建筑節(jié)能技術

第一章能源、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展

第一節(jié)能源概論

一、能量

(1)機械能是與物體機械運動或空間狀態(tài)相關的能量，包括固體和流體的動能、勢能、

彈性能和表面張力能。

設質量為m的物體的運動速度為v,該物體的動能均可以用下式表示:

2(10-1)

Ek=-mv

受重力作用，不同位置高度的物體具有不同的重力勢能。設物體的質量為m,高度為H,

重力加速度為g，則物體向重力勢能與可用下式表不：

Ep=mgH(1-2)

物體由于彈性變形而具有做功的本領，這種能量叫做彈性勢能。設物體彈性系數(shù)為匕

物體的變形量為-則物體的彈性勢能J用下式表示：

E=-kjc2(1-3)

r2

在不同物質和同一物質不同相的界面上，由于表面張力的存在而具有的做功能力稱為表

面張力能。設物體的表面張力系數(shù)為Q,界面面積為S,則表面張力能反可表述為：

E、=(T5(1-4)

(2)熱能

設溫度為7的系統(tǒng)的燧的變化為人，則熱能E,可以表述為：

Eq7Tds(1-5)

(3)輻射能

「，T

(1-6)

(4)化學能

(5)電能以電子的流動傳遞的能量。設驅動電子流動的電動勢為U,電流強度為I,

則電能反可以表示為：

Ee=UI(1-7)

(6)核能是原子核內部粒子相互作用所釋放的能量。核能要通過核反應釋放能量。核

反應有三種形式：①放射性衰變；②核裂變；③核聚變。

在熱力學第二定律中，端是不可用能的度量。嫡的增加意味著系統(tǒng)的能量數(shù)量不變，但

質量變差，做功的能力變低。因此熠博加意味著能量在質量上的貶值。如果環(huán)境溫度為%,

系統(tǒng)的牖增為z\s,則能量的貶值a為:

Eo=TokS(1-8)

n

圖i-i堀示意圖

設在圖1-1中，一臺卡諾熱機從高溫熱源吸收熱量Q,對外做功W,向低溫熱源放熱

Q.。熱曷■。的“用為：

EXQ=W=Q-QO=(\-^]Q

I/)(1-9)

Q=EX+AX(1.10)

在一定的能量中，”可占的比例越大，其能質越高。我們定義一個能質系數(shù)中如

(M1)

TT)(1-12)

二、能源

一次能源和二次能源表1-2

一次能源二次能源

煤炭、石油、天然氣、水力、核能、太陽能、電力、城市煤氣、各種石油制品、蒸汽、氫

地熱能、生物質能、風能、潮汐能、海洋能能、沼氣

從資源的角度出發(fā)，還可以將能源分為可再生能源和不可再生能源。國際公認的可再生

能源有六大類：

?太陽能；

?風能；

?地熱能；

?現(xiàn)代生物質能;

?海洋能；

?小水電。

即1-22005年世界各國的能源消費比例①

可燃可再生能源和

天然氣

20.7%

圖1-32005年世界一次能源消費量構成

O

L

B

C/D

/

Mww.Mgxom

<479|?934081

-----Close

圖1-4紐約石油期貨市場油價的變化(截止至2()08年6月)

第二節(jié)能源與環(huán)境

一、能耗引起的環(huán)境污染

二、能耗引起的全球氣候變化問題

(1)大氣污染和酸雨(雪、霧)，即跨國界的大氣污染問題；

(2)溫室氣體排放問題；

(3)臭氧層破壞問題；

(4)土地退化和荒漠化問題：

(5)水資源短缺和水污染問題；

(6)熱帶雨林的迅速戒少；

(7)生物多樣性(包括基因、物種和生態(tài)系統(tǒng))的破壞；

(8)有害廢棄物的越境轉移；

(9)海洋污染；

(10)人口增長過快。

這十大問題或多或少都與人類消耗能源有關，也或多或少與人類大規(guī)模的建設活動有

關。其中最直接的，也是影響最大的問題是溫室氣體排放、酸雨和臭氧層破壞。

TheGreenhouseEffect

SolarradiationpowersSomeoftheinfrared

radiationpassesthrough

theclimatesystem.

theatmospherebutmost

isabsorbedandre-emitted

inalldirections

bygreenhousegas

moleculesandclouds.

Theeffectofthisisto

SomesolarradiationwarmtheEarthssurface

isreflectecbyandtheloweratmosphere.

theEarthandthei

atmosphere.

|>TMQSPHF

EAR%

Abouthalfthesolarradiation

isabsorbedbyth?

Earth'ssurfaceandwarmsit.Infrarodradiationis

emittedfrcxrtheEarth's

surface.

圖1-5溫室效應示意圖①

圖1-6從公元元年開始大氣中溫室氣體濃度的變化1

0

6

6

二

9

6

L5

二

。

)

圖1-7有氣象記錄以來地球表面溫度的變化（以1961?1990年平均值為基準）

100

-200???????

188019001920194019€019802000

year

圖1-8海平面的變化(以1961?1990年平均值為基準)?

為r評價各種溫室氣體對全球溫暖化影響的相對能力大小，可以用“全球變暖潛勢

(globalwanningpotential,GWP)”的指標參數(shù):

3給定時間段內某溫室氣體的累積輻射強迫c小

同一時間段內82的累積輻射強迫

外大氣層

Exosphere---------?

熱層400kmatatnde----------

Thermosphere-----?300km

中間層

MesosphereASOkm

同溫層StratosphereA40km

Troposphere

對流層

圖1-9地球大氣層構造

圖1-10美國航空航天局（NASA）提供的南極上空圖像（2006年9月）

單位質量某物質引起的全球臭氧減少

一單位質量CFC-11引起的全球臭氧減少(1-15)

年份

年份

圖1-11HCFCs淘汰時間表（2007年9月）①

a）發(fā)達國家；b）發(fā)展中國家

第三節(jié)中國的能源與環(huán)境

儲采比%=探明可開采量

當年開采量(1-16)

圖1-122005年我國人均能耗（電耗）與世界各國的比較

縱觀我國的能源消費狀況，有以下幾個顯著特點：

30

5

19971998199920002001200220C32004200520062007

圖1-13我國能源消費的增長（億噸標準燥）

圖M4我國電力裝機展的增長（億千瓦）

（1）我國的能源消費以工業(yè)為主

圖1-152005年我國各部門能耗比例

（2）能源效率低

010

中國2

00f）

中國2

平均

世界

否港

中國

瑞士

人

加拿英國

莢國

卬度

法國

e

H

終斯

韓閏

日本

0.5

0

）

當量

耗油

DP消

美元G

（每千

比較

平的

際水

年國

005

率與2

源效

國能

16我

圖1-

量）

耗油當

P消

元GD

千美

較（每

的比

水平

國際

05年

與20

算）

P計

以PP

P（

國GD

7我

圖11

更低

耗量

活能

人均生

量低，

源消費

人均能

（3）

e）

源（kgc

次能

■一

300

圖1-18我國人均生活能耗（電耗）的增長

（4）農村用能水平很低

（5）能源消費結構以煤為主

天然氣水風核電

圖1-192006年我國能源消費結構

其它國家

29.5%

4.5%42%188%

核能水電

5.8%6.3%

天然氣

圖1-202006年世界能源消費結構

圖1-212005年各國和地區(qū)溫室氣體（GHG）排放份額

第四節(jié)能源與可持續(xù)發(fā)展

圖1-21中國化石燃料的碳排放系數(shù)(t[C]/TJ)

70,80?90°100，IIO'120，130，140,

:呼和浩特W：

-750kn^

圖1-22中國太陽能資源分布圖（lOMJ/n?）

(1-17)

現(xiàn)代生物質能源的應用也存在一些問題:

圖1-25燃料電池工作原理

第二章室外環(huán)境規(guī)劃中的節(jié)能技術

第一節(jié)環(huán)境降溫節(jié)能的概念

空氣箱送熱輸送

水蒸氣輸送

的熱平衡的熱傳導熱等的熱平衡

圖27室外熱環(huán)境形成機理

二、城市熱島效應

三、室外環(huán)境規(guī)劃的重要性

第二節(jié)室外熱環(huán)境規(guī)劃設

圖2-22004年9月27日廣州“熱島”計策略

一、中國傳統(tǒng)建筑規(guī)劃設計

圖2-3江南傳統(tǒng)民居圖2-4高樓林立的城市

二、目前設計中存在的問題

(1)高密度的建筑區(qū)

(2)不透水鋪裝的大量采用

圖2-5香港淘大花園圖2?6不透水路面

(3)不合理的建筑布局

(4)不合理的綠地規(guī)劃

三、氣候適應性策略及方法

圖2-7斯圖加特市21世紀規(guī)劃的建議圖

圖2-8室外熱環(huán)境設計方法

第三節(jié)建筑氣候

一、日照

日照是指物體表面被太陽光直接照射的現(xiàn)象。日照在一年中是不斷變化的，

這是由于地球按一定的軌道繞太陽運動造成。

地球公轉的軌道平面叫黃道面。由于地軸是傾斜的，它與黃道面約成66。33,

的交角。在公轉的運行中，這個交角和地軸的傾斜方向，都是固定不變的。這樣

一來，就使太陽光線垂直照射在地球上的范圍，在南、北緯23。27,緯度線之間作

周期性變動，這兩條緯度線則分別叫做南回歸線和北回歸線。如圖2-9所示為地

球繞太陽運行一周的行程，由于地球繞太陽的運動，形成春分、夏至、秋分、冬

至四個重要節(jié)氣。這四個節(jié)氣也是室外熱環(huán)境分析的關鍵日。

4/

次分（9月23日）

圖2-9地球繞太陽運行圖

太陽運行規(guī)律描述中有三個參數(shù)：太陽赤緯角、太陽高度角、太陽方位角。

赤緯角描述地球繞太陽公轉的行程，不同季節(jié)有不同的太陽赤緯角；太陽高度角

是指太陽光線與地平面的夾角。太陽光線在地平面上的投影線與地平面正南子午

線的夾角稱為太陽方位角。

二、太陽輻射

到達地面的太陽輻射由兩部分組成，一部份是方向未經(jīng)改變的，叫做直射輻

射：另一部分是由于被大氣中氣體分子、液體或固體顆粒反射，達到地面時無特

定的方向，叫做散射輻射。

三、氣溫

四、風

描述風有三個重要概念：風向、風頻、風玫瑰圖。風向指風吹來的風向，用

16個方位表示。風頻，即各風向的頻率。風頻是了解某地各風向出現(xiàn)頻繁程度

的特征量，它是用各風向出現(xiàn)的次數(shù)占風

向總觀測次數(shù)的百分率來表示。風向玫瑰

圖，即風向分布圖。其繪制方法是將極坐

標圖分成八個方位，分別是N,S,E,W,

NW,NE,SW,SEo某氣象觀測站的風

玫瑰圖如圖2-11所示。

五、降水

六、空氣濕度

空氣濕度是表示大氣的濕潤程度，指

圖ii-n某氣象觀測站的風空氣中水蒸汽含量的多少，通常用相時濕

度或絕對濕度來表示。絕對濕度是指單位容積濕空氣所含水蒸氣的質量；相對濕

度是指在一定大氣壓力下，溫度一定時，濕空氣的絕對濕度與同溫度下飽和濕空

氣的絕對濕度之比稱為相對濕度?？諝獾慕^對濕度，亦即空氣中的水蒸汽含量冬

季幾乎沒有變化，夏季在午后氣溫達到最高時因地表蒸發(fā)旺盛導致絕對濕度稍有

增加。

第四節(jié)風環(huán)境設計

所謂風環(huán)境是指室外空氣流動在建筑區(qū)域的分布

一、風環(huán)境基礎知識

1.主導風向和風速

在我國絕大多數(shù)地區(qū)，不同季節(jié)一般都有主導風向和風速，主導風向是指一

段時間內頻率出現(xiàn)最高的風向，可以通過風玫瑰圖得到。

2.城市梯度風

建筑小區(qū)并不是一個孤立的系統(tǒng)，其周圍存在著建筑和其他物體，來流風呈

現(xiàn)下低上高的梯度風分布。

(2-1)

圖2-13室外風環(huán)境設計圖

4.城市內部風特點

二、風環(huán)境主要影響因素

1.建筑密度

總建筑占地率(%)

圖2-14建筑風速與建筑密度關系的擬合公式

2.建筑體量

3.迎風面積

迎風面積是指建筑外墻垂直于風向的投影面積。迎風面積越大，由于背風渦

流區(qū)的影響，風速越低。

三、風環(huán)境規(guī)劃設計方法

1.建筑朝向

2.建筑間距

圖2-16不同風向入射角對建筑氣流影響

3.建筑形體設計

圖2-17華南理T大學統(tǒng)合教學樓鳥瞰圖

4.建筑平面布局

一般建筑群的平面布局有行列式、自由式、點式、周邊式三種。

圖2-18建筑平面布局對風環(huán)境的影響

a）行列式；b）錯列式；c）斜列式；d）周邊式；e）自由式

離低層住宅間隔布置.或將低層住

宅或低層公建布置在迎風面一側住宅組群豁口迎向主導風向，有利通

以利進風風.如防寒則在通風面上少設豁口

圖279建筑平面布局合理設計

圖2-20A、B型定型單位住宅及其組成的庭院式布局示意

4.路網(wǎng)規(guī)劃

5.綠化

6.其他規(guī)劃策略

（1）局部地理氣候（2）不同功能場所性質

利用陸地和水面利用局部風候改善通風

溫度差加強通風

圖2-21地理因素影響局部風場

第五節(jié)室外熱環(huán)境設計

影響室外熱環(huán)境的主要因素有氣候、太陽輻射、城市下墊面、城市綠地和水

體、城市人工熱源等，各因素之間相互聯(lián)系，互相影響。

一、室外氣候

1.輻射

圖2-22室外熱環(huán)境輜射

f顯熱換熱

2f潛熱換熱

Z

一A短波凈輻射得熱離

)

部A

鑼

f長波凈輻射得熱煙

二

庵*

f導熱

恭

或

f人為熱舊

爬

r一

冬f空氣湍流熱交換-Z

Y

一

一

三

二

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三

W三

一

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一

三

三

一

-六

來流空扁金藏f豕面熟野稹型T翦麗M型!?■三!

工

三

I-三

三

三

二

三

圖2-23城市近地層熱量交換示意圖

3.濕度

二、環(huán)境規(guī)劃關鍵參數(shù)

1.陰影率

陰影率是對太陽直射輻射遮陽程度的描述，是陰影面積占地塊面積的比例。

2.天空角系數(shù)

角系數(shù)是指表面1發(fā)出的輻射能落到表面2上的百分數(shù)稱為表面1對表面2

的角系數(shù)。天空角系數(shù)是區(qū)域對天空的開闊度的描述。

圖2-24某小區(qū)日照分析圖

3.反射率

壁面反射的輻射占到達壁面總輻射的比例稱為反射率，反射率與吸收率的和

等于1。4.發(fā)射率

5.蒸發(fā)效率

三、室外熱環(huán)境設計技術措施

1.地面鋪裝

1?水泥道路—上一草-地一A—樹蔭卜草地?水面

30----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

9:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:00

時刻

圖2-257月13日不同性質下墊面的地面溫度比較

2.綠化

杼地

樹

陰?_o_?透水j?她

W

地39「面無樹田

樹

陰

地

面

陰

面

地

陰

2710:0012:00