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1、 青岛市居住建筑节能技术应用研究 The Application Study of the Energy Conservation Technology for the Residence Buildings in Qingdao City 领 域： 建筑与土木工程 研 究 生： 徐明磊 指导教师： 高 辉 企业导师： 刘玉峰 天津大学建筑学院 二六年八月 中文摘要 自 70 年代中期以来，建筑节能已经成为世界性的大趋势，而 90 年代所提出的可持续发展理论以及生态环境的持续恶化都使得建筑节能成为全世界关注的焦点问题。我国是一个能耗大国，人口众多，建筑能耗约占总能耗的 1/4 左右，居住建筑在
2、建筑能耗中又占有较高比例。随着人民生活水平的不断提高，空调北上，取暖南下，居住建筑节能面临新的形势。 青岛市地处夏热冬暖地区，拥有丰富的太阳能资源，风力资源，海洋能资源，长期以来由于对化石能源的依赖，忽略了新能源的利用与开发。居住建筑中统一供暖以及空调的使用造成长期以来对居住建筑节能技术的排斥，在能源危机面前建筑节能势在必行。 本文从建筑节能基本概念入手，通过对青岛市气候特征及居住建筑能耗现状的全面分析，根据国内外居住建筑节能技术应用现状，从围护结构的保温隔热、建筑构造降温以及被动式太阳能利用等方面提出适合青岛居住建筑的节能技术，并对既有居住建筑提出了节能改造的可行性分析，提供了相应的技术支持
3、。 关键词： 青岛市；居住建筑；能耗；气候特征；节能；太阳能利用 Abstract Since the mid 70s, it is a cosmopolitan trend to economize energy in buildings. And in 90s the problem of energy conservation in buildings becomes the worldwide focal point, because of the theories of sustainable development and the worsening ecological envi
4、ronments. China is a big energy consuming country, densely populated, the building consumption share about 1/4 of total consumption. And the consumption of residence building has relatively high proportion. With the continuous raise of the living level, the use of the air condition in north and the
5、use of heating in south, the problem of energy conservation in buildings faces a new situation. Located in a hot summer and warm winter region, Qingdao City owns abundant solar energy resources, wind force resources and ocean energy resources. Because of the dependence on the fossil energy, it is ne
6、glected to use and explore new energy resources for a long time. Due to the use of central heating and air condition in residence buildings, the application of the energy conservation technology on residence buildings is excluded. But it is imperative to economize energy in buildings for the energy
7、crisis. Based on the basic concept of energy conservation in buildings, this paper analyzed the weather characteristics and the residence buildings energy consumption status quo in Qingdao City. According to the application status quo of energy conservation technology in residence buildings at home
8、and abroad, the energy conservation technology that suit for Qingdao Citys residence buildings were brought forward on the aspect of outer protective structures thermal insulation and heat preservation, the measure to cool the building structure, and the use of passive type solar energy. Meanwhile,
9、this paper presents the feasibility analysis of existent buildings alteration for energy conservation and the relevant technical supports. Keywords： Residence building; energy consumption; weather characteristic; energy conservation; use of solar energy 目 录 第一章 绪论 .1 1.1 研究背景及其意义 .1 1.2 国外居住建筑节能概况 .
10、1 1.2.1 美国居住建筑节能概况 .2 1.2.2 英国居住建筑节能概况 .2 1.2.3 丹麦居住建筑节能概况 .3 1.2.4 日本居住建筑节能概况 .3 1.2.5 澳大利亚居住建筑节能概况 .4 1.2.6 法国居住建筑节能概况 .4 1.3 国内居住建筑节能概况 .5 1.3.1 居住建筑节能标准 .6 1.3.2 居住建筑节能技术 .6 1.3.3 新能源、新技术的利用 .7 1.4 青岛市居住建筑节能现状 .8 1.5 研究目的 .9 1.6 研究方法 .9 1.6.1 理论及文献研究 .9 1.6.2 归纳总结，注重现有理论的创新运用 .10 1.6.3 考察比较的方法 .
11、10 1.6.4 实证研究 .10 第二章 青岛市气候及能耗分析 .11 2.1 青岛市气候特征 .11 2.1.1 气温 .12 2.1.2 风 .13 2.1.3 湿度 .14 2.1.4 太阳能资源 .15 2.1.5 小结 .16 2.2 青岛市居住建筑能耗现状 .18 2.2.1 居住建筑现状 .18 2.2.2 居住建筑采暖与能耗 .18 2.2.3 居住建筑降温与能耗 .18 2.3 青岛市居住建筑能耗分析 .19 1 2.3.1 能耗分析 .19 2.3.2 降低能耗基本途径 .19 2.4 本章小结 .20 第三章 青岛市居住建筑围护结构节能构造设计 .21 3.1 墙体节能
12、构造设计 .22 3.1.1 可行性分析 .22 3.1.2 墙体的保温隔热 .22 3.2 门窗节能构造设计 .28 3.2.1 可行性分析 .28 3.2.2 门的节能 .28 3.2.3 窗的节能 .29 3.3 屋面节能构造设计 .35 3.3.1 坡屋面保温 .36 3.3.2 平屋面保温 .39 3.3.3 屋面隔热 .40 3.4 本章小结 .40 第四章 青岛市居住建筑被动式太阳能应用的技术手段 .41 4.1 被动式采暖措施 .41 4.1.1 直接受益式 .41 4.1.2 附加阳光间式 .42 4.1.3 特朗伯墙式 .43 4.2 窗的集热 .44 4.3 屋面集热 .
13、46 4.4 被动式降温 .48 4.4.1 利用自然通风进行降温 .48 4.4.2 遮阳 .51 4.5 居住建筑节能改造展望 .56 4.6 本章小结 .57 第五章 结束语 .58 参 考 文 献 .59 发表论文和科研情况说明 .61 致 谢 .62 2第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 研究背景及其意义 世界经济的现代化，得益于化石能源（如石油、天然气、煤炭与核裂变能）的广泛应用，可以说，世界经济的发展是建立在化石能源不断消耗的基础上的。然而，这一经济资源却将在 21 世纪上半叶迅速地接近枯竭。例如，按石油储量的综合估算，可支配的化石能源的极限，大约为 11801081510108
14、t，以 1995年世界石油的年开采量 33.2108t计算， 石油储量大约在 2050年左右宣告枯竭。天然气储备估计在 131800 106152900 106m3。年开采量维持在 2300106m3，将在 5765 年内枯竭。煤的储量约为 5600108t。1995 年煤炭开采量为 33108t，可以供应 169 年。铀的年开采量目前为每年 6104t，根据 1993年世界能源委员会的估计可维持到 21 世纪 30 年代中期1。 20 世纪 70 年代，在世界范围爆发第一次能源危机，能源问题引起世界各国重视，能源、人口、粮食、环境、资源被列为世界上的五大问题。随着经济的发展和生活水平的提高，
15、世界能量消耗飞速增长，严峻的形势促使人们意识到能源问题的严重性和长期性。 在日益增长的能源消耗中，建筑能耗所占比重相当大。在第八届“西部论坛”上，中国建筑学会理事长、原建设部副部长宋春华指出，建筑运行能耗占我国能源总消费量的比例已由上世纪 70 年代末的 10上升到目前的 267，已经达到了世界建筑能耗占能源消费量 30的平均水平。 建筑能耗包括建材生产、建筑施工、建筑日常运转及建筑拆除等项目的能耗，其中比重最大的是建筑日常运转能耗（如采暖、空调、热水、照明、电器等）。随着各国工业化和人民生活水平的不断提高，居住建筑也不断发展，居住建筑耗能比重越来越大。因此，世界各国都把建筑节能尤其是降低建筑
16、日常运转耗能作为节能工作的重点。 建筑节能反映在居住建筑上，主要是降低日常运转耗能，概论来说，主要应该包括两个方面：采暖居住建筑节能、空调居住建筑节能。 1.2 国外居住建筑节能概况 第一次能源危机以后，欧美一些发达国家，尤其是石油进口国，经济蒙受巨大冲击，纷纷对节能作出反应，对于占能源消费量比重较大的建筑节能更是尤为重视。一方面从建筑立法和节能技术上予以保证，一方面从经济政策上加1 第一章 绪论 以引导、鼓励和限制。 在发达国家中，已有建筑比每年新建筑多得多，要使建筑节能取得突出成效，就必须大力推进已有建筑的节能改造工作。北欧和中欧国家在 1980 年前已形成按节能要求改造旧有居住建筑的高潮
17、，到 80 年代中期已基本完成。西欧、北美的已有居住建筑也早已逐步组织节能改造。 在对已有居住建筑改造的同时，许多国家更把目光投向新能源，充分利用太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能等洁净自然能源，有些国家还充分利用垃圾等废弃物，使其转化为可利用的能源，尽一切可能的降低居住建筑能耗，取得了相当成就。 最后值得一提的是近几年来在发达国家已有相当发展水平的“零能房屋”，即完全由太阳能光电转换装置提供建筑物所需要的全部能源消耗，真正做到清洁、无污染，它代表了 21 世纪太阳能建筑的发展趋势。 1.2.1 美国居住建筑节能概况 美国推动建筑节能主要从两方面入手2，一是建筑物本身的热工性能，即通过提高建
18、筑围护结构的保温隔热性能、门窗的密闭性能和充分利用通风、太阳能、自然采光等措施降低采暖和空调的能耗；二是提高建筑物内的能耗系统及设备的能源效率，包括采暖、空调系统、照明灯具、热水器、家用电器及办公设备等。 美国政府布了绿色建筑标准，成立了绿色建筑协会，来推动和鼓励绿色建筑的大规模应用，不仅如此，美国在开发新能源、使用无污染的技术上也处于世界领先地位。主要措施有：将光能转化成电能，给建筑提供有效的能源；先后颁布“太阳能供暖降温房屋的建筑条例”和“节约能源房屋建筑法规” ，鼓励新能源的利用；在经济上采取有效措施，在太阳能利用研究方面投入大量资金，并由国会通过一项对太阳能系统买主减税的优惠办法。 早
19、在上世纪 90 年代，美国的太阳能利用已得到普遍重视，发展极为迅速，无论是对太阳能建筑的研究、设计优化，还是材料和房屋部件结构的产品应用，都已形成完整的建筑产业化体系。 1.2.2 英国居住建筑节能概况 从实际意义上讲，英国并不是一个能源短缺的国家，英国的北海油田已可以满足全国的石油需求，但从环境保护以及长远发展的角度出发，英国也十分重视、推广建筑节能。 英国的环境保护部专门设置节能办公室，负责全国的建筑节能工作，各地2第一章 绪论 方当局也有主管节能机构。英国的房屋约 1/7 归市政局和房管委掌握，其中 95%房屋的屋顶有保温措施，50% 的外墙都加了保温墙体，新建房屋在设计时就力求节能，注
20、意选择合理朝向和进深，注意利用地形、地貌和绿化条件，设计时十分注意利用太阳能和余热，都采用双玻窗和保温屋面、墙体和地面。 英国几乎一年四季都供暖，供暖全部采用双管供热，每组暖气片都有调节阀，能自由调节供热量。英国政府规定冬季起居室的设计温度为 21oC，其它房间的温度为 18oC3。 英国不但对新建房屋采取节能措施，也对旧房采取节能改造措施，而且在全国范围内推广被动太阳房的广泛应用，英国利物浦附近的沃拉西的圣乔治郡中学，就是直接受益式太阳房最大和最早的样板之一4。 1.2.3 丹麦居住建筑节能概况 丹麦是个能源匮乏的国家。 1973 年，丹麦全国能源总耗量的九成，依赖进口石油。到 1985 年
21、，虽然减到五成五，但能源缺口仍相当大。为此，丹麦自世界石油危机以来，就致力于降低能源消耗，寻求开发可再生能源。 由于住宅能耗占丹麦能源总耗量的一半左右，所以，丹麦对住宅节能十分重视，并采取了一系列的措施。一是充分利用太阳能：奥尔胡斯市的塔首地区就有一因充分利用太阳能而闻名遐迩的“日与风”住宅区，除了在构造上充分考虑了太阳能资源以外，整个小区的冬季供暖就是由一个 650 平方米的太阳能集热器来承担，该太阳能集热器使这一住宅区节约了 28%的能源；二是开发风力发电：地处波罗地海之中的洛兰岛上的 3000 幢民房，其用电均靠海风发电站，每年可发电 1060 万瓦时，较好的解决了用电问题；三是将有机废
22、料和垃圾转化为热能：在丹麦已有近 45%的住宅区采用分区供暖系统，热能来源有很大一部分来源于本地区的工业废料和生活有机垃圾焚化产生的热量；四是采用先进供暖设备：首都哥本哈根的福勒海温住宅区，采用先进的计算机控制管理系统装置，它能自动收集储存大量数据，不断调节供暖系统的环流温度，将能耗降至最低。 1.2.4 日本居住建筑节能概况 日本的能源十分短缺，大部分的能源都靠进口，因此节能问题对日本政府来说是必须重视的问题。早在 1997 年 11 月，日本政府就提出了 2010 年的节能目标，其中要求民用部门节能 31%，它们被细分为：建筑节能 11%、家电效率的提高节能 8%、生活习惯的改善节能 6%
23、、住宅节能 5%、照明效率的提高和高效率液晶显示的采用等节能 2%5。 3第一章 绪论 日本在建筑业中实施的节能途径有以下三方面：一是改善围护结构的保温性能；二是提高暖通空调制冷设备的效率；三是积极发展建筑节能研究和开发新能源。 进入二十一世纪，日本又提出了“建筑的节能与环境共存设计”概念，即指导建筑设计时把长寿命、与自然共存、节能、节省资源与能源的再循环等因素考虑进去，以保护人类赖以生存的地球环境，构筑大家参与的“环境行动”氛围，同时，对住宅也提出了类似的概念“环境共生住宅”。为使所制定的法规得以执行，日本政府制定了许多具体可行的监督措施，并根据建筑的功能不同进行分类，对每类建筑制定了详细的
24、节能标准、明确的节能目标，强制进行实施。 日本在主动式太阳房的研究应用领域也处于世界前列。 1974 年日本通产省制定了“阳光计划”，并按此计划建造了数幢典型太阳能采暖空调试验建筑，如矢崎实验太阳房。而且多年来日本的太阳能采暖、空调建筑一直稳步发展，并已应用于大型建筑物上。 1.2.5 澳大利亚居住建筑节能概况 澳大利亚国土面积约为 750 万平方公里，其中沙漠和半沙漠占 35%，全国人口两千多万，有近三分之二的人口集中居住在东南沿海地区，气候温和，无酷暑严寒。尽管居住在这样宜人的气候中，澳大利亚政府和居民依然非常重视建筑节能。 澳大利亚住宅较少使用暖气，住宅能耗占国家总能耗的 12%6，但是
25、澳大利亚仍在住宅的保温隔热性能等节能措施运用上非常重视，在住宅中全面推广“节能之星”住宅评定制度，旨在鼓励符合节能标准的设计，在保持居住舒适度的同时，尽量减少对能源的耗用。 另外，为降低建筑能耗，澳大利亚在住宅设计中充分鼓励利用自然采光和通风，并通过遮阳百叶和天窗来调控日照强度，或采用调光板调整室内获得的光线，提高住宅的适用性能。 在澳大利亚，提高住宅的耐久性能，被认为是最大的节能省地的举措，随处可见不同年代的住宅，在墨尔本，大量 120 年以上的住宅使整个城市显得古朴而有韵味，没有对城市“大拆大建”的同时也节省了大量的能源和资源。 1.2.6 法国居住建筑节能概况 法国北处北温带，位于北纬
26、41o至 51o之间，其大部分地区属海洋性温带阔叶林气候，南部沿海和罗讷河谷地属亚热带地中海式气候。自从第一次石油危4第一章 绪论 机爆发后，法国逐步提高对建筑节能的重视程度，通过根据住宅新规范进行旧房改建、改善能源结构、加强对采暖系统的控制等手段，节能成绩十分显著。与 1973 年相比，1990 年全国节能 3200 万 t 油当量7。 随着对新能源的利用与开发，被动太阳能技术在欧洲国家普遍被看好。一些国家集中力量开发利用先进透明装置的节能窗，法国也在开发电子调光的透明装置。法国的研究人员估计，这种技术每年可为南部地区节约高达 45%的能源需求8。在太阳房技术和应用方面法国也处于领先地位，特
27、别是在玻璃涂层、窗技术、透明隔热材料等方面居世界领先地位。著名的集热蓄热墙采暖方式即是法国人菲利克斯特朗勃 (FelixTrombe)9的专利，法国的奥代洛太阳房是该采暖理论转化为实际应用的第一个样板房。 1.3 国内居住建筑节能概况 我国幅员辽阔，从南到北从东到西各地气候的差异非常大。按照居用建筑热工设计规范 GB5017693的建筑气候区别，全国被分为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区以及温和 地区。在城乡既有的约 400 亿m2（其中城市约 140 亿 m2）建筑中，只有在城市的 3.2 亿 m2房屋算是节能建筑，其余无论从建筑围护系统结构，还是采暖空调系统来看，都属于高能耗
28、。按最乐观估计，高能耗建筑在全国既有建筑中占 95%以上，在每年竣工的新建筑中占 90%以上，全国建筑能耗已占全国总能耗的 27.5%10，建筑节能势在必行。 国务院“十一五”规划中指出：必须统筹协调经济社会发展与人口、资源、环境的关系，进一步转变经济增长方式，加快建设节约型社会，在生产、建设、流通、消费各领域节约资源，提高资源利用效率，减少损失浪费，以尽可能少的资源消耗，创造尽可能大的经济社会效益。所以，做好建筑节能，是进一步提高经济增长的一项重要举措。 2006 年 1 月 1 日起实施的民用建筑节能管理规定中规定：民用建筑在规划、设计、建造和使用过程中，应通过采用新型墙体材料，执行建筑节
29、能标准，加强建筑物用能设备的运行管理，合理设计建筑围护结构的热工性能，提高采暖、制冷、照明、通风、给排水和通道系统的运行效率，以及利用可再生能源，在保证建筑物使用功能和室内热环境质量的前提下，降低建筑能源消耗，合理、有效地利用能源。为住宅建筑节能工作提供了强有力的法规支持。 5第一章 绪论 1.3.1 居住建筑节能标准 自 1986 年 8 月 1 日建设部颁布第一个节能设计标准（第一阶段）至今已近二十年，当时具体的实施效果并不理想，大多数省市连第一阶段的目标尚未达到。加强节能法规建设和法规执行力度是最重要的一项任务。 目前已编制完成的专门用于建筑节能的标准有： 1996 年 7 月 1 日建
30、设部经修订颁布的新的民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分） （JGJ 2696）；2001 年 10 月 1 日施行的夏热冬冷地区建筑节能设计标准 （JGJ 1342001）； 2001 年 1 月 1 日施行的既有采暖居住建筑节能改造技术规程 （JGJ 1292001）； 2001 年 6 月 1 日施行的采暖居住建筑节能检验标准 （JGJ 1322001）； 2003 年 10 月 1 日施行的夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准 （JGJ 752003）； 2005 年 7 月 1 日施行的公共建筑节能设计标准 （GB50189 2005）。 相关标准还有建筑气候区划标准、民用建筑热工设计
31、规范、建筑照明设计标准、采暖通风与空气调节设计规范、民用建筑电气设计规范。 正在组织编制的还有： 建筑节能工程施工验收规范 、 建筑能耗统计标准、建筑节能气象参数标准、城市供热规划规范、城镇供热系统评价标准等，这些标准在今明两年内批准发布后，我国将建立一个比较完善的建筑节能标准体系11。 1.3.2 居住建筑节能技术 随着节能标准的不断修订，国家政策法规的宏观调探和国民环保意识的不断提高，进入 21 世纪以来我国的建筑节能工作发展迅速，取得长足的发展。突出表现在居住建筑节能技术上主要有以下几个方面： 墙体保温方面：在我国，长期以来一直以实心粘土砖作为墙体材料，“秦砖汉瓦”的概念根深蒂固，对能源
32、和土地资源造成了严重的浪费。近几年，各地均采取相应措施促进墙体材料更新：在黏土资源丰富的地区，发展多孔砖，按节能要求改进孔型、尺寸；根据当地资源条件，用粉煤灰、煤矸石、浮石和陶粒等生产各种混凝土空心砌块；充分利用加气混凝土优良的保温性能的条件，广泛用于框架填充墙及低层建筑承重墙的施工；复合墙体作为能满足较高绝热要求的主流墙体，在我国已开始使用，一般有外保温、中间保温和内保温三种。 门窗保温方面：20 世纪 70 年代以前，门窗材料以木材为主；70 年代发展为钢门、钢窗； 80 年代铝合金以其在门窗制作使用过程中优越的性能异军突出；20 世纪末至今，塑料门窗已集中在东部沿海城市和部分大中城市应用，约占市6第一章 绪论 场总量的 15%左右（30005000 万 m2）12，铝合金门窗和钢门窗占据其余大部分市场，而玻璃则占据门窗面积的 70%80%左右。我国单层玻璃使用率较高，严寒和寒冷地区普通采用增加窗扇层数、使用双层玻璃窗、中空玻璃等方法，进一步提高窗户的保温性能。目前，许多城市也通过使用平开窗来提高窗的气密性等等。 屋面节能：随着我国屋面节能技术的发展，对于平顶屋面，应用较为广泛的一般是加厚加气混凝土屋面、架空加气混凝土屋面、屋面下设保温层（充填材料一般为聚苯板、浮石砂、