去年五月我曾赴美国德州Dallas的Richardson参加“第十四届炎热和潮湿气候下建筑物系统性能优化大会”。大会的主题报告是“When the light is out”(当灯光熄灭以后)。报告主要分析世界能源使用的严峻趋势和建筑物系统优化的重要性。在报告中预计,到2025年世界能源的80%将由中华人民共和国消耗。这无疑是对我们的严重警告。我们必须尽快采取应对策略。
近十年智能建筑的建设在我国发展迅猛,但这种发展以高能耗、高的土地投入为代价。据不完全统计,在国内已建成的智能建筑约有4600幢。快速的发展对我国能源资源的巨大的影响是我们目前必须正视的问题。我国的智能建筑能耗很高。建设部仇保兴副部长曾经谈到,在我国单位建筑面积的能耗是发达国家的3-5倍。建筑能耗的总量已达社会终端能耗的30%。更为严重的是我国现有建筑的99%是高能耗建筑。根据我对若干栋高层智能建筑的耗电费用的调查, 对商住办公楼而言,其电费消耗大约为每年每万平方米100-200万元左右, 取决于建筑物的围护结构、暖通和控制的设计、调试以及物业管理。无容置疑, 这是一个相当巨大的数字。有数字说明,由于节能措施不到位,大部分建筑物的能耗远远超过上述下限。
因此从可持续发展的观点来重塑智能建筑的建设、抑制高能耗已经迫在眉睫。我们必须从世界能源战略和国家安全的角度看待这一问题;我们必须从建立和谐社会的角度看待这一问题。研究智能建筑的节能已经远远不是一个学术问题,而是关系到国家生存的大问题, 这绝不是危言耸听。我们必须从技术层面和法规层面同时实施节能战略,才能在尽可能短的时间内取得效果。
一.关于欧洲议会建筑物能耗性能指导意见
2001年欧洲议会受位于布鲁塞尔的欧洲共同体的委托, 制订并推出了关于建筑物能耗性能指导意见的提案,其后在2002年12月正式推出了关于建筑物能耗性能的正式文件2002/91/EC。在指导意见的备忘录中指出,欧盟体(EU)已经越来越依赖于外部能源的供应。这种情况如不加以改变,预计到2030年,能源供应对外部的依赖将由目前的50%增长到70%。气候的改变已经对整个国际社会的能源供应造成了长期的挑战,东京都协议只是应付这种挑战的第一步。欧盟对目前能源供应的条件只有相当有限的影响,因此,要对付这种挑战,只能从需求方欧盟内部的建筑物和运输体系着手节能。
指导意见指出,住宅和公共建筑(如办公楼、批发业、零售业、旅馆、饭店、学校、医院、体育设施和室内游泳池等,但不包括工业建筑物在内)一直是能源使用的最大的终端,主要用于照明、取暖、电气设备等。实际经验和数字调查表明他们有节能的巨大潜力,这种潜力远远大于其他方面可做的努力。
指导意见的基本目标是致力于欧盟体内部的建筑物能耗性能的改进,保证采取的措施是最为有效的。文件指出,建筑物的寿命一般在50到100年以上,因此在短期或中期内改进现有建筑物的能耗性能应当成为最大的潜在目标。
指导意见提出了四项主要内容:1。建立起计算建筑物整体能耗性能的通用方法的总的框架。2。制订新造建筑物使用能耗的最低标准,对于旧建筑物的改造同样适用。3。对于新造的和旧有的建筑物建立基于以上标准的能耗性能的认证计划并加以公示。对公用建筑和公众常用建筑推荐室内温度和其他相关气候指标。4。对锅炉和其他冷热源设备作专门的检查和评估。
国际社会有一种强烈的趋势对建筑物进行综合的评估和规范。这种评估包括建筑物围护的绝缘、建筑物的位置和方向、热隔离、太阳能和其他可重复利用的能源的获取、冷热源设备照明设备和通风设施的能耗等等。在英、法、德国和意大利等国这种评估和规范已经得到了各种程度的应用,在有些国家是强制性的。这种公共的方法构成了各种不同类型的建筑物能耗性能最小化的标准。
所有新建的住宅和公共建筑都必须满足基于上述公共方法的最小能耗性能标准。旧有建筑物一旦改造也必须满足这一标准。标准应用时必须考虑室内气候条件。
关于对新老建筑物能耗性能的认证,指导意见认为目前之所以在建筑物提高能耗效率方面的投资不够是因为业主和租赁方的利益不同。能耗的账单由租赁方面支付,因此业主对提高能耗的投资的积极性必然不足。解决这一问题的最好方法是向未来的租户提供清晰而可靠的信息来影响租赁率。从而驱使业主增加投资来提高能耗的效率。为此需要对正在建造、出售、租赁的建筑物进行能耗性能的认证。这一认证的有效期不能长于五年,并且应当伴随如何改进被认证建筑物的能耗性能的建议。对公共建筑或常有公众活动的建筑物这种认证应当加以公示。从而向公众展示采取提高能效的措施将如何提高建筑物的性能,也向公众宣传了如何正确地使用加热、通风和空调系统,这是认证的优点。 公示的信息包括室内温度和其他相关的室内气候因素,如相对湿度等以及权威机构推荐的这类特定建筑物的使用参数。这样可以避免能量的不必要的使用,并确保和室外温度相关的达到热舒适的室内气候条件。 目前对新建筑物能耗性能的认证在丹麦、德国,英国都是强制实行的,对旧有建筑物只有在丹麦是强制性的,其他欧盟体成员则是自愿的。在丹麦的统计数字表明认证每年产生了13%的投资回报。
对于冷热源装置的检查和评估:锅炉等加热设备被认为是提高能效的关键,应当经常检查以提高其运行状态。这在欧盟体的10个成员国都是被强制实行的。锅炉的炉龄如果超过15年,则整个装置需要检查并给出评估和提高其能效的意见。制冷设备特别是大型建筑物中的设施也同样需要检查。
欧盟体1997年总的能耗为930兆吨,其中40.7%用于住宅和公共建筑。其中10%的能耗来自可再生的能源。在住宅和公共建筑能耗中57%用于加热空间;25%用于热水;电气和照明消耗了11%的能耗。而在中东欧国家,建筑中用于加热空间的能耗占建筑物总能耗的70%。对于60年代到90年代建造的大部分规模较大的建筑物中,中央空调系统占主导地位。由于没有很好的建筑物围护结构的标准,中东欧的单位建筑面积能耗是欧盟体的2-3倍。经济的转型导致能源价格的提高。在这些国家挖掘能耗的节省潜力已经成为抵抗价格增长对经济的负面影响的重要因素。
建筑物的围护结构
该文件的内容覆盖了建筑物的围护结构包括门窗和已经安装的设备。对未经安装的设备则不包括在内。这部分设备的能耗大约在18%-20%左右。对它们已经在能量效率计划(Action Plan of Energy Efficiency)中加以管理和限制。执行本指导意见之后估计到2010年可以节能22%。即节能55兆吨,相当于少产生CO2每年100兆吨,或东京都协议书承诺的20%。
在欧盟体,大约32%的现有建筑造于1945年以前;40%的建筑造于1945年到1975年;28%的建筑在1975年以后造。现在的新建筑的热损失大约是1945年前的一半。
热水锅炉
指导意见92/42/EEC提出了对热水锅炉的最低效率的要求,从而保证了新锅炉能有合理的效率。在欧盟体内大约有一千万个锅炉的使用年限已经超过了20年,他们的效率与新锅炉相比甚至要低35%,把他们更换一下便可以获得5%的节能。锅炉的年总效率可以通过正确匹配锅炉和加热装置(散热器)来实现。根据建筑物规模和气候正确地选择锅炉的大小,应用自动控制装置,减小辅助设备的热损耗都可以提高锅炉的总效率。
照明设备:
照明设备的能耗为9兆吨,占住宅总能耗的4%,通过使用更加高效的电器,使用控制技术和利用日光,照明方面的节能潜力在30%-50%左右。欧盟体的绿色照明计划认为在照明上的节能可以实现高的性价比。空调系统的应用日益广泛,按照这种趋势,到2020年空调的应用将增加一倍。潜在的节能能力是25%。如果对空调系统制订最低能耗标准,政策和措施对头,并在早期就实现,那么到2010年就能实现大部分目标。
可再生能源
欧洲能源供应安全战略绿皮书中提出了发展可再生能源的重要性。该文引用了可再生能源白皮书,欧洲在1998年太阳能收集器的安装能力是9百万平方米,预计到2010年太阳能收集器的安装总量可达到1亿平方米。其中50%用来产生热水,11%用来加热房间,19%用于大型的太阳加热系统。白皮书认为,到2010年光电学对能源的贡献可望达到3000兆瓦,而在2002年这个数字是200兆瓦。
热和电力的组合技术(CHP)
适合于单体建筑和建筑群的热和电力的组合技术(CHP)是能够提高建筑物综合能耗性能的新一代技术。由于将热力和电力综合利用,CHP可以节省能耗和燃料,减少CO2的产生。CHP主要应用于大型建筑,如住宅楼,大型娱乐场所,机场,购物中心,医院和商务办公楼等。把现有的区域供热供冷网络连接起来能有效提高能源的使用效率,并满足某一栋楼的供热或供冷的需要。当新建建筑物时,应当优先考虑与供热供冷网络的连接。
热泵
热泵是另一种供能选择,在特定的环境下,它能在建筑物中产生节能的效果。它的效率较高,能用于单体住宅和多家庭住宅的空间加热。除了瑞典以外在其他的欧盟国家它的市场处于中等水平,因为和其他技术相比它的投入较高成为推广的壁垒,但它的价格正在下降,效率更为提高。
根据建筑物的设计和目标节能:和气候相关的因素
在建筑物的设计和定方位阶段考虑和气候和生态相关的因素能够在建筑物的整个生命周期都节约能耗。对于已经满足良好的绝缘标准的建筑物的案例,通过使用太阳能设计,优化太阳能加热水和空间的设备,改进日光,自然冷却和太阳能控制系统可以节能达60%。新建筑物采用这一技术可以满足四分之一的能源需求。即使是现有的建筑物其设计和朝向已经固定,如果满足一定的条件并加以研究,节能的潜力仍然很大。
生态气候设计和施工包括优化所有的物理参数和改进供热、供冷、通风和照明系统。这意味着根据夏冬季节的长度,在炎热季节最大程度的减小太阳热被动积累的影响;而在冬季最大程度的增加这种影响。采取的措施包括确定建筑物的方位,当需要增加太阳热的影响时,使建筑物的外表面积最大程度地暴露在阳光之下;如需要冷却则尽量避免阳光的辐射。要考虑的因素有自然通风条件,现有的和潜在的树的阴影等,周围地形和水源对于热泵等制冷制热设备的潜在影响。照明设计包括优化自然光的应用,用于补偿和减少人工光源的使用。使用的技术包括正确设计窗的大小,利用光的漫射和棱镜技术等。
1997年在东京都会议中共同体承诺了减少8%能耗的义务。建筑业能够为节能做出实质性的贡献,从而在2010年以前相对短的时间内满足东京都协议的要求。在2010年以后建筑业能够为节能起到更为重要的作用。第六期环境影响规划估计,到2020年大约可降低能耗20-40%。2003年3月8日,欧盟体接受了为减少绿色建筑气体发散、针对欧洲气候改变纲要(ECCP)制定的政策和措施。ECCP是专门为1999年5月“执行东京都协议的准备”通讯提出的。1998年6月和1999年10月环境委员会曾经提出过很多建议。此后又促成提出了一系列的按优先次序排列的措施和政策,并准备合理的政策提案。在过去十五年制订的相关的条款有“关于锅炉的指导意见(92-42-EEC)”、“建筑施工产品指导意见(89-106-EEC)和“有关建筑商品安全问题的指导意见(93-76-EEC)。
二.加快在我国对智能建筑能耗性能评估和规范的制订
欧盟体推出的关于建筑物能耗性能的指导意见表明在建筑能耗性能研究和规范制订方面我国尚有较大的差距, 文本对我们有很大的借鉴意义。根据十年来我对智能建筑节能问题的关注,提出如下建议:
1.尽快对全国的智能建筑的能耗情况进行全面统计
作为制订智能建筑的能耗性能评估标准和能耗法规的基础,建议尽快在全国范围内对各类智能建筑的能耗情况进行统计。统计内容应包括建筑功能类型,建筑面积,地域,朝向,维护结构种类和热性能(如玻璃幕墙的热反射系数等),窗的类型和结构,每个月的电费和其他能源消耗的同期类比(最好连续统计三年的数字),冷热源的型号和吨位和运行工龄,冷水机组的水阀开度,夏天和冬天的室内设定温度,抽查调节阀门是否振荡。通过统计我们可以获得普通商用办公楼、宾馆、医院、公检法、机场、大型会展中心、学校、体育场馆等等建筑物的能耗运行状态。
统计表格可如下:

2.尽快制订建筑能耗性能评估标准
要解决我国当前建筑物特别是高层建筑单位能耗高的问题,科学的制订建筑物能耗性能评估标准是个关键。它是制订新造建筑物使用能耗的最低标准的基础。
①努力执行和完善“冬冷夏热地区建筑节能设计标准”,使高层建筑围护结构的能耗性能比较合理。限制低反射系数玻璃幕墙的使用。片面的追求外表的美观,使当前大规模使用玻璃幕墙几乎已经成为一种趋势。由于围护结构往往由业主决定,业主和租赁方的利益不同,能耗的账单由租赁方面支付。因此业主对提高能耗的投资的积极性不足。努力执行和完善上述规范能解决这一问题。
②应强制性要求每个智能建筑在BAS软件上二次开发能耗统计软件,进行列年同比月份能耗对比。对同比能耗增长的要求加以整改,预期不改加以处罚。
③统计调节阀门开度,对常年开度过小的建筑物,应考虑设计方的责任。
目前在国内外设计方为了保险,往往放大安全系数,把冷热源的规模和能力不适当地增加,导致机组和辅助设施的投资和运行费用过大。管道、水泵等冷热源辅助设施的投资成本基本上占冷热源投资的15%。
④要求供应商必须提供冷水机组的能效曲线,建筑物的物业管理部门统计、纪录冷水机组的电流比值以确定机组是否工作在能效特性较佳的区域。如不是,责令整改。
冷热源的能耗占整个空调系统的55%-65%,提高冷热源的效率对降低建筑物的能耗有重要的意义。
⑤检查各控制阀门的位置是否相对稳定,对于不断振荡的系统,责令集成商加以整改。因为阀门的震荡会导致媒介水和空气在管道中流动时阻力的增加,进而能耗增加,也会降低设备的寿命。阀门振荡往往是由于集成商没有调节好系统回路的控制参数的缘故。
⑥检查锅炉的工龄和效率
⑦制订冬夏两季室内气候标准,使室内温度不至于定的过高或过低。值得注意的是夏季室内温度每降低一度,能耗将增加8%;冬季室内温度每升高一度,能耗将增加12%。
⑧对智能建筑室内小气候作进一步的研究,规范作为温度设定基准的传感器位置。
3.对国内外用于智能建筑的电器和电子产品的效率进行市场准入检测和规范
目前用于智能建筑的电子电器产品很多,其中大部分是进口产品。需要对这些产品的电器特性和效率进行监测和管理。其变压器的设计是否合理?产生的谐波是多少?应当给出最低指标,以防止能耗过大或污染电网。在欧洲这方面的标准有“能量效率计划(Action Plan of Energy Efficiency)”;在美国早在1992年就制定了“能源条例(Energy Policy Act 1992), “纽约州能量保护建设标准”等。我们要尽快制订相应规范。
4.在上述规范的基础上制订新造建筑物使用能耗的最低标准,对于旧建筑物的改造同样适用。
5.和欧美等发达国家相比, 我国对于土地资源的管理和保护很差,这只要在这些国家旅行一番就能强烈地感受到。土地资源是不能再生的,土地的过渡利用将使我们的子孙后代没有发展空间,将使民以食为天的农业收到致命的影响。目前我国发达地区的一些中低级行政机构在建造办公楼时过于豪华,占地过多,大大胜过美国纽约市政府办公楼,是一种很大的资源浪费,希望得到领导部门的重视。
三.结论
智能建筑节能任重和道远。面对我国经济快速发展的形势,尽快降低建筑能耗的责任落在领导和我们这一代科技人员的身上。要尽快扭转我国建筑能耗大的局面,1。应对全国的智能建筑的能耗情况进行全面统计。
2。应尽快制订建筑能耗性能评估标准。
3.对国内外用于智能建筑的电器和电子产品的效率进行市场准入检测和规范。
4。在上述规范的基础上制订新造建筑物使用能耗的最低标准,对于旧建筑物的改造同样适用。
5。保护国家的土的资源。
可以预期只要我们切实采取上述措施并认真地执行,在较短的时期内我国的新旧建筑的能耗必将得到较大的改善。
[参考文选]
COMMISSION OF THE EUROPEAN COMMUNITIES, Brussels 11.5. 2001 COM (2001)226 final, 2001/0098(COD), Proposal for a DIRECTIVE FOR EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL on the energy performance of buildings
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