東北高寒地區建筑能耗分析與節能探討

郭建 郭婺 呂春 張宇 王蕊 王麗

[摘要]隨著我國國民經濟水平的不斷提高，合理節約能源和提高能源利用率是我國經濟持續發展的重要因素。根據東北高寒地區地理位置與氣候條件特點，分析東北高寒地區建筑熱工環境，并基于現代的建筑設計理論，分析、研究該地區建筑能耗方面的諸多現象與問題。通過在東北高寒地區首要滿足保溫的前提下，分析民用建筑的外圍護構件、公共建筑能耗等方面的現狀，探討東北高寒地區建筑節能設計中存在的問題與改進措施，在建筑節能設計中合理應對此類建筑在使用過程中的一些特性，降低因東北高寒地區建筑室內外溫差大而產生的建筑能耗，提高能源使用率與舒適度，提升生活質量，營造宜人的建筑環境。

[關鍵詞]東北高寒地區;建筑能耗;節能

[中圖分類號]TU201.5??? [文獻標識碼]A

隨著中國經濟的高速發展，我國對能源的需求也越來越多。我國的建筑用能占總能耗的50%以上，尤其我國高寒地區建筑能耗更高，相比于其他地區，高寒地區在冬季取暖所消耗的能源更多。同時面對上世紀70年代的石油能源危機，讓我國越來越意識到能源的緊迫性，因此，也認識到降低建筑能耗提高建筑節能的重要性。在我國建筑節能快速發展，各政策互相協調下，建筑節能取得了長足進步，同時也面臨很多問題，如大型公共建筑的節能問題，民眾在追求快速獲得利益的條件下，往往忽視建筑節能相關政策。監管不力信息不暢通，全體社會民眾節能意識淡薄，加之缺乏強有力的引導，以致我國在建筑節能方面還沒有完全達到的預期的效果和目標。因此，在未來的建筑節能中還有很多需要彌補和探索的方面。

一、東北高寒地區建筑熱工環境

我國幅員遼闊，地形復雜，由于各地區緯度不同，接受的太陽輻射量存在差異。我國《民用建筑設計通則》將我國劃分為五個氣候區，即嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區和溫和地區。因此，即便在同一地區，氣候也相差很大，各地的建筑節能設計也各有不同。南方地區的建筑需要遮光、隔熱、通風，以保證室內有良好的舒適環境。北方地區的建筑需要保溫采暖，需要充分的陽光進入建筑物內。因而，從建筑節能設計角度，必須對不同地區的氣候特點進行針對設計。

東北高寒地區冬季漫長寒冷，持續時間占全年的1/3以上，凍土期長、凍土深、多風雪;夏季短促且不炎熱。冬季一般時間可持續為當年11月份開始至第二年3月結束，這期間盛行偏北風，早晨和夜晚多煙霧、粉塵等且降雪較多、寒風刺骨。冰凍期可長達4個月，越偏向北方越寒冷，冬季持續時間也越長。在非降雪期，以晴天居多，寒冷且干燥。春、秋兩季氣候特點相似，春季一般是3月末或4月初至5月、9～10月為秋季。春季氣溫升高較快但不很穩定，晝夜溫度起伏大，可謂是乍暖還寒。由于此時的溫度波動大、復雜多變且冷暖交替頻繁，常有“倒春寒”“春寒料峭”之說，另一個顯著的氣候特征是多沙塵、大風。春、秋兩季的氣候特征類似，但氣候走向相反。秋季氣溫下降快，降水逐漸減少，降雨即為降溫，俗語有“一場秋雨一場寒”的說法。秋季降水減少、晴天增、常形容為秋高氣爽。但受低壓和寒潮的影響，會出現大風且風速較快。夏季為6～8月，主要氣候特點包括：日照強、天氣炎熱、干燥，多雨時期，暖濕氣流活躍，悶熱潮濕，有時會出現短時的暴雨、雷雨天氣。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。根據東北高寒地區的氣候特點，建筑物必須保證良好的冬季防寒、保溫、防凍性能，至于夏季隔熱可不作為重點因素考慮。

二、東北高寒地區建筑能耗現狀分析

建筑的能耗主要與當地氣候條件、建筑功能、熱工性能和各類設備使用率有關。東北高寒地區冬季寒冷而漫長，夏季涼爽而短暫。氣候年較差很大，冰凍期長，凍土深，積雪厚，太陽輻射量大，光照豐富。我國房屋建筑按照使用功能的不同劃分為民用建筑、工業建筑與農業建筑。民用建筑分為公共建筑和居住建筑，居住建筑主要為住宅建筑，公共建筑類型較多，如行政辦公建筑、商業建筑、文教建筑、托幼建筑、觀演建筑、展覽建筑、紀念性建筑、醫療建筑、體育建筑、通訊以及交通運輸建筑、生活服務類建筑等等。

東北高寒地區的采暖能耗占全國建筑能耗的比重較大，因此采暖節能潛力為我國各類建筑能耗中最大的，也是我國目前節能的重點環節之一。在東北高寒地區由于晝夜溫差大，冬季漫長，所以外墻與其他地區不同，在圍護結構各部分的能耗比重中，墻體約占25%-40%。其中外墻能耗占絕大多數，所以墻體是建筑節能的重要組成部分，改善墻體的性能，提高墻體的保溫性將明顯提高節能效果。東北高寒地區建筑物的外墻面積通常占圍護面積的百分之八十左右，在相同建筑面積下，外墻長度的增加，導致外墻面積也相應的增加，也就導致供熱能源的消耗的增加。故在對高寒地區建筑設計時，首先應通過計算，選擇適當的跨度以求在同樣的建筑面積下最小的外墻長度，盡量使建筑物外形簡單，減少曲折，以減少外圍長度。

門窗是建筑外圍護結構的開口部位，人們通過門窗來滿足自身對外界的需求，如通風，自然采光，接受自然光線和溫暖的陽光，同時也可以開闊視野放松心情。但門窗又是造成能量損失的重要部位，門窗的保溫、隔熱性能將會影響建筑的室內環境，同時門窗也是影響建筑能耗的主要因素之一。門窗的能耗占建筑圍護結構能耗的25%，因此增強門窗保溫隔熱性能，在建筑中減少門窗能耗是改善室內環境質量和提高建筑節能水平的重要環節。屋面作為外圍護結構所造成的室內外溫差熱量傳遞大于任何一面外墻的能耗熱量，目前屋面能耗占總能耗的5%-10%。由此可見，東北高寒地區合理控制由于外圍護結構傳熱所消耗的能源是建筑節能及熱工設計的重要因素，建筑外圍護結構熱工設計和節能方案應嚴格執行節能標準。

在東北高寒地區，建筑物的朝向應盡量選擇朝南，因冬季的主導風向為西北風，所以建筑物也應選擇南側開門，生產類建筑在考慮東西側開門時，首選東側，同時南側設窗，走廊設置在北側。同時也要考慮建筑物之間的間距問題，過大的間距不利于土地節約，過小的間距則會影響日照，所以在高寒地區間距也尤為重要。在建筑總平面布置和設計中，應充利用冬季日照，建筑物朝向盡量選擇能夠接觸日光最多的方向，一般采用接近南北方向的朝向，充分利用日照。在建筑空間布局上合理的安排，將主要使用空間設置在南向，輔助使用空間、交通空間設置在北向。

隨著東北高寒地區公共建筑面積不斷增加，公共建筑的能耗現狀日益嚴重，建筑能耗主要由照明系統，采暖系統，空調系統以及各種電氣設備構成。公共建筑的耗電情況根據不同的建筑類型，其耗電也有所差異。如酒店耗電情況，動力用電5%、空調用電32%、照明用電12%、其他用電23%;辦公樓耗電情況，暖通空調48%、照明27%、辦公設備22%、電梯3%;寫字樓空調占49.7%、照明30%、衛生熱水2.7%、動力設備及其他17%。各類商場也由原來的購物場所轉變為如今的娛樂、休閑住宿為一體的綜合商業體。公共建筑中酒店和商場的建筑能耗最高。

空調系統電耗由冷熱源側和末端設備電耗組成，空調末端設備電耗與系統運行時間數量密切相關。而且夏季空調系統電耗明顯大于冬季空調耗電，隨著室外溫度的整體升高，其空調系統耗電也不斷增加。

根據不同電梯裝機率，使用時間以及使用情況，其耗電量也是不相同的。由于商場的人流相對較大，相對其他建筑，商場扶梯的使用頻率，扶梯電梯電耗的比重最大，其中扶梯的耗電量約占55%。而商場的消防電梯占11%，電梯消耗量為14%。

由于東北高寒地區冬季氣候寒冷，因此需要更多的消耗能源，才可以維持建筑的正常運轉。大型公共建筑單位面積總能耗普遍較高，其中商場、賓館酒店最高，其次是寫字樓通過公共建筑耗能分析，總耗能組成中采暖熱力消耗比重最大，尤其在東北高寒地區高達61%，其次是電力耗能約占27%。在電力消耗組成中照明消耗比重多達69%，空調電耗次之。因此除采暖熱力消耗外，照明耗能也將是今后東北高寒地區公共建筑節能的重點。

三、東北高寒地區建筑節能設計理念

建筑綠色設計，建筑物與植物相結合，向綠色生態化發展。可利用公共建筑綠化屋面，形成一個人造的空中花園。不僅起到裝飾的效果，給建筑起到保護作用，也兼備了給降溫的作用，同時還可以增加城市的綠化面積。減少城市的熱島效應，增加城市的低碳。在建筑物外表面，種植一些攀附式植物，也可以給建筑物表面起到降溫的作用。在感官上，讓建筑物實現了綠色視覺，更加突出了建筑物與周邊環境的有效結合。同時使用清潔能源和進行節能設計，充分利用自然光進行采光，與當地的風向相適應，減少空調設備的使用降低能耗，減少建筑物的散熱負擔。目前建筑材料的污染主要由建筑的石材、裝飾涂料材料、建筑的板材組成。今后的綠色建筑將具有更加優質的環保特性，同時逐漸取代現有的建筑垃圾。新型保溫隔熱材料、防水密封材料、填充材料、裝飾涂料等一些新型材料將是現代基礎工程的主要材料來源。在探索和追求新型建筑材料的同時，還應注意保護自然資源，積極開發和利用可再生資源，如生物能、風能、太陽能、地熱能，同時減少固體建筑垃圾的排放，做到回收利用，形成循環發展，做到有限的資源發揮更大的作用。

建筑的智能化設計，為生態、清潔、節能、生物能、太陽能等應用開發智能技術，為各類現代公共建筑提供技術支持，與此同時將生態建筑系統與智能建筑相結合，建筑智能化技術作為平臺，建筑設備、辦公自動化系統和通信網絡、建筑結構、智能系統、優化的服務、標準的管理，兩者之間的優化組合，將會為人們會創造出相對良好的環境，具有良好的安全功能和令人愉悅的舒適性功能，同時也便于適應我們人身體本身的生物調節。例如，智能照明系統的主要控制方法有時間程序控制、光敏控制、感應控制等。時間程序控制設計計算機程序時，經過定時器和其他電子元件，達到區域照明定時控制。時間程序控制有低成本，使用方便的特點。光敏控制主要根據外部環境光強度的大小，經過光敏自動檢測元件將光強度變化轉變成電信號，從而控制照明開關以及燈光的調節控制，令某一區域的照度保持在一個預先設定的值。感應控制主要通過傳感器（紅外傳感器、動態和靜態檢測器、超聲波探測器，音頻接收器等）感應照明環境的變動來控制照明狀況。傳感器通常安置在天花板和墻、走廊、樓梯和其他位置，一般適用于人流量少的地方而且不是同步的地方。

綠色照明倡導的照明節能是我國建筑可持續發展的重要體現，隨著照明行業的發展，節能高效燈具將是未來的主流。智能建筑的出現令照明系統趨向進行集中或單獨調光、遙控等智能控制。隨著技術的革新，將會出現越來越多的綠色、節能、智能化的建筑。

四、結語

由于東北高寒地區特有的氣候條件與建筑能耗特點，亟須解決的問題之一就是能源消耗量大。在東北高寒地區建筑節能設計過程中根據不同的功能空間應用不同的相適宜的節能措施，多因地制宜，多與環境相結合，從而減少不必要的能源消耗，提高使用率，降低運行費用，做到節約、高效。東北高寒地區建筑應以保護環境、節約資源、減少能源消耗為重點，以綠色建筑、智能技術為依托，營造高效、舒適、安全、經濟、有益環境，改善提高人們生活、工作、學習的條件和質量，以及有益人們身心的健康的公共空間環境。

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[作者簡介]郭建（1983—），女，漢族，遼寧鐵嶺人，碩士，講師，主要研究方向：建筑設計，建筑節能，智能建筑。