第2章　绿色建筑与节能

2.1　建筑能源利用

2.1.1　概述

2010年，中国首次超越美国成为最大能源消耗经济体。美国从2006年起新建建筑规模开始下滑，2010年比2006年同比减少55％，但同期的中国则迈开了高速建设的步伐，中国以及其他地区经济的快速发展带来的是建筑面积的日益增长，舒适的建筑内外部环境也成为人们对高品质生活的追求。但是，这一切都是以非常可观的能源消耗为代价的。

建筑正在日益成长为能耗大户，全社会总能源的20％～40％需要用于建筑，并且建筑能耗比例仍在攀升。根据美国能源部的统计数据[1]，美国建筑能耗占总能耗的比例2000年为38％，2010年已达41％，预计在2030年达到42％。

巨量的能源消耗也意味着大量的CO2排放。中国的CO2排放始终保持着较高的增长率，2008—2010年的增长率高达21％。为了完成哥本哈根全球气候变化大会上承诺的2020年单位GDPCO2排放比2005年下降40％～45％的目标，国务院已经连续多次制定了不同的减排要求，其中2014—2015年单位GDPCO2排放每年下降3.9％。但实际效果距离目标还相对遥远。为此，国家对建筑节能降耗的呼声越来越高，绿色建筑的相关标准、政策法规应运而生。住建部先后发布了《“十二五”建筑节能专项规划》（2012年）、《绿色建筑行动方案》（2013年）、《住房城乡建设事业“十三五”规划纲要》（2016年）等专项规划和行动方案，针对新建建筑落实强制性标准和既有建筑的节能改造提出了明确的发展目标和要求。绿色建筑可以有效降低建筑能耗，进而大幅减少CO2排放，部分绿色建筑甚至实现了零CO2排放的目标。

建筑能耗是指建筑物在建造和运行过程中所消耗的能量。建造能耗包括建筑材料、构配件以及设备的生产、运输、施工和安装所消耗的能量；运行能耗包括建筑使用期间的空气调节、照明、电器和热水等所消耗的能量。建造能耗一般仅占总能耗的10％，基本不会超过20％，且该部分可归类于绿色建筑的节材与材料资源部分，在本章不予讨论。因此，绿色建筑的核心是节能与能源利用，建筑节能的重点是有效降低建筑运行过程中的能耗。在绿色建筑的评价标准中，不管是设计评价还是运行评价，节能与能源利用所占的项目与比重都是最大的。

节能与能源高效利用的前提是要了解建筑能源的利用方式及能耗，包括建筑用能的类别和其分项用途。确定建筑能耗主要有两种方式：建筑设计阶段的能耗模拟和建筑运行阶段的能耗分项计量统计。两种方式简要介绍如下。

1.建筑设计阶段的能耗模拟

能耗模拟是在建筑设计阶段，根据设计的建设围护结构和建筑使用方式，对每小时、每月、每年的建筑能耗进行模拟计算和预测分析。代表性的软件有美国能源部的DOE-2、EnergyPlus，我国香港特别行政区的HK-BEAM，我国内地的DeST等。此外，还可以利用TRNSYS等软件对建筑暖通空调系统进行优化设计，降低运行能耗。建筑能耗模拟已成为绿色建筑设计的必要程序。需要注意的是，因为气候、使用条件等原因，模拟得出的能耗通常与实际能耗会存在一定的误差。

2.建筑能耗分项计量统计

能耗分项计量统计可以提供建筑各项能耗的准确数据，一般通过专业的能耗监测系统来实现。美国很早就开展了建筑能耗监测，而我国直到2008年起才通过导则、标准和法规明确规定公共结构建筑应实施“分项计量”，且主要对象是国家机关办公建筑和大型公共建筑。建筑能耗分项计量数据能帮助业主进行建筑能耗使用情况统计、量化能耗数据、掌握能耗动态信息、找出节能降耗着手点、对比节能效果差异等，还可以帮助政府利用能耗量化考核指标及能源按量收费等经济指标杠杆效应，达到整体节能的目的。本章的能源利用分析即来源于建筑能耗分项计量统计。

在电力、燃气、煤及油产品三大燃料类别中，建筑所用的主要燃料类别为电力和燃气，煤及油产品则很少使用。迫于节能减排的压力，燃煤和燃油锅炉在很多城市已经被禁止使用。

建筑用能的最终用途一般分为空气调节、照明、动力和其他特殊用电等。不同国家或地区对建筑能耗的划分统计也不尽相同，例如，我国香港特别行政区把商业及住宅建筑能耗细分为空气调节、照明、热水及冷冻、办公室设备、煮食和其他。

空气调节始终占据了建筑能源利用的大头。自从1905年美国开利公司发明空调以来，炎热和高湿的气候就再也不是人们生活的噩梦，身处湿热的夏季仍可自如享受惬意的凉爽。大自然已经再无法对人类的室内环境造成影响，人们开始追求对室内舒适度的完全控制，恒温、恒湿，连新风量都要通过机械通风来控制。各种商业和公共建筑中，对空气质量的要求也在逐年上升，从而新风负荷也成为建筑冷负荷不可忽视的部分，部分建筑新风负荷甚至已经达到空调能耗的一半以上。设计师对建筑美观和独特造型的追求逐渐抛弃了以往厚重的围护结构，追求大开窗、全幕墙设计、钢架型结构、轻型设计，导致了建筑冷热负荷的大幅增加。所有这些因素使得空气调节能耗逐年上升，到现在已经占据了整个建筑能耗相当大的部分。根据建筑类别及其所处地区的不同，空气调节能耗占据建筑能耗的比例已达到20％～60％。我国香港特别行政区2012年商业和住宅建筑的能耗分别占到总能耗的25％和34％[2]，而美国2010年的数据则是39.6％和39.4％[1]。下面简要介绍美国、我国香港特别行政区和内地建筑的能耗利用情况。

2.1.2　美国建筑能源利用

美国建筑能耗为39万亿Btu（1Btu=1055.056J），占美国总一次能源消耗的41％，其中，住宅能耗占建筑能耗的54％，商业建筑占46％。而同期工业和交通能耗则仅为总能耗的30％和29％[1]。根据美国能源情报署的统计和预测，在过去的30年中，美国建筑总能耗增长了48％，之后的20年将会维持平稳增长，如图2-1所示。

美国建筑中能耗最大的四个用途是采暖、制冷、热水和照明，占建筑一次能源总能耗的70％，如图2-2所示。其他最终用途（如电子设备、冷冻、通风、煮食）等占据了其余30％能耗。

住宅建筑的末端能耗中，采暖和制冷的空调能耗占53.9％。而在商业建筑中，空调能耗包括采暖、制冷和通风，共占建筑总末端能耗的42.8％。同时，商业建筑的照明能耗也要比住宅建筑高7.7％，详见表2-1。

2.1.3　我国香港特别行政区建筑能源利用

随着我国香港特别行政区经济发展和人口数量增加，建筑面积（包括住宅和商业）逐年增长，导致建筑能耗在过去的20多年中逐年上升。因为我国香港特别行政区在20世纪80年代转型为商业和金融中心，所以工业能耗逐年降低。图2-3反映了我国香港地区各类能耗在过去20多年间的变化情况[2，3]。根据香港特别行政区机电工程署的统计数据，2012年，香港地区住宅和商业建筑的能耗占总能耗的，其中，住宅占，商业占[2]。

我国香港地区早在1984年就开展了建筑能耗数据的分项计量工作。根据能源最终用途，建筑能源利用被细分为空气调节、照明、热水及冷冻、办公室设备、煮食和其他。不同类别建筑的能源利用方式有很大区别。商业类建筑能耗主要用于空调、照明和冷冻，它们占商业类建筑总能耗的63％，特别是空气调节能耗占总能耗的37％；住宅类建筑能耗主要用于空调、热水和煮食，这三类占住宅建筑能耗的68％，如图2-4所示。因为我国香港特别行政区属于湿热气候，常年温度高、湿度大，为了提高室内舒适度，空调的使用越来越广，空气调节能耗也因此占据了商业建筑能耗最大的比例。

2.1.4　我国内地建筑能源利用

我国是建筑大国，城市发展而导致的建筑面积逐年增长是建筑能耗逐年上升的根本原因。2001—2014年，全国村镇总建筑面积由338亿m2增长到605亿m2。同时，建设能源消费总量由2001年的约3亿吨标准煤增长到2014年的8.14吨标准煤，增长2.63倍，位居全球第二位，如图2-5所示。我国建筑规模仍处于急剧扩张之中，预计到2020年底，全国房屋建筑面积将达到686亿m2。

关于我国建筑能源利用的现状，之前曾有评价“建筑能源消费水平低、能源浪费严重、用能效率不高、能耗增长潜力大”[4]，即建筑能源利用总量和效率都有很大的提升空间。我国建筑能耗主要呈现以下几个特点：

（1）建筑单位面积能耗水平较世界发达国家要低，但单位面积能耗数值在不断上升中。图2-6反映了目前各国建筑能耗的状况。圆圈的大小代表国家总的建筑能量（单位是亿吨标准煤），横轴代表人均建筑能耗（单位是千克标准煤/（m2·年）），纵轴代表单位面积平均能耗（单位是千克标准煤/（人·年））。由图可知，我国城镇单位面积平均能耗为20千克标准煤/（m2·年），仅为美国的40％。其中的主要原因是我国对于建筑的服务水平，特别是室内舒适度的要求上要远低于发达国家，并且我国建筑的体型系数比发达国家小。较低的单位面积能耗水平并不意味着建筑节能不重要，相反地，这意味着我们在节能上要付出更多的努力。此外，随着生活水平的提高，单位面积建筑能耗正在不断上升。如图2-7所示，2012年公共建筑单位面积能耗比2001年增长了近40％，而城镇住宅单位面积的能耗则增长了近60％。

（2）北方城镇采暖能耗大，南方采暖需求增加。我国北方总建筑面积约75亿m2，约70％的城镇建筑面积采用集中供暖，总采暖能耗约1.42亿吨标准煤/年，单位面积能耗为3～20千克标准煤/（m2·年），占我国城镇建筑能耗总量约40％。我国长江中下游流域建筑面积约70亿m2，目前采暖能耗小于3千克标准煤/（m2·年），远小于北方采暖能耗。但目前采暖需求有逐渐增加的趋势。

（3）城乡建筑能耗差异大。我国由于城乡经济发展水平、生活质量的要求以及使用能源种类的差异，城乡建筑能耗差异达到1倍。建筑节能的重点仍然是城镇建筑。

（4）公共建筑，特别是大型公共建筑能耗高。2004年公共建筑面积为53亿m2，占全国建筑面积的14.7％，但其建筑能耗却占了当年总建筑能耗的21.7％。而占公共建筑4％面积的大型公共建筑，却占据了公共建筑能耗的15.7％，每平方米每年的耗电量高达70～350kW·h，约为住宅的10～20倍，是能源消耗的高密度区。

2.1.5　能源利用与节能技术分析

以上简述了典型地域的建筑能耗利用的总体情况和建筑分项能耗。可以看出，建筑能耗在国家能源消耗中占据着绝对重要的地位。建筑能耗分析不但为建筑节能提供方向和动力，同时也是绿色建筑设计的要求。

绿色建筑中，节能与能源利用主要包括三个方面：降低建筑能耗负荷，提高系统用能效率，使用可再生能源。如果说之前建筑能源利用的目标是节能减排，那么近期对建筑能源利用的要求则更进一步是（近）零能耗。

目前，国际上对零能耗建筑有三种理解，分别是净零能耗建筑、近零能耗建筑和迈向零能耗建筑，这些理解的主要区别源于对零能耗目标的期待。但不管是何种零能耗建筑或零碳建筑，都是要实现节能降耗减排的目标。不少国家或地区已根据各自发展实际，制定了自己的零能耗建筑中长期发展规划。例如，欧洲要求在2020年所有新建建筑全部为零能耗建筑。中国建筑科学研究院正在制定中国的零能耗建筑规划，计划在2030年实现新建住宅建筑达到零能耗。

要最大限度地实现建筑节能，达到（近）零能耗建筑的目标，主要有四个途径：

（1）被动式节能技术降低建筑冷热负荷，是建筑节能甚至是零能耗建筑的基础，将在本章2.2节详细讨论。

（2）高性能建筑能源系统，主要是主动式节能技术的利用，是实现建筑节能的重要途径，将在本章2.3节概要介绍。

（3）可再生能源的建筑一体化设计，是实现零能耗建筑的关键，将在本书之后的章节予以探讨。

（4）零能耗运行策略，是实现零能耗建筑的保障。再优秀的设计，如果无法得到有效运行，也难以达到目标。

如果要系统性提高建筑整体用能效率，实现（近）零能耗建筑，这四个途径的顺序不能任意颠倒。不采用被动式节能技术，即使能源系统效率再高，也难以实现有效节能；而即使全部能量都使用可再生能源，但不采用节能措施，也不能称为绿色建筑，因为它造成了不必要的能源浪费。