建筑节能改造技术

11引言1.1中国能源状况和环境污染随着经济的发展和人民生活水平的提高，能源的急剧消耗所带来的环境问题已频频出现。特别是近100年来，全球能源消耗平均以每年3%的速度递增，全世界一次能源消耗量己超过121亿吨标准煤。矿物能源的有限储量和能源需求的无限增长之间的矛盾日益突出，由此而引发的能源和气候变暖等问题受到了全世界的共同关注。我国人口众多，人均占有资源相对贫乏。能源资源不足是我国目前面临的一个严重问题。据相关资料统计，我国原油占2.4%，天然气仅占1.2%，人口约占世界人口的20%，人均能源占有量不到世界平均水平的一半。同时，环境污染直接或间接造成的经济损失占国民生产总值的比例已经达到3~4%。能源和环保问题己经成为制约我国经济增长、实现2020年国民经济发展战略目标的瓶颈因素。为此，中央提出建设节约型社会、构建资源节约型和环境友好型社会的战略目标，从而促进能源、环境和经济社会的协调、和谐和可持续发展。1.2中国建筑节能市场分析1.2.1中国建筑节能改造的环境需求据建设部发布的信息表明，中国建筑的能耗约占全社会总能耗的33.3%，而运营过程中的能耗占建筑能耗的70%，建筑业的二氧化碳排放占全国总体碳排放的43.7%，如今能达到新建建筑国家标准（必须节能50%）的建筑只占同期建筑总量约10%。我国住宅建设用钢平均每平方米55千克，比发达国家高出10%~25%，水泥用量为221.5千克，每立方米混凝土比发达国家要多消耗80千克水泥；大型公共及商业建筑的建筑面积不到城镇建筑总量的4%，却消耗建筑能耗总量的22%，日益成为能耗的“黑洞”。按照目前的发展趋势估算，到2020年我国建筑能耗预计将达到10.9亿吨标准煤（每吨标准煤按照中国的发电成本折合大约等于2700千瓦时），即2020年我国的建筑能耗将达到29430亿千瓦时。1.2.2中国建筑节能改造的社会需求我国的大型公共建筑普遍耗能偏高，其单位建筑面积用电量是普通居民住宅2的10～15倍。而相同类型的大型公共建筑之间的单位面积能源消耗差异巨大，能耗高的几乎是能耗低的两倍。大型公共建筑的能耗问题已经成为我国建筑节能的重点和难点问题。调查问卷对政府办公楼和大型公共建筑的调查显示，认为在现有用能基础上的节能潜力可以超过20%以上的比例达到了68%和59.3%，可以看出社会各界对政府办公楼和大型公共建筑的节能问题期望很高。调查结果如图1所示。图1不管是从环境污染方面，还是从社会民意方面看待中国目前的建筑耗能状况，我们都可以得出结论：对中国建筑的节能改造是非常必要的，而且市场潜力巨大。以下系统介绍了中国市场中普遍存在的四种建筑节能改造技术：地源热泵、中央空调节能改造技术、太阳能热水系统和建筑节能材料。2四种建筑节能改造技术综合研究2.1地源热泵地源热泵是一种先进的技术，它高效、节能、环保，有利于可持续发展。我国地源热泵的研究起始于20世纪80年代，最近5年，该项技术成了国内建筑节能及暖通空调界热门的研究课题，并开始大量应用于工程实践。2.1.1地缘热泵系统原理地源热泵技术是利用地下的土壤、地表水、地下水温度相对稳定的特性，通过消耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天3还可以将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。地源热泵不需要人工的冷热源，可以取代锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。2.1.2地源热泵系统的分类及特点（1）地埋管地源热泵系统该系统包括一台土壤耦合地热交换器，它或是水平地安装在地沟中,或是以U形管状垂直安装在竖井之中。不同的管沟或竖井中的热交换器成并联连接,再通过不同的集管进入建筑中与建筑物内的水环路相连接,它通过循环液（水或以水为主要成分的防冻液）在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的传热。其优点是：系统不受地下水量的影响，对地下水没有破坏或污染作用，系统运行具有高度的可靠性和稳定性。它的主要缺点是：由于管壁传热温差的存在，机组冬季地源侧水温低于地下水式系统5~10℃，机组夏季地源侧水温高于地下水式系统10~15℃，机组运行条件相对较差，降低了运行效率；埋地换热器受土壤性质影响较大；连续运行时，热泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度变化的影响而发生波动；土壤导热系数小而使埋地换热器的持续吸热速率变小，导致埋地换热器的面积较大等。（2）地下水地源热泵系统地下水地源热泵系统分为两种，一种为开式系统，另一种则为闭式系统。开式地下水地源热泵系统是将地下水直接供应到每台热泵机组之后，将井水回灌地下。由于可能导致管路阻塞,更重要的是可能导致发生腐蚀，故通常不建议在地源热泵系统中直接应用地下水。在闭式地下水地源热泵系统中,地下水和建筑内循环水之间是用板式换热器分开的，系统包括带潜水泵的取水井和回灌井。在地下水较深的地方，由于地层的隔热作用,其温度随季节气温的波动很小，特别是深井水的水温常年基本不变，对热泵的运行十分有利。它的优点是：系统简便易行，综合造价低，水井占地面积小,可以满足大面积建筑物的供暖空调的要求。其缺点是：地下水热泵系统需要有丰富、稳定、优质的地下水源支持；此外，即使能够全部回灌，怎样保证地下水层不受污染也是一个棘手的问题。（3）地表水地源热泵系统地表水地源热泵系统，由潜在水面以下的、多重并联的塑料管组成的地下水4热交换器取代了土壤热交换器，与土壤热交换地源热泵一样,它们也被连接到建筑物中，并且在北方地区需要进行防冻处理。地表水地源热泵系统的热源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。它的优点是：系统简便易行，初投资较低。缺点是：地表水地源热泵系统也受到自然条件的限制；此外，由于地表水温度受气候的影响较大,与空气源热泵类似，环境温度越低热泵的供热量越小，而且热泵的性能系数也会降低；一定的地表水体能够承担的冷热负荷与其面积、深度和温度等多种因素有关，需要根据具体情况进行计算；这种热泵的换热对水体中生态环境的影响有时也需要预先加以考虑。总体来说,所有地源热泵系统都有着突出的技术优点：高效、节能、环保和无污染。2.1.3中国地缘热泵的发展现状根据对国内160余项典型地源热泵工程的统计显示：地源热泵市场分布为办公楼40%、宾馆、酒店19%、住宅12%、厂房9%、别墅、度假村7%、商场6%、学校建筑5%、医院建筑3%,可以看出,地源热泵技术已经在多种类型的工程中应用。调查显示,从空调供热(制冷)面积来看,面积在5万m2以上的项目约占14%;在1～5万m2的约占48%,1万m2以下的约占39%。其中大的在几十万m2,像北苑家园小区面积达80万m2。小的是一些私家别墅只有约200-300m2,像北京如茵小筑别墅10号地源热泵供暖空调工程仅220m2。从项目上看,1000万以上的项目占14%，500～1000万元以上的项目占21%,500万以下的项目占65%。可见目前实施地源热泵技术的工程中还是中小项目居多。据统计，在地源热泵系统3种不同的系统典型工程中，采用地下耦合热泵系统的占35%，地下水热泵系统的占28%，地表水热泵系统的占37%（图2）。图25与此同时，在低碳节能成为全国乃至全球关注焦点的背景下，地缘热泵市场相关产品的销售出现了爆发式增长。2010年，地缘热泵销售总额将接近30亿元人民币，预计2011年地源热泵市场规模将同比2010年的增长将近1倍，达到60亿。按照目前的发展态势，地源热泵产品的总销售额年增长率将至少保持在40%~50%的水平，从而真正步入增长的“黄金五年”。2.1.4中国地源热泵工程案例分析——鹤壁市政府办公楼国家可再生能源建筑应用示范工程项目（1）工程概况鹤壁市政府办公楼包括三栋办公楼，其中市政府第一综合办公楼位于中间，东西两侧各一栋为市政府办公区小办公楼。鹤壁市政府第一综合办公楼，建成于1996年，地上8层，层高3.6m，檐高29.80m，室内外高差2.2m，总建筑面积为19398m2（不含地下室）。结构均采用钢筋混凝土框架填充墙结构，填充墙为混凝土加气砌块，厚度为200mm。鹤壁市市政府办公区小办公楼建筑5层，层高3.6m，檐高20.5m，室内外高差2.2m，总建筑面积为4313×2=8626m2。楼体结构为砖混结构，墙体厚度为370mm。该办公楼原有热源形式是采用城市集中供热，末端设备采用采暖散热器；冷源形式为空调系统，分体挂机。（2）改造前存在主要问题改造前该办公楼存在以下问题：1)围护结构体系保温性能差。2)夏季采用分体壁挂空调机制冷，冬季采用集中供暖。分体壁挂机的制冷能6效比低，既影响了建筑外墙美观，又影响了建筑的保温隔热效果，增加了能耗，降低了室内的舒适度。全年空调能耗和采暖能耗见下表1：表1（3）改造效果1)提高了办公环境的舒适度根据有关节能检测部门提供的现场实测数据，改造前办公室内温度仅为15.0℃左右，改造后在空调变频调速为中档的情况下，办公室内温度就能达22℃以上，办公人员也普遍反映改造后办公室内环境有了明显改善，工作效率也提高了。2)降低了全年采暖空调能耗根据有关节能检测部门提供的能耗数据，综合办公楼节能改造前全年空调能耗为1143762kWh，全年采暖能耗为968772kWh，改造后全年空调能耗为619784kWh，全年采暖能耗为689987kWh；小办公楼节能改造前全年空调能耗为313037kWh，全年采暖能耗为336510kWh，改造后全年空调能耗为190302kWh，全年采暖能耗为212417kWh，节能效果非常明显。（4）经济效益鹤壁市政府办公楼地源热泵中央空调系统与改造前的冷热源形式相比，体现了很高的经济效益。改造后达到了国家规定的公共建筑节能50%的标准要求，其经济效益主要体现为：1)所需设备装机容量明显降低据测算,该工程节能改造前设计热负荷为2380kW，设计负荷为2660kW,节能改造后设计热负荷为1200kW，设计冷负荷为1350kW,即经过节能改造，该工程设计热负荷和冷负荷分别降低了49.6%和49.2%。因此，所需供热供冷设备的装机容量有了明显降低。2)全年运行费用大幅降低夏季工况：夏季地下水源热泵系统能效比为：1002/222.6=4.50。而若该工程采用普通空调系统（分体壁挂机等），夏季系统能效比为2.75，7按每天运行10h，夏季运行100天计算，则每年夏季可节电1350kW×100×10h×（1/2.75-1/4.50）=19.09万kWh，电费单价按每度电0.66元计算，则每年夏季可节约电费12.60万元。冬季工况：冬季地下水源热泵系统能效比1147/304.6=3.77。则冬季运行耗电量为1200kW×120×10h/3.77=38.2万kWh，电费单价按每度电0.66元计算，则每年冬季仅需电费25.21万元，则节能改造后冬季可节约运行费用45.96-25.21=20.75万元。综上可知，节能改造后每年可节约运行费用12.60+20.75=33.35万元；除去室内部分，该项目地下水源热泵系统总增量投资为230万元，故投资回收年限为230万元/33.35万元≈7年，即实施中央空调系统改造7年内可收回成本，经济效益非常可观。（5）社会效益该办公楼节能改造后产生的社会效益主要表现为：1)降低煤炭消耗，缓解能源危机对既有建筑进行节能改造，新建建筑推行新的节能标准，降低建筑物能耗，加快新型能源的开发和综合利用。这样可以降低煤耗，减少浪费，减轻污染，对缓解我国目前能源短缺的状况起到举足轻重的作用。2)减少煤电供需矛盾，减轻发展压力我国二氧化碳排放量仅次于美国，高居世界第二位，而其中由燃煤排放的二氧化碳量更是高达80%左右。可见燃煤是影响我国二氧化碳排放量的最大因素。因此减少煤耗，可以缓解我国面临的政治和外交方面的压力，解决我国经济发展和对外贸易可能面临新的问题。（6）环境效益环境效益表现在采用地源热泵中央空调系统后，可以减少煤炭消耗，节约电力资源，减少二氧化碳等温室气体的排放量，降低温室效应；减少二氧化硫的排放量，减少酸雨的形成对建筑物的损坏；降低城市总悬浮颗粒物（TSP）年均值浓度。根据鹤壁当地煤炭的品质和等级，按照每燃烧1吨煤炭，将排放二氧化碳600kg