超低能耗建筑節(jié)能潛力及技術(shù)路徑研究

左雅麗，邵 爽

（同圓設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司煙臺(tái)分公司，山東 煙臺(tái) 264000）

隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，建筑行業(yè)作為能源消耗和碳排放的主要來(lái)源之一，其節(jié)能減排的重要性不言而喻。超低能耗建筑作為一種具有高效節(jié)能、環(huán)?？沙掷m(xù)的建筑形式，逐漸受到廣泛關(guān)注。超低能耗建筑的節(jié)能潛力包括：降低能源消耗：超低能耗建筑通過采用先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)和設(shè)備，提高建筑物的保溫隔熱性能，減少能源消耗[1]。例如，使用高性能的保溫材料、優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用高效節(jié)能設(shè)備等。提升能源利用率：超低能耗建筑采用可再生能源和清潔能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能等，提高能源利用效率。同時(shí)，通過智能化的能源管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)化配置和高效利用。降低碳排放：超低能耗建筑通過減少化石能源的使用，降低碳排放。同時(shí)，采用低碳材料和低碳施工技術(shù)，減少建筑建設(shè)過程中的碳排放[2]?；诔湍芎慕ㄖ墓?jié)能潛力，開展對(duì)其技術(shù)路徑研究。

1 超低能耗建筑冷熱源系統(tǒng)方案選擇

建筑冷熱源常見方案包括：①熱泵型風(fēng)冷冷熱水機(jī)組；②變制冷劑流量系統(tǒng)；③燃?xì)忮仩t+水冷式冷水機(jī)組；④太陽(yáng)能與地源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)。針對(duì)上述4種方案，選擇出最具超低能耗性能的冷熱源方案。采用層次分析的方法，按照?qǐng)D1中各項(xiàng)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)4種方案的綜合比選。

圖1 層次分析結(jié)構(gòu)圖

采用AHP（Analytic Hierarchy Process）方法構(gòu)建了該系統(tǒng)的分級(jí)體系。通過對(duì)該系統(tǒng)的分層分析，可以得到一個(gè)對(duì)建筑冷熱源方案綜合評(píng)價(jià)的體系。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建判斷矩陣：

式中：A代表判斷矩陣；aij代表某一項(xiàng)指標(biāo)。通過9級(jí)互反標(biāo)度的方式，對(duì)判斷矩陣中各因素在決策中相對(duì)重要性進(jìn)行表征。

在得到了以上的評(píng)判矩陣之后，需要根據(jù)AHP的相應(yīng)要求，對(duì)其進(jìn)行一致性檢查，檢查的方法已經(jīng)在AHP的有關(guān)介紹中作了相應(yīng)的解釋[3]。在一致性測(cè)試的基礎(chǔ)上，利用特征量的方法，確定了各個(gè)指標(biāo)的對(duì)應(yīng)權(quán)重。在實(shí)際應(yīng)用中，利用mata對(duì)判斷矩陣進(jìn)行特征值和特征矢量的運(yùn)算，并利用特征矢量來(lái)確定各個(gè)因子的權(quán)重。為了增強(qiáng)評(píng)判矩陣的科學(xué)性，本文采用調(diào)研的方法，向業(yè)內(nèi)資深專家征詢了有關(guān)因素的權(quán)重。

根據(jù)相應(yīng)算法，得到各個(gè)方案中各項(xiàng)因素相對(duì)優(yōu)的隸屬度值[4]。由于所選擇的指標(biāo)均為成本型指標(biāo)或收益型指標(biāo)，因此，只需要從這兩個(gè)方面確定相應(yīng)的隸屬度。其中，成本型指標(biāo)的隸屬度函數(shù)為：

式中：rij代表成本型指標(biāo)的隸屬度；vij代表實(shí)際值；vimin代表某一因素i屬性值的下限值；vimax代表某一因素i屬性值的上限值。對(duì)于經(jīng)濟(jì)型指標(biāo)，其隸屬度函數(shù)為：

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合隸屬度最大原則，得出4項(xiàng)方案的隸屬度從大到小的排列順序?yàn)椋篤4（方案④隸屬度）＞V3（方案③隸屬度）＞V2（方案②隸屬度）＞V1（方案①隸屬度）。綜合上述得到的結(jié)果，選擇將第4種方案作為超低能耗建筑冷熱源系統(tǒng)方案。

2 超低能耗建筑節(jié)能潛力分析

為詳細(xì)分析超低能耗建筑的節(jié)能潛力，選擇將某地區(qū)19層居住建筑模型作為研究對(duì)象，在基準(zhǔn)條件下和高性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)條件下進(jìn)行對(duì)能源消耗的模擬[5]。在基準(zhǔn)條件下，建筑的冷熱源設(shè)備參數(shù)記錄如表1。

表1 基準(zhǔn)條件下建筑冷熱源設(shè)備參數(shù)表

根據(jù)上述設(shè)定，得到如圖2所示的基準(zhǔn)條件下建筑能耗模擬模型。

圖2 基準(zhǔn)條件下建筑能耗模擬模型

為了進(jìn)一步完善能耗模擬模型，將末端全面每小時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)作為外部數(shù)據(jù)引入其中。這些數(shù)據(jù)為模型提供了更為精確的能耗動(dòng)態(tài)信息，使得模擬結(jié)果更為接近實(shí)際情況。

超低能耗建筑在冷熱源的選擇上采用了高能效的分體空調(diào)進(jìn)行供冷。分體空調(diào)作為一種高效、節(jié)能的冷熱源設(shè)備，在超低能耗建筑中得到了廣泛的應(yīng)用[6]。為了確保模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，在冷源分體空調(diào)的能效選擇上采用了1級(jí)能效。這意味著該設(shè)備在提供冷量的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)更低的能耗，從而達(dá)到超低能耗的目標(biāo)。

在能源消耗模擬計(jì)算的過程中，我們根據(jù)表2中的內(nèi)容對(duì)超低能耗建筑冷熱源設(shè)備參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)置。這些參數(shù)包括設(shè)備的型號(hào)、規(guī)格、能效等級(jí)、運(yùn)行模式等，它們共同決定了設(shè)備的能耗和性能表現(xiàn)。通過合理的參數(shù)設(shè)置，我們能夠確保模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性，為后續(xù)的節(jié)能優(yōu)化提供有力的支持。

表2 超低能耗建筑冷熱源設(shè)備參數(shù)設(shè)置表

根據(jù)上述參數(shù)設(shè)置，得到如圖3所示的超低能耗建筑能耗模擬模型。

圖3 超低能耗建筑能耗模擬模型

通過模擬，得到建筑基準(zhǔn)與超低能耗模型全年能耗模擬結(jié)果對(duì)比圖，如圖4所示。

圖4 建筑基準(zhǔn)與超低能耗模型全年能耗模擬結(jié)果對(duì)比

從圖4中可以清晰地看到，基準(zhǔn)建筑的能耗在全年中占據(jù)了絕對(duì)的主導(dǎo)地位，占比90%以上。這意味著除非采取有效的節(jié)能措施，建筑的大部分能耗都來(lái)自于基準(zhǔn)建筑。

然而，對(duì)于那些采用了高性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)的建筑，情況發(fā)生了顯著的變化。它們的能耗相較于基準(zhǔn)建筑有了明顯的下降，下降幅度接近50%。這一數(shù)據(jù)強(qiáng)有力地證明了高性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)在節(jié)能方面的巨大潛力。

除了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，高性能冷熱源設(shè)備也為降低能耗作出了顯著貢獻(xiàn)。與基準(zhǔn)建筑相比，采用了這些設(shè)備的建筑，其能耗被有效地控制為70%～80%。這意味著通過技術(shù)的進(jìn)步和設(shè)備的更新，建筑物的能耗可以大幅度降低。

此外，高效的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和排風(fēng)熱回收措施也為減少空調(diào)的能量消耗發(fā)揮了關(guān)鍵作用。通過這些措施，空調(diào)的能耗得以顯著減少，進(jìn)一步證明了在建筑節(jié)能中，綜合運(yùn)用各種技術(shù)和措施的重要性。

3 技術(shù)應(yīng)用與建筑能耗實(shí)測(cè)驗(yàn)證

在實(shí)地勘察的基礎(chǔ)上，采取隨機(jī)抽樣的方式，在一套高層住宅的北側(cè)臥室外墻面上進(jìn)行布點(diǎn)試驗(yàn)。選擇符合規(guī)范規(guī)定的墻體面積為試驗(yàn)區(qū)，在墻內(nèi)設(shè)置兩個(gè)測(cè)溫儀（熱電偶）和兩個(gè)熱通量測(cè)板；在墻的外部設(shè)置了一個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)（熱電偶）。依據(jù)住宅建筑節(jié)能試驗(yàn)規(guī)范，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)情況，對(duì)采集到的巡檢儀資料進(jìn)行分析、篩選，選擇48 h的全部數(shù)據(jù)，在此階段試驗(yàn)環(huán)境較為穩(wěn)定。求出墻體的熱阻為66.90 m2·k/W；換算為外墻換熱系數(shù)0.14 m2·k/W。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)值滿足并超過了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

利用紅外熱像儀對(duì)試驗(yàn)室、試驗(yàn)室進(jìn)行全局?jǐn)z像及局部攝像，確定各測(cè)點(diǎn)的最低溫測(cè)點(diǎn)，并在室內(nèi)布設(shè)溫差電偶，逐時(shí)記錄、分析。試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)與工作原理：依據(jù)紅外熱像理論，采用紅外熱像分析法，測(cè)定建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)外表面最低溫點(diǎn)處，并設(shè)置熱電偶作為測(cè)溫裝置。試驗(yàn)范圍應(yīng)優(yōu)先選取墻角、外墻及屋面結(jié)合部等關(guān)鍵部位。

該示范樓的外墻無(wú)明顯的熱工缺陷，最易產(chǎn)生熱橋的地方是墻角處、窗框等連接處的溫度與整個(gè)建筑物的平均溫度差為1～3℃。在試驗(yàn)中，我們?cè)谕鈮ι线x取了一個(gè)溫度相對(duì)較低的位置，并將其安裝在一個(gè)溫度比較低的地方。

外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱橋部分內(nèi)表面的溫度評(píng)價(jià)可以按照下述公式進(jìn)行：

式中：θI代表熱橋部分在室內(nèi)和室外環(huán)境中的內(nèi)表面溫度；tdi代表室內(nèi)計(jì)算溫度；trm代表受監(jiān)測(cè)房間室內(nèi)平均溫度；θIm代表熱橋部位內(nèi)表面溫度逐時(shí)值算數(shù)平均值；tem代表室外空氣逐時(shí)值算數(shù)平均值；tde代表圍護(hù)結(jié)構(gòu)冬季室外計(jì)算溫度。

通過上述公式計(jì)算可以得出，建筑壁面最低點(diǎn)折算溫度高于露點(diǎn)溫度，因此，不會(huì)出現(xiàn)結(jié)露的情況。在此基礎(chǔ)上，對(duì)建筑物外部整體的熱成像進(jìn)行分析，建筑不透光墻體具有較好的熱工特性，且不透光墻體內(nèi)部溫度分布均勻，窗緣與主體部位的溫差為1～3℃，隔熱效果好，不存在明顯的熱工問題。

通過實(shí)測(cè)驗(yàn)證，對(duì)外墻的換熱系數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比和分析。在這次測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)外墻的換熱系數(shù)為0.14 W/m2·k，這個(gè)數(shù)值與居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.55 W/m2·k相差甚遠(yuǎn)。但與建筑設(shè)計(jì)值0.15 W/m2·k的實(shí)測(cè)值相吻合。這一結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)上，外墻的設(shè)計(jì)值比現(xiàn)行規(guī)范的要求更為嚴(yán)格，且經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，外墻的換熱性能完全符合設(shè)計(jì)要求。

此外，還注意到室內(nèi)熱橋表面的平均溫度高于露點(diǎn)溫度。這意味著在正常條件下，熱橋表面不會(huì)出現(xiàn)結(jié)露的情況。這樣的結(jié)果表明，在建筑設(shè)計(jì)中，已經(jīng)充分考慮了防結(jié)露的問題，從而保證了建筑的舒適度和安全性。

最后，對(duì)非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能進(jìn)行了評(píng)估。通過測(cè)試和分析，發(fā)現(xiàn)非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能表現(xiàn)良好，沒有明顯的熱工缺陷問題。這再次證明了建筑設(shè)計(jì)的科學(xué)性和有效性。

綜上所述，通過實(shí)測(cè)驗(yàn)證，證實(shí)了上述提出的技術(shù)應(yīng)用路徑下得到的超低能耗建筑，在設(shè)計(jì)、材料和施工等方面的合理性，并確認(rèn)了其節(jié)能效果和安全性，這為類似的建筑項(xiàng)目提供了有益的參考和借鑒。

4 結(jié)語(yǔ)

超低能耗建筑作為一種前沿的建筑形式，展現(xiàn)了高效節(jié)能和環(huán)?？沙掷m(xù)的特性。在當(dāng)今全球能源危機(jī)和環(huán)境問題日益嚴(yán)重的大背景下，超低能耗建筑具有巨大的節(jié)能潛力和市場(chǎng)前景。通過采用一系列先進(jìn)的技術(shù)路徑，超低能耗建筑能夠顯著降低建筑物的能源消耗。除了技術(shù)路徑，管理手段也是實(shí)現(xiàn)超低能耗的重要環(huán)節(jié)。通過制定科學(xué)合理的能耗標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，建立有效的能耗監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)體系，以及推廣節(jié)能意識(shí)和教育，可以促進(jìn)建筑行業(yè)的綠色發(fā)展和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

超低能耗建筑不僅能夠?yàn)闃I(yè)主帶來(lái)長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)效益，還能為社會(huì)創(chuàng)造巨大的環(huán)境效益。它不僅可以減少能源消耗和碳排放，還能提高建筑物的舒適度和居住質(zhì)量。因此，超低能耗建筑將成為未來(lái)建筑行業(yè)的重要趨勢(shì)，對(duì)于推動(dòng)全球的綠色發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。