节能与生态建筑课件

建筑节能中国科学院广州能源研究所马伟斌2010.9一、背景二、建筑能源管理三、冰蓄冷在建筑中的应用四、热泵技术及应用五、太阳能热利用六、太阳能光电七、建筑围护结构节能一、背景建筑能耗是指在建筑物使用过程中的能耗。主要包括建筑采暖、空调、热水供应、炊事、照明、家用电器、电梯、通风等方面的能耗。建筑能耗占国民经济总能耗的1/3，其中，空调、采暖和供热能耗占建筑能耗的60%以上，照明及电器用能占30%左右，电梯等其它用能约占10%。中国目前建筑能耗巨大，占全社会总能耗的约30％。建筑能耗的主要来源室外： 太阳辐照 与环境的热量交换 空气的渗漏室内： 电器设备 人体 水分蒸发 。。。。。。建筑的主要能源及用途电：空调、照明、电梯等燃油（气）：供热、采暖、洗衣、厨房等建筑节能的主要途径先进的能源管理系统蓄能技术热泵空调、采暖、供热太阳能光热的利用太阳能光电的利用建筑护围结构节能二、建筑能源管理建筑能源管理系统（BuildingEnergyManagementSystem（BEMS）），针对建筑内的能源站和能源输送与分配系统，主要包括空调系统（供暖与供冷系统）供配电系统照明系统热水供应空调风系统运用先进的技术手段，如现代化的控制技术、通讯技术、空调技术、电气技术等，在建筑能源系统中实施一系列节能措施，建立先进、实用与可靠的能源监控管理体系，以达到建筑能源系统的高效、节能运行、提高建筑运营单位的经济效益的目的。节能管理系统

设备监视BreakdownPlantTuningConditionedMonitoringCarParkUtilisation能源管理UtilityMonitoring(Elec/Water/Gas/Oil)TenantBuildingAir/WaterHeatLightingBack-upGeneration暖通空调Air-HandlingUnitBoilersPumpsFansEnergyControlVariableAirVolumeAirQuality客房风机盘管温度设定自动调节室温客房管理自动控制照明SchedulesOccupancySensing水气电冷热源Air-HandlingUnitBoilersPumpsFansEnergyControlVariableAirVolumeAirQuality能源计量水量（吨）电量（度、kw）冷当量（焦耳）分户计量历史数据报表统一计费日月年累计报表电梯BreakdownMaintenanceTrafficPerformanceBEMS技术现代的建筑能源管理系统（BEMS）已经具有以下几个方面的作用：（1）对建筑能源系统的各个子系统进行优化控制（2）实现对空调、供热系统、供配电系统、供水系统及照明系统的实时调度；（3）完善建筑的能源消费计量系统，为各系统能源消耗分析提供准确数据；（4）提高设备的维护效率。BEMS控制与管理对象风冷热泵机组空调机组新风机组（与空调机组基本相同）高低压配电系统（包括变压器、高压柜、低压柜、直流屏）照明系统（包括公共照明、建筑立面照明、泛光照明）排风系统给排水系统电梯系统建筑能源管理系统（BuildingEnergyManagementSystem（BEMS））带来的效益：可以得到达到节能：15~20%三、冰蓄冷技术1.概述随着国民经济的高速发展，我国电力负荷峰谷差越来越大，造成严重的能源浪费！充分利用峰谷电价，可以为用户节约大量电费！2.冰蓄冷的应用方式蓄冰运行蓄冰供冷主机供冷蓄冰运行时间空调运行时间负荷大小蓄冷方式下装机容量非蓄冷方式下装机容量夜晚（低电价）白天（高电价）电力负荷峰谷差能源浪费用户侧调峰最佳手段：冰蓄冷社会效益（能源合理化利用）峰谷电价差政策降低用户运行费用经济效益（享受低价电力）3.冰蓄冷的应用意义4.冰蓄冷技术的发展历史美国：80年代末期开始日本、欧洲：90年代初期开始中国：90年代末期开始国内蓄冷空调的增长趋势冰蓄冷主要市场普及期目前为止，全国已安装400余套冰蓄冷空调系统5.冰蓄冷技术对比冰球盘管（内融冰、外融冰）冰浆静态冰蓄冷动态冰蓄冷第一代第二代制冰效率较低系统能效（COP）较低占地面积大释冷过程负荷适应性较差应用广泛，技术成熟可靠制冰效率较高系统能效（COP）较高场地制约小适应性强，应用范围广技术较新，控制较复杂六.技术经济效益分析充分利用平谷低价电力，显著节省运行费用（相对非蓄冷空调，可降低运行费用30%以上）。减小系统装机容量和功率达30%-50%，提高设备利用率。减少一次性电力初投资，得到相关电力优惠（如减免增容费等）。集中供冷，集中设置中央机房，统一布置系统设备，可以节省大量建筑空间，美化环境。四、热泵技术1、热泵的发展及现状国外热泵已相当普及。在欧美、日本等发达国家，热泵已广泛应用于建筑物采暖、空调、供热、养殖、道路融雪等场合。国内，热泵的开发研究才起步。近10年来，热泵技术在建筑物采暖、空调和供热方面的应用已取得了很大的发展。2、利用地源热泵技术的意义利用地源能采暖、供热、制冷是替代“制冷机+锅炉”的传统方式，解决集中采暖、供热、空调的一条有效途径；

能有效改善城市大气环境，减少SO2、CO2、NOX等有害气体的排放；

节约能源，与常规建筑物“制冷机+锅炉”相比，全年可节约能源约40%。3、地源热泵的工作原理和性能 热泵是一种能量提升装置。正如我们见到的水泵能将水从低位提升到高位那样，热泵能将低温热能提升到较高温度。热泵基本工作原理压缩机蒸发器冷凝器低温端Q0高温端QcP膨胀阀地源热泵制冷空调

性能系数COPr

=Q0/P压缩机蒸发器冷凝器空调负荷Q0地源如：地下水PQcQ0地源热泵供热、采暖性能系数COPh=Qc/P

压缩机蒸发器冷凝器热负荷地源如：地下水PQcQ0热泵同时供冷、供热：

性能系数

COP=（Q0+Qc）/P

压缩机蒸发器冷凝器热负荷冷负荷QcQ0P制热性能系数与热水输出温度的关系4、热泵的类型气—气热泵：家用空调器气—水热泵：小型中央空调水—气热泵：家用、商用空调机水—水热泵：大型中央空调机5.低温热能资源土壤源：于当地年平均气温一致地下水，河（湖）水，海水城市污水空气源

6.热泵技术特点回收其它装置无法回收的低品位热能；系统效率高，每1kW电能可提供约4kW的热能；一机多用，采暖、空调、热水三联供，一套装置代替制冷机和锅炉；自动化程度高，可实现全自动化控制，实现无人化运行；运行成本低，制冷时节约运行费用20%～40%；供热时节能50％以上；洁净环保，降低有害气体的排放，改善大气环境。7.热泵技术应用实例热泵在建筑物中的主要应用：水源热泵： 夏天空调、冬季采暖、全年供热 夏天冷、热联供空气源热泵： 夏天空调，或提供生活热水 冬季采暖，或提供生活热水在华北、华东等地区：采暖、空调和供生活热水在华南地区：冷热联供，或供生活热水实例分析1)、中科院外国专家公寓：空调、采暖、供热三联供系统（2002年运行）面积：10800平方米使用面积：8600平方米供热水：80吨/日装机：常温热泵WRB-470：一台高温热泵GWHP-400：一台经济效益：年节约费用40%，约38万元中国科学院外专家公寓地源热泵系统2）科学出版社高温热泵采暖系统（2003年运行）建筑面积：22000平方米选用热泵：GWHP-600热泵数量：2台供热方式：散热器采暖运行费用：13.2元/平方米

出版社机房出版社外景3）肇庆皇朝酒店制冷、供热系统（2003年运行）酒店概况

建筑面积为60000平方米的四星级酒店，拥有370套客房、近100桌的就餐大厅。原系统供冷、供热设备冷源：制冷量为2000kW的直燃型溴化锂制冷机三台加制冷量为1000kW的制冷机组一台；

热源：二台4吨/时的重油锅炉。（2）广东外商活动中心热泵供冷供热系统5.热泵供热是的费用比较设备投资：热泵供热、制冷系统：1400元/kW锅炉+制冷机系统：1600元/kW运行费用：热泵系统：0.17元/kW燃气锅炉：0.28元/kW燃油锅炉：0.50元/kW

五、太阳能热利用1.太阳能资源与发展现状 太阳能的热利用，在中国城市居民家庭中，太阳能热水器市场占有率为11.3。 中国目前太阳集热器的保有量、生产量都是世界第一。 太阳能光热利用的发展趋势：其应用范围正从简单的提供生活热水，到与建筑一体化，提供空调、采暖、供热等方向发展。

2.技术介绍太阳能热水器是太阳能热利用领域中应用时间最长，应用最广泛的太阳能产品。经过几十年的应用和完善，太阳能热水器无论从技术和产品方面已相当成熟；太阳能热水器主要有平板式、真空管式、热管式、真空热管式等；平板式较适合于建筑一体化。3、太阳能热水器与建筑结合方式太阳能热水器与建筑结合有多种形式可供选择，根据不同的建筑形式、建筑物功能可根据实际需要选择。根据太阳能热水器与建筑结合方式主要有以下几种：（1）坡屋顶嵌入式结合方式（2）平屋顶结合方式（3）墙面结合方式（4）遮阳板式（5）遮阳棚式1.坡屋顶嵌入式结合方式（2）平屋顶结合方式该方式可在建筑物建成以后加上去，不需要在设计阶段考虑在内，但该方式不能与建筑完美结合，在多数时候会影响到建筑的整体美观，在我国目前已经安装的太阳能热水器多数属于此种安装方式。3.墙面结合方式4.遮阳板式5.遮阳棚式遮阳棚式4.技术经济效益分析经济性分析

（1）太阳能热水费用：以每天用水量1m3，加热温差40℃，加热热量1.152×108kcal/天，在不能使用太阳能气候条件下，用热泵加热，热泵加热效率按照3.0计算，日耗电量：15.6kWh，年耗电量1250kWh。电价按0.65元/kWh计算，年运行费用812.5元。（2）燃油热水费用：燃油：5000元/吨（热值10000大卡/kg），锅炉效率：0.85，年耗油量：1.694吨/年，年运行费用8470元。（3）燃气热水费用：燃气：2.50元/立方米（热值9000大卡/立方米），锅炉效率：0.85，年耗气量：1908立方米/年，年运行费用4771元。

六、太阳能光电1.光伏发电概述太阳能光伏发电技术作为太阳能利用中最具意义的技术，成为世界各国竞相研究应用的热点。最近10年以平均30%/年的速度递增，最近3年更是以50%/年以上的速度高速增长。目前，大面积商品化太阳电池效率达到18-19%。在国外，日本相继提出了“阳光计划”和“新阳光计划”，德国有“十万屋顶计划”，美国提出了“百万太阳能屋顶计划”。这些计划中有的已完成，有的还在实施中，在国际上形成了应用热潮。在国内，上海市正在着手制定“十万屋顶计划，到2010年世博会期间建设十万个太阳能光伏屋顶电站；在深圳建成了国内最大的并网光伏电站；在北京2008年的奥运场馆也开始采用光伏建筑。太阳能光伏发电技术已十分成熟，今后的研究重点主要集中在降低成本与提高效率两方面。光伏发电系统主要有两运行方式：并网运行和离网独立运行方式。其中，并网光伏屋顶电站或光伏建筑一体化（BIPV）是其主要应用发展方向。2.技术介绍根据建筑的功能定位选择采用：光伏屋顶系统光伏发电与遮阳系统集成光伏幕墙系统风光互补路灯光伏发电的其他应用绿色照明-半导体照明（LED）社会经济效益（1）光伏屋顶系统

建筑屋顶安装光伏发电系统，最能发挥屋顶价值，既可解决顶层住户常受夏热冬寒之苦及屋顶视觉单调呆板等问题，又能提供清洁电能，也可替代部分建材。这种形式的光伏系统最适合在城市中推广，可以大量应用于萝岗区建设规划中的E组团和F组团。

光伏系统与体育场屋顶的结合光伏组件与屋顶的结合（2）光伏发电与遮阳系统集成光伏发电系统与遮阳系统结合该系统可以根据一天中不同时段太阳光线入射角度自动调节遮阳系统角度，在对室内光照要求进行调控的同时进行发电。在萝岗区建筑规划中A组团中行政中心、区政府办公大楼和人大、政协办公大楼以及C组团中图书馆、展览馆、影剧院和文化中心等大型公用建筑中均可采用这种方式的太阳能与建筑结合的方式来为照明系统和办公用电系统提供清洁的电能。

（3）光伏幕墙的应用

太阳能光伏幕墙是将太阳能电池与各类普通建筑玻璃结合制成可以发电的建筑材料。产品包括各种晶体硅与非晶硅太阳能光伏夹层玻璃、光伏中空玻璃等，不仅具有发电功能，还具有独特的美学效果，同时不影响作为建筑材料的各项功能。该项技术可以广泛应用于萝岗区的会议中心、酒店，影剧院、展览馆等大型建筑中。光伏幕墙工程（4）风光互补路灯应用风光互补发电充分利用了风能和太阳能两种资源时间、空间上的互补特性。风光互补路灯系统不需挖沟埋线、不需要输变电设备、不消耗市电、安装任意、维护费用低、低压无触电危险、使用的是洁净可再生能源，是典型的环保节能高科技产品，它代表着未来城市道路照明的发展方向。广州市地处亚热带，有着丰富的风能和太阳能资源，夏季的光照时间长强度高而冬季的风很大，风能和太阳能的时间、空间互补性很强。在外环高速公路、罗岗新区的主干道、体育场馆、会议中心、文化广场等地方的周边开阔区域为安装风光互补路灯提供了极好的自然条件。道路用风光互补路灯道路用风光互补路灯效果图（5）光伏发电的其他应用太阳能光伏发电系统在城市中有着非常广泛的应用领域，在不同的场合都可以有不同规模的光伏产品为广大市民提供节能、高效、便利的服务，也为城市建设增添新亮点。太阳能交通标识太阳能道钉太阳能庭院灯、草坪灯太阳能信息发布屏太阳能公车站台太阳能应急电源太阳能喷泉（6）绿色照明-LED的应用

LED属半导体发光器件，具有光效高、工作电压低、耗电少、体积小、可平面封装、易于开发轻薄型产品、结构坚固且寿命很长等特点。2004年科技部“国家半导体照明计划”协调领导小组将广州市列为国家半导体照明应用试点城市。LED在萝岗区的建设规划中可以采取的应用范围主要有:

室内照明：几乎可适用于所有建筑内部照明。目前照明级LED每瓦光效已达40lm，逐步接近日光灯（50lm左右)的光效。路灯照明:主要用于非干线公路、城镇街道、住宅小区、公园、旅游区和乡村道路照明。外墙装饰:轮廓灯，射灯等。公共设施指示灯：LED指示牌、行人指示灯、LED地埋灯、草坪灯等。与光伏发电结合的太阳能固体半导体照明应用。目前，很多光伏产品均是以LED为光源。太阳能半导体固体照明示范工程（宁波）

这是一个采用太阳能光伏发电（900WP）提供电力，照明级功率型LED作为光源的绿色照明系统，应用于城市商贸广场的景观照明。图中的“满天星”，就是单颗功率为1瓦的LED光源，取代了原来的单颗功率为30W的卤素灯，总功率只有原来的1/30，节能效果十分明显。

3.社会经济效益太阳能是人类未来重要的替代能源,对缓解能源短缺、保护环境具有重要意义。太阳能光伏发电是太阳能利用技术的“重中之中重”，更具有广阔发展前景。太阳能光伏发电属一次性投资，成本较高，投资回报期较长（25-30年）。以目前的国际价格，一般而言，并网光伏屋顶系统的工程造价在RMB7～8万元/KWp。但因不同建筑应用方式不同、施工难易度不同、建设规模不同、所需材料存在很大差别。因此，这里很难对一个10KWP或者100KWP的光伏建筑一体系统作出报价，必须针对具体的建筑作方案设计才能得出比较准确的投资预算。对风力/太阳能光伏混合发电系统来说，关键部件：风力发电机寿命15年、太阳电池寿命20年以上，建成后均为无人置守自动运行，其维护运行成本很低（≤3%每年）。目前，光伏发电的社会环境意义大于经济意义。七、建筑围护结构节能1.广州地区建筑围护结构技术现状上世纪90年代前，该地区围护结构特点为：外墙普遍采用180mm实心砖墙（少数东、西墙厚增加到240mm），内外2道砂浆抹灰，实际传热系数为2.3～2.7（W/m2•K）；屋面做法为大阶砖通风空气层架空，中间100mm钢砼板，上20mm防水砂浆二道柔性防水层，层顶内2mm砂浆抹灰，实际传热系数为1.4（W/m2•K）左右。上世纪90年代后，随着这一地区经济发展，对民用建筑功能要求相应提高，墙改的趋势是建筑外墙为轻质墙体，如空心砌块、陶粒砼土、灰砂砖等。屋面隔热采用80mm厚珍珠岩或陶粒等轻质材料，效果较好。2.围护结构设计依据居住建筑：《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》（JGJ75-2003）公共建筑：《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2005）3.围护结构的节能技术（1）建筑外墙保温技术（2）屋面节能技术（3）建筑遮阳技术（4）外窗节能技术

（1）建筑外墙保温技术外墙自保温系统：适用于节能要求不高的建筑。外墙夹芯保温系统：适用于低层小型建筑。外墙内保温系统：适用于独户墙体节能改造。外墙外保温系统：效果最优，适用于各类新建建筑以及旧楼改造主体墙水泥砂浆找平层专用粘结剂保温层固定件聚合物砂浆玻纤网格布聚合物砂浆弹性涂料或面砖外墙外保温外墙内保温（2）屋面节能技术倒置型保温屋面：保温层置于放水层之上生态型隔热屋面：蓄水、植被、绿化通风隔热屋面：架空大阶砖、五角隔热砖遮雨板砾石混凝土路板保温层隔离层防水层找坡层结构层倒置型保温屋面结构生态型屋面（3）建筑遮阳技术外窗遮阳：固定式、活动式屋面遮阳：屋顶构架遮阳、屋顶花园绿化遮阳：植被（攀援、建筑周围）墙面遮阳：东、西墙专用遮阳构件建筑外窗固定遮阳和活动遮阳（4）外窗节能技术玻璃隔热技术：Low-E中空玻璃外窗结构选择：铝合金、PVC塑料玻璃幕墙技术：双层玻璃幕墙、Low-E幕墙Low-E玻璃窗隔热示意图5.建筑围护结构节能投资对于一般的公共建筑（非玻璃幕墙），采用以上措施需要增加初投资约200～250元/m2，可节约制冷机组的初投资约100元/m2。因此，围护结构实际的等效投资为100～150元/m2，全年可节约电费50元/m2，因此围护结构投资在2～3年内即可收回。对于玻璃幕墙（Low-E）的公共建筑，初投资较大，等效投资大约为300～350元/m2，因此相对于传统玻璃幕墙的投资回收期需要6～7年。对于居住建筑，空调能耗在住宅建筑中所占比例并不高，因此单单空调而言，节能效益很低，所以不特别要求住宅建筑采用外墙保温、外窗保温等措施，但为了提高居民的居住舒适度，采取必要的遮阳、屋顶隔热措施