1、國外技術介紹日本的建筑節能概念與政策北京工業大學陳超日本九州大學渡邊俊行北京工業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增長的形勢所制定的節能目標、建筑節能判定標準和節能措施,認為我國應積極引入先進的節能觀念和方法,制定科學有效的建筑能效評價體系。關鍵詞能源環境建筑節能日本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濟的飛速發展和人口的持續增長,能源問題已成為先進國家和發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、電梯、熱水供應、烹調、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年的節能目標,其中要求民用部門節能31%,它們被細分為:建筑節能11%、家電效率的提高節

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

6、飛速發展、繁榮日本建筑業市場,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,我國目前的經濟發展勢頭與日本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,所產生的“奧運經濟”效應也將迎來新的一輪建設高峰。如何把好建筑的規劃、設計、施工關,對我國若干年后在能源規劃、環境保護、建筑節能等方面的陳超,女,1958年6月生,博士,教授100022北京市朝陽區平樂園100號北京工業大學建工學院(01067391608E2mail:chenchaocc收稿日期:2002-01-08修回日期:2002-10-20政策、法規、標準的制定將具有深遠的影響和重大的意義。

7、日本在建筑節能方面的政策制定、法規實施與監管方面有許多值得我們借鑒和總結的經驗,筆者擬藉此機會對日本最近的建筑節能動態進行簡單介紹。在日本,最近提出了“建筑的節能與環境共存設計”的概念,所謂建筑的環境共存設計,是指建筑設計時必須把長壽命、與自然共存、節能、節省資源與能源的再循環等因素考慮進去,以保護人類賴以生存的地球環境,構筑大家參與的“環境行動”的氛圍;同時,對住宅也提出了類似的概念“環境共生住宅”,并把這些因素和要求作為法規列入到地球環境建筑的法規中,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使用價值的社會資本,來進行計劃、規劃、設計、建設、運行和維護管理。與自然共存建筑應與自然

8、環境相互協調,與多種生物共存,成為良好社會環境的構成要素。節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。節省資源與能源的再循環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,業主有義務根據該法律對建筑物進行節能改造。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,而是對建設方努力節能義務

9、的規定。為了使所制定的法規得以執行,日本政府為此制定了許多具體可行的監督措施和必須執行的節能標準,并有明確的節能目標;而且其節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能標準。其中兩個很重要的建筑節能判斷標準值得介紹,它們是反映建筑圍護結構熱工性能的判斷標準全年熱負荷系數PAL和反映建筑物內設備系統的耗能特性的判斷標準設備系統能量消費系數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的能源利用效率兩個方面,對所建建筑的耗能標準從規劃設計階段就開始進行定量控制。2.1全年熱負荷系數P

10、AL2.1.1全年熱負荷系數PAL的定義它是perimeter annual load for air2conditioning的縮略,其定義式為:PAL=建筑物周邊區全年冷熱負荷周邊區的樓板面積之和其中,室內周邊區空間是指除地下層外各層距外墻中心軸線5m水平距離內的室內部分,從屋檐以下各層的室內空間及室外相連接的地面層以上部分的空間。該周邊區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。建筑物周邊區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,由于室內外溫差(供暖時室內溫度20或22、供冷時室內溫度26通過外墻及外窗而產生的對流熱、通過外墻及外窗而產生的輻

11、射熱、室內周邊地區的內部發熱及新風等引起的冷暖負荷的總和(MJ/a,它們與空調設備的實際運行時刻表沒有關系。根據節能法的規定,凡是建筑面積大于2000m2的公共建筑(辦公樓、商店、賓館、醫院、學校、餐館的建設方,在向當地政府主管部門報建時必須提交記載有該建筑物的節能判斷指標(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節能判斷基準值2(見表1。表1PA L節能判斷基準值M J/(m2a賓館酒店醫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由于規模和層數越小的建筑物,建筑物的外圍表

12、面與周邊區的樓板面積的比值就會越大,PAL值也必然會大,為此考慮了一個規模修正系數f,規模修正系數f的值與平均層樓板面積和層數有關(見表2。表2規模修正系數f2地下層除外的樓層數平均層樓板面積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之比。所設計建筑物的PAL(PAL節能判斷基準值×f2.1.2全年熱負荷系數PAL的計算為了計算各建筑物的PAL值,日本空調衛生工學會于1972年開發了動態空調負荷計算軟件HASP/ACL

13、D/7101(HASP/ACLD是Heating,Air2conditioning and SanitayEngineering Program/Air2ConditioningLoad的縮略,后經多次改版,現在PAL值用HASP/ACLD/7101,8001,8502,擴張度日(EDD法進行計算。建筑物周邊區全年冷熱負荷包括由于室內外溫差通過外墻及外窗而產生的對流熱、通過外墻及外窗而產生的輻射熱、室內周邊區的內部發熱及新風等負荷。在計算空調冷負荷時,室內溫度按26考慮;計算供暖熱負荷時,室內溫度按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。如前所述,由于在計算PAL值時空調系統的運行時間是預先統一設定的,沒有考慮日本各地區由于氣象條件的不同空調系統的運行時間也會不同的因素,故在此根據其用途按計算建筑物所在地區的不同進行修正。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為內部發熱密度,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,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為總日射率;=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:與辦公建筑和商業建筑有所不同的是,賓館需將客房部和非客房部、醫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高發熱房間、低發熱房間及非空調房間的熱負荷和系統運行時間等的影響。計算對象一定是距外墻中心線5m以內的室內部分及最上層與室外接觸的部分,原則上非空調房間的塔屋不計算。周邊區的劃分,通常是按5個區即東、南、西、北、水平(屋面劃分,并對各區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及總日射率減半處理(如倉

17、庫、空調機房等。不同用途的建筑物,根據它的使用特點設定相應的內部發熱量,包括在室人數、照明亮度、內部發熱設備的發熱量及工作時間等的設定。根據建筑物用途的不同,確定相應用途的空調房間和非空調房間各室內周邊區空間的參照溫度ref。在計算地區、參照溫度ref和(供暖期H、供冷期C及室內周邊區空間的方位這4個參數確定后,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PAL提出的必要性全年熱負荷系數PAL實際上是通過計算建筑物室內周邊區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。建筑物外圍護結構保溫性能的好壞直接影響到建筑物的空調負荷和供暖負荷的大小

18、以及將來空調設備系統常年能耗的多少。此項系數的提出,主要是為了通過控制建筑圍護結構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能同時結合起來考慮,最大限度地減少建筑物的圍護結構熱損失。2.2設備系統能量消費系數CEC2.2.1空調設備系統能量消費系數CEC AC的定義全年熱負荷系數PAL是評價建筑物圍護結構的保溫性能的節能指標,設備系統能量消費系數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的

19、全年能源消費量,來直接評價建筑物內的設備系統的能量轉換率的節能指標。根據它可以評價所設計的設備系統的能源利用效率是否高、設備系統的運行管理模式是否節能。設備系統能量消費系數根據設備用途的不同又細分為空調設備系統(AC、通風換氣設備系統(V、照明設備系統(L、衛生熱水設備系統(HW和電梯輸送設備系統(CV等的能量消費系數。對建筑面積大于2000m2的公共建筑(辦公樓、商店、賓館、醫院、學校、餐館等,根據建筑功能的不同,節能法均給出了相應的節能判斷標準值。同樣,建設方在向當地政府主管部門報建時,也必須提供這些系數的計算值,以此作為判斷所設計系統是否節能的依據之一。這里重點介紹空調設備系統能量消費系

20、數CEC AC,該系數是根據在所計算的全年假想空調負荷前提下空調設備系統(包括冷熱源設備、水泵和風機動力輸送設備、末端空調設備的全年能源消費量,來評價建筑物內空調設備系統的能量利用效率的節能指標。它的定義式是:CEC AC=全年空調能源消費量全年假想空調負荷其中,全年假想空調負荷包括室內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、同樣的年假想空調負荷,由于采用了不同的空調方式,選用了不同種類、不同型號、不同能耗效率的空調設備,采取了不同的節能控制運行模式,系統全年消耗的空調能量完全有可能不一樣。顯然,CEC AC值越小,所設計的空調設備系統的能量利用效率就越高。對

21、于不同功能的建筑,同樣其節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該項節能判斷標準的提出,對設備工程師在設計空調系統時,對系統方案的選取、設備的選型提出了具體的節能要求。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方案;同時在設備選型時,必須采用高效、節能的產品,以保證系統在投入使用后,不但能為用戶創造一個舒適的工作環境,同時也使空

22、調能耗控制在合理的范圍內。2.2.2空調設備系統能量消費系數CEC AC的計算CEC AC的計算也是根據日本空調衛生工學會編制的計算機數值模擬軟件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設備的能力與熱負荷、室內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。空調機的過負荷作為返回到室內的未處理

23、房間熱負荷,從分母的假想空調負荷中減去,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、節能運行數值模擬模塊SER(space energy requirement。其中,輸入模塊是將建筑物的建筑特征作為輸入參數輸入,它有3個功能,即畫面輸入功能、錯誤檢查功能及輸入數據變化功能;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,但輸出數據則是全熱量;按房間的用途不同、季節不同,給出了室內溫度的基準固定數據;節能運行數值模擬模塊則是將相應的空調系統的動力設備按順序輸入,根據給出的各設備的技術參數(熱量、風量、水量、電量等、運行時間、是否有節能控制措施等進行模擬運行計算。為了減少迭代的次數,根據對系統的輸入描述,從空調設備上游側(熱源設備到下游側依次進行計算。在計算過程中,還考慮了各種節能方式的采用。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“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,同時所設計系統引入了很多節能手法,影響變量增加,