日本的建筑節(jié)能概念與政策

1、國外技術(shù)介紹日本的建筑節(jié)能概念與政策北京工業(yè)大學陳超日本九州大學渡邊俊行北京工業(yè)大學謝光亞同濟大學于航摘要介紹了日本面對能源消耗持續(xù)增長的形勢所制定的節(jié)能目標、建筑節(jié)能判定標準和節(jié)能措施,認為我國應積極引入先進的節(jié)能觀念和方法,制定科學有效的建筑能效評價體系。關鍵詞能源環(huán)境建筑節(jié)能日本J a p a n es e c o n c e p ts a n d m e a s ures of b uil din g e n erg y effi ci e n c y By Chen Chao,Toshiyuki Watanabe,X ie G uangya and Y u H angAbs t r

2、a c tP r e s e n t s t he e ne r g y s a vi ng g o a l s,buil di ng e ne r g y c ri t e ri a a nd me a s ur e s f o r imp r ovi ng e ne r g y e f f i c i e nc y e s t a bli s he d b y t he J a p a ne s e g ove r nme n t,hol ds t ha t a dva nc e d i d e aa nd me t ho ds s houl db e p os i t i ve l y

3、i n t r o duc ed i n t o Chi na,a nd a s c ie n t if i c a nd e f f e c t i vea s s e s s me n t s ys t e m s houl db e e s t a bli s he d f o r buil di ng e ne r g y b e ha vi our.Ke yw o r dse ne r g y,e nvi r onme n t,buil di ng e ne r g y e f f i c i e nc y,J a p a nBeijing Polytechnic Universit

4、y,China1能源問題與建筑隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展和人口的持續(xù)增長,能源問題已成為先進國家和發(fā)展中國家都面臨的迫切需要解決的重大課題之一。日本1990年的能源消費量已較1960年增加了395%。民用部門能源消費量增長速度最快,而民用部門的能耗又多為建筑能耗。廣義建筑能耗指從建筑材料制造、建筑施工直至建筑使用全過程的能耗;狹義建筑能耗指維持建筑功能所消耗的能量,包括照明、供暖、空調(diào)、電梯、熱水供應、烹調(diào)、家用電器以及辦公設備等的能耗。面對巨大的建筑能耗,能源完全依賴進口的日本早在1997年11月就提出了2010年的節(jié)能目標,其中要求民用部門節(jié)能31%,它們被細分為:建筑節(jié)能11%、家電效率的提高節(jié)

5、能8%、生活習慣的改善節(jié)能6%、住宅節(jié)能5%、照明效率的提高和高效率化液晶顯示的采用等節(jié)能2%。顯然,其中以建筑節(jié)能的幅度最大,占1/3強。筆者認為要減少建筑的能耗,必須從源頭抓起,即從建筑最初的規(guī)劃、設計階段抓起,把好建筑的規(guī)劃、設計、施工的審批關,增強政府部門的審批和督促的力度;國家制定相應的建筑節(jié)能政策、法規(guī)及標準,以增強建筑的設計和使用者的節(jié)能意識;并通過相應的節(jié)能法規(guī)和節(jié)能標準,控制建筑的能耗,提高建筑物內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)、供暖系統(tǒng)、照明和其他動力設備系統(tǒng)的能源利用效率;同時,提高建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能也同樣是很重要的。2日本的建筑節(jié)能新概念1964年東京奧運會的成功舉辦對推動當時日本經(jīng)濟的

6、飛速發(fā)展、繁榮日本建筑業(yè)市場,無疑起到了非常積極的作用。2008年北京也將舉辦奧運會,從某種意義上來說,我國目前的經(jīng)濟發(fā)展勢頭與日本40年前的情況有許多類似和可比之處1。為迎接2008年北京奧運會,所產(chǎn)生的“奧運經(jīng)濟”效應也將迎來新的一輪建設高峰。如何把好建筑的規(guī)劃、設計、施工關,對我國若干年后在能源規(guī)劃、環(huán)境保護、建筑節(jié)能等方面的陳超,女,1958年6月生,博士,教授100022北京市朝陽區(qū)平樂園100號北京工業(yè)大學建工學院(01067391608E2mail:chenchaocc收稿日期:2002-01-08修回日期:2002-10-20政策、法規(guī)、標準的制定將具有深遠的影響和重大的意義。

7、日本在建筑節(jié)能方面的政策制定、法規(guī)實施與監(jiān)管方面有許多值得我們借鑒和總結(jié)的經(jīng)驗,筆者擬藉此機會對日本最近的建筑節(jié)能動態(tài)進行簡單介紹。在日本,最近提出了“建筑的節(jié)能與環(huán)境共存設計”的概念,所謂建筑的環(huán)境共存設計,是指建筑設計時必須把長壽命、與自然共存、節(jié)能、節(jié)省資源與能源的再循環(huán)等因素考慮進去,以保護人類賴以生存的地球環(huán)境,構(gòu)筑大家參與的“環(huán)境行動”的氛圍;同時,對住宅也提出了類似的概念“環(huán)境共生住宅”,并把這些因素和要求作為法規(guī)列入到地球環(huán)境建筑的法規(guī)中,即:長壽命應該將建筑看成是具有一代人乃至幾代人可持續(xù)使用價值的社會資本,來進行計劃、規(guī)劃、設計、建設、運行和維護管理。與自然共存建筑應與自然

8、環(huán)境相互協(xié)調(diào),與多種生物共存,成為良好社會環(huán)境的構(gòu)成要素。節(jié)能減少能源的使用量、提高能源的利用效率、盡可能多地利用自然能源。節(jié)省資源與能源的再循環(huán)有效利用資源和能源,積極采用新建筑材料、新施工方法,避免浪費和損失。日本政府早在1979年就頒布了關于能源合理化使用的法律(以下簡稱節(jié)能法,并于1992年和1999年先后修訂過兩次。該法律制定的目的是,對于將要建設的新建筑,要使建設方和設計方在建筑物建設時就想方設法提高建筑物的能量利用效率;對于已建成的建筑,業(yè)主有義務根據(jù)該法律對建筑物進行節(jié)能改造。該法律的制定既不是為了控制建筑物在投入使用后的能耗總量,也不是作為罰款的依據(jù),而是對建設方努力節(jié)能義務

9、的規(guī)定。為了使所制定的法規(guī)得以執(zhí)行,日本政府為此制定了許多具體可行的監(jiān)督措施和必須執(zhí)行的節(jié)能標準,并有明確的節(jié)能目標;而且其節(jié)能標準是將公共建筑和住宅建筑分開制定的,公共建筑還按其使用功能不同而劃分為賓館、醫(yī)院、百貨商場、辦公建筑、學校等5個類型,并分別給出了相應的節(jié)能標準。其中兩個很重要的建筑節(jié)能判斷標準值得介紹,它們是反映建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能的判斷標準全年熱負荷系數(shù)PAL和反映建筑物內(nèi)設備系統(tǒng)的耗能特性的判斷標準設備系統(tǒng)能量消費系數(shù)CEC。這兩個判斷標準,從對建筑本身的熱工性能和建筑設備系統(tǒng)的能源利用效率兩個方面,對所建建筑的耗能標準從規(guī)劃設計階段就開始進行定量控制。2.1全年熱負荷系數(shù)P

10、AL2.1.1全年熱負荷系數(shù)PAL的定義它是perimeter annual load for air2conditioning的縮略,其定義式為:PAL=建筑物周邊區(qū)全年冷熱負荷周邊區(qū)的樓板面積之和其中,室內(nèi)周邊區(qū)空間是指除地下層外各層距外墻中心軸線5m水平距離內(nèi)的室內(nèi)部分,從屋檐以下各層的室內(nèi)空間及室外相連接的地面層以上部分的空間。該周邊區(qū)空間是通過外墻和外窗而直接受室外氣象條件影響的建筑物的外區(qū)。建筑物周邊區(qū)全年冷熱負荷是指在1年中,各個房間在按用途不同預先設定的使用時間內(nèi),由于室內(nèi)外溫差(供暖時室內(nèi)溫度20或22、供冷時室內(nèi)溫度26通過外墻及外窗而產(chǎn)生的對流熱、通過外墻及外窗而產(chǎn)生的輻

11、射熱、室內(nèi)周邊地區(qū)的內(nèi)部發(fā)熱及新風等引起的冷暖負荷的總和(MJ/a,它們與空調(diào)設備的實際運行時刻表沒有關系。根據(jù)節(jié)能法的規(guī)定,凡是建筑面積大于2000m2的公共建筑(辦公樓、商店、賓館、醫(yī)院、學校、餐館的建設方,在向當?shù)卣鞴懿块T報建時必須提交記載有該建筑物的節(jié)能判斷指標(PAL,CEC計算值的設計文本。對于不同功能的公共建筑,提出了不同的PAL節(jié)能判斷基準值2(見表1。表1PA L節(jié)能判斷基準值M J/(m2a賓館酒店醫(yī)院百貨商場辦公建筑學校建設方必須達到的PAL值419356377335335建設方努力達到的PAL值377314356293293由于規(guī)模和層數(shù)越小的建筑物,建筑物的外圍表

12、面與周邊區(qū)的樓板面積的比值就會越大,PAL值也必然會大,為此考慮了一個規(guī)模修正系數(shù)f,規(guī)模修正系數(shù)f的值與平均層樓板面積和層數(shù)有關(見表2。表2規(guī)模修正系數(shù)f2地下層除外的樓層數(shù)平均層樓板面積3/m2<501002003001 2.40 1.68 1.32 1.202以上 2.00 1.40 1.10 1.003平均層樓板面積等于除地下層以外的地上各層樓層面積的總和與除地下層以外的地上層的層數(shù)之比。所設計建筑物的PAL(PAL節(jié)能判斷基準值×f2.1.2全年熱負荷系數(shù)PAL的計算為了計算各建筑物的PAL值,日本空調(diào)衛(wèi)生工學會于1972年開發(fā)了動態(tài)空調(diào)負荷計算軟件HASP/ACL

13、D/7101(HASP/ACLD是Heating,Air2conditioning and SanitayEngineering Program/Air2ConditioningLoad的縮略,后經(jīng)多次改版,現(xiàn)在PAL值用HASP/ACLD/7101,8001,8502,擴張度日(EDD法進行計算。建筑物周邊區(qū)全年冷熱負荷包括由于室內(nèi)外溫差通過外墻及外窗而產(chǎn)生的對流熱、通過外墻及外窗而產(chǎn)生的輻射熱、室內(nèi)周邊區(qū)的內(nèi)部發(fā)熱及新風等負荷。在計算空調(diào)冷負荷時,室內(nèi)溫度按26考慮;計算供暖熱負荷時,室內(nèi)溫度按22考慮,但百貨商場及學校按20考慮。在利用擴張度日(EDD法計算年負荷Q時,分別按期間供暖負荷

14、Q H和期間制冷負荷Q C來考慮,即年熱負荷為Q=Q H+Q C(1期間供暖負荷為Q H=24k H K TEHD(2期間制冷負荷為Q C=24k C K TECD(3式(2,(3中的k H,k C為地域修正系數(shù)。如前所述,由于在計算PAL值時空調(diào)系統(tǒng)的運行時間是預先統(tǒng)一設定的,沒有考慮日本各地區(qū)由于氣象條件的不同空調(diào)系統(tǒng)的運行時間也會不同的因素,故在此根據(jù)其用途按計算建筑物所在地區(qū)的不同進行修正。另外,式(2,(3中的EHD和ECD分別代表擴張供暖度日(d和擴張制冷度日(d,它們的定義式分別為EHD(ref,j=ref-o-I s(j+0.045I l(j(4ECD(ref,j=o-ref+

15、I s(j-0.045I l(j(5其中ref為參照溫度,ref=d-;d 為設計室溫,=GA pK T,G為內(nèi)部發(fā)熱密度,kW/m2,A p為樓板面積,m2;K T=K3+0.3V A p;K3為外墻的總傳熱系數(shù),kW/(m2;0.3為空氣的體積比熱容,kW/(m3;V為單位面積室外新風量,m3/(m2h;=TK T,T為總?cè)丈渎?=K 3K T;o為室外溫度,;I s(j為外墻某方位j的日射量,kW/m2;I l(j為外墻某方位j的(長波有效輻射量,kW/m2。在具體計算PAL值時,必須注意:與辦公建筑和商業(yè)建筑有所不同的是,賓館需將客房部和非客房部、醫(yī)院需將住院部和非住院部、學校需將教室

16、部和非教室部等分開后,分別進行計算。這是由于需考慮到空調(diào)高發(fā)熱房間、低發(fā)熱房間及非空調(diào)房間的熱負荷和系統(tǒng)運行時間等的影響。計算對象一定是距外墻中心線5m以內(nèi)的室內(nèi)部分及最上層與室外接觸的部分,原則上非空調(diào)房間的塔屋不計算。周邊區(qū)的劃分,通常是按5個區(qū)即東、南、西、北、水平(屋面劃分,并對各區(qū)的樓板面積分別計算。由于受相鄰建筑的影響,對于未被太陽照射的墻面應采用沒有考慮日射及長波有效輻射的度日值計算。非空調(diào)房間視其用途的不同可采用不同的方法處理。例如,可視為中間夾層(如豎井等;也可從計算空間中除去。這時相鄰的墻體按未被太陽照射的墻面(如頂層塔屋等處理;還可將外墻的傳熱系數(shù)及總?cè)丈渎蕼p半處理(如倉

17、庫、空調(diào)機房等。不同用途的建筑物,根據(jù)它的使用特點設定相應的內(nèi)部發(fā)熱量,包括在室人數(shù)、照明亮度、內(nèi)部發(fā)熱設備的發(fā)熱量及工作時間等的設定。根據(jù)建筑物用途的不同,確定相應用途的空調(diào)房間和非空調(diào)房間各室內(nèi)周邊區(qū)空間的參照溫度ref。在計算地區(qū)、參照溫度ref和(供暖期H、供冷期C及室內(nèi)周邊區(qū)空間的方位這4個參數(shù)確定后,相應的擴張供暖度日EHD值和擴張制冷度日ECD值也就可以確定了。2.1.3全年熱負荷系數(shù)PAL提出的必要性全年熱負荷系數(shù)PAL實際上是通過計算建筑物室內(nèi)周邊區(qū)空間的全年冷熱負荷值,來評價外墻、外窗的隔熱及保溫性能。建筑物外圍護結(jié)構(gòu)保溫性能的好壞直接影響到建筑物的空調(diào)負荷和供暖負荷的大小

18、以及將來空調(diào)設備系統(tǒng)常年能耗的多少。此項系數(shù)的提出,主要是為了通過控制建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能達到控制通過建筑物外墻、外窗的熱損失的目的。要建節(jié)能建筑,首先必須要讓建設方、建筑師和設備工程師具有強烈的節(jié)能意識,讓建筑師在方案設計的最初階段,就必須將建筑造型與建筑節(jié)能同時結(jié)合起來考慮,最大限度地減少建筑物的圍護結(jié)構(gòu)熱損失。2.2設備系統(tǒng)能量消費系數(shù)CEC2.2.1空調(diào)設備系統(tǒng)能量消費系數(shù)CEC AC的定義全年熱負荷系數(shù)PAL是評價建筑物圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能的節(jié)能指標,設備系統(tǒng)能量消費系數(shù)CEC(coeffcient of energy consumption則是通過計算在全年假想負荷前提下設備系統(tǒng)的

19、全年能源消費量,來直接評價建筑物內(nèi)的設備系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換率的節(jié)能指標。根據(jù)它可以評價所設計的設備系統(tǒng)的能源利用效率是否高、設備系統(tǒng)的運行管理模式是否節(jié)能。設備系統(tǒng)能量消費系數(shù)根據(jù)設備用途的不同又細分為空調(diào)設備系統(tǒng)(AC、通風換氣設備系統(tǒng)(V、照明設備系統(tǒng)(L、衛(wèi)生熱水設備系統(tǒng)(HW和電梯輸送設備系統(tǒng)(CV等的能量消費系數(shù)。對建筑面積大于2000m2的公共建筑(辦公樓、商店、賓館、醫(yī)院、學校、餐館等,根據(jù)建筑功能的不同,節(jié)能法均給出了相應的節(jié)能判斷標準值。同樣,建設方在向當?shù)卣鞴懿块T報建時,也必須提供這些系數(shù)的計算值,以此作為判斷所設計系統(tǒng)是否節(jié)能的依據(jù)之一。這里重點介紹空調(diào)設備系統(tǒng)能量消費系

20、數(shù)CEC AC,該系數(shù)是根據(jù)在所計算的全年假想空調(diào)負荷前提下空調(diào)設備系統(tǒng)(包括冷熱源設備、水泵和風機動力輸送設備、末端空調(diào)設備的全年能源消費量,來評價建筑物內(nèi)空調(diào)設備系統(tǒng)的能量利用效率的節(jié)能指標。它的定義式是:CEC AC=全年空調(diào)能源消費量全年假想空調(diào)負荷其中,全年假想空調(diào)負荷包括室內(nèi)熱負荷和基準室外新風負荷。在這里有一點必須指出的是,即使是對于同樣的建筑、同樣的年假想空調(diào)負荷,由于采用了不同的空調(diào)方式,選用了不同種類、不同型號、不同能耗效率的空調(diào)設備,采取了不同的節(jié)能控制運行模式,系統(tǒng)全年消耗的空調(diào)能量完全有可能不一樣。顯然,CEC AC值越小,所設計的空調(diào)設備系統(tǒng)的能量利用效率就越高。對

21、于不同功能的建筑,同樣其節(jié)能判斷標準也是不一樣的2,見表3。表3CEC AC基準值賓館酒店醫(yī)院百貨商場辦公建筑學校建設方必須達到的CEC AC值2.5 2.5 1.7 1.5 1.5建設方努力達到的CEC AC值2.3 2.3 1.5 1.4 1.4該項節(jié)能判斷標準的提出,對設備工程師在設計空調(diào)系統(tǒng)時,對系統(tǒng)方案的選取、設備的選型提出了具體的節(jié)能要求。由于受CEC AC判斷標準值的限制,設備工程師在考慮系統(tǒng)方案時,必須充分考慮設計對象的建筑特點、功能要求,采用與之相適應的空調(diào)方案;同時在設備選型時,必須采用高效、節(jié)能的產(chǎn)品,以保證系統(tǒng)在投入使用后,不但能為用戶創(chuàng)造一個舒適的工作環(huán)境,同時也使空

22、調(diào)能耗控制在合理的范圍內(nèi)。2.2.2空調(diào)設備系統(tǒng)能量消費系數(shù)CEC AC的計算CEC AC的計算也是根據(jù)日本空調(diào)衛(wèi)生工學會編制的計算機數(shù)值模擬軟件BECS/CEC/AC(它是將用于大型計算機的HASP/ ACLD/8501和HASP/ACSS/8502的計算軟件改編成可用于個人計算機的計算軟件進行模擬計算的。HASP/ACLD/8501是以不斷反復迭代計算一直到空調(diào)設備的能力與熱負荷、室內(nèi)溫濕度等平衡為原則;而BECS/CEC/AC則是以能用個人計算機為前提,然后從計算時間開始,以熱量平衡為中心求解。該軟件用過負荷的方式,把不能處理的負荷作為未處理負荷對待?？照{(diào)機的過負荷作為返回到室內(nèi)的未處理

23、房間熱負荷,從分母的假想空調(diào)負荷中減去,以此作為修正;而熱源設備的未處理負荷則是換算成一次能源消費量,加入到分子中進行修正。BECS/CEC/AC計算軟件按功能的不同分為3大模塊,分別是輸入模塊IOU(input output utility、熱負荷計算模塊STL(space thermal load、節(jié)能運行數(shù)值模擬模塊SER(space energy requirement。其中,輸入模塊是將建筑物的建筑特征作為輸入?yún)?shù)輸入,它有3個功能,即畫面輸入功能、錯誤檢查功能及輸入數(shù)據(jù)變化功能;熱負荷計算模塊以HASP/ACLD/8501為基礎進行年負荷計算,但與HASP/ACLD/8501不同的

24、是:考慮了間歇式運行工況下的空調(diào)負荷;可以不限定設備的裝機容量;負荷計算時雖是將顯熱和潛熱分開計算,但輸出數(shù)據(jù)則是全熱量;按房間的用途不同、季節(jié)不同,給出了室內(nèi)溫度的基準固定數(shù)據(jù);節(jié)能運行數(shù)值模擬模塊則是將相應的空調(diào)系統(tǒng)的動力設備按順序輸入,根據(jù)給出的各設備的技術(shù)參數(shù)(熱量、風量、水量、電量等、運行時間、是否有節(jié)能控制措施等進行模擬運行計算。為了減少迭代的次數(shù),根據(jù)對系統(tǒng)的輸入描述,從空調(diào)設備上游側(cè)(熱源設備到下游側(cè)依次進行計算。在計算過程中,還考慮了各種節(jié)能方式的采用。比方說,VAV方式、室外新風量的有效控制方式、熱源設備的臺數(shù)控制方式等等。例如單是在室外新風量的有效控制方式中,就提供了4種模式供選擇:最小新風量;停止室外新風;最佳室外新風量;全熱交換器。最初,年能量消費量是根據(jù)“全負荷相當運行時間法”手算而得的,后來由于建筑物用途的擴大,同時所設計系統(tǒng)引入了很多節(jié)能手法,影響變量增加,