东北高寒地区建筑能耗分析与节能探讨

郭建 郭婺 吕春 张宇 王蕊 王丽

[摘要]随着我国国民经济水平的不断提高，合理节约能源和提高能源利用率是我国经济持续发展的重要因素。根据东北高寒地区地理位置与气候条件特点，分析东北高寒地区建筑热工环境，并基于现代的建筑设计理论，分析、研究该地区建筑能耗方面的诸多现象与问题。通过在东北高寒地区首要满足保温的前提下，分析民用建筑的外围护构件、公共建筑能耗等方面的现状，探讨东北高寒地区建筑节能设计中存在的问题与改进措施，在建筑节能设计中合理应对此类建筑在使用过程中的一些特性，降低因东北高寒地区建筑室内外温差大而产生的建筑能耗，提高能源使用率与舒适度，提升生活质量，营造宜人的建筑环境。

[关键词]东北高寒地区;建筑能耗;节能

[中图分类号]TU201.5    [文献标识码]A

随着中国经济的高速发展，我国对能源的需求也越来越多。我国的建筑用能占总能耗的50%以上，尤其我国高寒地区建筑能耗更高，相比于其他地区，高寒地区在冬季取暖所消耗的能源更多。同时面对上世纪70年代的石油能源危机，让我国越来越意识到能源的紧迫性，因此，也认识到降低建筑能耗提高建筑节能的重要性。在我国建筑节能快速发展，各政策互相协调下，建筑节能取得了长足进步，同时也面临很多问题，如大型公共建筑的节能问题，民众在追求快速获得利益的条件下，往往忽视建筑节能相关政策。监管不力信息不畅通，全体社会民众节能意识淡薄，加之缺乏强有力的引导，以致我国在建筑节能方面还没有完全达到的预期的效果和目标。因此，在未来的建筑节能中还有很多需要弥补和探索的方面。

一、东北高寒地区建筑热工环境

我国幅员辽阔，地形复杂，由于各地区緯度不同，接受的太阳辐射量存在差异。我国《民用建筑设计通则》将我国划分为五个气候区，即严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区。因此，即便在同一地区，气候也相差很大，各地的建筑节能设计也各有不同。南方地区的建筑需要遮光、隔热、通风，以保证室内有良好的舒适环境。北方地区的建筑需要保温采暖，需要充分的阳光进入建筑物内。因而，从建筑节能设计角度，必须对不同地区的气候特点进行针对设计。

东北高寒地区冬季漫长寒冷，持续时间占全年的1/3以上，冻土期长、冻土深、多风雪;夏季短促且不炎热。冬季一般时间可持续为当年11月份开始至第二年3月结束，这期间盛行偏北风，早晨和夜晚多烟雾、粉尘等且降雪较多、寒风刺骨。冰冻期可长达4个月，越偏向北方越寒冷，冬季持续时间也越长。在非降雪期，以晴天居多，寒冷且干燥。春、秋两季气候特点相似，春季一般是3月末或4月初至5月、9～10月为秋季。春季气温升高较快但不很稳定，昼夜温度起伏大，可谓是乍暖还寒。由于此时的温度波动大、复杂多变且冷暖交替频繁，常有“倒春寒”“春寒料峭”之说，另一个显著的气候特征是多沙尘、大风。春、秋两季的气候特征类似，但气候走向相反。秋季气温下降快，降水逐渐减少，降雨即为降温，俗语有“一场秋雨一场寒”的说法。秋季降水减少、晴天增、常形容为秋高气爽。但受低压和寒潮的影响，会出现大风且风速较快。夏季为6～8月，主要气候特点包括：日照强、天气炎热、干燥，多雨时期，暖湿气流活跃，闷热潮湿，有时会出现短时的暴雨、雷雨天气。盛夏多集中在7、8月，全年三分之二的降水量多集中在夏季。根据东北高寒地区的气候特点，建筑物必须保证良好的冬季防寒、保温、防冻性能，至于夏季隔热可不作为重点因素考虑。

二、东北高寒地区建筑能耗现状分析

建筑的能耗主要与当地气候条件、建筑功能、热工性能和各类设备使用率有关。东北高寒地区冬季寒冷而漫长，夏季凉爽而短暂。气候年较差很大，冰冻期长，冻土深，积雪厚，太阳辐射量大，光照丰富。我国房屋建筑按照使用功能的不同划分为民用建筑、工业建筑与农业建筑。民用建筑分为公共建筑和居住建筑，居住建筑主要为住宅建筑，公共建筑类型较多，如行政办公建筑、商业建筑、文教建筑、托幼建筑、观演建筑、展览建筑、纪念性建筑、医疗建筑、体育建筑、通讯以及交通运输建筑、生活服务类建筑等等。

东北高寒地区的采暖能耗占全国建筑能耗的比重较大，因此采暖节能潜力为我国各类建筑能耗中最大的，也是我国目前节能的重点环节之一。在东北高寒地区由于昼夜温差大，冬季漫长，所以外墙与其他地区不同，在围护结构各部分的能耗比重中，墙体约占25%-40%。其中外墙能耗占绝大多数，所以墙体是建筑节能的重要组成部分，改善墙体的性能，提高墙体的保温性将明显提高节能效果。东北高寒地区建筑物的外墙面积通常占围护面积的百分之八十左右，在相同建筑面积下，外墙长度的增加，导致外墙面积也相应的增加，也就导致供热能源的消耗的增加。故在对高寒地区建筑设计时，首先应通过计算，选择适当的跨度以求在同样的建筑面积下最小的外墙长度，尽量使建筑物外形简单，减少曲折，以减少外围长度。

门窗是建筑外围护结构的开口部位，人们通过门窗来满足自身对外界的需求，如通风，自然采光，接受自然光线和温暖的阳光，同时也可以开阔视野放松心情。但门窗又是造成能量损失的重要部位，门窗的保温、隔热性能将会影响建筑的室内环境，同时门窗也是影响建筑能耗的主要因素之一。门窗的能耗占建筑围护结构能耗的25%，因此增强门窗保温隔热性能，在建筑中减少门窗能耗是改善室内环境质量和提高建筑节能水平的重要环节。屋面作为外围护结构所造成的室内外温差热量传递大于任何一面外墙的能耗热量，目前屋面能耗占总能耗的5%-10%。由此可见，东北高寒地区合理控制由于外围护结构传热所消耗的能源是建筑节能及热工设计的重要因素，建筑外围护结构热工设计和节能方案应严格执行节能标准。

在东北高寒地区，建筑物的朝向应尽量选择朝南，因冬季的主导风向为西北风，所以建筑物也应选择南侧开门，生产类建筑在考虑东西侧开门时，首选东侧，同时南侧设窗，走廊设置在北侧。同时也要考虑建筑物之间的间距问题，过大的间距不利于土地节约，过小的间距则会影响日照，所以在高寒地区间距也尤为重要。在建筑总平面布置和设计中，应充利用冬季日照，建筑物朝向尽量选择能够接触日光最多的方向，一般采用接近南北方向的朝向，充分利用日照。在建筑空间布局上合理的安排，将主要使用空间设置在南向，辅助使用空间、交通空间设置在北向。

随着东北高寒地区公共建筑面积不断增加，公共建筑的能耗现状日益严重，建筑能耗主要由照明系统，采暖系统，空调系统以及各种电气设备构成。公共建筑的耗电情况根据不同的建筑类型，其耗电也有所差异。如酒店耗电情况，动力用电5%、空调用电32%、照明用电12%、其他用电23%;办公楼耗电情况，暖通空调48%、照明27%、办公设备22%、电梯3%;写字楼空调占49.7%、照明30%、卫生热水2.7%、动力设备及其他17%。各类商场也由原来的购物场所转变为如今的娱乐、休闲住宿为一体的综合商业体。公共建筑中酒店和商场的建筑能耗最高。

空调系统电耗由冷热源侧和末端设备电耗组成，空调末端设备电耗与系统运行时间数量密切相关。而且夏季空调系统电耗明显大于冬季空调耗电，随着室外温度的整体升高，其空调系统耗电也不断增加。

根据不同电梯装机率，使用时间以及使用情况，其耗电量也是不相同的。由于商场的人流相对较大，相对其他建筑，商场扶梯的使用频率，扶梯电梯电耗的比重最大，其中扶梯的耗电量约占55%。而商场的消防电梯占11%，电梯消耗量为14%。

由于东北高寒地区冬季气候寒冷，因此需要更多的消耗能源，才可以维持建筑的正常运转。大型公共建筑单位面积总能耗普遍较高，其中商场、宾馆酒店最高，其次是写字楼通过公共建筑耗能分析，总耗能组成中采暖热力消耗比重最大，尤其在东北高寒地区高达61%，其次是电力耗能约占27%。在电力消耗组成中照明消耗比重多达69%，空调电耗次之。因此除采暖热力消耗外，照明耗能也将是今后东北高寒地区公共建筑节能的重点。

三、东北高寒地区建筑节能设计理念

建筑绿色设计，建筑物与植物相结合，向绿色生态化发展。可利用公共建筑绿化屋面，形成一个人造的空中花园。不仅起到装饰的效果，给建筑起到保护作用，也兼备了给降温的作用，同时还可以增加城市的绿化面积。减少城市的热岛效应，增加城市的低碳。在建筑物外表面，种植一些攀附式植物，也可以给建筑物表面起到降温的作用。在感官上，让建筑物实现了绿色视觉，更加突出了建筑物与周边环境的有效结合。同时使用清洁能源和进行节能设计，充分利用自然光进行采光，与当地的风向相适应，减少空调设备的使用降低能耗，减少建筑物的散热负担。目前建筑材料的污染主要由建筑的石材、装饰涂料材料、建筑的板材组成。今后的绿色建筑将具有更加优质的环保特性，同时逐渐取代现有的建筑垃圾。新型保温隔热材料、防水密封材料、填充材料、装饰涂料等一些新型材料将是现代基础工程的主要材料来源。在探索和追求新型建筑材料的同时，还应注意保护自然资源，积极开发和利用可再生资源，如生物能、风能、太阳能、地热能，同时减少固体建筑垃圾的排放，做到回收利用，形成循环发展，做到有限的资源发挥更大的作用。

建筑的智能化设计，为生态、清洁、节能、生物能、太阳能等应用开发智能技术，为各类现代公共建筑提供技术支持，与此同时将生态建筑系统与智能建筑相结合，建筑智能化技术作为平台，建筑设备、办公自动化系统和通信网络、建筑结构、智能系统、优化的服务、标准的管理，两者之间的优化组合，将会为人们会创造出相对良好的环境，具有良好的安全功能和令人愉悦的舒适性功能，同时也便于适应我们人身体本身的生物调节。例如，智能照明系统的主要控制方法有时间程序控制、光敏控制、感应控制等。时间程序控制设计计算机程序时，经过定时器和其他电子元件，达到区域照明定时控制。时间程序控制有低成本，使用方便的特点。光敏控制主要根据外部环境光强度的大小，经过光敏自动检测元件将光强度变化转变成电信号，从而控制照明开关以及灯光的调节控制，令某一区域的照度保持在一个预先设定的值。感應控制主要通过传感器（红外传感器、动态和静态检测器、超声波探测器，音频接收器等）感应照明环境的变动来控制照明状况。传感器通常安置在天花板和墙、走廊、楼梯和其他位置，一般适用于人流量少的地方而且不是同步的地方。

绿色照明倡导的照明节能是我国建筑可持续发展的重要体现，随着照明行业的发展，节能高效灯具将是未来的主流。智能建筑的出现令照明系统趋向进行集中或单独调光、遥控等智能控制。随着技术的革新，将会出现越来越多的绿色、节能、智能化的建筑。

四、结语

由于东北高寒地区特有的气候条件与建筑能耗特点，亟须解决的问题之一就是能源消耗量大。在东北高寒地区建筑节能设计过程中根据不同的功能空间应用不同的相适宜的节能措施，多因地制宜，多与环境相结合，从而减少不必要的能源消耗，提高使用率，降低运行费用，做到节约、高效。东北高寒地区建筑应以保护环境、节约资源、减少能源消耗为重点，以绿色建筑、智能技术为依托，营造高效、舒适、安全、经济、有益环境，改善提高人们生活、工作、学习的条件和质量，以及有益人们身心的健康的公共空间环境。

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[作者简介]郭建（1983—），女，汉族，辽宁铁岭人，硕士，讲师，主要研究方向：建筑设计，建筑节能，智能建筑。