海西地区建筑节能措施研究综述

　　摘要：文章对夏热冬暖的海西地区的能耗状态、已有的居住建筑节能措施进行了阐述和分析，指出了夏热动冷地区的建筑节能的主要影响因素及建筑节能措施研究的主要进展，在此基础上，对厦门地区的建筑节能措施的研究前景进行了展望。
　　关键词：夏热冬暖，居住建筑，节能研究
　　
　　1前言
　　海峡西岸经济区是指台湾海峡西岸，以福建为主体包括周边地区，南与珠三角，北与长三角两个经济区衔接，东与台湾岛，西与江西的广大内陆腹地贯通。按《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》(JGJ75—2003)的划分：夏热冬暖地区指我国的北纬27°以南，东经97°以东，包括海南、台湾全境、福建南部、广东、广西大部分、云南南部及元江河谷地区。海西地区属夏热冬暖地区的亚热带湿润季风气候，即湿热型气候。
　　该地区的气候特征：长夏无冬，温高湿重，年气温差和日较差均小；雨量丰沛，多热带风暴和台风袭击，易有大风暴雨天气；太阳高度角大，日照较小，太阳辐射强烈。1月份平均气温在10℃左右，7月份平均气温为25~29℃，极端最高气温一般低于40℃，个别可达42.5℃；气温年较差为7~19℃，年平均气温日较差为5~12℃；年日平均气温高于或等于25℃的日数为100~200d。同时，夏热冬暖地区受海洋影响，白天风大，从海洋吹向陆地；夜间风速略低，从陆地吹向海洋，台风来袭时甚至可达12m/s[1]。
　　2 海西地区的能耗现状
　　近年来，随着此地区人民生活水平和生活质量要求的提高，空调迅速普及，空调用电比例增长很快，加之建筑围护结构热工性能普遍很差，空调设备的能效比很低，造成电能的极大浪费。甚至由于夏季空调的过度使用，引起电力供应严重不足而不得已拉闸限电，严重干扰人们正常的生活与生产。因此，该地区经过近几年的大力推行，已将建筑节能设计提到一个十分重要的地位。例如，09.11.29厦门市节能暨循环经济工作会议隆重召开，会上经发局局长陈津发布了我市“十一五”期间节能目标：到2010年全市万元地区生产总值能耗在2005年基础上下降12%，年均节能率为2.57%，按年均GDP增长率15%测算，总节能量为120万吨标准煤。
　　3 可能采取的节能措施
　　根据《建筑节能技术措施》的要求，湿热型气候的海西地区建筑节能设计主要虑夏季空调，北区兼顾冬季采暖，南区可不考虑冬季采暖。其节能措施的要点是夏季通风隔热问题。因此主要集中在建筑形体的自然通风利用，围护外墙、门窗、遮阳和屋顶的隔热，太阳能、风能、地热的利用几个方面。
　　3.1自然通风
　　相对于能耗大、范围局限、又对环境有一定污染的机械通风而言，自然通风是一种廉价的生态节能技术。自然通风是指大自然中的空气通过住宅组群和住宅内各个功能空间自由流动。自然通风除可以满足房间一定的舒适度，保持室内空气的清洁度，降低能耗外，更有利于人的生理健康和心理健康，尤其在炎热的夏季，能够改善局部气候。因此从健康与节能的角度来讲，自然通风具有更积极的意义[2]。尽管许多家庭配有完善的空调装置，将近80%的人都喜欢打开窗户，依靠自然通风来保持室内空气环境，只有当自然通风无法满足要求时，才会使用空调设备[3]。目前国外自然通风的研究应用主要集中在两个相关点上：一是利用自然通风控制室内空气品质；二是利用自然通风解决夏季或过渡季的热舒适性问题，取代或部分取代空调[4]。
　　传统的民居通风调节空气温度的措施、顺应自然，广泛采用开敞空间，充分利用自然通风，获得良好的通风效果。福建厅井式民居通过天井的“拔气”作用形成良好“穿堂风”，以达到夏季自然降温的目的[5]。闽南泉州地区的传统民居--手巾寮通过“敞”的理念不仅利于引风人室，也便于夜间向室外散发热量[6]。以漳州市南靖县书洋乡田螺坑圆(方)土楼群为代表的福建土楼，所有房间主要靠土楼内部围合的庭院大天井来解决日照、采光、通风问题，土楼具有采光、通风、抗震、节能等优点[7]。
　　胡达明、张庆余等人在08年提出，夏热冬暖地区具备建筑自然通风的基本条件，在不增加住户投资的情况下，就能营造一个健康、舒适的居室环境。首先建筑设计应该虑场地的方位、风速和风向等因素，利用外界气流来组织自然通风，减少空调制冷系统的能源消耗。其次，在建筑外形结构上合理地设计一些兜风结构，可以使得有用风压进行重新分布，从而避免某些部位风速过大，更重要的是有利于部分自然通风效果较差的区域得到改善；再次，良好的室内自然通风除了要建筑朝向、间距、平面布局等因素上进行合理设计，还要重点考虑房间门、窗的相对位置，尽量降低房间的空气流通阻力，形成穿堂风，并使穿堂风通过室内使用活动部分的空间，见图1、图2[4][8]。
　　
　　《中国建筑节能年度发展研究报告2008》还提出了一种自然通风器和呼吸窗技术的概念，自然通风器就是根据自然环境造成的局部气压差和气体的扩散原理而产生空气交换的一种换气方式，由于不需要机械动力驱动，可以实现能源的节省。呼吸窗的发展趋势是，除了满足室内通风换气基本要求外，还能隔绝室外噪音，过滤室外空气及实现排风热回收[9]。
　　3.2 门窗、遮阳
　　门窗隔热、遮阳是夏热冬暖地区建筑节能的主要措施。陶有生等在09年指出各类围护结构的传热量百分比中窗户和空气渗透合计占建筑使用能耗的50%，门窗的保温、隔热及密封性能对围护结构的节能有极大的影响[10]。中国建筑节能年度发展研究报告2008指出在夏季空调阶段，外遮阳是减少空调负荷的最主要措施。
　　（1）门窗
　　居住建筑的外窗面积不应过大，各朝向的窗墙比，北向≤0.45，东、西向≤0.30，南向≤0.50。张玲等在09年提出建筑外窗是住宅能耗散失的严重部位，在住宅总能耗中所占比例较大，是建筑节能设计的重要部位。其节能设计的途径是：在保证日照、采光、通风、观景要求的前提下，应尽量减小住宅外门窗洞口的面积，提高外门窗的气密性和减少冷风渗透，提高外门窗本身的保温性能和减少外门窗本身的传热量[11]。
　　目前国内应用比较多的是双层中空玻璃，但是袁磊等人于08年通过理论计算和实例调研，提出在空调非连续运转条件下，夏热冬暖地区采用中空玻璃的综合节能效率低于单层玻璃，同时造成材料的浪费。中空透明玻璃的节能特点不适应该夏热冬暖地区的气候特点和建筑运行模式不应作为节能玻璃使用。此外，中空玻璃与彩釉等遮阳方式的不合理组合将造成室内严重过热问题。夏热冬暖地区采用低遮阳系数的玻璃(如彩釉玻璃)的中空组合时，传热系数低的空气间层会加剧玻璃内表面过热带来的二次热发射效应，出现严重的近距离热效应和室内过热问题[12]。海西地区主要应用比较多的相对成熟的是Low-E玻璃。
　　双层皮玻璃幕墙是较新的幕墙形式，在国外使用比较成熟，国内也相互效仿，但是目前还存在使用和设计上的一些误区[13]。车用贴膜技术延伸到了建筑领域的“极景多层光学微附建筑隔热玻璃膜”，具有强大的隔绝热量与紫外线的能力。日照最厉害的正午时分，紫外线阻隔率则达99.9%。此外还有采用热解法或磁控溅射技术可在玻璃上形成热镜膜玻璃，热镜膜是一种可以透过阳光，而对长波热辐射则具有很高发射率的薄膜。
　　（2）遮阳
　　遮阳的主要目的是为了夏季减少太阳辐射直接或间接进入室内，降低空调能耗，改善室内的舒适环境，外窗、外墙和屋顶等部位均可设置遮阳，通常采用一个外窗的综合遮阳系数（Sw）来衡量其遮阳的作用：考虑窗本身和窗口的建筑外遮阳装置综合遮阳效果的一个系数，其值为窗本身的遮阳系数（SC）与窗口的建筑外遮阳系数（SD）的乘积。
　　吴基等在09年通过研究某办公楼的全年空调能耗和照明能耗进行了模拟，发现在夏热冬暖地区，降低窗和玻璃幕墙的外遮阳系数是降低空调能耗的有效方法之一，然而降低窗的外遮阳系数的同时也减少了对自然光的利用，从而增加了照明能耗。增加百叶出挑长度或增加百叶数，空调耗电量降低，照明耗电量增大，总能耗降低。但是，改变百叶偏角，空调和照明的总耗电量先是增大，而后减少，当百叶偏角为-15°时，总耗电量出现最大值。此外办公建筑的能耗主要包括空调耗电量、照明耗电量和设备耗电量，设备耗电量与建筑无关，而空调耗电量和照明耗电量依赖于建筑设计，且占绝大部分，其本身可以通过优化建筑设计，使用被动的方法取得良好的收益。从模拟的结果可以看出随着百叶构造的变化，空调耗电量变化量约为2%~6%，照明耗电量变化量约为6%~11%[14]。
　　然而据调查实际使用外遮阳的用户较少。住户多用布窗帘遮阳，占73.7%，采用百叶窗帘遮阳的占10.9%，遮阳篷的占4.8%[15]。诸多居民都更倾向于大面积的门和大面积的落地窗，因此更多的保温隔热任务都转嫁到了遮阳措施上，厦门地区从设计到正在使用的建筑都缺少这方面的设计和应用，因此遮阳一个成为未来设计和已有建筑改造的一个重点。
　　（3）、遮阳与外窗一体化
　　08年厦门地区出现的中空内置百叶窗，是将遮阳百叶与外窗结合在一起的一种新型遮阳方式，占用空间少、无需清洗、不易损坏、遮阳效果好，但是如何依靠通风降低夹层百叶温度的问题尚未解决。
　　3.3围护外墙
　　对于多高层建筑外墙是围护结构中面积最大的部分，其保温性能的好坏是降低采暖能耗的重要措施。不同研究者针对不同类型建筑物研究结果虽有略微不同，但都说明了一个事实：在建筑中，外围护结构的热损耗较大，墙体改革与节能技术的发展是建筑节能技术的一个重要环节，发展外墙保温技术及节能材料是实现建筑节能的重要手段。
　　李志生等在06年指出办公类建筑中的空调是最大的能耗终端，全年的能耗以办公设备和照明的能耗最稳定。有外保温措施和同时具有内、外保温措施最大区别在于节省空调电力消耗31.3%和39.1%。说明建筑外墙保温系统是建筑节能的重要手段[16]。郭卉等在08年选取夏热冬暖地区典型建筑模型，采用DOE-2软件对建筑在夏热冬暖地区进行全年能耗模拟，比较分析得出了影响建筑能耗的主要因素，得出在节能50%的条件下，围护结构对建筑节能率的影响分别为：屋面2.99%~4.59%，门窗11.48%~21.50%，外墙12.48%~21.32%。可以看出门窗和外墙为夏热冬暖地区建筑节能的重中之重[17]。陶有生于09年指出各类围护结构的传热量百分比中外墙占24%，是继门窗和遮阳后夏热冬暖地区建筑节能的第二影响因素[17]。
　　在夏季空调阶段外墙大约决定20%~30%的负荷，室内外空气温差越大保温要求越高。而在过渡季节，外墙的保温起反面作用，通风越大保温的影响越小。夏热冬暖地区对于住宅冬季采暖、过渡季和夏季空调三者的权重分别是10%、40%、50%，对于大型公共建筑权重比例分别是0、50%、50%[19]。因此，对于海西地区，综合考虑增加保温不能减少空调能耗，在考虑到保温材料在全生命周期内对资源、环境的不利影响，不建议采用过分的外墙保温方式。
　　海西地区的墙体，高层建筑的墙体为填充墙，可以选择传热系数较小的加气混凝土砌块；多层住宅由于部分墙要起承重作用，一般采用双排孔混凝土砌块，加聚苯板隔热板外侧用浅色装饰的传热系数（K值）最小，节能效果最好[20]。
　　刘琪等在07年对夏热冬暖地区外墙的研究建议为了更好地满足节能设计目标及保护主体结构免受温差等外界不良因素影响，建筑外墙宜设置隔热层。外墙隔热层的设置有两种方式:一种为外墙外隔热，另一种为外墙内隔热。外隔热做法相对于内隔热构造优势明显。外墙宜增加保温隔热层构造做法以改善外墙的热工性能[21]。
　　
　　3.4屋顶
　　因为屋顶吸热是建筑物吸热的主要来源，因此对于如何减少屋顶的吸热成为减少建筑物能耗的关键。屋顶在围护结构中占能耗的比例随着建筑层数的增加而减少。对于一个单层建筑物，四面都暴露于太阳下，在夏季建筑物吸入的热量有36.7％是由屋顶获得。一般的，屋顶始终暴露于太阳之下，而四侧墙体不受阳光照射，因此在那种情况下，建筑物获得的热量大概有50％或更多来自于屋顶[22]。在多层建筑围护结构中，屋顶所占面积较小，能耗约占总能耗的8％~10％[23]。
　　屋顶的节能主要从两个方面入手：屋面的结构层和屋面附属层入手。
　　屋面结构层的研究主要集中在材料和坡度两个方向。屋面结构层的材料已有了两种轻质高强保温隔音的专利材料：现浇轻骨料钢筋混凝土复合楼板和现浇轻骨料钢筋混凝土复合楼板（专利号ZL200720005386.0和ZL200720005387.5）[23]。屋面的能耗取决于保温隔热层厚度、屋顶坡度越陡能耗越大。据测算，每降低l℃，空调减少能耗10％，而人体的舒适性会大大提高[24]。
　　由于该区气候的特点，适合的屋面附属层主要有三种隔热措施：被动蒸发隔热屋面、种植屋面、反射阳光隔热屋面。
　　（1）按照被动蒸发隔热屋面的构造做法和材料的不同，可以分为自由水被动蒸发屋面多孔材料蓄水屋面以及吸湿屋面3种形式。通过对种被动蒸发隔热屋面技术进行分析，多孔材料蓄水屋面比较适宜夏季雨水补给丰富的夏热冬暖地区[25]。
　　（2）种植屋面是夏热冬暖地区特别常见的一种隔热形式。但是主要涉及的问题是屋面的防水和荷载增大的处理。
　　（3）屋顶反射阳光隔热屋面有多种形式：倒置式、涂料式。同济大学沈辉等人分析了太阳热反射涂料在冬暖夏热地区的适用性，并且基于厂房实测数据论证了太阳热反射涂料对建筑屋顶表面温度的降温效果。从4月到8月的期间较为显著。太阳热反射率从44%提高到74%时，4~8月屋顶外表面温度明显降低，降低最大值分别为2.6℃、3.2℃、4.8℃、5.4℃、3.9℃。测算了在广州地区施涂太阳热反射涂料后的空调节能效果。屋顶反射率提高30%，在典型月七月份可以节约空调用电约3.45kWh/m2月[26]。
　　对厦门而言，宜在采用传统架空隔热层的基础上，宜采用传热系数小，热惰性大且质量轻的材料与主体结构层复合使用，这样总体厚度只需增加少许即可达到节能目标[27]。
　　3.5太阳能
　　就目前来说，人类直接利用太阳能还处于初级阶段，主要有太阳能集热、太阳能热水系统、太阳能暖房、太阳能发电等方式。太阳能在国外得到了极大的应用，但是中国的实际情况比较特殊，没有办法照搬国外经验。
　　王顺林在07年利用DeST软件对太阳能溶液除湿空调全热回收能耗逐时模拟计算。计算结果表明:在不考虑传统空调的再热量，忽略其他传热损失下，溶液除湿空调系统用电量仅为传统空调系统的40%；由于通过溶液的蓄能来充分利用太阳能，使得燃气加热器的供热量仅为再生热负荷的13.4%；在广州地区的电、燃气价格下，太阳能溶液除湿空调系统的运行费用仅为传统空调系统的49.03%[28]。
　　3.6风能
　　风力发电是新能源发电中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化前景的发电方式。大力发展风电，保护中国能源安全和大气环境成为时下人们最关注的热点。以中国东南沿海来说，年均6m／s风速的时间就达4000h，风能可到300W／m2，具备可开发利用的价值。每1km的海岸线可开发能源达到1×104kW[29]。
　　3.7地热
　　夏热冬暖地区的地热资源虽然丰富，但是在建筑节能上应用不多。
　　蒋小强等在09年为了降低建筑物热水系统的能耗，以空气源热泵热水机组和水源热泵热水机组为例，对这两项技术在寒冷地区、夏热冬冷地区和夏热冬暖地区的全年使用主机能耗进行了计算和分析，认为空气源热泵比水源热泵系统更适于夏热冬暖地区，水源热泵系统更适于寒冷地区[30]。
　　吕忠荣等在07年也对以冷负荷为主的夏热冬暖地区建筑的地埋管地源热泵系统分析得出：从经济效益来讲不如风冷热泵机组系统，但是，从环境效益来看，每年可减少消耗火力发电所需的标准煤41吨[31]。
　　4 结语
　　通过对以上研究发现：
　　（1） 夏热冬暖地区具备建筑自然通风的基本条件，可以通过场地的方位、风速和风向等因素、结合设计局部的兜风结构达到廉价的生态节能技术。
　　（2） 门窗隔热、遮阳是夏热冬暖地区建筑节能的主要措施，门窗中空玻璃的应用还需再次求证，Low-E玻璃主要应用比较广泛。诸多居民都更倾向于大面积的门和大面积的落地窗，因此更多的保温隔热任务都转嫁到了遮阳措施上，厦门地区从设计到目前正在使用的建筑采用外遮阳的用户只占15%左右，因此遮阳一个成为未来设计和已有建筑改造的一个重点。
　　（3） 各类围护结构是继门窗和遮阳后夏热冬暖地区建筑节能的第二影响因素。但是综合考虑增加保温不能减少空调能耗，在考虑到保温材料在全生命周期内对资源、环境的不利影响，不建议采用过分的外墙保温方式。
　　（4） 屋顶吸热是建筑物吸热的主要来源，但是，屋顶在围护结构中占能耗的比例随着建筑层数的增加而减少。厦门地区建议采用传统架空隔热层的基础上，宜采用传热系数小，热惰性大且质量轻的材料与主体结构层复合使用。
　　（5） 太阳能、风能、地热等方面在夏热冬暖地区的开发和应用尚处于初步阶段，后续的技术支持能促进此类廉价资源的利用。
　　
　　
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