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【HVAC】对建筑节能2.0的思考

内容提要:建筑能耗比例是经济发展阶段的标志。可以把经济发展分为前工业化、工业化和后工业化3个阶段。在前工业化阶段,因为没

1新常态、新形势

1.1经济新常态

我国经济进入新常态,即经济发展进入高效率、低成本、优结构、可持续的中高速增长阶段。2015年,我国GDP增长率降低至6.9%。重化工业产能严重过剩,我国经济正经受转型期的阵痛。

经济转型,首先体现在发展方式的转变,特别是产业结构的调整。我国的主要中心城市,其产值的主要贡献者正在从第二产业(制造业)转向第三产业(服务业),其中北京市的第三产业比重已经接近80%,向国际大都市的水平(纽约88.4%,伦敦88.2%,东京84.8%,巴黎79.8%)靠拢。这意味着,我国经济发展的主力,正逐渐从以工艺能耗为主的制造业(钢铁、水泥、化工、有色)转为以建筑环境为依托的服务业和轻制造业。我国经济发展的动力,正逐渐从投资和出口拉动转为以内需和消费驱动。

1.2能源供给侧新形势

由于经济发展增速放缓、需求疲软,2015年煤、电等主要能源产品已经供过于求。

1.2.1煤炭

2016年2月,国务院明确提出,从2016年开始,用3~5年时间“再退出煤炭产能5亿吨、减量重组5亿吨左右”。包括“长期亏损、资不抵债的煤矿;长期停产、停建的煤矿;资源枯竭、资源赋存条件差的煤矿;不承担社会责任、长期欠缴税款和社会保障费用的煤矿;其他资源退出的煤矿”。在去产能的同时,煤炭消费量遭遇连续2年的下降,2014年下降幅度为2.9%,2015年达到3.7%。

1.2.2电力

2015年我国用电量同比增长仅为0.5%,其中第二产业用电量同比下降1.4%,而发电设备装机容量已达15.06亿kW,较上年增长10.4%,同样面临产能过剩问题。全国6MW及以上容量电厂发电设备累计平均利用时间为3969h,同比减少349h。而在2015年电力消费中,第三产业用电量同比增长7.5%;城乡居民生活用电量同比增长5.0%。

1.2.3可再生能源

2015年,我国可再生能源发电总装机容量达到4.8亿kW,非化石能源占能源供应总量的13%。

1.3能源需求侧新动向

1.3.1能耗强度和碳排放

2015年我国能源消费总量43亿t标准煤,仅比上年增长0.9%。全国万元国内生产总值能耗下降5.6%。连续2年CO2排放量下降,提前实现了我国到2030年碳排放达到顶峰的承诺。

1.3.2上海居民用电量下降

2014年上海居民生活耗电(住宅电耗,人均718.43kW•h)比2013年下降15.2%,居民生活总能耗下降6.7%;2015年上海居民用电量尽管同比上升了6.7%,但还是低于2011年水平。对此有以下解释:

1)2014年夏季气温没有2013年高。2013年上海供冷度日数DDC26为303℃•d,2014年为101℃•d,相差悬殊;但2个年份供暖季供暖度日数DDH18却相差不大。说明夏季空调的应用是影响居民用电量的主要因素。

2)实施阶梯电价旨在促进节能,但实际上阶梯电价对高收入高耗电家庭并没有太大影响,而多收的电费也没有按照国际上的惯例用来补贴“能源贫困”家庭,其实际效果是原来不敢用电的家庭更不敢用电。

3)部分家庭一户多房,住一套,余下住房要么空置,要么出租,要么“钟摆式”自住,实际上大大降低了用能强度。

4)一部分家庭冬季用了天然气壁挂炉带地板供暖,减少了冬季空调耗电(2014年人均生活天然气消耗比2013年增加了5.2%)。

5)在经济高增长期,消费性能耗会随着经济增长而增长,但当经济发展到较高水平时,能耗增长会保持相对平稳的增速甚至负增长。2000—2013年,上海的人均生活电力消耗的平均增长率为7.4%,其间上海人均GDP年均增长9.4%。生活电力消费弹性系数(即年均生活电力增长率与年均GDP增长率之比)为0.78。而同期间,香港的人均生活电力消耗的平均增长率为1.1%,有几年还出现了负增长,而人均GDP平均增长率为3.2%。香港的生活电力消费弹性系数是0.34,低于上海;纽约市的人均生活耗电也呈现出与香港相同的趋势。这是因为住宅能耗有个“度”,尤其是室内环境的需求,会受到舒适度和生活习惯的自然限制,不可能无限增长。

上海是不是进入了这个阶段?这个解释十分牵强。2015年,上海人均GDP为15851美元,只有纽约的13.2%、香港的42%,在国际上还算不上发达城市。

6)建筑节能初见成效。大量新建居住建筑都符合建筑节能设计标准的要求。但居住建筑的主要节能措施都体现在围护结构上。保温隔热良好的围护结构只是降低建筑能耗的必要条件,建筑设备的效率和运行方式才是降低能耗的充分条件。一幢“纸糊”的保温隔热很差的建筑,如果空置无人居住,那就是“零能耗”建筑;而一幢设计精良、围护结构热工性能上佳的建筑,如果用能浪费、运行失调,同样可能变成高能耗建筑。

2013年,国内水泥熟料每吨能耗平均达到112kg标准煤,而国外先进企业能耗为95kg标准煤;2014年,全国平均吨钢综合能耗折合标准煤为584.7kg/t,已经优于国外平均水平。我国2014年平均供电能耗水平为318g/(kW•h),而上海外高桥第三发电厂能耗水平达到270g/(kW•h),是世界最先进水平。所以,要再把我国高能耗的原因归咎于能源利用率低恐怕就不确切了。我国工业能耗高的主要原因是规模过大、产能过剩。2013年全国粗钢产能已达10.4亿4,产能利用率仅72%,产能严重过剩。与产能过剩相伴的是钢铁库存量大、钢材品种附加值低、各钢铁企业间主要靠低价竞争、利润大幅下滑,甚至钢材卖出“白菜价”。所以,我国供给侧改革的一项重要任务就是压产能、控规模、提效益。由于压产能而使第二产业电力消耗下降。

1.3.3再生能源丢弃(弃水弃风弃光)严重

近年来,我国可再生能源发电呈爆炸式增长。但由于追求规模,所以大量投资大装机量的设施,主要的可再生能源装机在我国资源丰富的三北地区和西部省份。但这些地区经济发展相对滞后,电力需求不足,而通往东部发达地区的输电通道也严重不足,因此很大部分的可再生能源发电设施“停摆”。也有一些西部城市为了保自己的产值和税收,尽管本省水电装机占90%,但城市90%的供电还是依靠自有的煤电厂。

2014年,我国弃水弃风弃光损失电量超过300亿kW•h。一方面以煤为主的火力发电是各城市空气污染和碳排放的主要贡献者,各地都面临很大环境压力;另一方面却又将花费大量投资的可再生能源弃之不用,令人扼腕叹息。

1.3.4民用建筑室内环境质量堪忧

近期,清华大学建筑环境检测中心等单位抽检了北京、上海等9个重点城市近千户居民家庭的室内环境质量,发现甲醛超标最严重,北京、广州、济南、西安4个城市的超标率高达80%;PM2.5浓度超标仅次于甲醛,其中西安市PM2.5超标率高达100%。

公共建筑中的室内污染情况同样十分严重。尤其是人员密集的中小学校、三甲医院、车站等场合。例如北京市在调查的10家医院的78个监测点中,有17个监测点PM2.5的平均质量浓度均在100μg/m3以上。北京市16所医院病房调查结果显示,空气中病原菌检出率为12.5%,在空调冷却水中嗜肺军团菌检出率为14.89%,医院空气已成为病原菌的重要传播途径。上海市中小学校教室检测结果表明,大部分时间被测试教室内CO2体积分数超过了国家环境标准规定的限值1000×10-6,有的甚至高达3200×10-6以上。

关于地铁站,多个城市开展的对多项常规空气质量指标的检测情况较好,符合国家标准的测点在90%以上。但上海一项对地铁站PM2.5的检测发现,在有屏蔽门的站点PM2.5平均质量浓度夏季为74.1μg/m3,冬季为81.1μg/m3;而只有半高安全门系统的站台,PM2.5平均质量浓度夏季为214.3μg/m3,冬季为221.4μg/m3。这些都表明,公共建筑环境负荷很大,超过了环境系统的能力。

建筑的基本要义是安全和健康,公共建筑首先要满足其公共服务的功能。因此,讲建筑节能,不仅要重视节约资源、降低排放的国计,更要重视居住者和使用者健康和安居这样重大的民生。

上海居民电力消费的大幅度下降,很可能是上述多个因素的综合作用。但这种状态在全国是否有普遍意义还有待观察。作为对比的是,北京市2014年人均生活电耗比2013年增长了5.7%,生活电力消费弹性系数为0.78,而居民人均总能耗的增长为2.6%。北京的人均GDP要高于上海,但生活能耗仍处于正常增长状态。

1.3.5生产性能耗的效益差

我国有220多种工业品产量居世界第一位,制造业净出口居世界第一位,制造业增加值在世界占比达到20.8%。制造业贡献了我国GDP的40%以上。2014年中国粗钢产量达8.23亿t,约为全球产量的49.5%,是排名第二的日本粗钢产量的7.43倍。2014年中国水泥产量达24.76亿t,中国的水泥产量和消耗量均占全球的60%左右。2011—2013年,中国消耗了66亿t水泥,超过美国在整个20世纪的消耗量。

2建筑节能2.0——建筑能效提升工程

2.1建筑节能1.0中需要改进的地方

建筑节能30年的发展取得了许多成绩,其中最重要的是建立健全了系列的建筑节能标准,并使建筑节能变得家喻户晓,成为政府部门的日常工作。同时,社会对建筑节能工作的理解也越来越深入。但建筑节能工作仍存在一些误区。

2.1.1只讲计算节能率不讲实际节能量

节能标准中的50%,65%,75%节能率,是设计时的计算依据。即设计时采取必要的节能措施,使能耗计算值比20世纪80年代条件(围护结构保温隔热水平、锅炉供暖系统效率)下的能耗计算值低50%。因此,这只是虚拟节能量或计算节能量,相对80年代能耗而言,实际能耗肯定是增加的,由于采取了节能措施,实际能耗只是“少增加”。在经济新常态下,国家实行能耗和强度的“双控”,要求建筑能耗在过去某一时间节点上(当然不可能是20世纪80年代)的实际能耗(实测和计量得出)的基准上降低某个百分数,或者要求建筑能耗低于当地同类建筑能耗限额。建筑节能不要再沿用50%和65%之类的虚拟目标值。

2.1.2以降低建筑能耗占总能耗的比例作为建筑节能的目标

很多报告、讲话、文件都在夸大我国建筑能耗占总能耗的比例,最极端的甚至认为这一比例达40%左右,并以此证明我国建筑节能形势严峻、我国建筑能耗是发达国家的数倍。我国的能耗是按照7个行业统计的,即:1)农、林、牧、渔、水利业;2)工业;3)建筑业;4)交通运输、仓储及邮电通讯业;5)批发和零售、贸易、餐饮业;6)其他;7)生活消费。如果第4项中1/2的能耗算作建筑能耗的话,那么2013年我国建筑能耗比例只有22.4%。

在城市层面,第三产业产值占比高的城市,其建筑能耗占比也高。我国只有北京市的第三产业产值占比与发达国家相仿,加之北京的集中供暖普及率75.7%,因此其建筑能耗比例超过了30%,人均生活能耗也超过东京。

建筑能耗比例是经济发展阶段的标志。可以把经济发展分为前工业化、工业化和后工业化3个阶段。在前工业化阶段,因为没有制造业,能耗总量不高,所以住宅能耗比例较突出,而且住宅能耗局限于炊事和照明等低水平用能。例如,作为欠发达国家的尼日利亚,住宅能耗占总能耗的比例高达77.9%,但该国能耗总量只有1.63亿t标准煤,是中国的3.8%。在工业化中期,经济基础是制造业,尤其是投资拉动的重化工业,人民生活水平基本实现了简单温饱型(吃饱饭、有衣穿),正向小康型过渡(有舒适的住房、有安全健康的食品),此阶段的能耗以工业能耗为主。中国正处于这个阶段,工业能耗占比最大,金砖国家南非和巴西也有类似情况。在后工业化时期,经济基础是服务业,尤其是高端金融服务业和高附加值的技术服务业,人民生活普遍富裕,此阶段以建筑能耗为主。发达国家的发展基本都服从这一规律,欧美发达国家建筑能耗占比都在40%左右。只有日本,因为还保留了一些制造业,其国民日常生活较节俭,其建筑能耗只占33%。

我国正处于向后工业化过渡的转型期,建筑能耗比例的增加是经济规律,也是必然的趋势。建筑节能是控制总量,不是控制比例。

2.1.3单位面积能耗指标作为唯一衡量标准

评价建筑能耗强度,国际上通用的是单位面积能耗指标EUI(energyuseindex),我国各地建成的公共建筑能耗监测平台,积累了海量能耗实测数据,对建筑节能尤其是政府办公机构的节能起到很好的推动作用,同时也促进了既有建筑节能改造工作的开展。但因主要由政府投资建设,预算有限,实际应用中存在如下问题:

1)只有电力消耗数据,没有燃气计量和(北方城市)集中供热计量。由于北方城市供暖分户计量的推进举步维艰,一直沿用按面积收费的制度,因此即使末端有计量,数据也不敢向用户公开。缺少集中供暖能耗的监测结果,不能反映建筑的用能状态,也不能作为建筑节能的评价依据。诚然,燃气和集中供暖数据的缺失并非技术原因,而是体制上的积弊所致。但用这种“瘸腿”数据作为能耗基准,就失去了推动建筑节能的意义。希望通过供给侧改革能够有所改变。

2)基础资料不完全,导致按建筑面积计算的EUI不准确。例如,有大型地下停车库的建筑,其EUI值会小于没有车库的建筑。

3)大部分公共建筑的电路设计中,照明和插座是共线的,因此,会把照明、室内业务设备、空调末端(风机盘管或室内机)的耗电混为一谈。近年来建筑中安装充电桩,把交通能耗也计入插座能耗中。因此实测数据中的空调能耗实际只是冷热源的能耗,甚至出现建筑照明插座能耗大于空调能耗的反常现象。

上述现象说明,能耗指标需要与多种影响因素脱钩(decoupling)。

2.1.4只讲设计不讲运行

前面说过,“节能50%”等指标主要是设计计算的依据,也是制订建筑节能设计标准的基础。因此,相比运行,建筑节能的设计具有更完善的程序和方法论。设计只需要对照标准,按标准的做法选符合标准的设备材料,就可以满足节能要求,即计算节能量。但计算值要变成实际的节能量,必须靠运行来实现。运行是建筑节能中的薄弱环节:第一,缺少贯穿设计和运行全过程的调适(commissioning)环节;第二,运行管理缺乏具备可操作性的标准和导则;第三,运行环节不受重视,如果通过运行管理取得节能成果,很少对运行管理人员有激励措施;第四,运行管理主要靠经验,暖通专业毕业的学生很少愿意到运行管理岗位上就业,即使进入运行管理企业,也很难长久工作。笔者曾多次兴办与设施管理相关的本科专业,试图培养建筑能源环境的管理人才,但都受到教育体制机制的障碍而无法持续,感到深深的遗憾。

抓设计节能,就像治理一条大河先治理源头,这是没有疑义的,但光治理源头而忽略对整个河道的治理,以及对河道在不同季节、不同水文条件下的管理,很可能会使治理源头的努力白费。要保证系统在部分负荷下高效率运行,要求运行管理人员具有节能意识和技术素质。

2.1.5只讲技术不讲效果

在绿色建筑评价中,因为绿色建筑的效果无法量化计算,所以只能按照“用多少绿色技术,得多少分数”的办法,加之绿色建筑评价结果一度又与财政补贴挂钩,因此在绿色建筑实施过程中,多数开发商采取“踩底线、凑分数”的策略,造成堆砌了各种节能技术的星级建筑并不比普通建筑节能、某些先进技术在建成以后便弃置不用、某些技术令用户在使用时反而要多掏腰包的现象。甚至有个别奸商用阴阳图纸骗补。截止到2015年12月31日,全国共评出3979项绿色建筑评价标识项目,总建筑面积达到4.6亿m2,其中,设计标识项目3775项,占总数的94.9%;运行标识项目却只有204项,只占总数的5.1%。绿色建筑的用户也没有什么“获得感”。

节能技术必须符合当地的实情,它的节能效果是在某一特定工况下实现的,不要高估,更不能无限放大。某些决策者往往头脑发热,喜欢用行政干预的手段和财政补贴的引导强行推广某一项技术,把单项技术的推广和夸大计算出来的相对节能率当作政绩,最终没有任何实质性节能。

2.1.6只讲节能不讲性能

所谓建筑性能分析,是对建筑建成环境(buildenvironment)的潜在问题进行预防设计、分析、识别和整改的综合性方法。建筑的安全、室内环境对人的健康影响、自然生态的保护、资源的综合利用、历史文化遗产的传承,以及建筑主营业务和主体功能的改善,是比建筑能耗更重要的事项。比如,大部分三级甲等医院的门急诊量逐年上升,2014年上海各级各类医疗机构的就诊人次已经突破2.4亿,三甲医院日门急诊量破万已成常态。医院各项设施和医院规模是按照当地常住人口的比例设置的,像上海,就诊人次是常住人口的10倍,而且越是病患人多,陪护人员和家属就越多(因为到处要排队,包括上厕所)。所以,医院的电梯、空调、通风等建筑设备系统长期超负荷运转仍无法满足需要。因此,对三甲医院而言,当务之急不是如何节能,而是如何发挥功能、提高效率、更新设备、增加供给。再者,某些节能技术的应用必须考虑当地条件和技术对环境和生态的影响。例如,在某些极度干旱地区和缺水地区,不宜采用蒸发冷却技术,将花了很大代价(南水北调)得来的宝贵水资源轻易挥霍掉。再如,长期采用地下水地源热泵也会对地下水资源造成破坏。在我国118个城市中,约有64%的城市地下水遭受严重污染,66%的城市地下水受到轻度污染,基本清洁的城市地下水只有3%。还有,对室内空气的处理,要少用或不用化学添加剂,因为人长期在低浓度化学制剂环境中呼吸,谁也不能保证“预后”。

因此,建筑节能的前提是满足使用需求,发挥它应有的功能。建筑节能技术也不是可以到处贴的标签,要不断在满足需求、保护环境和节约能源之间进行权衡。建筑节能更不是节能技术的简单堆砌,它是各项节能技术的综合应用,保证建筑整体性能的提升和节能的实效

2.2建筑能效提升的主要途径

建筑能效(buildingenergyperformance)是指建筑物在实现功能、符合安全和健康标准、适应气候、满足需求的前提下减少实际消耗的能源量,包括建筑供暖、供冷、供热水、通风和照明所消耗的一次能源量。提升建筑能效,就是要强调建筑用能的科学性和合理性,最终要看节能的绩效。

2014年住房和城乡建设部主持起草了我国2030建筑能效提升工程路线图。2030的目标是新建建筑在满足国家健康卫生和环境标准的前提下供暖空调能耗强度低于15kW·h/(m2·a)(按未来的热电