建筑能耗与城市热岛效应

2015-08-15徐卫星赵建广

城市地理 2015年18期

关键词：围护结构屋面能耗

王琳张冰徐卫星赵建广

(1.河南牧业经济学院，河南郑州 450011;2.西安翻译学院，陕西西安 710000)

1.概述

1.1 城市热岛效应

随着城镇化进程的发展，导致城市气温高于郊区气温的现象称之为“城市热岛效应”。城市下垫面、大气污染、人工热源、绿地减少、人口迁徙等是形成城市热岛效应的主要因素。

第一、城市下垫面(大气底部与地表的接触面)特性的影响

城市内大量人工构筑物改变了下垫面的热力属性，在相同的太阳辐射条件下，他们比自然下垫面升温快;城市地表含水量少，热量更多地以显热形式进入空气中，导致空气升温。

第二、大气污染

城市中的机动车辆、工业生产以及大量的人群活动产生的NOX、CO2、SO2、CO、粉尘等物质可大量吸收环境中的热辐射能量，引起大气的进一步升温。

第三、人工热源的影响

居民生活和工业生产不但需要消耗大量能源，而且在同时向周围环境排放热量!

此外，随着城市化的发展，城市人口的增加，城市中的建筑、广场和道路等大量增加，绿地、水体等却相应减少，缓解热岛效应的能力被削弱。

1.2 建筑能耗的定义及我国建筑能耗的现状

建筑能耗由广义建筑能耗和狭义建筑能耗两种定义方法。我们一般所说的建筑能耗指的是狭义的建筑能耗，它指的是在建筑使用期限内，为维持建筑正常功能所消耗的能耗，包括采暖、空调、照明、热水、家用电器和其他动力能耗。

建筑市场的飞速发展以及人民对居住舒适度的要求的提高，使得我国的建筑能耗飞速增长。据统计，我国的建筑能耗占全社会总能耗约28%，按照国际经验和我国目前建筑用能水平发展预测，到2020年，这一比例将达到35%左右，成为社会各行业中能源消耗的首位。

1.3 建筑能耗与城市热岛效应之间的关系

热岛效应对建筑能耗影响较大，既有正面影响也有负面影响。在热岛效应的影响下，将会减少冬季的建筑能耗而增加夏季的建筑能耗。目前，我国建筑能耗中的能源绝大部分最终以热能的形式排入周围环境，增强城市的热岛效应，从而增加建筑的空调负荷。

根据理论分析，建筑能耗随着城市热岛效应的增强而增加。因此减少城市热岛效应是降低建筑能耗的措施之一，而降低建筑能耗又能从一定程度上减缓城市热岛效应所带来的负面影响。

2.降低建筑能耗缓解城市热岛效应

建筑能耗在消耗传统化石能源的同时，还在不停地向外“倾泻”着热量，因此合理的建筑节能措施不仅可以节约能源而且可以削弱城市热岛效应。建筑节能从技术途径上来说，主要有以下几方面:

2.1 减少能源总需求，提高能源使用效率

减少能源的需求量，主要是减少建筑的冷、热及照明能耗;提高能源使用效率，即提高制冷(采暖)系统的效率，包括设备本身的效率、管网的输送效率、末端计量及室内环境控制装置的效率等。一般需从建筑的规划设计、围护结构、建筑设备和运行管理等方面实现。在对建筑进行规划和设计时，优先考虑利用现有的自然环境营造良好的室内微气候，减少对采暖、空调、照明、通风等相关设备的依赖;在围护结构方面，改善建筑物围护结构的热工性能，从而减少建筑冷、热消耗;在建筑设备方面，设计高能效的暖通空调系统，提高能源的使用效率等。

2.2 建筑围护结构的节能设计

建筑围护结构的热量损失主要来自于外墙、门窗和屋顶。高效经济的保温隔热材料及切实可行的构造措施是这三部分节能设计的重要环节。

2.2.1 墙体节能

墙体是建筑围护结构的主体，应将建筑设计和保温节能改造措施结合起来来节约能耗。在设计时，首先要严格控制建筑物的体形系数，有研究表明，体形系数每增加0.01.能耗指标约增加2.5%。其次，减少外围护结构总面积，建筑外表面积越小，能耗越小。同时，结合建筑所在地的地理位置，正确选择建筑朝向，充分利用太阳能。

2.2.2 门窗的节能措施

门窗具有通风、采光及装饰建筑的作用，是围护结构中热量损失最严重的部位。门窗等围护结构的节能可从以下几点着手:

(1)在满足室内通风、采光的景观的条件下，尽量降低窗墙比。

(2)提高窗的保温隔热性能。

(3)提高门窗的气密性，减少空气渗透。

(4)设置遮阳设施，遮挡过度的阳光辐射，阻隔热辐射进入室内。

2.2.3 屋面保温隔热节能

屋面节能也是围护结构节能中不可缺少的一部分，屋面保温隔热性能的好坏是顶层楼居住条件和降低空调(采暖)能耗的重要因素。屋面的保温主要是通过改善屋顶的热工性能以阻止室内热量的损失;屋面的隔热主要是减少直接作用于屋顶表面的太阳辐射热量，常用的构造做法有架空个屋面、种植屋面和蓄水屋面。

2.3 降低建筑设施运行能耗

采暖、制冷是建筑能耗的主要部分，降低这部分能耗将对节能起着重要的作用。具体措施有:在空调系统中，采用大温差小流量、变温差、变流量等技术减少水路、风路系统的容量，降低水泵、风机的功率，降低能耗;在系统运行时，根据实际产生的负荷对机组的冷(热)量、循环管路的水流量及送风量进行调整等。此外，合理设计照明回路、减少不必要的照明负荷，采用高效节能的光源和灯具、制定合理的节能控制策略、加强运行管理。

3.改善城市热岛效应降低建筑能耗

前面分析得出太阳辐射也是产生城市热岛效应的主要原因之一。因此可以通过减少太阳辐射的影响来减少城市热岛效应以及减少建筑能耗。目前常用的方法是将太阳能转化为其他可利用形式的能源:

3.1 太阳能热水器

太阳能热水器是将太阳能转化为热能将水从低温加热到高温的产品，是太阳能利用中技术较简单、应用最广泛的设备。使用太阳能热水器减少了煤、石油、电等常规能源的消耗从一定程度上缓解了我国能源的紧迫现状，而且太阳能属于清洁能源使用之后不会污染环境。但太阳能热水器的使用受气候环境影响因素大在阴雨天气里太阳能热水器利用率低。

3.2 太阳能吸收式制冷空调

太阳能空调一种只用太阳能，即可夏天制凉冬季取暖的空调。其工作原理是:

在集热器中，利用太阳辐射将水加热，为制冷机组发生器提供所需的热量，从而保证系统正常运行，产生制冷的效果。与常规空调相比，太阳能吸附式空调具有以下三大优点:

(1)季节适应性好:夏季，太阳辐射越强，人们的空调的需求越高，而此时系统的制冷效率也将达到最高。

(2)经济有效:可同时提供夏季制冷、冬季采暖以及热水供应，一机三用，能源利用率高，经济性能显著;

(3)环境效益显著:系统的运行不消耗传统的化石能源，不向外界排放废水、废气和废渣，且所使用的制冷剂对臭氧层无破坏作用。

3.3 太阳能发电技术

根据能量转换方式的不同，太阳能发电可分为光热和光伏两种形式。太阳能光热发电是利用反射镜聚焦的方式将太阳直射光聚集起来，加热水产生蒸汽，蒸汽驱动汽轮机发电。根据光生伏特效应，将太阳能直接转换成电能的发电形式称为光伏发电。太阳能光伏发电的产销量、发展速度及应用前景都优于光热发电，待其成本降低后，几乎可用于任何需要电能的场所。