東北高寒地區(qū)建筑能耗分析與節(jié)能探討

郭建 郭婺 呂春 張宇 王蕊 王麗

[摘要]隨著我國國民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，合理節(jié)約能源和提高能源利用率是我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重要因素。根據(jù)東北高寒地區(qū)地理位置與氣候條件特點(diǎn)，分析東北高寒地區(qū)建筑熱工環(huán)境，并基于現(xiàn)代的建筑設(shè)計(jì)理論，分析、研究該地區(qū)建筑能耗方面的諸多現(xiàn)象與問題。通過在東北高寒地區(qū)首要滿足保溫的前提下，分析民用建筑的外圍護(hù)構(gòu)件、公共建筑能耗等方面的現(xiàn)狀，探討東北高寒地區(qū)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中存在的問題與改進(jìn)措施，在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中合理應(yīng)對(duì)此類建筑在使用過程中的一些特性，降低因東北高寒地區(qū)建筑室內(nèi)外溫差大而產(chǎn)生的建筑能耗，提高能源使用率與舒適度，提升生活質(zhì)量，營造宜人的建筑環(huán)境。

[關(guān)鍵詞]東北高寒地區(qū);建筑能耗;節(jié)能

[中圖分類號(hào)]TU201.5??? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國對(duì)能源的需求也越來越多。我國的建筑用能占總能耗的50%以上，尤其我國高寒地區(qū)建筑能耗更高，相比于其他地區(qū)，高寒地區(qū)在冬季取暖所消耗的能源更多。同時(shí)面對(duì)上世紀(jì)70年代的石油能源危機(jī)，讓我國越來越意識(shí)到能源的緊迫性，因此，也認(rèn)識(shí)到降低建筑能耗提高建筑節(jié)能的重要性。在我國建筑節(jié)能快速發(fā)展，各政策互相協(xié)調(diào)下，建筑節(jié)能取得了長足進(jìn)步，同時(shí)也面臨很多問題，如大型公共建筑的節(jié)能問題，民眾在追求快速獲得利益的條件下，往往忽視建筑節(jié)能相關(guān)政策。監(jiān)管不力信息不暢通，全體社會(huì)民眾節(jié)能意識(shí)淡薄，加之缺乏強(qiáng)有力的引導(dǎo)，以致我國在建筑節(jié)能方面還沒有完全達(dá)到的預(yù)期的效果和目標(biāo)。因此，在未來的建筑節(jié)能中還有很多需要彌補(bǔ)和探索的方面。

一、東北高寒地區(qū)建筑熱工環(huán)境

我國幅員遼闊，地形復(fù)雜，由于各地區(qū)緯度不同，接受的太陽輻射量存在差異。我國《民用建筑設(shè)計(jì)通則》將我國劃分為五個(gè)氣候區(qū)，即嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)。因此，即便在同一地區(qū)，氣候也相差很大，各地的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)也各有不同。南方地區(qū)的建筑需要遮光、隔熱、通風(fēng)，以保證室內(nèi)有良好的舒適環(huán)境。北方地區(qū)的建筑需要保溫采暖，需要充分的陽光進(jìn)入建筑物內(nèi)。因而，從建筑節(jié)能設(shè)計(jì)角度，必須對(duì)不同地區(qū)的氣候特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)設(shè)計(jì)。

東北高寒地區(qū)冬季漫長寒冷，持續(xù)時(shí)間占全年的1/3以上，凍土期長、凍土深、多風(fēng)雪;夏季短促且不炎熱。冬季一般時(shí)間可持續(xù)為當(dāng)年11月份開始至第二年3月結(jié)束，這期間盛行偏北風(fēng)，早晨和夜晚多煙霧、粉塵等且降雪較多、寒風(fēng)刺骨。冰凍期可長達(dá)4個(gè)月，越偏向北方越寒冷，冬季持續(xù)時(shí)間也越長。在非降雪期，以晴天居多，寒冷且干燥。春、秋兩季氣候特點(diǎn)相似，春季一般是3月末或4月初至5月、9～10月為秋季。春季氣溫升高較快但不很穩(wěn)定，晝夜溫度起伏大，可謂是乍暖還寒。由于此時(shí)的溫度波動(dòng)大、復(fù)雜多變且冷暖交替頻繁，常有“倒春寒”“春寒料峭”之說，另一個(gè)顯著的氣候特征是多沙塵、大風(fēng)。春、秋兩季的氣候特征類似，但氣候走向相反。秋季氣溫下降快，降水逐漸減少，降雨即為降溫，俗語有“一場秋雨一場寒”的說法。秋季降水減少、晴天增、常形容為秋高氣爽。但受低壓和寒潮的影響，會(huì)出現(xiàn)大風(fēng)且風(fēng)速較快。夏季為6～8月，主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)包括：日照強(qiáng)、天氣炎熱、干燥，多雨時(shí)期，暖濕氣流活躍，悶熱潮濕，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)短時(shí)的暴雨、雷雨天氣。盛夏多集中在7、8月，全年三分之二的降水量多集中在夏季。根據(jù)東北高寒地區(qū)的氣候特點(diǎn)，建筑物必須保證良好的冬季防寒、保溫、防凍性能，至于夏季隔熱可不作為重點(diǎn)因素考慮。

二、東北高寒地區(qū)建筑能耗現(xiàn)狀分析

建筑的能耗主要與當(dāng)?shù)貧夂驐l件、建筑功能、熱工性能和各類設(shè)備使用率有關(guān)。東北高寒地區(qū)冬季寒冷而漫長，夏季涼爽而短暫。氣候年較差很大，冰凍期長，凍土深，積雪厚，太陽輻射量大，光照豐富。我國房屋建筑按照使用功能的不同劃分為民用建筑、工業(yè)建筑與農(nóng)業(yè)建筑。民用建筑分為公共建筑和居住建筑，居住建筑主要為住宅建筑，公共建筑類型較多，如行政辦公建筑、商業(yè)建筑、文教建筑、托幼建筑、觀演建筑、展覽建筑、紀(jì)念性建筑、醫(yī)療建筑、體育建筑、通訊以及交通運(yùn)輸建筑、生活服務(wù)類建筑等等。

東北高寒地區(qū)的采暖能耗占全國建筑能耗的比重較大，因此采暖節(jié)能潛力為我國各類建筑能耗中最大的，也是我國目前節(jié)能的重點(diǎn)環(huán)節(jié)之一。在東北高寒地區(qū)由于晝夜溫差大，冬季漫長，所以外墻與其他地區(qū)不同，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分的能耗比重中，墻體約占25%-40%。其中外墻能耗占絕大多數(shù)，所以墻體是建筑節(jié)能的重要組成部分，改善墻體的性能，提高墻體的保溫性將明顯提高節(jié)能效果。東北高寒地區(qū)建筑物的外墻面積通常占圍護(hù)面積的百分之八十左右，在相同建筑面積下，外墻長度的增加，導(dǎo)致外墻面積也相應(yīng)的增加，也就導(dǎo)致供熱能源的消耗的增加。故在對(duì)高寒地區(qū)建筑設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)通過計(jì)算，選擇適當(dāng)?shù)目缍纫郧笤谕瑯拥慕ㄖ娣e下最小的外墻長度，盡量使建筑物外形簡單，減少曲折，以減少外圍長度。

門窗是建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的開口部位，人們通過門窗來滿足自身對(duì)外界的需求，如通風(fēng)，自然采光，接受自然光線和溫暖的陽光，同時(shí)也可以開闊視野放松心情。但門窗又是造成能量損失的重要部位，門窗的保溫、隔熱性能將會(huì)影響建筑的室內(nèi)環(huán)境，同時(shí)門窗也是影響建筑能耗的主要因素之一。門窗的能耗占建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗的25%，因此增強(qiáng)門窗保溫隔熱性能，在建筑中減少門窗能耗是改善室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量和提高建筑節(jié)能水平的重要環(huán)節(jié)。屋面作為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)所造成的室內(nèi)外溫差熱量傳遞大于任何一面外墻的能耗熱量，目前屋面能耗占總能耗的5%-10%。由此可見，東北高寒地區(qū)合理控制由于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱所消耗的能源是建筑節(jié)能及熱工設(shè)計(jì)的重要因素，建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工設(shè)計(jì)和節(jié)能方案應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。

在東北高寒地區(qū)，建筑物的朝向應(yīng)盡量選擇朝南，因冬季的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，所以建筑物也應(yīng)選擇南側(cè)開門，生產(chǎn)類建筑在考慮東西側(cè)開門時(shí)，首選東側(cè)，同時(shí)南側(cè)設(shè)窗，走廊設(shè)置在北側(cè)。同時(shí)也要考慮建筑物之間的間距問題，過大的間距不利于土地節(jié)約，過小的間距則會(huì)影響日照，所以在高寒地區(qū)間距也尤為重要。在建筑總平面布置和設(shè)計(jì)中，應(yīng)充利用冬季日照，建筑物朝向盡量選擇能夠接觸日光最多的方向，一般采用接近南北方向的朝向，充分利用日照。在建筑空間布局上合理的安排，將主要使用空間設(shè)置在南向，輔助使用空間、交通空間設(shè)置在北向。

隨著東北高寒地區(qū)公共建筑面積不斷增加，公共建筑的能耗現(xiàn)狀日益嚴(yán)重，建筑能耗主要由照明系統(tǒng)，采暖系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)以及各種電氣設(shè)備構(gòu)成。公共建筑的耗電情況根據(jù)不同的建筑類型，其耗電也有所差異。如酒店耗電情況，動(dòng)力用電5%、空調(diào)用電32%、照明用電12%、其他用電23%;辦公樓耗電情況，暖通空調(diào)48%、照明27%、辦公設(shè)備22%、電梯3%;寫字樓空調(diào)占49.7%、照明30%、衛(wèi)生熱水2.7%、動(dòng)力設(shè)備及其他17%。各類商場也由原來的購物場所轉(zhuǎn)變?yōu)槿缃竦膴蕵贰⑿蓍e住宿為一體的綜合商業(yè)體。公共建筑中酒店和商場的建筑能耗最高。

空調(diào)系統(tǒng)電耗由冷熱源側(cè)和末端設(shè)備電耗組成，空調(diào)末端設(shè)備電耗與系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間數(shù)量密切相關(guān)。而且夏季空調(diào)系統(tǒng)電耗明顯大于冬季空調(diào)耗電，隨著室外溫度的整體升高，其空調(diào)系統(tǒng)耗電也不斷增加。

根據(jù)不同電梯裝機(jī)率，使用時(shí)間以及使用情況，其耗電量也是不相同的。由于商場的人流相對(duì)較大，相對(duì)其他建筑，商場扶梯的使用頻率，扶梯電梯電耗的比重最大，其中扶梯的耗電量約占55%。而商場的消防電梯占11%，電梯消耗量為14%。

由于東北高寒地區(qū)冬季氣候寒冷，因此需要更多的消耗能源，才可以維持建筑的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。大型公共建筑單位面積總能耗普遍較高，其中商場、賓館酒店最高，其次是寫字樓通過公共建筑耗能分析，總耗能組成中采暖熱力消耗比重最大，尤其在東北高寒地區(qū)高達(dá)61%，其次是電力耗能約占27%。在電力消耗組成中照明消耗比重多達(dá)69%，空調(diào)電耗次之。因此除采暖熱力消耗外，照明耗能也將是今后東北高寒地區(qū)公共建筑節(jié)能的重點(diǎn)。

三、東北高寒地區(qū)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)理念

建筑綠色設(shè)計(jì)，建筑物與植物相結(jié)合，向綠色生態(tài)化發(fā)展?？衫霉步ㄖG化屋面，形成一個(gè)人造的空中花園。不僅起到裝飾的效果，給建筑起到保護(hù)作用，也兼?zhèn)淞私o降溫的作用，同時(shí)還可以增加城市的綠化面積。減少城市的熱島效應(yīng)，增加城市的低碳。在建筑物外表面，種植一些攀附式植物，也可以給建筑物表面起到降溫的作用。在感官上，讓建筑物實(shí)現(xiàn)了綠色視覺，更加突出了建筑物與周邊環(huán)境的有效結(jié)合。同時(shí)使用清潔能源和進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，充分利用自然光進(jìn)行采光，與當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)向相適應(yīng)，減少空調(diào)設(shè)備的使用降低能耗，減少建筑物的散熱負(fù)擔(dān)。目前建筑材料的污染主要由建筑的石材、裝飾涂料材料、建筑的板材組成。今后的綠色建筑將具有更加優(yōu)質(zhì)的環(huán)保特性，同時(shí)逐漸取代現(xiàn)有的建筑垃圾。新型保溫隔熱材料、防水密封材料、填充材料、裝飾涂料等一些新型材料將是現(xiàn)代基礎(chǔ)工程的主要材料來源。在探索和追求新型建筑材料的同時(shí)，還應(yīng)注意保護(hù)自然資源，積極開發(fā)和利用可再生資源，如生物能、風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮?，同時(shí)減少固體建筑垃圾的排放，做到回收利用，形成循環(huán)發(fā)展，做到有限的資源發(fā)揮更大的作用。

建筑的智能化設(shè)計(jì)，為生態(tài)、清潔、節(jié)能、生物能、太陽能等應(yīng)用開發(fā)智能技術(shù)，為各類現(xiàn)代公共建筑提供技術(shù)支持，與此同時(shí)將生態(tài)建筑系統(tǒng)與智能建筑相結(jié)合，建筑智能化技術(shù)作為平臺(tái)，建筑設(shè)備、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)、建筑結(jié)構(gòu)、智能系統(tǒng)、優(yōu)化的服務(wù)、標(biāo)準(zhǔn)的管理，兩者之間的優(yōu)化組合，將會(huì)為人們會(huì)創(chuàng)造出相對(duì)良好的環(huán)境，具有良好的安全功能和令人愉悅的舒適性功能，同時(shí)也便于適應(yīng)我們?nèi)松眢w本身的生物調(diào)節(jié)。例如，智能照明系統(tǒng)的主要控制方法有時(shí)間程序控制、光敏控制、感應(yīng)控制等。時(shí)間程序控制設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)程序時(shí)，經(jīng)過定時(shí)器和其他電子元件，達(dá)到區(qū)域照明定時(shí)控制。時(shí)間程序控制有低成本，使用方便的特點(diǎn)。光敏控制主要根據(jù)外部環(huán)境光強(qiáng)度的大小，經(jīng)過光敏自動(dòng)檢測元件將光強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，從而控制照明開關(guān)以及燈光的調(diào)節(jié)控制，令某一區(qū)域的照度保持在一個(gè)預(yù)先設(shè)定的值。感應(yīng)控制主要通過傳感器（紅外傳感器、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)檢測器、超聲波探測器，音頻接收器等）感應(yīng)照明環(huán)境的變動(dòng)來控制照明狀況。傳感器通常安置在天花板和墻、走廊、樓梯和其他位置，一般適用于人流量少的地方而且不是同步的地方。

綠色照明倡導(dǎo)的照明節(jié)能是我國建筑可持續(xù)發(fā)展的重要體現(xiàn)，隨著照明行業(yè)的發(fā)展，節(jié)能高效燈具將是未來的主流。智能建筑的出現(xiàn)令照明系統(tǒng)趨向進(jìn)行集中或單獨(dú)調(diào)光、遙控等智能控制。隨著技術(shù)的革新，將會(huì)出現(xiàn)越來越多的綠色、節(jié)能、智能化的建筑。

四、結(jié)語

由于東北高寒地區(qū)特有的氣候條件與建筑能耗特點(diǎn)，亟須解決的問題之一就是能源消耗量大。在東北高寒地區(qū)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)過程中根據(jù)不同的功能空間應(yīng)用不同的相適宜的節(jié)能措施，多因地制宜，多與環(huán)境相結(jié)合，從而減少不必要的能源消耗，提高使用率，降低運(yùn)行費(fèi)用，做到節(jié)約、高效。東北高寒地區(qū)建筑應(yīng)以保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、減少能源消耗為重點(diǎn)，以綠色建筑、智能技術(shù)為依托，營造高效、舒適、安全、經(jīng)濟(jì)、有益環(huán)境，改善提高人們生活、工作、學(xué)習(xí)的條件和質(zhì)量，以及有益人們身心的健康的公共空間環(huán)境。

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[作者簡介]郭建（1983—），女，漢族，遼寧鐵嶺人，碩士，講師，主要研究方向：建筑設(shè)計(jì)，建筑節(jié)能，智能建筑。