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建筑节能:被动技术还是主动技术?

本文来源: 菱泰能源 责任编辑: 发布日期:2021-08-20

    导  读

建筑部门占总能耗的很大一部分。在欧洲,几乎40%的能源使用是住宅和商业建筑。在欧洲国家,空间调节占建筑能源最终用途的40%至60%。在美国,采暖、通风、空调(HVAC)系统的使用占建筑物能耗的50%,约占其总能耗的20%。在中东,冷却系统消耗了超过70%的建筑能耗。作为最大的发展中国家之一,中国拥有更为惊人的数据。从1996年到2018年,中国的建筑能源使用量已从2.59亿吨标准煤(Mtce)增加到21.47亿tce。毫无疑问,由于经济的发展和居住者舒适性需求的增加,全球建筑物的能源需求在不久的将来会不断增加。



目前已经实施了各种技术来提高建筑物的能源效率。传统的空调方法,例如热泵和锅炉是最常用的策略。它们已经发展了一个多世纪,最近的进展包括优化的循环设计和先进的循环元件(例如工作液)。另外,压缩机技术和混合动力系统的改进也有助于提高热泵的效率。但是,积极的战略面临一些无法克服的局限性。热泵的性能系数(COP)几乎不能超过6,而锅炉的燃烧效率肯定低于100%。主动策略的能耗可以保持在较高水平,这主要是因为它们直接消耗了电力和化石能源等高级能源。实际上,在HVAC中使用热泵和锅炉是为了克服室内和室外温度之间的较大差异(例如,夏季室内外温差为10°C,冬季为20°C)。不可避免地,这将导致整个系统的能源效率相对较低。


辐射供暖和制冷(RHC)系统因其对建筑物居住者更高的热舒适性和更低的能源使用做出了贡献。RHC系统具有能源效率,因为它们能够利用高温冷却和低温加热。尽管如此,大多数RHC系统仍然需要热泵或锅炉来冷却或加热,同时消耗相当大量的能源。小的制冷/制热强度和缓慢的系统响应也可能会限制RHC系统在建筑物中的广泛应用。


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被动策略是用于建筑物的更加节能的技术。与主动策略相比,它们在建筑物中的使用历史悠久。早期的被动技术,例如洞穴住宅已存在了数千多年。现在很多人在建筑设计行业的重点是被动的策略,如遮阳、隔热、室内花园、水景中庭空间、自然通风等,适合在室内环境降低热负荷。


改善建筑外壳的热阻对于减少建筑能耗至关重要。到目前为止,增加隔热层的厚度仍然是改善墙体热性能的最常用方法之一。自1970年代以来,北欧的隔热层厚度增加了一倍。但是,较厚的围护结构将增加投资,并需要额外的材料和建筑面积,并且将难以应用于高层建筑。保温材料的翻新可能会成为问题,因为它们的预期寿命比建筑物的预期寿命短。绝缘材料的防火安全也可能限制其应用。另外,集成的绝热材料在潮湿和寒冷的区域中具有高凝结的风险。隔热过度的墙可能会增加建筑物的制冷负荷,因为它在周围环境温和时会对外壳的散热产生负面影响。例如,在夏夜里,室外温度可能低于室温,而天空温度可能更低。在这种情况下,良好的隔热材料可以减少热量损失,并且大多数内部热负荷必须通过热泵进行调节。这样,如图1所示,围护结构的理想热阻应随室内和室外温度之间的差异而变化。仅当温差大时才需要良好的绝缘。但是,冲突在于室外温度可能会全年波动,而围护结构的热特性不能灵活变化。不幸的是,到目前为止,我们无法生产出可以经济地根据环境温度改变其热性能的隔热材料。

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图1.建筑围护结构的传热系数(U值)与室内和室外温差(ΔT)之间的关系

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除了墙壁和隔热材料外,与玻璃围护结构相关的创新对于被动策略也至关重要,尤其是考虑到大型玻璃幕墙在世界范围内越来越受欢迎。隔热和遮光是传统玻璃围护结构的弱点。为了解决这些问题,近年来,上光和涂覆技术已经取得了显着进展。已经开发出惰性气体填充玻璃,真空玻璃,气凝胶玻璃和多层玻璃以改善玻璃的隔热性。在大多数玻璃幕墙上都采用低电子涂层,以控制太阳热能的获取。已经实现了具有小于0.2W /(m 2 K)的导热率的三重真空玻璃。但是,与墙壁的情况类似,玻璃的隔热和遮光性能会随天气而变化。夏季应避免太阳辐射,但冬季则有益。已经提出了一种可切换的反射玻璃,其能够通过电致变色或气致变色的原理改变玻璃的光学性质。但是,该技术仍然太昂贵而不能在建筑物中使用,并且其生命周期相对较短。遮光装置可以为玻璃制品提供的遮光提供补充益处。外部阴影的应用受到限制,主要是由于与外观和维护复杂性有关的架构问题。诸如窗帘之类的内部阴影可能会延迟而不是去除太阳热能。从而,它的节能效果确实不足以供我们考虑。中窗格阴影是防止阳光照射和热量吸收的更好方法。该系统中的百叶窗布置在双层玻璃窗的空腔之间。阳光在空腔中被阻挡,一些热量会散布到室外环境中,而有些最终仍会转移到室内。因此,与内部遮光相比,这种遮光装置可以减少太阳热负荷。但是,与内部阴影不同,中窗格阴影的温度较高,因为它无法被室内冷空气直接冷却。温暖的遮阳设备可能会导致占用空间中的辐射温度不对称。众所周知的双层皮肤外墙(DSF)是一种通风的中窗格底纹。尽管与传统的玻璃外壳相比,DSF系统节省了能源,但由于太阳辐射,模腔中的空气温度可能会升高。当应用于炎热的夏季地区(例如室外温度为35°C)时,DSF腔中的温度可能会超过40°C。


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自然通风是另一种常用的被动技术。但是,它取决于周围的环境,例如风速,空气温度等。如果周围空气中的水分过多,通风可能会将水分带入空调空间,并可能在夏季给建筑居民带来不适。另外,当没有通风或室内外温差较小时,室内环境的保证就差。


由于主动策略和被动策略各有优缺点,所以这两种策略都无法替代。为了利用两种策略的优势,越来越多的被动策略与主动策略相结合,或者以主动方式加以利用。例如,混合通风可以与自然通风和机械通风相结合,并且已被广泛应用于不同气候区域的各种建筑物中。但是,这些系统只有一种利用自然能的方法,即周围环境的干球温度。实际上,我们在自然界中具有不同种类的自然能,例如室外干球温度、湿球温度、露点温度、土壤温度和水(例如河流,湖泊和海洋)温度。传统上,它们无法直接应对室内的制冷或供暖负荷。但是,由于室内环境的温度通常不均匀分布,因此它们足以消除部分热负荷。例如,在冷却季节,混凝土楼板和围护结构的温度可能高于室温。因此,利用自然能可以冷却这些地方并减少热量获取。


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近年来,人们对热激活建筑系统(TABS)进行了大量研究/设计,该系统通过将管道或管道嵌入天花板或地板来利用免费的制冷/制热。最初,这种想法被用于夜间通风。后来,TABS的使用已发展到应用于管道包埋的外壳(PEE)中,在该外壳中,冷却管布置在外壳中,用于通过利用低级能源去除外壳中的显热。PEE系统的示意图如图2所示。以夏季情况为例。建筑围护结构不同于楼板,它们的温度通常更高,它们本身也可能是热源。与TABS相比,PEE系统中甚至可以使用更温的水。外部负载可以直接移除。基于对带有冷却塔的管壁的有效评估,图示的PPE系统不仅可以消除墙体的热量吸收,而且还可以为寒冷干燥地区(例如北京)的房间提供额外的冷却。也可以在遮阳设备的百叶窗中内置冷却管,以带走太阳热能。案例研究表明,通过结合嵌入式管道,可以将密封双层玻璃窗的温度从50°C降低至25°C。在大多数气候带中,管道嵌入式DSF的季节性节能率都高于20%。此外,PEE系统在冬季也同样有效,其原理与使用低温水进行加热相同。地热能或其他废热可用于加热外壳。在北京,通过PEE系统可以减少84%的墙体热损失。


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图2.集成有自然能源(夏季条件)的管道嵌入式外壳的示意图。


上述发展显示了一个非常有趣的现象,即以主动方式利用自然能可以大大降低主动系统的冷却/加热负荷。这一发现鼓励我们思考未来应该采用哪种策略来提高建筑节能。显然,纯主动技术可能会导致大量能源消耗,而纯被动技术会给室内环境带来不良影响。因此,总的来说,我们认为积极主动地利用自然能源以及结合利用自然能源和主动技术对于节约能源和室内环境的良好保证都是有帮助的。


作者:清华大学建筑学院建筑科学系 李宪庭







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