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根据新疆的自然条件和小城镇居住建设现状,提出适合当地居住建筑节能设计的策略,进行节能分析。
第1章绪论
1.1课题研究的背景、意义和目的
建筑节能就是建筑全寿命过程中每一个环节节能的总和。
是指建筑在选址、规划、设计、建造和使用过程中,通过采用节能型的建筑材料、产品和设备,执行建筑节能标准,加强建筑物所使用的节能设备的运行管理,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、给排水和管道系统的运行效率,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。
目前,我国建筑能耗占全国耗能进30%,随着我国社会经济发展,人民生活水平的不断提高,能源消耗成为了发展的大问题,建筑耗能占全部耗能量的比例还将继续增加,对大气环境的污染也将日趋严重。
积极推进建筑节能,减少温室气体排放,奖减轻对大气环境污染,保护环境,有利于改善人民生活和工作环境,贯彻可持续发展战略,保证国名经济持续稳定健康地发展。
2004年我国城乡建筑面积为389亿平方米,其中城镇约为150亿平方米。
城镇中居住建筑面积约为104亿平方米,能达到建筑节能标准的仅占5%,其余95%都是非节能高消耗建筑。
2004我国建筑总商品能源消耗约5.1亿吨标准煤,占社会总能耗的25.5%,其中城乡建筑总能耗电量为5020亿千瓦时,占我国当年总用电量的23%。
与发达国家相比,我国的人均和单位面积平均建筑能耗相对较低。
随着节能工作全面开展,在“85”期间建成节能住宅与建筑4775万平方米,应用新型墙体材料建筑8000万平方米,推广塑料窗3000万平方米,集中供热面积新增44145万平方米,城市燃气供应气化率提高28%(1995年达到70%),煤粉灰综合利用6700万吨,太阳能建筑575万平方米,太阳能热水器应用300万平方米。
从80年代中期起,加强了对于建筑节能的领导,开展推广了一系列的建筑节能工作及政策。
从1986年至今颁布了一批有关建筑节能的政策、法规和标准[18]。
新疆在我国的版图上处于高纬度地区,是我国的最寒冷地区之一,全省严寒范围地区所占比例非常大,全疆所有县都是采暖区,每年采暖时间最长可达180天。
夏季炎热,冬季寒冷,昼夜温差大,年降水量少,日照时间长。
北疆的年平均气温低于-10℃,南疆的年平均气温为10~l3℃,夏季极端最高气温在吐鲁番高达48.9℃,冬季的极端最低气温在富蕴县境内曾达-51.5℃。
针对这种特殊的地理气候情况,新疆开展建筑节能任务,应该以冬季的防寒为主,兼顾夏季的隔热。
近几年,国家提出西部大开发建设,新疆的经济、技术迅猛发展,为开展建筑节能奠定了扎实基础。
从2000年开始,在克拉玛依、乌鲁木齐、昌吉市组织建立了一批建筑节能示范工程。
2002年,新疆建工集团承担的2项自治区首批国家级建筑节能试点工程通过国家建设部验收。
2005年,昌吉市“世纪花园”小区一期因节能效果显著获得“全国绿色建筑奖”二等奖;
2006年该小区低能耗建设节能项目,通过国家建设部的审批,其节能体系标准设定达到80%,世纪花园则成为中国首批研发应用低能耗建筑体系的社区。
五家渠市位于天山山脉博格达峰北麓,准格尔盆地南缘,南北长75千米,东西宽29千米,面积711平方千米。
地理坐标处于北纬43°
59′25″至44°
39′00″,东经87°
17′42″至87°
43′15″之间,属于温带大陆性气候。
年平均气温为6.0℃,冬半年(10月至次年3月)平均气温为-7.0℃左右。
全年太阳总辐射量140.0千卡/平方厘米。
历年平均日照时数2955.2~3128.8小时,日照率为66%。
通过对五家渠市建筑节能的了解,五家渠市建筑节能起步较晚,2003年4月15日,新疆建设厅发布了自治区《民用建筑节能管理规定》实施细则,要求从2003年4月15日起,新建的城市居住建筑强制执行建筑节能50%的设计标准。
在2010年五家渠市投资983万元(人民币)完成了7个单位既有建筑的节能改造任务,改造面积7.6万平方米。
在工作中认真贯彻落实《民用建筑节能条例》和《民用建筑节能管理规定》,大力推广建设部推广的新材料,新技术,在工程中采用地源热泵和太阳能应用技术,努力做好建筑节能工作,新建的居住类建筑100%达到节能设计65%的标准要求。
随着社会不断的发展,人们对于居住环境的要求也在不断提高,对于建筑节能人们了解的非常之少,这使建筑节能工作开展面临着极大的挑战。
为了贯彻落实“十二五”规划建筑节能的要求和更加广泛的了解建筑节能现状,以及向市民推广宣传建筑节能知识,提高市民的建筑节能意识,特组织开展了本次建筑节能调查。
1.2国内外建筑节能研究现状
1.2.1国外建筑节能的研究现状
发达国家在1973年第一次世界性石油危机后,开始重视建筑节能工作。
在此之前,经济和社会的发展都是以高能耗为代价的。
建筑节能的发展大致可以分为三个阶段:
第一阶段叫建筑节能(energysaving);
第二阶段改为“在建筑中保持能源”(energyconservation),意思是减少建筑中的能量的散失;
第三阶段为“提高建筑中的能源利用效率”(energyefficient)。
从这三个发展阶段可以看出国外建筑节能并不是消极意义上的节约,而是积极地寻找可以提高能源利用效率的方式。
在我国,现在仍然统称为建筑节能,但其含义应该上升到第三层意思。
即在保证和提高建筑舒适性的条件下,合理使用能源,不断提高能源利用效率。
世界各国根据其能源结构、气候特征对室内热环境及其相关问题进行了大量研究,主要问题集中在如何减少能耗和提高室内环境质量。
能源作为世界环境发展的重要议题,各国政府都予以了充分重视,2005年2月16日《京都议定书》正式生效,签约国必须限制温室气体的排放,而建筑业是温室气体排放量最大的产业,议定书的生效将推动新一轮的绿色建筑浪潮。
英国在节能建筑中采取的技术措施主要有三个方面:
一是采用构造措施,提高墙体、屋面及门窗的保温性能;
二是利用太阳能;
三是改进供热系统。
目前英国推广的被动式太阳房,不需外界机械作用,以建筑吸热保温材料为媒介,利用冷热空气的自然交换,达到对太阳能的利用。
在被动式太阳能住宅中,太阳能供给的能源占总耗能量的30%。
为推动可持续发展战略的实施,英国建筑研究部门于2004年9月1日宣布英国政府实施百万“绿色住宅”建筑计划,主要通过税收优惠政策鼓励居民在今后10年内建设100万栋“绿色住宅”。
该计划鼓励居民采用环保技术建造或装修房屋,建设有益于环保的新型住宅。
这种新型住宅将采用太阳能电池板、洗澡水循环处理装置和无污染涂料等。
凡采用这些方法建造的绿色住宅将享受减免印花税等优惠政策,新建传统住宅则不享受这些优惠政策。
在欧洲国家中,德国节能的研究与应用处于领先地位。
主要研究方向有建筑材料的制造能耗、建筑物围护结构各部位热工指标的制订和二氧化碳浓度排放量的指标,取得了良好的成效。
围护结构和门窗的节能、提高锅炉的运行效率及从建筑规划设计、朝向以及从阳光和建筑内部的散热来获取能源是建筑节能有效的途径。
在政府的推动下,天然气和太阳能等清洁能源、可再生能源,近年来在住宅供暖市场上得到越来越普遍的应用。
另外,德国信贷机构还推出了“二氧化碳减排项目”和“二氧化碳建筑改建项目”,对节能项目提供低息贷款。
此外,中小企业在投资节能领域方面也享受政府的特别贷款。
从节能建筑的内容看,美国推动建筑节能从两方面入手,一是建筑物本身的热工性能,即通过提高建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、自然采光等措施来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。
美国在开发新能源、使用无污染能源的技术方面,处于世界领先地位。
目前,美国将光能转化成电能,给家庭、学校、公共建筑等部门提供有效的能源,其应用非常普及。
收集的方法,一种是采用蓄电池进行储存能源,另一种是直接将光电池板所收集的光能转化成电能,用来照明、供应热水、室内空调和给汽车充电等。
美国国会先后通过了“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”等鼓励新能源利用的法律文件;
在经济上也采取有效措施,不仅在太阳能利用研究方面投入大量经费,而且由国会通过一项对太阳能系统买主减税的优惠办法。
因此,美国太阳能建筑的发展极为迅速,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,都已形成了完整的建筑产业化体系。
可以看到国外一致认为在建筑节能的各项措施中,改善隔热、保温性能是最主要的措施。
它主要以隔热材料作为建筑外围护结构,从而起到一定的节能效果,因此各国都对隔热材料的生产与研制十分重视。
国外资料表明,提高隔热性能所增加的投资,恰好可以由节约的能源费用来补偿。
1.2.2国内建筑节能的研究现状
我国幅员辽阔,地域宽广,从北到南分为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区。
严寒地区、寒冷地区以及夏热冬冷地区的部分城镇冬季都需要采暖,采暖燃煤对大气造成严重污染。
与此同时,我国大部分地区夏季炎热,空调又日益普及,建筑空调能耗正在迅速增加。
建筑能耗在发达国家一般占全国总能耗的30%-40%。
人均能源占有量过低、国民生产总值能耗过高是我国长期以来国民经济和社会发展中的突出问题[1]。
工业能耗高的问题早已引起政府的重视,但建筑能耗高的问题却长期被忽视。
但是,随着人民生活水平的提高,我国建筑能耗必然较快增长,其原因有:
1、房屋建筑继续增加:
近几年每年人均新增房屋面积1.3~1.5m2;
人口也在不断增加,每年增加约900万人;
2、城镇化不断加快,农村人口大量向城市转移,而城市人口人均能耗为农村人口的3.5倍;
3、人们对建筑热舒适性的要求越来越高:
冬天室温由12℃、16℃提高到18℃甚至20℃;
热天的室温由32℃降低至28℃,甚至22℃;
4、采暖区大大向南扩展:
现在空调制冷范围已从公共建筑扩展到居住建筑,从南方扩展到北方,使用采暖和空调的时间也在延长。
由于上述及其它诸多因素的综合影响,今后,建筑能耗持续增加不可避免,但其增长速度与节能工作关系甚大。
在我国,随着社会经济和建筑业的高速发展,建筑能耗占全社会总能耗的比例持续增长,2002年为27.6%,2004年为近30%,到目前建筑能耗已接近全社会能耗的1/3,预计到2020年,这一比例将接近40%。
我国近400亿m2既有建筑中99%属于高能耗建筑,新建建筑中,95%以上仍然是高能耗建筑。
我国的建筑节能工作始于20世纪80年代初期。
当时制定的“能源开发与节约并重,近期把节约放在优先位置”的能源发展总方针以及有计划、有组织地开展节能工作的策略对节约能源起到了巨大的作用。
在国家经委、国家计委的支持下,建设部首先组织开展了北方集中采暖地区(严寒、寒冷地区)居住建筑采暖能耗调查和建筑节能技术及标准研究。
在20多年的时间里,通过采取标准先行、先易后难、先新建建筑后既有建筑、先居住建筑后公共建筑、从北方向南方逐步推进的策略我国的建筑节能工作取得了一定的成效。
因此,建筑节能已经成为影响能源安全、优化能源结构提高能源利用效率和可持续发展的关键因素。
实施建筑节能无疑将保护我们有限的自然资源、减少环境污染,实现国民经济和社会的可持续发展以及人们生活水平的极大提高。
不少业内人士也对某些城市进行了小范围的建筑能耗分析一建筑节能现状调查。
1998年,龙惟定等对上海地区的公共建筑能耗现状进行了调查分析,并与日本东京作了比较,得到上海平均的空调装机冷量为127w/m2,比日本东京213幢高层建筑中的调查结果大12.6%,而建筑能耗的平均值则超过日本数值11.1%,并提出了用能量效率作为建筑基恩能评价指标较之用单位面积平均一次能耗更为合理。
清华大学的武海斌等曾对北京市的410户城市居民家用空调器的耗电量进行了调查与研究,得出了以建筑面积为自变量的空调用电量的概算指标计算公式,并对未来家用空调器耗电量进行了分析预测[20]。
广州大学对广州八个区633户住宅建筑能耗现状进行调查与分析,根据广州的气候特点,通过分空调期与非空调期进行的调查得到了广州市住宅单位面积能耗、人均能耗、户均能耗等指标。
2005~2006年,谢艳群等人采用问卷调查对长沙市居住建筑能耗的影响因素进行偏相关分析,发现住宅建筑的总能耗、单位建筑面积能耗与家庭年收入、家庭常住人口密切相关,与建筑面积、建筑总层数、住户所在楼层、建筑朝向、供暖方式、空调方式不显著相关[21]。
新疆地区建筑节能工作起步较晚,2003年乌鲁木齐市、石河子市等大中城市新建的多/高层住宅设计标准达到节能50%;
2005年博乐、阿勒泰等中小城市新建多层住宅设计为节能50%;
2006年小城镇中心多层住宅才开始按节能50%的要求设计。
2003年4月至2007年10月,全区新增民用建筑5451.92万平方米。
2010年新疆继续加大节能减排力度,共投入8000万元重点支持既有建筑节能改造项目、可再生能源建设应用示范项目、公共建筑合同能源资源管理项目,以及节能能力建设。
新疆建筑节能的发展。
2003年1月新疆维吾尔自治区建设厅文件新建法[2003]1号“关于引发《新疆维吾尔自治区实施(民用建筑节能管理规定)细则》的通知”中强调了新疆地区民用建筑节能50%必须严格执行。
建筑体形系数宜控制在0.30及0.30以下,若体形系数大于0.30时,则屋面和外墙应加强保温的做法,使其传热系数符合不同地区采暖居住建筑各部分围护结构传热系数限值的规定。
新疆维吾尔自治区各建筑设计、科研、施工、建材以及供热站、网、物业管理部门都围绕着建筑节能做了不少工作。
1、对建筑节能工作的重要性和紧迫性认识不足,机构监管不到位。
由于部分地区的管理部门对建筑节能的重要性和紧迫性认识不足,使得建筑节能工作开展较为缓慢,同时在建筑节能管理制度和措施上需要做进一步的去完善和改进。
某些地区新建建筑执行节能标准不高,中小城市和村镇工程的建筑节能工作薄弱,一些地市还未建立系统独立的建筑节能工作机制和领导监督部门。
2、在建筑节能方面投入的人力、物力、财力过少。
第一,部分地区节能工作没有专人负责,管理比较松散,因而建筑节能工作无法系统进行。
第二,由于资金短缺,进行供热体制改革所需要的基础数据无法收集到位,很多研究开发项目都处于停滞状态,如现有建筑的节能改造项目的落实缺少有效手段,难以实现。
3、建筑节能产品、技术得不到较为有效的推广。
一些成熟的节能技术与节能产品得不到及时推广应用,一是节能技术和产品的可选择性不足。
在新技术、新产品推广应用中没有形成竞争机制,不能充分发挥市场的调节作用。
二是新型节能材料虽然性能优良,但价格偏高,难以推广。
4、制约建筑节能的工作推动的应该是供热体制改革的进度。
由于基础工作薄弱,分户计量、统计等基础工作严重滞后,有些统计数据准确性、及时性差,科学统一的分户计量统计体系、监测体系和考核体系尚未建立,各部门统计力量不足,统计经费落实困难,不适应建筑节能工作的要求。
使得我区的供热体制的改革至今进展缓慢,影响了建筑节能工作的整体进度。
5、新型能源技术和可再生能源利用不足。
新疆有着丰富的太阳能和风能资源,虽然已开始逐步利用,但在利用的程度和水平上与国外相比还有很大差距,使得这些优势资源没有得到充分的开发和利用。
新建的节能住宅围护结构的保温、隔热和气密性都有了明显改善,住宅确实提高了保温功效。
但是,新疆与内地省市相比,还落后很多。
1.3调查方法及课题研究的内容
以五家渠市居民及相关人员为对象采取抽样的调查的方式,对居民建筑节能进行问卷调查,主要调查内容:
居民对建筑节能的了解程度、居住建筑的体形系数、建筑面积窗墙比、建筑外围护结构等,得出各节能参数的分部特点。
通过居民及相关人员对建筑节能的了解程度,分析出五家渠市建筑节能现状。
通过研究然后对五家渠市建筑节能提出可行性建议。
第2章五家渠市建筑节能调查结果分析
2.1建筑节能产品消费者
通过对居民的调查,从住房产权、房屋类型、房龄、职业、文化程度、家庭月平均收入的比例可以看出产权自有(占59.78%)、多层(占42.22%)5年以下(占43.33%)的房屋相对较多,反映出五家渠市居住房屋的性质及现状,其他房屋占房屋类型的22.82%,是因为五家渠市成立不久所以本市内有着许多的平房。
五家渠市的居民文化水平,大专以下的相对较多占64.04%,本科占25.69%。
家庭平均月收入3000以下(占35.55%)及3000~5000(占33.33%)居多。
表2-1居民样本构成
类别
居民样本构成
比例(%)
住房产权
产权自有
公房租赁
房产租赁
租赁他人住房
其他
59.78
6.52
4.34
22.82
房屋类型
多层
高层
单身公寓
别墅
42.22
11.11
8.88
7.77
30
房龄
5年以下
5-10年
10-20年
20-30年
30年以上
43.33
20
18.88
10
职业
建筑专业人士
政府机关人员
公司职员
学校教师
自由职业者
4.44
2.22
15.55
51.11
22.22
文化程度
大专以下
本科
硕士
博士
64.04
25.69
6.74
2.24
家庭月平均收入
3000元以下
3000-5000元
5000-8000元
8000-15000元
15000元以上
35.55
33.33
17.77
消费者对建筑节能产品的了解程度如表2-2所示,从表中我们可以看出,41.75%居民对建筑节能不了解,了解的占24.17%;
建筑节能的了解程度与一下相关因素密切相关:
一、居民的文化水平;
二、政府对建筑节能的宣传力度;
三、建筑节能的收费情况;
四、居民的工作性质。
通过调查可以看出整体上消费者对建筑节能的了解程度普遍较低。
消费者对建筑节能的了解渠道如图2-1所示,可以看出消费者对建筑节能的了解渠道大多都是电视、网站、政府部门的节能宣传周活动、书刊、杂志,朋友谈论等四种渠道。
其中政府部门的节能宣传周活动占9%书刊、杂志占12%电视、网站占48%朋友谈论占17%没有任何渠道占14%。
其中48%的人是通过电视、网站了解建筑节能,9%的人是通过政府部门节能宣传活动,而14%的人是没有任何渠道,这样可以看出,政府部门对于建筑节能的宣传力度还不够,所以政府部门应该在建筑节能方面给予大力的支持。
表2-2消费者对建筑节能产品了解程度
对建筑节能产品的了解程度(%)
消费者
没听说过
不了解
了解
比较了解
非常了解
居民
19.78
41.75
24,17
9.89
4.39
图2-1消费者对建筑节能的了解渠道
通过对图2-2的数据显示,我们可以看出,大部分以上的消费者愿意接受建筑节能的改造,对国家的政策也相对支持,由此可以看出人们对建筑节能的大力支持。
但由于消费者对建筑节能的了解渠道相对较少,所以政府部门应该加大对建筑节能政策的宣传力度,
图2-2消费者对建筑节能改造意愿
2.2单体建筑节能分析
2.2.1建筑的分类
《民用建筑设计通则》GB50352—2005对民用建筑的分类标准作出了具体明确的规定。
按民用建筑层数与高度划分为:
1、低层住宅:
1层~3层;
2、多层住宅:
4层~6层;
3、中高层住宅(也称小高层住宅):
7层~10层;
4、高层住宅:
11层~30层;
5、30层(不包括30层)以上为超高层住宅。
通过以上的划分,对五家渠市60栋居住建筑的调查,各类型建筑所占比例如表2-3所示,低层建筑占11.66%,多层占68.33%,五家渠市成立时间很短,所以大多数建筑还局限于多层。
中层占13.33%,高层及超高层占6.66%,随着经济的发展,中层建筑、高层及超高层建筑也在不断的涌现。
表2-3各类建筑数量百分比
建筑类型
低层建筑(1层-3层)
多层建筑(4层-6层)
中高层建筑(7层-10层)
高层及超高层建筑
(11层及以上)
数量
7
41
8
4
百分比
11.66%
68.33%
13.33%
6.66%
2.2.2建筑体型系数
《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)新疆维吾尔自治区实施细则》X1.1001—1999(该标准由新疆维吾尔自治区建设厅主编与批准,施行时间为2000年2月1日。
在论文后面的论述中简称为《细则》)体形系数(Shapecoefficientofbuilding)建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的体积的比值[17]。
外表面积中,不包括地面和不采暖楼梯间隔墙和户门的面积。
由于建筑物内部的热量是通过围护结构散发出去的,所以传热量就与外表面传热面积相关。
体形系数越小,表示单位体积的外包表面积越小,即散失热量的途径越少,越具有节能意义。
研究表明,随着这一比值的增加,建筑能耗也相应提高。
大量研究也证明,在其他条件相同的情况下,建筑物的采暖耗热量随体形系数的增大而呈正比例升高。
《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》X1.1001—1999中规定建筑物体形系数宜控制在S=F0/V0≦0.3。
当S>
0.3时,则屋顶和外墙应加强保温,其传热系数应分别符合相应的规定。
通过对五家渠市建筑体形系数的调查,如表2-4所示,大多数建筑的体形系数在0.30~0.39之间,不符合其《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》X1.1001—1999的规定。
超过规定体形系数0.30的建筑,则屋顶和外墙要加强保温,屋面在传热系数上,Ki表示传热系数K表示传热系数限值。
当传热系数:
Ki≤K时,满足要求;
Ki>
K,时不满足要求。
五家渠市居住建筑大多数Ki系数在0.29、0.31、0.41、0.36。
K系数在0.40、0.30、0.45。
如表2-5所示,五家渠市属于七区,在传热系数上大部分大于0.30,不满足规定限值,所以在建筑节能方面,还应该加大力度。
表2-4建筑体形系数和结构类型
建筑名称
体形系数
结构类型
滨河花园小区
S=F0/V0=0.39
砖混结构
五家渠阳光小区
框架结构
碧水华庭小区
S=F0/V0=0.31
华祥苑小区
S=F0/V0=0.33
医药小区
S=F0/
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