浅谈建筑节能技术与节能计量方案

  赵斌 上海安科瑞电气股份有限公司   嘉定   201801   1 　概述 　　建筑能耗即建筑使用能耗，包括采暖、空调、热水供应、炊事、家用电器等方面的能耗。其中，以建筑采暖和空调能耗为主，占建筑总能耗的50%~70%。随着我国经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，我国建筑能耗日益增长。1999年我国建筑能耗占社会总能耗的比例已达到20%～25%。而在西方国家，建筑能耗一般占全国总能耗的30%～40%。所以，随着人民生活水平的不断提高、城镇化进程的加快以及住房体制改革的深化，我国的建筑能耗必将进一步增加。建筑能耗在我国增长空间很大，是我国今后能源消耗的一个主要增长点。1999年，美国的能源消费总量约占全世界能源消费总量的26%，其中的建筑能耗已经接近于我国的能源消费总量。因为我国的人口是美国人口的4.5倍左右，设想如果我国的人均建筑能耗水平达到目前美国的人均水平，那么我国的建筑能耗将占当前全世界总能耗的40%。这种情况是难以想象的。随着我国经济的不断增长，人们对建筑室内环境舒适程度要求的不断提高，我国建筑节能究竟如何办呢?但建筑节能不能以牺牲人的舒适和健康为代价，否则节能便失去了意义。所谓的建筑节能是指在建筑中提高能源利用效率，用有限的资源和最小的能源消费代价取得最大的经济和社会效应。因此，建筑节能是贯彻可持续发展战略、实现国家节能规划目标、减排温室气体的重要措施，符合全球发展趋势。其解决途径只有两种：一方面通过开发利用可再生能源及节能建材等途径降低建筑能耗的需求;另一方面要提高能耗系统的效率，从而降低终端能源使用量。   2 　实现建筑节能的技术途径及动态 　　经粗略估算，采取周密、有效的建筑技术措施可以降低2/3～3/4的建筑能耗。因此，在建筑规划设计、建造和使用过程中，在满足室内环境舒适、卫生、健康的条件下，采取合理有效的建筑节能技术，有利于实现建筑节能和环保共进的目标。日本最近提出“建筑的节能与环境共存设计”的概念便是这一思想的体现。一般来说，实现建筑节能的技术途径为：尽量减少建筑内能源总需求量的同时，大力开发利用可再生的新能源，从而减少使用在建筑领域内易引起环境污染的能源。 2.1减少建筑内的能源总需求量 　　据统计，在发达国家，空调采暖能耗占建筑能耗的65%。目前，我国的采暖空调和照明用能量近期增长速度己明显高于能量生产的增长速度，因此，减少建筑的冷、热及照明能耗是降低建筑能耗总量的重要内容，一般可从以下几方面实现。 2.1.1建筑规划与设计 　　面对全球能源环境问题，不少全新的设计理念应运而生，如低能耗建筑、零能建筑和绿色建筑等，它们本质上都要求建筑师从整体综合设计概念出发，坚持与能源分析专家、环境专家、设备师和结构师紧密配合。在建筑规划和设计时，根据大范围的气候条件影响，针对建筑自身所处的具体环境气候特征，重视利用自然环境(如外界气流、雨水、湖泊和绿化、地形等)创造良好的建筑室内微气候，以尽量减少对建筑设备的依赖。具体措施可归纳为以下三个方面：合理选择建筑的地址、采取合理的外部环境设计(主要方法为：在建筑周围布置树木、植被、水面、假山、围墙)；合理设计建筑形体(包括建筑整体体量和建筑朝向的确定)，以改善既有的微气候;合理的建筑形体设计是充分利用建筑室外微环境来改善建筑室内微环境的关键部分，主要通过建筑各部件的结构构造设计和建筑内部空间的合理分隔设计得以实现。同时，可借助相关软件进行优化设计，如运用天正建筑(Ⅱ)中建筑阴影模拟，辅助设计建筑朝向和居住小区的道路、绿化、室外消闲空间及利用CFD软件，如：PHOENICS，Fluent等，分析室内外空气流动是否通畅。 2.1.2围护结构 　　建筑围护结构组成部件(屋顶、墙、地基、隔热材料、密封材料、门和窗、遮阳设施)的设计对建筑能耗、环境性能、室内空气质量与用户所处的视觉和热舒适环境有根本的影响。一般增大围护结构的费用仅为总投资的3%～6%，而节能却可达20%～40%。通过改善建筑物围护结构的热工性能，在夏季可减少室外热量传入室内，在冬季可减少室内热量的流失，使建筑热环境得以改善，从而减少建筑冷、热消耗。首先，提高围护结构各组成部件的热工性能，一般通过改变其组成材料的热工性能实行，如欧盟新研制的热二极管墙体(低费用的薄片热二极管只允许单方向的传热，可以产生隔热效果)和热工性能随季节动态变化的玻璃。然后，根据当地的气候、建筑的地理位置和朝向，以建筑能耗软件DOE-2.0的计算结果为指导，选择围护结构组合优化设计方法。最后，评估围护结构各部件与组合的技术经济可行性，以确定技术可行、经济合理的围护结构。 2.1.3提高终端用户用能效率 　　高能效的采暖、空调系统与上述削减室内冷热负荷的措施并行，才能真正地减少采暖、空调能耗。首先，根据建筑的特点和功能，设计高能效的暖通空调设备系统，例如：热泵系统、蓄能系统和区域供热、供冷系统等。然后，在使用中采用能源管理和监控系统监督和调控室内的舒适度、室内空气品质和能耗情况。如欧洲国家通过传感器测量周边环境的温、湿度和日照强度，然后基于建筑动态模型预测采暖和空调负荷，控制暖通空调系统的运行。在其他的家电产品和办公设备方面，应尽量使用节能认证的产品。如美国一般鼓励采用“能源之星”的产品，而澳大利亚对耗能大的家电产品实施最低能效标准(MEPS)。 2.1.4提高总的能源利用效率 　　从一次能源转换到建筑设备系统使用的终端能源的过程中，能源损失很大。因此，应从全过程(包括开采、处理、输送、储存、分配和终端利用)进行评价，才能全面反映能源利用效率和能源对环境的影响。建筑中的能耗设备，如空调、热水器、洗衣机等应选用能源效率高的能源供应。例如，作为燃料，天然气比电能的总能源效率更高。采用第二代能源系统，可充分利用不同品位热能，最大限度地提高能源利用效率，如热电联产(CHP)、冷热电联产(CCHP)。 2.2利用新能源 　　在节约能源、保护环境方面，新能源的利用起至关重要的作用。新能源通常指非常规的可再生能源，包括有太阳能、地热能、风能、生物质能等。人们对各种太阳能利用方式进行了广泛的探索，逐步明确了发展方向，使太阳能初步得到一些利用，如：①作为太阳能利用中的重要项目，太阳能热发电技术较为成熟，美国、以色列、澳大利亚等国投资兴建了一批试验性太阳能热发电站，以后可望实现太阳能热发电商业化;②随着太阳能光伏发电的发展，国外己建成不少光伏电站和“太阳屋顶”示范工程，将促进并网发电系统快速发展;③目前，全世界已有数万台光伏水泵在各地运行;④太阳热水器技术比较成熟，已具备相应的技术标准和规范，但仍需进一步地完善太阳热水器的功能，并加强太阳能建筑一体化建设;⑤被动式太阳能建筑因构造简单、造价低，已经得到较广泛应用，其设计技术已相对较为成熟，已有可供参考的设计手册;⑥太阳能吸收式制冷技术出现较早，目前已应用在大型空调领域;太阳能吸附式制冷目前处于样机研制和实验研究阶段;⑦太阳能干燥和太阳灶已得到一定的推广应用。但从总体而言，目前太阳能利用的规模还不大，技术尚不完善，商品化程度也较低，仍需要继续深入广泛地研究。在利用地热能时，一方面可利用高温地热能发电或直接用于采暖供热和热水供应;另一方面可借助地源热泵和地道风系统利用低温地热能。风能发电较适用于多风海岸线山区和易引起强风的高层建筑，在英国和香港已有成功的工程实例，但在建筑领域，较为常见的风能利用形式是自然通风方式。   3 　建筑节能新技术 　　理想的节能建筑应在最少的能量消耗下满足以下三点，一是能够在不同季节、不同区域控制接收或阻止太阳辐射;二是能够在不同季节保持室内的舒适性;三是能够使室内实现必要的通风换气。目前，建筑节能的途径主要包括：尽量减少不可再生能源的消耗，提高能源的使用效率;减少建筑围护结构的能量损失;降低建筑设施运行的能耗。在这三个方面，高新技术起着决定性的作用。当然建筑节能也采用一些传统技术，但这些传统技术是在先进的试验论证和科学的理论分析的基础上才能用于现代化的建筑中。 3.1减少能源消耗，提高能源的使用效率 　　为了维持居住空间的环境质量，在寒冷的季节需要取暖以提高室内的温度，在炎热的季节需要制冷以降低室内的温度，干燥时需要加湿，潮湿时需要抽湿，而这些往往都需要消耗能源才能实现。从节能的角度讲，应提高供暖(制冷)系统的效率，它包括设备本身的效率、管网传送的效率、用户端的计量以及室内环境的控制装置的效率等。这些都要求相应的行业在设计、安装、运行质量、节能系统调节、设备材料以及经营管理模式等方面采用高新技术。如目前在供暖系统节能方面就有三种新技术：①利用计算机、平衡阀及其专用智能仪表对管网流量进行合理分配，既改善了供暖质量，又节约了能源;②在用户散热器上安设热量分配表和温度调节阀，用户可根据需要消耗和控制热能，以达到舒适和节能的双重效果;③采用新型的保温材料包敷送暖管道，以减少管道的热损失。近年来低温地板辐射技术己被证明节能效果比较好，它是采用交联聚乙烯(PEX)管作为通水管，用特殊方式双向循环盘于地面层内，冬天向管内供低温热水(地热、太阳能或各种低温余热提供);夏天输入冷水可降低地表温度(目前国内只用于供暖);该技术与对流散热为主的散热器相比，具有室内温度分布均匀，舒适、节能、易计量、维护方便等优点。 3.2减少建筑围护结构的能量损失 　　建筑物围护结构的能量损失主要来自三部分：①外墙;②门窗;③屋顶。这三部分的节能技术是各国建筑界都非常关注的。主要发展方向是，开发高效、经济的保温、隔热材料和切实可行的构造技术，以提高围护结构的保温、隔热性能和密闭性能。 3.2.1外墙节能技术 　　就墙体节能而言，传统的用重质单一材料增加墙体厚度来达到保温的作法已不能适应节能和环保的要求，而复合墙体越来越成为墙体的主流。复合墙体一般用块体材料或钢筋混凝土作为承重结构，与保温隔热材料复合，或在框架结构中用薄壁材料加以保温、隔热材料作为墙体。目前建筑用保温、隔热材料主要有岩棉、矿渣棉、玻璃棉、聚苯乙烯泡沫、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、加气混凝土及胶粉聚苯颗粒浆料等。这些材料的生产、制作都需要采用特殊的工艺、特殊的设备，而不是传统技术所能及的。值得一提的是胶粉聚苯颗粒浆料，它是将胶粉料和聚苯颗粒轻骨料加水搅拌成浆料，抹于墙体外表面，形成无空腔保温层。聚苯颗粒骨料是采用回收的废聚苯板经粉碎制成，而胶粉料掺有大量的粉煤灰，这是一种废物利用、节能环保的材料。墙体的复合技术有内附保温层、外附保温层和夹心保温层三种。我国采用夹心保温作法的较多;在欧洲各国，大多采用外附发泡聚苯板的作法，在德国，外保温建筑占建筑总量的80%，而其中70%均采用泡沫聚苯板。 3.2.2门窗节能技术 　　门窗具有采光、通风和围护的作用，还在建筑艺术处理上起着很重要的作用。然而门窗又是最容易造成能量损失的部位。为了增大采光通风面积或表现现代建筑的性格特征，建筑物的门窗面积越来越大，更有全玻璃的幕墙建筑。这就对外维护结构的节能提出了更高的要求。目前，对门窗的节能处理主要是改善材料的保温隔热性能和提高门窗的密闭性能。从门窗材料来看，近些年出现了铝合金断热型材、铝木复合型材、钢塑整体挤出型材、塑木复合型材以及UPVC塑料型材等一些技术含量较高的节能产品。其中使用较广的是UPVC塑料型材，它所使用的原料是高分子材料--硬质聚氯乙烯。它不仅生产过程中能耗少、无污染，而且材料导热系数小，多腔体结构密封性好，因而保温隔热性能好。UPVC塑料门窗在欧洲各国已经采用多年，在德国塑料门窗已经占了50%。我国20世纪90年代以后塑料门窗用量不断增大，正逐渐取代钢、铝合金等能耗大的材料。为了解决大面积玻璃造成能量损失过大的问题，人们运用了高新技术，将普通玻璃加工成中空玻璃，镀膜玻璃(包括反射玻璃、吸热玻璃)高强度LOW2E防火玻璃(高强度低辐射镀膜防火玻璃)、采用磁控真空溅射方法镀制含金属银层的玻璃以及最特别的智能玻璃。智能玻璃能感知外界光的变化并做出反应，它有两类，一类是光致变色玻璃，在光照射时，玻璃会感光变暗，光线不易透过;停止光照射时，玻璃复明，光线可以透过。在太阳光强烈时，可以阻隔太阳辐射热;天阴时，玻璃变亮，太阳光又能进入室内。另一类是电致变色玻璃，在两片玻璃上镀有导电膜及变色物质，通过调节电压，促使变色物质变色，调整射入的太阳光(但因其生产成本高，现在还不能实际使用)，这些玻璃都有很好的节能效果。 3.2.3屋顶节能技术 　　屋顶的保温、隔热是围护结构节能的重点之一。在寒冷的地区屋顶设保温层，以阻止室内热量散失;在炎热的地区屋顶设置隔热降温层以阻止太阳的辐射热传至室内;而在冬冷夏热地区(黄河至长江流域)，建筑节能则要冬、夏兼顾。保温常用的技术措施是在屋顶防水层下设置导热系数小的轻质材料用作保温，如膨胀珍珠岩、玻璃棉等(此为正铺法);也可在屋面防水层以上设置聚苯乙烯泡沫(此为倒铺法)。在英国有另外一种保温层做法是，采用回收废纸制成纸纤维，这种纸纤维生产能耗极小，保温性能优良，纸纤维经过硼砂阻燃处理，也能防火。施工时，先将屋顶的钉层夹层，再将纸纤维喷吹入内，形成保温层。屋顶隔热降温的方法有：架空通风、屋顶蓄水或定时喷水、屋顶绿化等。以上做法都能不同程度地满足屋顶节能的要求，但目前最受推崇的是利用智能技术、生态技术来实现建筑节能的愿望，如太阳能集热屋顶和可控制的通风屋顶等。 3.3.3降低建筑设施运行的能耗 　　采暖、制冷和照明是建筑能耗的主要部分，降低这部分能耗将对节能起着重要的作用，在这方面一些成功的技术措施很有借鉴价值，如英国建筑研究院(英文缩写：BRE)的节能办公楼便是一例。办公楼在建筑围护方面采用了先进的节能控制系统，建筑内部采用通透式夹层，以便于自然通风;通过建筑物背面的格子窗进风，建筑物正面顶部墙上的格子窗排风，形成贯穿建筑物的自然通风。办公楼使用的是高效能冷热锅炉和常规锅炉，两种锅炉由计算机系统控制交替使用。通过埋置于地板内的采暖和制冷管道系统调节室温。该建筑还采用了地板下输入冷水通过散热器制冷的技术，通过在车库下面的深井用水泵从地下抽取冷水进入散热器，再由建筑物旁的另一回水井回灌。为了减少人工照明，办公楼采用了全方位组合型采光、照明系统，由建筑管理系统控制;每一单元都有日光，使用者和管理者通过检测器对系统遥控;在100座的演讲大厅，设置有两种形式的照明系统，允许有0%～100%的亮度，采用节能型管型荧光灯和白炽灯，使每个观众都能享有同样良好的视觉效果和适宜的温度。 3.3.4新能源的开发利用 　　在节约不可再生能源的同时，人类还在寻求开发利用新能源以适应人口增加和能源枯竭的现实，这是历史赋予现代人的使命，而新能源有效地开发利用必定要以高科技为依托。如开发利用太阳能、风能、潮汐能、水力、地热及其他可再生的自然界能源，必须借助于先进的技术手段，并且要不断地完善和提高，以达到更有效地利用这些能源。如人们在建筑上不仅能利用太阳能采暖，太阳能热水器还能将太阳能转化为电能，并且将光电产品与建筑构件合为一体，如光电屋面板、光电外墙板、光电遮阳板、光电窗间墙、光电天窗以及光电玻璃幕墙等，使耗能变成产能。   4 　建筑节能新材料的开发 4.1外墙保温及饰面系统(EIFS) 　　该系统是在上世纪70年代末的最后一次能源危机时期出现的，最先应用于商业建筑，随后开始了在民用建筑中的应用。今天，EIFS系统在商业建筑外墙使用中占17.0%，在民用建筑外墙使用中占3.5%，并且在民用建筑中的使用正以每年17.0%～18.0%的速度增长。此系统是多层复合的外墙保温系统，在民用建筑和商业建筑中都可以应用。ELFS系统包括以下几部分：主体部分是由聚苯乙烯泡沫塑料制成的保温板，一般是30～120mm厚，该部分以合成黏结剂或机械方式固定于建筑外墙;中间部分是持久的、防水的聚合物砂浆基层，此基层主要用于保温板上，以玻璃纤维网来增强并传达外力的作用;最外面部分是美观持久的表面覆盖层。为了防褪色、防裂，覆盖层材料一般采用丙烯酸共聚物涂料技术，此种涂料有多种颜色和质地可以选用，具有很强的耐久性和耐腐蚀能力。 4.2建筑保温绝热板系统(SIPS) 　　此材料可用于民用建筑和商业建筑，是高性能的墙体、楼板和屋面材料。板材的中间是聚苯乙烯泡沫或聚亚氨脂泡沫夹心层，一般120～240mm厚，两面根据需要可采用不同的平板面层，例如，在房屋建筑中两面可以采用工程化的胶合板类木制产品。用此材料建成的建筑具有强度高、保温效果好、造价低、施工简单、节约能源、保护环境的特点。SIPS一般1.2m宽，最大可以做到8m长，尺寸成系列化，很多工厂还可以根据工程需要按照实际尺寸定制，成套供应，承建商只需在工地现场进行组装即可，真正实现了住宅生产的产业化。 4.3隔热水泥模板外墙系统(ICFS) 　　该产品是一种绝缘模板系统，主要由循环利用的聚苯乙烯泡沫塑料和水泥类的胶凝材料制成模板，用于现场浇筑混凝土墙或基础。施工时在模板内部水平或垂直配筋，墙体建成后，该绝缘模板将作为永久墙体的一部分，形成在墙体外部和内部同时保温绝热的混凝土墙体。混凝土墙面外包的模板材料满足了建筑外墙所需的保温、隔声、防火等要求。   5 　电力仪表在建筑能耗分项计量中的选型方案 　　Acrel(安科瑞)公司研发的Acrel-5000建筑能耗分析管理系统，可以通过ACR网络电力仪表、谐波表、导轨式电能表，对商场、宾馆、学校、医院、银行、体育馆、政府机关等大型公建进行电能分项计量和能耗分析管理。 大型公共建筑电能计量宜采用智能电力仪表作为内部管理电表，电力仪表在用户安装供电部门收费电表的基础上，考虑内部电能计量与节能管理的需要安装，用于建筑内部电量的统计与管理。因此用户可自主选择采购，但应注意制造商是否有电力仪表（电能部分）的计量许可证。电力仪表可以完成对各回路、各楼层或各分项计量区的电能数据的采集，通过Acrel-5000能耗分项计量系统完成对大型公共建筑的电力监控与电能计量管理。 电力仪表是针对电力系统、工矿企业、公用设施、智能大型公共建筑的电力监控与电能管理需求而设计的。它能高精度的测量所有常用的电力参数，如三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、频率、功率因数、四象限电能等，采用可视度高的LCD来显示仪表测量参数和电网系统的运行信息。电力仪表功能、型号繁多，价格也各不相同，电能计量方案也多种多样，因此，应合理选配，达到较佳的性价比。 根据沪建交[2008]828号文件，对大型公共建筑能耗数据实行分类计量，对电量按动力用电、照明与插座用电、空调用电和特殊用电进行分项计量管理。因此，针对宿舍、商铺、宾馆客房等需单独计量的地方，可采用DDS1352或DDSF1352电表； DDS1352单相电表，又称为ADL10；单相电能计量表，DIN35mm导轨安装，宽度为1个模数（即宽为18mm），一次最大接入单相电流30A，精度1.0级。该仪表尺寸小，价格低，缺点是没有通讯功能，不能组网，但有脉冲输出可与ARTU-P32连接进行组网。 DDSF1352单相电表，又称为ADL100，同样为DIN35mm导轨安装，宽度为4个模数，一次最大接入单相电流为80A，精度1.0级，可测量电压、电流，具有峰、平、谷电能分时复费率计量功能，带RS485接口，Modbus通讯协议或DL/T645规约，可组网。主要应用于对单相电能的计量，常用在配电箱内。DDS1352及DDSF1352单相电表外形及应用如图1所示：     图1 DDS1352电表外形，DDSF1352电表外形及其应用   针对用电设施按照明与插座用电、动力用电、空调用电、特殊用电进行分项计量，对学校教室、医疗病房、宾馆客房按楼层或功能分区计量时，可选用DTSF1352或ACR120EL电表。 采用DTSF1352三相四线电表（见图2），又称ADL300，用于三相电能计量，具有尖、峰、平、谷电能分时复费率计量功能，DIN35mm导轨安装，宽度为7个模数，可安装在照明箱或动力箱中，一次最大接入三相电流80A，80A以上可经电流互感器二次接入，精度0.5级，带RS485接口，Modbus通讯协议或DL/T645通讯规约，可组网^[1]。 ADL系列导轨式安装电能表，可以很方便地安装在配电柜（箱）背面的导轨上，不需要对面板进行开孔，这种一对一式的计量，对于系统的检修维护是非常方便的。 图2 DTSF1352电表外形及其在动力箱中的应用   采用ACR120EL多功能电表，该表为嵌入式安装，可安装在动力箱或低压出线柜门板上，面板尺寸为80mm×80mm，开孔为76mm×76mm，规格为220/380V、5A，电流经互感器二次接入，精度0.5级，可测量电流、电压、功率、频率、功率因数、四象限电能等电参量，带RS485接口，Modbus通讯协议。 对于一些重要回路需检测谐波含量的，可采用ACR230ELH多功能电表，沪建交[2008]828号文规定，在变压器低压侧（AC230／400V）总进线处，应当设置多功能电能表，至少具有监测和计量三相电流、电压、有功功率、功率因数、有功电能、最大需量、总谐波含量和2-21次各次谐波分量的功能。因此，采用ACR230ELH多功能电表，嵌入式安装在配电柜门板上，面框尺寸为96mm×96mm，除测量所有电参量外，还具有最大需量，2-31次电流、电压谐波分量、电压波峰系数、电流K系数、电话波形因子、电流电压不平衡度、正负零序分量分析等功能。ACR120EL，ACR230ELH多功能电表外形及其在低压配电柜中的实际应用如图3所示。 图3 ACR120EL、ACR230ELH多功能电表外形及其在配电抽屉柜中的应用   5 　结论 　　目前，我国建筑用能浪费极其严重，而且建筑能耗增长的速度远远超过我国能源生产可能增长的速度，如果听任这种高耗能建筑持续发展下去，国家的能源生产势必难以长期支撑此种浪费型需求，从而不得不被迫组织大规模的旧房节能改造，这将要耗费更多的人力物力。在建筑中积极提高能源使用效率，就能够大大缓解国家能源紧缺状况，促进我国国民经济建设的发展。 建筑节能是一项全方位的综合性的系统工程，建筑节能技术涉及了建筑技术、材料技术、能源技术、智能技术、仿生技术、废物再利用技术等，也涉及设计、施工、管理、政策法规等诸多部门，是一项全方位的、综合性的系统工程。为了达到有效的建筑节能只靠建筑师是根本不够的，还需要其他行业开发出技术含量高的节能产品，如节能型电梯、节能型空调、节能型灯具等，并开发出新的能源利用技术，使建筑逐渐实现低能耗、零能耗。   参考文献： [1]上海安科瑞电气股份有限公司产品手册.2010.08版.   作者简介：
赵斌，男，本科，上海安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能电力监控与电能管理系统，Email: acrelsh@126.com 手机：13917437076