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江亿院士谈污染与能耗:中国建筑何去何从?

时间:2015/3/3 13:53:19   作者:DR《设计与研究》   来源:DR《设计与研究》   阅读:2438   评论:0
内容摘要:你大概看过柴静的视频了,在片子的后半段,江亿院士告诉她,中国的城市建设严重过剩,这是我们环境恶化的一大诱因。  建筑和城市规模的膨胀,究竟怎样消耗着环境资源?我们究竟需要按照怎样的生活模式来建造我们的建筑?究竟怎样的建筑才是有利于环境的?经过大众媒体的普及和警醒,我们再来看看这位我国建筑热环境工程学科的倡导者深入的专...

 你大概看过柴静的视频了,在片子的后半段,江亿院士告诉她,中国的城市建设严重过剩,这是我们环境恶化的一大诱因。

  建筑和城市规模的膨胀,究竟怎样消耗着环境资源?我们究竟需要按照怎样的生活模式来建造我们的建筑?究竟怎样的建筑才是有利于环境的?经过大众媒体的普及和警醒,我们再来看看这位我国建筑热环境工程学科的倡导者深入的专业评述。

(本文为江亿院士在中国建筑设计研究院演讲整理而成,未经本人审阅。)


文 / 江亿

各国建筑能耗现状


  建筑是能源消耗的大户,对全球的能源消耗进行分析,可以发现,发达国家消耗了其中的50%,其总人口约为10亿人,由建筑产生的能耗约为17%;而包括中国、印度、俄罗斯在内的其他发展中国家,总人口为60亿,同样消耗了50%的能源,建筑能耗占其中的1/4,即12.5%。这样平均个人的建筑能耗,大约是1:8的关系。也就是说,在建筑运行中,发达国家1个人消耗的能源几乎接近发展中国家10个人消耗的。


江亿院士谈污染与能耗:中国建筑何去何从?

江亿院士谈污染与能耗:中国建筑何去何从?
世界各国能源消耗比例


减少碳排放,真正实现可持续发展,其核心问题在哪儿?如果说提高产品能效,单位能源消耗量从800多斤标准煤降低到700多斤、600多斤,已经是巨大的技术进步,不得了了。或者说把这些能耗大的产业转移到其他更为落后的国家,可能减少了中国的单位能源消耗量,但还是会消耗地球的能源,排放二氧化碳。从全球节能减排,提高能效的角度出发,必须要把非直接生产过程,主要是建筑用能的总量有效地降下来,从发达国家和发展中国家两方面着手,提倡新的生活方式、社会模式,最终实现全体人类的可持续发展。


江亿院士谈污染与能耗:中国建筑何去何从?
世界各国人均建筑能耗(单位:kgce/(ca.a))


上图反映了目前各国建筑能源消耗的状况。圆圈的大小代表国家总的建筑能量,横轴代表人均建筑能耗,纵轴代表单位面积平均能耗。美国的总量是13.8亿吨标准煤,中国城市和农村差别太大,城市是3.25,农村是1.92亿吨标准煤,一共5亿多;人均能耗美国约为5000,中国城市是500多,美国是中国的10倍,单位面积平均能耗美国是50,中国城市是20,美国是中国的2.5倍。日本和韩国的能耗也不低,其次是欧洲各个国家。


我们引用这张图并不是要反对建筑节能,而是强调,中国的建筑节能工作面临着何等艰巨的挑战。如果按单位建筑建筑面积能耗计算,如果中国比美国、欧洲高两三倍,那我们向人家学习,就能降低能耗。但我们目前已经比人家低很多了,要是再简单照抄他们的方法,可能能耗反而高了。


建筑节能的根本目的,是要通过我们的工作,在满足社会发展、人民需求的前提下,降低建筑能源消耗总量,而不是追求表面的虚名。我们必须走一条适合中国自己的路,实实在在的把我们能源消耗降下来。


印度的单位面积平均能耗比我们还低很多。这几年印度政府更积极响应全世界节能减排的号召,多次发表相关的文件,请专家制定了比美国标准还严格的建筑节能标准,但结果是新建的建筑能耗比以往的还要高。他们没有弄明白自己的状况和发达国家状况的差异,以为学习发达国家都是好的,照搬人家的节能标准,却产生了非常危险的后果。中国不能再走这样的道路。


单位建筑面积能耗的发展变化


为了弄清楚中国的建筑节能该如何进行,首先要明白为什么我们和发达国家的单位面积建筑能耗相差这么大。


因此,我们研究了美国半个世纪以来的单位面积建筑能耗的变化过程。从二战结束后到现在,在技术水平不断提高的情况下,美国的单位面积能耗却上涨到原来的2.5倍,产生这种改变的原因是生活方式和营造室内环境的理念的改变。


江亿院士谈污染与能耗:中国建筑何去何从?
美国单位建筑面积能耗的发展变化


再看日本。日本在半个世纪前的能耗和我们现在的水平接近,随着1965年奥运会后的经济腾飞,他们用10年的时间使能耗增长了一倍,以后增速趋于平缓。


江亿院士谈污染与能耗:中国建筑何去何从?

日本单位建筑面积能耗的发展变化


韩国从1996年开始,只花了七八年的时间就达到了这样的水平,这也正是韩国政府经济腾飞的时期。这些国家的事例都很有典型意义,增速也一个比一个快。面对这样的情况,我们中国该怎么办,该如何发展,就是一个很严峻的问题了。


举例来讲,清华大学在20世纪80年代至90年代修建的教学楼,每平方米能耗是30多度电,而21世纪初新建的教学楼,每平方米的能耗涨到60多度电,这和它们的设计理念、使用方式的改变都有很大关系,随着旧建筑的改造、拆除,采用新的建筑理念建造的房屋越来越多,我们的建筑能耗也会越来越高。如今新建的办公楼,已经很少有开窗户的了,但国内外许多专家的研究成果都表明,能否开窗,导致房屋的能耗相差几乎一倍。这种差异的产生,源于人们生活构成系统的变化。


现在有些发达国家的商家还在向中国推销他们的生活方式。有人向我介绍德国人引入北京的风机,做法是把窗户封死,弄个过滤风道,风机24小时不间断地向室内送风,说这是最新的,环保的理念。我很担心,这种潮流反而会让我们的室内环境、空气质量变差,让我们的能耗像他们的一样高。


现在的金砖四国——中国、巴西、印度、俄罗斯,总人口为32亿,如果全都发展到当前发达国家的水平,再加上现有发达国家的人数,共计42亿,消耗的建筑能耗将大于地球能够提供的能量总数。而随着这些国家GDP每年两位数的增长趋势,可能都不需要经过韩国所需的七八年时间,能耗就将成倍增加,那时我们就要面对地球不堪重负的严重后果了。而另一方面,随着城市建设的飞速发展,我们国家的建筑面积总量也在成倍增长,几乎每过七八年,城市建筑面积就翻一番,这更使得能源消耗总量大大增加。


我国各类建筑能耗与国外比较


我国北方城镇建筑耗能跟欧洲相差不多。欧洲建筑节能标准高,但有些老房子保温不太好,大多数建筑规模较小,体形系数大,中国的建筑相对外墙表面积小,采用热电联产,效率较高,因此消耗的热量差不多。对于南方,由于冬季没有室内采暖,能耗只有国外的1/7甚至更少。除了采暖,我国住宅单位建筑面积的能耗显著低于国外,因为我们还没有大规模使用烘干机和洗碗机这两个耗电量很大的家电,这也是中国住宅节能的优势。公共建筑方面的能耗呈现两极分化状态,某些全玻璃幕墙的建筑和国外的能耗接近,大多数建筑还低于国外水平。但随着这些年建设的快速发展,整体呈上升趋势。


住宅的能耗与生活方式有密切关系。首先来看夏季空调的使用。我们为此对北京一些有代表性的住宅夏季空调用电情况进行了调查。其中新建成的住宅,采用先进的能效很高的户式中央空调,但能耗几乎是采用分体空调住宅的10倍,其中最主要的问题出在运行小时数的差异上。

江亿院士谈污染与能耗:中国建筑何去何从?
北京住宅夏季空调电耗

江亿院士谈污染与能耗:中国建筑何去何从?

 住宅A   住宅B

江亿院士谈污染与能耗:中国建筑何去何从?

  住宅C      住宅D       住宅E


对于旧单元住宅的分体空调,使用者可能只在每天需要的时候开一会儿,而户式中央空调的运行方式要求空调必须全天开着,强迫使用者接受这样的生活模式。在中央空调盛行的西方,特别是美国,他们甚至连外出度假都不关空调,能耗自然比我们高很多。但如果13亿中国人都按照这种方式生活,消耗的能源将是不可想象的。

江亿院士谈污染与能耗:中国建筑何去何从?

南方城市不同室温的采暖电耗(模拟)


再来看南方地区的冬季采暖。经测算,以上海为例,采用热泵,在部分时间、部分空间采暖的情况下,房间温度14℃,每平方米耗电5度,房间温度16℃,每平方米耗电8度。但如果要采用全时间、全空间的采暖,温度达到22℃,用电量就要增加到30度。可见,一旦生活方式改变,能源消耗会大大增加。


现在南方很多新建的小区开始做集中供热,消耗的能源马上增长3~5倍。其实南方地区的室内外温差比北方,特别是东北地区小很多,是否有必要维持全空间、全时间的采暖?在这些地区,究竟应该采取怎样的采暖方式,在保证舒适性的前提下减少能源的消耗,也是我们下一步必须重点关心的问题。


下面我们来比较一下公共建筑的能耗差异。以中国和美国的办公建筑为例。在都采用集中供热的情况下,清华大学具有100多年历史的清华学堂,年耗电量是34kWh/m2a,而新建成的美术学院是65 kWh/m2a。中宣部113kWh/m2a,金茂大厦是215kWh/m2a。再来看美国,费城的沃顿商学院,气候条件和北京几乎一致,但耗电量是356kWh/m2a,而另一个作为节能示范研究的办公楼的耗电量仍然达到了160kWh/m2a。那么这么巨大的差别是怎么造成的呢?我们下面分析一下。


清华采用中央空调的教学楼年均耗电量为82kWh/m2a。而在美国相同气候条件下的宾西法尼亚大学,有将近100座建筑,采用集中供热和供冷,因而耗电量不包括供热和供冷的能耗,每平方米耗电量大于200kWh/m2a,而这还是美国十几个大学中耗电量偏低的学校。经过现场调研,我们找到了四个导致用电量偏高的原因。


第一,连续运行。灯不关,风机和空调也24小时不关。有人说,飞机经过美国上空,看到灯火通明,经过中国则感觉很昏暗,我们比美国落后多了。可灯开着自然会浪费电。2006年,宾西法尼亚大学的绿色大学委员会经过讨论,终于决定在夜间关灯,节约照明用电。但到了2010年初,他们惊讶地发现,关灯后虽然用电量减少了一半,但用于集中供热的蒸汽量反而大大增加。我们仔细研究了用电量曲线和蒸汽消耗曲线,发现原来两条曲线的走势都是水平的,现在晚上用电量降低,但蒸汽量反而上升。不光冬天上涨,夏天也上涨,因为那里对送风进行再热,晚上关灯后房间温度降低,系统为了取得平衡就自动进行再热,所以蒸汽量就上去了。


第二,集中和分散的差异。


第三,是单位面积冷量和热量的巨大差异。在中央空调长期运行情况下,北京的典型办公楼所需供冷的冷量为0.25~0.35GJ/m2,东京为0.43,上海为0.36,供热的热量在0.15~0.35 GJ/m2左右,东京0.45,德国0.4。而美国校园消耗的冷量平均为1.02GJ/m2,热量为0.84 GJ/m2。这是由美国建筑中使用的空调的工况决定的,即VAV+再热,造成了大量的冷热抵消情况。


江亿院士谈污染与能耗:中国建筑何去何从?
美国建筑中空调的典型工况:VAV+再热


在室外17℃,室内22℃的情况下,混和后是21℃,经过空调降温到14℃,在末端虽然说是变风量的,通常都开到最小,还要进行再热,加热到20℃。真正需要消耗的能量是264-228=36kW,但实际消耗了264+228=492kW。下图是四个位于不同气候类型中的美国校园建筑的全年冷量和热量消耗,横坐标是室外温度。


江亿院士谈污染与能耗:中国建筑何去何从?

美国校园案例全年冷热量


可以看到,不管室外温度多高多低,几乎全年都有冷热量的消耗,其中大部分都可以相互抵消。下图更为清楚地反映了这一情况,由于再热的需求,全年有45%的冷量和52%的热量是相互抵消的。


营造室内环境的两种途径

机械优先 自然优先

特点

全面调控 与自然环境连通

恒温恒湿 极端状况依靠机械方式

变化的室内状况

建筑和系统形式

尽可能气密 可开启外窗

尽可能保温 适当的保温

机械通风和排风热回收 良好的自然通风

集中式系统 分散可调的系统

运行模式

全时间、全空间 部分时间、部分空间


美国选择再热的原因一方面是为了除湿,但实际上除湿需要的再热量是很小的,约为0.05GJ/m2.a,因此更为主要的原因是协调不同区域间的差异,由于全年送风温度都是13℃,需要通过再热平衡需求,而VAV变风量箱选择过大,空调处理过程中的不合理再热,以及温度传感器的故障等情况,都会导致再热量过大。


江亿院士谈污染与能耗:中国建筑何去何从?
美国校园案例全年冷热量

(红色框内为相互抵消的冷热量)


第四,风机能耗的巨大差异。中国家庭普遍使用的自然通风加分体空调模式,功率为1W/m2,按年运行3000小时计算,单位面积年均能耗为3kWh/m2;如果使用新风(2W/m2)加风机盘管(1W/m2),功率为2+1=3 W/m2,年运行4000小时,需要12kWh/m2;而如果使用变风量的VAV,按照6次/小时换气计算,由于距离长、风量大,需要18 W/m2,年运行4000小时就是72kWh/m2,如果全年持续运行,即运行8760小时,年均能耗就是155kWh/m2。这就解释了我们测量的两座美国建筑的风机年耗电为168kWh/m2,甚至197kWh/m2的原因。



实现我国建筑节能的途径


我们可以把营造室内环境的途径分为两种:机械优先制和自然优先制。以往的大多数建筑都是自然优先的,有限度地改造自然环境,机械优先制是近百年来人类机械工业化后的产物,人的本事越来越大,想把什么都控制住,连室内环境都要实现恒温恒湿,强调气密和保温,所有的需求都通过机械方式来实现。两种理念引导下的建筑能耗会相差几倍甚至几十倍,这也是目前发展中国家人均能耗比发达国家少的原因。但地球的有限资源不足以支撑全世界60多亿人都按照机械优先的方式生活,最终,我们可能还必须回到自然优先的道路上来,才能实现人类真正的平等,共同享受资源开发的利益,让地球获得平衡。


我们国家目前建筑能耗显著低于发达国家,这是因为不同生活方式导致的。要实现我们国家的建筑节能,必须维持目前人居环境营造方式,而不能盲目引进西方方式。不同的营造方式需要不同的节能技术,要谨防大量直接拷贝发达国家的高技术节能措施,否则反而会导致消费领域能耗的大幅增加。抓建筑节能,看的不应该是谁的节能技术装的多,而需要建立科学的以能源数据为中心的建筑节能评价和考核体系,实行以能耗数据为导向的节能标准。探讨新的中国特色的建筑节能,成为发展中国家值得借鉴的方式,也是对世界和全人类的贡献。 


本文为江亿院士在中国建筑设计研究院演讲整理而成,未经本人审阅。本文刊登于DR《设计与研究》021期,欢迎转发,如需转载请征得本刊同意,并保留上述说明。


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