的改进，现有建筑的采暖能耗也可以在目前水平上减低30％。这样，对新建建筑全面采用节能措施，对现行的供热系统进行节能改造，可以使到2020年实现这些新增采暖建筑后，我国北方地区建筑采暖能耗总量与目前相同，大大缓解届时对能源供应的压力。除采暖外，住宅能耗中的用电量为10－30度/㎡年，随生活水平的提高目前呈上升趋势；在大城市中也逐渐加大。推广节能灯和节能家电对降低住宅电耗有重要作用；改进建筑设计、降低夏季空调能耗也可以使住宅电耗减少3－8度／㎡年。及时开发和推广高效的家用生活热水装置，可避免由于生活热水需要量的不断增长所导致的住宅能耗新的增加。对现有住宅的照明和用电设备实行节能改造，对新建住宅从建筑形式，通风遮阳等方面全方位采取措施，可以使得在增加100亿平米住宅后，除采暖外的住宅能耗总量仅在目前基础上增加50％，维持在2000亿kwh/a内。一般性非住宅民用建筑（c）的能源消耗性质接近住宅。其照明和电器耗电更大，但炊事和生活热水能耗要小。改善建筑设计可降低空调和照明能耗，推广节能灯具及其它用电设备可减少电耗，这二项措施应能使此类建筑能耗降低30％－40％，在新增的此类建筑中采取有效措施改善自然采光减少空调能耗，推广诸如夜晶显示器这样的节能电器，有可能使新建一般性非住宅建筑的单位面积能耗降为目前水平的一半。这样有可能在新增60一70％此类建筑后，这一类建筑总能耗的增加不超过10％。值得注意的是大型公共建筑（d）。此类建筑目前仅占城镇总建筑面积的5－6％，但其。在我国用电力量为100－300度／㎡年，为住宅建筑的用电量的10倍以上（不包括采暖）大型和特大型城市，这类建筑的总耗电量大当地住宅的总电耗。九五到十五期间我国城市建设的重点是住宅的建设，但目前已逐渐转向此类大型公共建筑，这将导致建筑用电量的急剧增加，因此必须采取有效措，抑制这部分能耗的增加。否则至2020年仅新建的大型公用建筑用电量就会达至2000亿kwh/a。此类建筑中，空调用电占50－60％，照明用电25－35％，其余为电梯和电器设备。与发达国家相比，我国此类建筑的平均能耗值高于日本水平与美国的平均值大体接近。然而据调查我国同一地区同一性质的此类建筑电耗差别最大可达50％。因此对落后者来说，也有很大的节能潜力。在此方面，我们决不能照搬北美或日本的办法，否则就会带来电力供应的巨大问题。必须探索新的更有效的大型公共建筑节能途径，研究表明，当在建筑、空调、照明等方面采用先进技术，产生创新性突破时，对于新建大型公共建筑也可使电耗降到目前水平的40％以下，而当对空调系统，照明等采取全面的改进措施，现有建筑的电耗也有可能降低30％－40％。这样，可以在大型公共建筑增加150％后，总的用电量仅在目前的水平上增加20％。综上所述，当没有采取有效的建筑节能措施，基本维持目前建筑能耗水平时，与目前能耗总量相比，到2020年我国需要新增采暖用煤1.4亿吨／年，新增建筑用电4000－4500亿kwh/a。而采取有效的节能措施后，有可能在同样的新增建筑量的条件下，基本不增加采暖煤耗，建筑用电总量仅增加1100－1300亿kwh/a。所节约的燃煤量约为我国目前煤炭总产量的10％，所节约的电力约为三峡全面建成后年发电总量的4倍。因此建筑节能应是解决我国经济和社会发展与能源供应不足这一矛盾的最重要的措施。按照前述分析，我国建筑节能的重点应为：建筑围护结构的节能、建筑采暖系统的节能、提高灯具和其它电器的效率、新建大型公共建筑的节能，既有大型公共建筑的节能改造。上述诸项对实现前述建筑节能的目标的贡献大致分别为：30％，30％，15％，15％，10％。要实现上述目标需要技术创新，技术推广和政策保障机制三方面工作，本文将以技术创新为重点，同时简单介绍技术推广和相关的政策机制方面需要开展的工作。二、建筑节能可能的技术创新和我国应重点发展的领域1、优化建筑设计建筑造型及围护结构形式对建筑物性能有决定性影响。直接的影响包括建筑物与外环境的换热量、自然通风状况和自然采光水平等。而这三方间涉及的内容将构成70％以上的建筑采暖通风空调能耗。不同的建筑设计形成会造成能耗的巨大差别。然而建筑物是复杂系统，各方面因素相互影响，很难简单的确定建筑设计的优劣。例如加大外窗面积可改善自然采光，在冬季还可多获得太阳热量，但在冬季的夜间却会增大热量消耗，同时还会使夏季由于太阳进入窗户使空调能耗增加。这就需要利用动态热模拟技术对不同的方案进行详细的模拟预测和比较。科技部中美合作完成的低能耗示范建筑在建筑设计阶段对十余个不同的方案进行了详细的模拟计算比较，从而使最终选定的建筑方案比原方案节能30％以上。为实现这种模拟优化分析，发达国家从70年代第一次能源危机开始，就投入大量经费，开发出多个建筑能耗模拟预测和优化软件，并将其作为推广建筑节能的最有效技术措施。目前在各国的建筑节能设计导则或规范中，都要求设计者必须进行动态模拟预测与优化。美国自70年代持续开发的能耗模拟软件DOE2是北美应用最广泛的软件5，也对美国建筑节能的推动起到一定的作用。但近20多年的应用陆续反映出的问题使DOE2很难进一步完善以适应各种新出现的问题。因此自1997年开发者已停止对DOE的技术支持，美国能源部组织多个部门共同开发新的建筑能耗模拟软件Energyp1us6，以以全面画替代DOE2。目前此工作仍在进行中。西欧各过通过近30年的努力，各国都形成了各自的建筑能耗模拟软件，并将其作为建筑节能设计与节能分析的基本工具，写入相关的建筑节能标准或规范中。如英国的ESP7，荷兰的VAII4等。日本也自70年代开始，逐渐完成HASP软件的开发，成为日本建筑节能标准的实施工具8。但近年来由于HASP软件本身的问题和其开发维护机制的问题，使HASP不能跟上日益发展的建筑节能分析的需要，一些研究者开始把目光投向我国的建筑能耗模拟软件DeST9-10。.2004年，日本包括名古屋大学、三菱重工、大金等在内的几所名校和企业与清华大学签订协议，使用和推广DeST软件，并成立日本DeST软件研发中心，根据日本的具体情况对这一软件进行进一步开发和本地化。我国自80年代初一直没有间断这方面的研究。目前美国Energyplus软件所用的建筑热模拟方法StateSpace法就由清华大学在1982年最早提出11。这一方法也是我国全部自主技术的建筑能耗模拟软件DeST的核心算法。DeST软件历经15年的开发推广，目前已发展为完善的建筑节能模拟分析软件系列。目前已完成针对住宅能耗分析与优化设计的DeST－h，，针对住宅能耗评估的DeST－e，针对大型公共建筑设计与勘探系统优化分析的DeST－c，以及针对大型公共建筑能耗评估的DeST－ce四个版本。在上海、广州、北京和日本名古屋都成立了DeST中心，并先后完成了一千万平米以上的建筑模拟分析，其中包括国家大剧院、首都机场改扩建、国家主体育馆（鸟巢）、水立方、深圳会展中心等几十个国家