第一篇：建筑节能在信息融合中的应用

信息融合即多源信息融合，是对多种传感器和不同的信息源进行有效的集成，全面获取所需要的信息，从而提高对目标事物的检测和识别能力。通过信息融合可以提高某一系统在空间和时间上的覆盖范围以及信息的使用效率，它同时也增加了信息的可靠度。随着社会的发展，科技的进步，目前信息融合已在自动目标识别、战场监视、自动飞行器导航、机器人、遥感、医疗诊断、图像处理、模式识别和复杂工业过程控制等［1］领域得到了广泛的应用。

1信息融合

信息融合是一个多层次、多方面的处理过程，通过对多源数据进行检测、结合、相关、估计和组合以达到精确的状态估计和身份估计，以及完整、及时的态势评估和威胁估计的目的［2］。信息融合一般抽象为三个层次来完成，由低到高依次为:数据层融合、特征层融合、决策层融合［3－4］。数据层融合是直接对从传感器那里获得的数据进行融合，然后从这些数据中提取其特征，之后进行判断识别。其优点是保持了信息的最初特征，其缺点是信息量比较大，而且融合过程是在最低层进行的，信息的获取依赖于传感器，当传感器出现问题时，通常会带来信息不确定、不稳定的状况，因此处理起来比较复杂。特征层融合是在数据层融合的基础上进行的，它主要是对提取的特征进行融合。优点是通过对数据层的信息进行提取，减少了信息量，但缺点是使得获取的数据的准确性有所下降。决策层融合属于高层次融合，它根据不同的状况按照一定的算法准则对每个传感器获取的信息进行协调优化，并最终做出全局最优决策。它从具体决策目标出发，对数据层和特征层提取的各类特征信息进行融合，最终依据融合的结果做出决策。其优点是灵活性高，容错性、抗干扰能力强，对传感器的依赖性较小，当一个或几个传感器出现错误时，通过适当的自我调整，依然能获得正确的结果。它和特征层融合大致一样，都存在原始信息缺失的问题，但是就最终结果而言并不会造成太大的影响。信息融合在信息获取的过程中主要是利用多种传感器进行的，采用不同的传感器获取目标事物所需的环境信息，而这样的信息往往具有冗余性、互补性、实时性等特点。信息融合就是对由不同传感器获取的这种多源信息进行加工、优化处理的过程，通过对性质不同、变化多样的信息进行反复的筛选、推理，然后提交给分类器，改进其决策能力，对信息做出更加准确的判断。信息融合还有着以下特点［5］:(1)支持空间和时间覆盖范围的扩展;(2)提高系统对信息的利用率;(3)提高信息的可信度与精度;(4)对目标信息的识别能力强。

2信息融合的模型

近年来，人们提出了各种信息融合模型，但是却没有统一的分类形式。目前的信息融合模型大致分为两类:功能型模型，主要根据节点的顺序构建;数值型模型，主要根据提取的数据构建［6］。而其中使用较多的模型有UK情报环、Boyd控制回路(OODA环)、Dasarathy模型、JDL模型和Omnibus模型等。

2．1UK情报环

UK情报环顾名思义就是把信息作为一个环状结构来进行处理。它由数据采集、数据整理、数据评估和分发四个阶段构成。在作情报处理工作时，由信息处理和信息融合两部分组成。在其进行情报处理时，可以避免情报被复制，并确保情报的实时性与客观性;在进行系统开发时可以保证系统的输出被应用，由于是环状结构，在有一处信息发生改变时它可以根据需要实时进行改变，可以通过对情报的收集策略进行不断回顾，随时进行修正，避免信息源遭受破坏，但是其应用范围有限。

2．2OODA环

OODA环，也称为Boyd控制环，环状结构，由观测、定向、决策、执行环［7］四部分组成。作为一个闭环结构，在进行数据融合操作时有循环性的特点，随着融合阶段的不同而逐一向前递进，传递过程数据量不断减少，可以更加快速的执行。但是由于其执行过程是逐阶段进行的，当有一个阶段出现问题时，就会影响后续阶段的进行。

2．3JDL模型

JDL模型即联合指挥实验室，起初分为三级，广泛应用在美国数据融合社区，后来在原分级的基础上按信息抽象的不同层次将信息融合分为五级，包括了从检测到威胁判断的完全过程。在2004年出现了推荐版JDL融合模型，对原有的五级进行了改进，其五级结构分别为:信号/特征估计、实体估计、态势估计、影响估计和过程估计。JDL融合模型图见文献［8］。

2．4Dasarathy模型

Dasarathy模型是在JDL模型的基础上，对其进行扩展的模型，同样分为五级结构，按照数据融合的功能进行分类。其融合过程为:(1)数据输入/数据输出:主要是数据的融合。(2)数据输入/特征输出:对输入的数据进行特征选择，然后进行提取、输出的过程。(3)特征输入/特征输出:该级是特征融合的过程，对上一级提取的特征按照一定的规则进行融合。(4)特征输入/决策输出:该级融合主要是模式识别和模式处理。(5)决策输入/决策输出:该级属于决策级融合。Dasarathy模型从信息融合的层次角度出发，自上而下逐级进行推理分析，可以对信息进行一个整体的描述，但是在信息融合时过多地注重了层次结构，而融合的功能结构考虑的较少。

2．5Omnibus模型

1999年MarkBedworth在对多种模型进行对比分析后提出了Omnibus模型［9］。该模型综合其他模型的优点，在利用Boyd回路控制信息流动的同时，又采用瀑布模型的方法对数据融合中的处理过程进行定义，同时借鉴JDL模型对信息融合功能的分级结构，因此Omnibus模型可以处理多种复杂的情况，适应的领域范围更加广泛。但是Omnibus模型在使用的过程中没有考虑到对知识库和系统数据的管理需求，缺少了数据库的使用，而现实中进行信息融合时往往需要数据库和知识库的支持，这也是此模型美中不足的地方。Omnibus融合模型图见文献［10］。

3信息融合的方法

信息融合的方法大致可分为:估计方法、推理方法、分类方法和人工智能等。而估计方法又分为递归和非递归，推理方法又分为粒子滤波法、D－S证据方法和贝叶斯推理等，分类方法又分为参数模版法、K－means聚类和聚类分析等，人工智能又分为专家系统、神经网络和模糊理论等［11］。其中比较常用的有卡尔曼滤波法、加权平均法、贝叶斯推理(Bayes)、证据推理(D－S)、模糊推理理论、神经网络、粗糙集理论、专家系统等。

3．1贝叶斯推理

贝叶斯推理是以概率论中的Bayes公式为基础进行的，首先对各个传感器获取目标信息的可能性进行计算，获得其概率状况，然后对概率进行融合。当传感器网络较大，传感器种类、数量多时，采用此方法进行信息融合将是一种很好的手段。其优点是简洁、易于处理相关事件，缺点是不能区分不知道和不确定事件，并且要求处理的对象具有相关性［12］。由于获得概率需要建立在大量的数据统计之上，因此在实际运用中对于一般不知道先验概率的状况，往往需要做大量的统计来获得先验概率使得定义先验似然函数十分复杂，不容易操作。此外，它还要求各概率之间是相互独立的，在处理多假设和多条件问题时就显得相当复杂。

3．2D－S证据方法

D－S证据理论又称为信任函数理论，它主要处理不确定的信息，为不确定信息的表达和合成提供自然而强有力的方法，是信息融合与模式识别等领域的重要理论之一［13］。利用D－S证据理论融合的过程为:首先从各个传感器得到目标命题的观测证据，然后对各个命题进行基本的概率分配，计算出置信度和似然度(在这里也就是得到了每个命题的一个置信区间)，D－S证据有其相应的组合方法，依据这些方法可以计算出在所有证据联合作用下的基本概率值，最后根据判决准则得到最终的结果。其优点是可以处理不确定的命题，并且可根据实际情况淘汰一些偏离证据的命题，但其缺点是在进行概率分配时需要依靠经验的支持，概率分配函数对结果有着重大的影响，即使发生微小的变化也能引起结果的不同，使用的范围也有限，并且当证据完全相反时，就无法进行融合了。

3．3模糊推理理论

模糊推理是以模糊集合论为基础描述工具，对数理逻辑进行扩展而建立起来的，它属于不确定推理的一种［14］。利用模糊推理理论进行信息融合时，首先依据现实问题选择需要的传感器，利用知识与经验刻画所得信息的模糊集隶属函数，在这里也就得到了模糊推理的规则，依据这些规则进行模糊推理，推导出模糊结论，对模糊结论再进行融合得到一个总的结论，最后经过多次反模糊化过程并进行融合得到精确的目标值。其核心任务就是确定其模糊推理规则，当输出与模糊规则确定之后，系统的特性也就基本确定了。

3．4BP神经网络的方法

BP神经网络是一种单向传播的多层神经网络，网络层除了输入输出节点外，还有一层或多层隐节点，同层节点间没有任何耦合［15］。BP神经网络可以看作一个输入到输出的高度非线性映射。利用BP神经网络进行信息融合时，首先要完成融合系统中输入和输出之间的复杂映射，然后才能使用网络进行信息融合。信息融合的方法多种多样，其关键问题就是选取合适的方法，只有选择了合适的方法才能得到最佳的结果。

4信息融合在建筑节能中的应用

建筑当中耗能设备种类繁多，依靠单一的传感器来实现控制，会出现信息不准确和不充分的状况，并且单一的控制往往会出现冲突，采用信息融合技术对各个传感器获得的信息进行融合，实施综合控制可以较好地解决这一问题。因此在建筑节能方面，信息融合也越来越多地被使用。

4．1利用神经网络进行建筑环境信息融合

根据实际的需求，需要做以下几方面的工作［16］:(1)选取合适的输入变量;(2)选择合适的输出变量;(3)隐含层数的选取;(4)隐含层单元数的确定。其基本流程是通过传感器获取需要输入的数据，然后在PC机上用神经网络的方法进行信息融合，最后得到一个满足人体需求的室内环境，避免不必要的能耗浪费，从而达到节能的效果。

4．2多传感器信息融合的节能控制系统

此节能系统通过多传感器同时采集状态信息，在PC机中实现信息融合，然后输出多路控制信息，对某一区域的耗能设备进行控制，对能耗设备的运行状态进行实时调节，以此来达到节能的效果。

4．3信息融合在智能建筑中的应用

智能建筑包含三大系统:建筑物自动化系统、办公自动化系统和通信自动化系统［18］。这三大系统各自又包含许多子系统，这些系统是相互联系的一个整体，可以利用信息融合强大的信息处理能力对这些子系统进行管理和监测，达到最优的控制，提高建筑的性能和安全性，最终达到信息技术与建筑技术的融合。借鉴了美国国防部JDL提出的四级融合模式，根据智能建筑系统的特点，提出了基于信息融合的控制方案，即采用六层划分:传感器层、传感器子系统层、初级融合子系统层、决策管理子系统层、执行器子系统层、执行器层。

5信息融合在建筑节能中的应用模型

(1)数据采集:通过传感器网络获取建筑室内外的温度、湿度、亮度、通风量等多种信息，并且将采集到的信息读入到PC机当中，供PC使用。(2)数据处理:运用信息融合的技术编写软件，对读入到PC机中的数据进行操作。主要是通过信息融合技术的检测、识别和决策最终得到一个更加合理舒适的室内环境值。(3)交互、控制工作:将最佳的室内环境值提交给人机交互中心，而人机交互中心既可以实现人为的控制，也可以实现由机器自主控制，通过对建筑内各个耗能设备进行最优控制，以此达到资源的合理利用，在为人们创造一个舒适、温馨的生活或工作环境的同时实现节能的目的。

6信息融合在建筑节能中的发展趋势

随着科技的发展和社会的进步，智能建筑这一字眼越来越多地出现在人们的日常生活当中，创造一个温馨、舒适、智能化的生活环境是机遇，同时也是挑战。伴随着信息融合技术的不断发展，把人工智能、神经网络和模糊理论结合起来应用到智能建筑当中将有着重大的意义。利用信息融合这一多技术相结合的方法，更加广泛地把影响人们日常生活的各种环境因素都考虑在内，由计算机来进行统筹的考虑和精密的分析，然后进行智能化的处理，并以此对建筑内的各个设备进行最优控制，使建筑变得更加的人性化与智能化。当然，要想实现这一过程还需要很长的一段路要走，但是在科技发达的今天，离这一步也将越来越近。

7结束语

随着我国城镇化建设速度的加快，建筑能耗日益上升，建筑节能已经被提上日程，它也是现今乃至今后研究的一个热点。文中首先通过对近年比较热的信息融合技术进行回顾和研究，然后对其在建筑中的一些运用进行分析，最后提出了把信息融合应用到建筑节能中的模型。但由于信息融合的发展还不是十分成熟，并且我国的建筑节能也相对落后，把信息融合技术更好地应用到建筑节能当中仍然有很长的一段路要走，对于很多问题还需要进行大量深入的研究。

作者：吕丁浩 钟伯成 雒静 单位：上海工程技术大学 电子电气工程学院

第二篇：图书馆建筑节能设计

１图书馆建筑节能内涵及意义

１．１建筑节能的涵义

所谓建筑节能，是指在建筑物的规划、设计、新建（改建、扩建）、改造和使用过程中，按照相关规范，严格执行节能标准。采用节能型的技术、工艺、设备、材料和产品，可提高保温隔热性能和采暖供热、空调制冷制热系统效率，可加强建筑物用能系统的运行管理。图书馆建筑应重视自然环境（太阳能、风能、绿化等），利用可再生能源，在保证室内环境质量前提下，尽量减少对建筑设备的依赖。因此，建筑设计师应从生态角度出发，根据建筑所处的具体环境，设计出节能建筑。［１］

１．２图书馆建筑节能的意义

一个优秀的图书馆设计，在满足建筑使用功能和美学要求外，还要节约能源，尽可能降低能源消耗。林立阐述了现代图书馆的发展理念，指出建筑节能设计势必成为未来建筑设计的主流发展方向。［２］目前住宅与公共建筑的采暖、空调、照明和家用电器等设施消耗了全球约１／３的能源。图书馆属大型公共建筑，其能耗是普通住宅的５－１５倍，是建筑节能监管的重点。２００５年以来，我国先后实施了“公共建筑节能设计标准（ＧＢ５０１８９－２００５）、《中华人民共和国建筑节能法》、《民用建筑节能条例》、《中华人民共和国节约能源法》、《公共结构节能条例》、《建筑节能工程施工质量验收规范》等一系列节能法律法规，对建筑节能及其监管作了具体要求。”［３］可见，国家对建筑节能的重视。

２图书馆建筑节能的措施

２．１合理选址与科学规划

（１）图书馆宜建在地势较高、通风良好的地方，有利于馆藏资源的保存。（２）图书馆建筑周围可种植不同种类的绿色植物。实验证明，图书馆周围的绿化面积应最少不小于馆区全部面积的１／３，否则达不到吸收噪声、调节温度与湿度的作用。如苏州图书馆选址为原市人大、市政府大院，院内古树名木、鸟语花香、小桥流水尽显吴地特色，是一处典型的江南园林式图书馆理想场所［４］，改善了图书馆附近微气候。该馆园中有馆，馆中有园，书香园林，体现了当地文化特色。

２．２造型与结构设计

（１）根据我国的气象特征，我国处在北半球，夏季多刮偏南风，图书馆应尽量采用南北朝向开窗，从而使室内空气对流加强，促进自然通风，不必过于依赖空调。（２）在满足使用功能前提下，合理确定图书馆形状，严格控制体形系数。理论上，在其他条件相同的情况下，体形系数越大，其单位建筑热散失面积就越大，能耗越大。体形系数每增加０．０１，耗热能指标约增加２．５％。通常，降低体形系数的方法有：图书馆外形设计宜简洁、完整，要尽量避免复杂轮廓线及外形凹凸过多，尽可能地减少外表面积。［５］门窗的设计不合理导致的高耗能也占有很大比例。公共建筑合适的窗墙比不应大于０．７或小于０．４，可见光的投射比不应小于０．４，合理布置开窗位置，通过控制开窗面积，能有效降低能耗。（３）改进结构设计。目前，我国图书馆空间结构多数采用国外“三统一”设计模式，即统一柱网、统一层高、统一荷载。其设计优势在于大空间，将图书馆的馆藏、咨询、阅览、借还几种功能一体化，但是这也意味着任一地方的照明、采暖，都要按照最高要求设计，造成极大浪费。［６］这就需要设计者突破现有模式，改进结构设计。

２．３利用太阳能

（１）太阳热能取暖与制冷系统。南方地区夏季炎热，可充分利用太阳能。其方法：一是利用太阳能推动机械装置，驱动压缩制冷系统运行；二是利用太阳能热量直接驱动吸收式制冷机运行。（２）太阳能光电系统。一种是将太阳辐射直接转化为电能，为建筑物提供清洁能源，如太阳光辐射加热水。另一种是太阳能储能技术，如太阳能光电池技术，实验性光电池发电厂已在运行中，其经济效益和社会效益无法估量。［７］牙买加的一个社区图书馆，设计时利用弧形白色反射板使阳光均匀地照到室内，室内２／３的采光来源于自然光，西面的玻璃幕墙采用双层吸热玻璃，只透光不透热。冬季时通过屋顶的高性能涂层吸热，可节省１／３的采暖空调能耗。

２．４水循环系统及利用风能

洁净水是生活中不可替代的物质，但图书馆消耗大部分洁净水，约占８０％是用在清洁、供暖等用途。在图书馆建筑用水设计中，应构建水资源健康循环体系，推进水资源的优化配置和循环利用。如加大雨水利用与回收，通过暗沟将雨水导入集水池储存，经生物分解、中水处理等先进技术净化处理可代替洁净水，可浇灌花草、冲厕等，从而节约大量水资源。如广东省立中山图书馆通过雨水回收利用，设计雨水收集回用系统［８］，便在最大程度上实现了水资源的妥善净化和循环利用。

２．５利用先进技术与设备

（１）空调系统节能。目前，图书馆采用的空调系统主要有三类：一是非中央空调系统的分体机和柜机，其优点是初始投资最省、使用较灵活，但能效比低，机器使用寿命短，其室外机还会影响建筑外立面形象；二是中央空调多联机组，系统可以集中控制，有效节约能源，其机组制冷效率、使用寿命均比分体机和柜机高，但初始投资较高；三是冷水机组，制冷效率和使用寿命最高，初始投资介于多联机组和分体机柜机之间，适于大空间公共建筑，但操作灵活性低于前两类。现代图书馆大多采用中央空调系统，但合理的空调系统，对图书馆耗能至关重要。中央空调的设置也应该有合有分，既有总体控制的中央大空调，又应该有独立开关的通风设备。根据图书馆不同功能区使用要求的特点，可分别采用不同的冷热源和空调系统。针对中央空调机组，通过变频改造可节能２０－３０％。在条件允许的情况下，可以采用地下储能空调系统，利用地下水作为介质进行储能并进行能源的循环利用。（２）照明节能。现代图书馆建筑应采用以自然采光为主，以人工照明为辅。①尽量利用自然采光，可通过合理设计的玻璃幕墙及结构布置，提高对白天自然光的利用，达到节能的效果。科学表明，读书时的最佳照度为３０―４０勒克司。在设计中，可因地制宜设计小天井采光，同时也起到穿堂风的效果，换气效果好。②图书馆照明系统设计光照度一般比较强，且光源分布也比较广。故在学习区域均使用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明产品，优质节能灯具可大幅度节能。③引进智能照明技术，采用可分区域智能控制的照明系统。通过分层分段电路设计，实行分区控制，避免全开、全关的电路设计。根据实际使用功能的不同按区域确定合理的照度标准。如在走廊、厕所、公共休息区等区域使用节能灯。④在日常管理中加强巡视和管理。如分层、分区引导，集中开放阅读室。（３）新材料节能建筑物向外散失的总热量中，约有７０－８０％是通过围护结构的传热向外散失的。因此，对大型公共建筑节能材料的研发就越发显得重要。“申纽丽”外保温系统结构，在宁夏大学图书综合实验楼的工程实践中取得了良好的效果。新型材料包括新型保温、防水、隔热玻璃等材料，广泛应用于图书馆墙体、屋面、外门窗等各个部位。①外墙、屋面。外墙选用节能性较好的材料如加气混凝土砌块、多孔砖、空心砌块、砂加气制品等或粉刷浅色或光滑的饰面材料，减少外表面对太阳辐射的吸收。如在寒冷的地区使用空心墙或各种蓄热墙体；在炎热的地区，可以在墙体中使用风口设计。对于屋面的节能和保温可以采用以下措施：一是屋面设保温层，保温层密度不宜太大；二是设置保温隔热屋面，如顶架空隔热屋面、蓄水屋面，遮阳屋；三是可以对屋顶进行绿化。②门窗、玻璃幕墙。研究表明，外门窗的传热系数约为墙体的３－４倍，超过３０％的能源都是通过门窗而损耗的。在建筑设计中，应合理控制窗墙面积比，不宜提倡大面积使用玻璃幕墙。将窗户的玻璃改为特种玻璃，可比普通玻璃减少３５％的日射，可起到保温隔热作用。如郑州图书馆新馆的玻璃幕墙采用高尖端技术的真空玻璃替代了双层中空玻璃，从而减少外围结构的热耗。

２．６宣传及管理

（１）大力度向读者宣传图书馆节能知识，使人们意识图书馆节能的重要性。如利用图书馆大厅电子屏作节能宣传，定期检查建筑节能设备等。（２）建立科学合理的节能管理制度，提高监管力度。目前，物业能源管理（ＰＥＭ）是一种创新性节能服务模式，已在图书馆界得到应用。

３现代图书馆建筑节能设计实例

３．１空调系统设计

湖北省图书馆中央空调冷热源系统采用地源热泵与冰蓄冷系统相结合的方式，空气处理系统采用大温差低温送风系统，空调水系统采用大温差变流量系统。计算机房、特藏书库等采用独立恒温恒湿机组。这些设备的合理组合，降低了空调系统的能耗和运行费用。地源热泵原理是在季节转换过程中，地源热泵相当于将冬季的冷量储存在地下供夏天使用；在夏天制冷时，将热量存入地下供冬天使用。武汉地区土壤温度波动小，常年在１８℃左右，应用地源热泵系统比传统空调系统运行效率高约４０％，一次能源使用量可减少５０－６０％。污染物排放量，比空气源热泵的排放量减少４０％以上，比电供暖的减少７０％以上，节能效益显著。冰蓄冷系统是在用电较少、电价较低时开始制冷，蓄存冷量；而在用电高峰、电价较高时停止制冰，同时依靠冰溶化来制冷，从而降低运行成本。此系统节源降耗，还降低室内的相对湿度，提高热舒适性，这对高温高湿的地区意义重大。

３．２太阳能利用

武汉常年日照小时数约为１９００小时，日照强度足够。为了实现太阳能与建筑一体化，该工程采用分散式热水器，集中式太阳能热水系统。设计小时用水量为５ｍ３／ｈ。利用太阳电池光生伏特效应原理，实现室外道路及绿化庭院太阳能ＬＥＤ灯夜间照明。

３．３外墙、窗、屋面

围护结构体系外墙采用干挂保温墙面，外窗采用铝合金低辐射镀膜中空玻璃，外遮阳百叶系统有效遮挡太阳辐射，增加室内漫射光，保障均匀采光。外墙、屋面优先选择保温性能与施工效果均可得到保证的３０厚挤塑聚苯苯板保温材料。

３．４能源回收技术

湖北省图书馆采用全热回收型热泵机组，回收空调系统中的冷凝热，可加热水；并采用全热新风换气机组，回收排风中的能量，减少能源的消耗量。

作者：蓝培华 单位：湖北工业大学图书馆

第三篇：建筑节能技术发展趋势

目前，我国已成为世界第三大能源生产国和第二大能源消费国，每年建成建筑总面积已超过所有发达国家的总和。建筑在生产和使用过程中要消耗能源总量的50%，其中建筑能耗约占全社会总能耗的24%，而该比例还仅仅是建造和使用过程中所消耗的能源比例，如果再加上建筑材料在生产过程中所消耗的能源，那么建筑能耗将占到全社会总能耗的47.24%，在社会总能耗中位居首位。近年来我国建筑业的长足、快速发展，需要大量运行和使用能源，尤其是采暖和空调。2012年5月30日国务院常务会议讨论通过的《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》提出了七大战略性新兴产业的主要任务和重点发展方向，包括节能环保产业、新一代信息技术产业、生物产业、高端装备制造产业、新能源产业、新材料产业、新能源汽车产业[1-2]，制定了一系列产业发展路线图，提出了上述七大产业领域发展的标志性目标、拓展市场应用以及提升整体创新能力等主要政策措施、重大行动计划。规划中对节能环保产业的要求是要突破以下关键核心技术：能源高效与梯次利用、污染物防治与安全处置、资源回收与循环利用，根据高效节能、先进环保和资源循环利用的目标发展新装备和新产品，推行清洁生产和低碳技术，加快形成支柱性产业。在我国，建筑能耗已与工业能耗、交通能耗并称三大“能耗大户”(见图1)，节能潜力巨大，建筑节能产业已然成为节能环保产业的重要有机组成部分。如果采用全方位、科学、有效的节能措施，到2020年，我国在建筑总面积增加150亿m2、人民生活水平显著提高的前提条件下，全国建筑能耗用电增量仅为2300亿kW•h/a，相对于不采取任何节能措施，每年可节约2.6亿t标准煤，约等于我国2004年煤产量的18.6%；建筑用电每年可节约3500亿kW•h时，相当于三峡发电站年发电量的4倍。

1建筑节能相关政策分析

近年来国家频繁出台建筑节能政策和行业法规。在规划和管理方面的政策和法规有：(1)2006年7月出台的《“十一五”十大重点节能工程实施意见》，规定了新建建筑全面严格执行50%节能标准，北方寒冷地区和4个直辖市实施新建建筑节能65%的标准，要求采用新技术对既有建筑的电气、空调、热水供应、采暖、炊事等方面进行全面改造；(2)2007年6月国务院印发的《节能减排综合性工作方案》，对建筑行业明确提出要组织实施30个低能耗、绿色建筑示范项目，推动北方采暖区既有居住建筑供热计量及节能改造1.5亿m2，开展大型公共建筑节能改造示范与运行管理，启动200个可再生能源在建筑中规模化应用示范推广项目；(3)2008年8月国务院颁布《民用建筑节能条例》和《公共机构节能条例》；(4)2010年国务院办公厅转发国家发展和改革委员会等部门《关于加快推行合同能源管理促进节能服务产业发展意见的通知》(国办发[2010]25号)。为大力支持建筑节能的发展，我国在财政补贴方面也出台了一系列相应政策，如2008年1月财政部、国家发展和改革委员会联合印发的《高效照明产品推广财政补贴资金管理暂行办法》，2008年10月14日财政部印发的《再生节能建筑材料财政补助资金管理暂行办法》，2008年12月9日财政部、税务总局联合印发的《关于资源综合利用及其他产品增值税政策的通知》，2009年3月财政部制定并印发的《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》，2011年财政部印发的《节能技术改造财政奖励资金管理办法》(财建【2011】367号)等，在照明节能、新能源利用等方面均给予了一定的财政奖励和补贴。近年陆续出台的一系列行业标准主要有《智能建筑设计标准》、《公共建筑节能标准》等全国性的行业标准。近年来国家出台的众多关于建筑及相关行业节能产业政策和行业法规，充分表明了我国政府对建筑能耗的认识和重视。目前，建筑节能已成为国家明令规定的“十二五”期间重点控制能耗的领域，此期间建筑节能工作的总体目标是到“十二五”期末，建筑节能要形成1.16亿t标准煤节能能力：(1)发展绿色建筑、加强新建建筑节能工作，要形成4500万t标准煤节能能力；(2)深化供热体制改革，全面推行供热计量收费，推进北方采暖地区既有建筑节能改造及供热计量，城镇居住建筑单位面积采暖能耗至少下降15%，要形成2700万t标准煤节能能力；(3)加强公共建筑节能监管体系建设，推动节能改造与运行管理，力争公共建筑单位面积能耗至少下降10%，要形成1400万t标准煤节能能力；(4)推动可再生能源与建筑一体化应用，要形成常规能源替代能力3000万t标准煤[4]。

2建筑节能主要技术

2.1建筑能耗损失途径及建筑节能的概念

建筑能耗即建筑使用能耗(见图2)，包括采暖、空调、照明、电气、热水供应、炊事、家用电器等方面的能耗。其中，采暖和空调系统能耗约占建筑总能耗的50%~60%，照明能耗约占20%~30%，电梯能耗约占8%~10%[5]。目前，我国建筑能耗存在科技含量低、智能化程度不高、缺乏能效管理等缺点。通过对我国建筑现状的全面调研分析，发现建筑能耗主要的损失途径有：(1)设计不合理：设备选型过大，配置存在瓶颈；(2)运维管理不善：浪费现象严重，缺乏及时、合理的维护设备，缺乏科学、合理、有效的管理系统；(3)能量的输配损失：配管和通风管道的热量损失以及阻力损失；(4)机器设备的效率低下：设备老化，技术陈旧造成效率低下，能耗大增；(5)未充分利用自然资源：未有效地充分利用外部空气、地热、太阳能等自然资源。建筑节能是指在建筑中提高能源的利用效率，利用有限的资源和最小的能源消费代价取得最大限度的经济和社会效益，具体指在建筑物的规划、设计、新建(包括改建和扩建)、改造和使用过程中，严格执行节能标准，采用节能型的技术、设备、工艺、材料和产品，提高采暖供热、空调系统效率和保温隔热性能，加强建筑物用能系统的优化管理，利用可再生能源，在保证室内热环境质量的前提下，减少供热、空调、照明、热水供应的能耗。

2.2建筑节能的主要技术及解决方案

建筑节能的解决途径只有2种：一方面通过开发利用可再生能源及节能建材等途径降低建筑能耗的需求；另一方面要提高能耗系统的效率，从而降低终端能源使用量。通过对我国建筑能耗的分析可知，技术手段的推广和合理利用是建筑节能的关键。建筑节能的关键不仅在于以后新建的商业建筑，而且在于通过一些投资小、见效快的技术手段对现有建筑的改造和提高运行管理水平提升能源利用效率，这是商业建筑节能的重点所在。目前，建筑节能主要的方案和技术有：采用合理的能效管理方法、风机水泵的变频技术、供配电设备节能、中央空调的智能控制和照明节能、分布式能源的利用、建筑的规划及保温建材的应用，具体为基于模拟分析的建筑节能优化设计、新型建筑围护结构材料与部品、通风装置与排风热回收装置、热泵技术、降低输配系统能源消耗的技术、中央空调的温度湿度独立控制技术、建筑自动化系统的节能优化控制、楼字式燃气驱动的热电冷三联供技术、燃煤燃气联合供热和末端调峰技术以及节能灯、节能灯具与控制等。其中节能效果最明显的要数空调节能、照明节能、分布式能源的利用和门窗幕墙的保温。表1显示了部分节能技术的经济效果。

2.2.1建筑能源管理及综合利用系统

建筑能源管理及综合利用系统是针对暖通、空调、照明、电梯、供水等常规控制方式不能跟随负荷和需求动态变化而调节，造成系统效率降低、能源浪费较大的问题，而提出的一套完整、科学的解决方案，并采用动态跟踪、寻优控制；根据大楼内的使用功能分区来建立能源需求模型；依据能源需求模型，结合大楼市电、太阳能、三联供机组配置等进行合理的能源分配管理。该系统主要通过在用能设备现场安装用能监测装置，采集用能信息，使用有线/无线的通信模式传输数据到能效监控管理平台。依据监测数据，参照同行业的能耗标准和先进管理经验，结合对重点能耗设备的现场巡检结果，为用能客户提供用能信息、能耗预警、重点能耗设备体检报告、用能审计报告、专业节能方案、管理改进建议等。管理者可以实时掌握能源流向，改变能源的粗放式管理方式，为节能改造的效果提供对比。平台可提供远程监测、能源审计、能耗统计等服务，为深入挖掘节能潜力奠定基础。

2.2.2空调节能

中央空调是办公大楼的耗电大户，正常供暖或供冷季节每年的电费中空调耗电占40%~60%左右，因此，中央空调的节能改造尤为重要。中央空调系统按最大负荷设计，并且留10%~20%的设计余量，而实际上绝大部分时间里空调非满负荷运行，存在较大的冗余，节能潜力巨大。另外冷冻水泵和冷却水泵不能随负载变化调节数量和运行速度，只能靠门和旁通来调节系统的流量与压差，存在较大截流损失和大流量、高压力、低温差的现象，从而致使大量电能浪费(冷冻水泵额外负载增多间接造成冷水机组负荷变大)和中央空调最末端达不到合理效果。中央空调节能的解决方案主要有智能变频控制和冷却塔供冷控制。智能中央空调节能控制系统不仅全面控制中央空调冷冻水系统、冷却水系统、冷却塔风机等环节，而且采用系统集成技术将各个控制子系统在物理、逻辑和功能上互连，实现信息综合和资源共享，在一个计算机平台(模糊控制器)上进行集中控制和统一管理，实现中央空调全系统的综合性能优化和整体协调运行。把中央空调系统相关设备运行状态反馈信号、介质温度、压力、流量信号接入中心监控计算机，中心监控计算机实时监测并计算中央空调各用户端所需能耗，综合调节中央空调冷冻水、冷却水的流量、温度和制冷主机压缩机的运行负荷比例，使制冷或制热主机按最佳能效比运行曲线工作，使用户制冷或制热需求量之和与中央空调供给能量相平衡(见图3)。其次，空调节能技术手段还有冰蓄冷技术、冷热电三联供技术、热泵技术和太阳能吸附空调等，在合适的条件下均能取得很好的经济效益。

2.2.3绿色照明

绿色照明包含高效节能、环保、安全、舒适等4项指标。高效节能即以消耗较少的电能获得足够的照明，从而明显减少电厂大气污染物的排放，达到环保的目的。安全、舒适是指光照清晰、柔和及不产生紫外线、眩光等有害光照，不产生光污染。办公楼宇照明能耗约占20%~30%，照明新技术和新产品的不断涌现，使得绿色照明在建筑节能中具备很大的潜力。现在主要的技术手段有以下几种：(1)智能照明控制技术：为照明系统分别安装感应及控制装置，进行动态调光控制。如可以定时开关灯的时序控制器、通过检测环境光强自动开关照明设备的昼光感知器、可以自动检测室内人体温度开关灯的热感开关装置、结合中央监控系统进行楼宇群控式照明的整体控制系统等，通过动态调光控制实现照明装置自动关闭，避免大范围无意义光照造成的能量损耗。(2)采用高效光源：如LED灯、荧光灯和无极灯等。(3)采用照明节电器等节电设备：目前主流的照明智能节电系统是以电磁感应的方式优化供电系统的输入电压，采用AC-AC直接变换技术调整电压，使输给照明负载的电压为灯具设计电压的最佳值，这样可实现既节省用电，又延长灯具的寿命，同时保证照明的标准要求的三重目的。

2.2.4太阳能等清洁能源的利用

光伏建筑一体化系统，将太阳能光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力(见图4)。根据光伏方阵与建筑结合的方式不同，可将光伏建筑一体化系统分为两大类：(1)光伏方阵与建筑相结合，这种方式是将光伏方阵依附于建筑物上，建筑物作为光伏方阵的载体，起支承作用；(2)光伏方阵与建筑集成，这种方式是光伏组件以一种建筑材料的形式出现，光伏方阵成为建筑不可分割的一部分，如光电瓦屋顶、光电幕墙和光电采光顶等。在这2种方式中，光伏方阵与建筑相结合比较常见，特别是与建筑屋面的结合。由于光伏方阵与建筑的结合不占用额外的地面空间，是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式，因而倍受关注。“十二五”期间，将要创建2000家节约型公共机构示范单位。

2.2.5门窗幕墙的保温

当前，门窗的能量损失约占建筑能耗的50%，而其中通过玻璃的能量损失占门窗能耗的75%[6]，由此可见建筑玻璃节能改造潜力巨大。建筑节能改造的重点是公共建筑，门窗及幕墙改造是建筑材料节能的关键，而其中的玻璃改造则是节能工作的重要环节。对既有建筑中的玻璃节能改造的办法只有2种选择：(1)把原有的玻璃换上节能玻璃(Low-E中空玻璃)；(2)给原有玻璃贴上建筑用的低辐射隔热安全膜。美国在20世纪80年代末期，低辐射镀膜玻璃窗已占整个双层玻璃窗市场的1/4以上。欧洲每年用量在5000万m2以上，全世界年用量已超过1.2亿m2。德国政府1996年立法规定，所有建筑物都必须采用低辐射镀膜玻璃，日本和美国部分行业协会也采取了一些措施，鼓励应用低辐射镀膜玻璃。建筑物使用普通中空玻璃比单层普通玻璃节能50%左右，而使用低辐射膜玻璃的中空玻璃窗，则可比单层普通玻璃节能75%左右。因此，玻璃节能在我国建筑节能市场具有良好的推广前景。建筑是一个各用能子系统相互影响相互牵制的综合系统(如建筑围护结构和空调系统相互影响、照明系统和空调系统相互影响、空调系统与电网互动节电)，建筑节能是一个系统工程，必须统筹兼顾，不能顾此失彼。建筑节能一般采用开源与节流并举的战略，实现太阳能光伏发电系统、空调智能控制技术与建筑智能化系统的无缝连接。楼宇能源管理系统，可实现系统节能和设备的运行控制。而光伏发电系统可与电网信号交互，实现电网对光伏发电系统的控制，并可与电网进行信息交互，实现节能目标和需求响应功能。

3合同能源管理在建筑节能中的典型应用

20世纪70年代世界石油危机爆发后，合同能源管理(EnergyManagementContract，以下简称EMC)作为一种全新的节能机制在市场经济国家逐步发展起来。所谓合同能源管理，是指节能服务公司(EnergyServiceCorporation，以下简称ESCo)通过与客户签订节能服务合同，为客户提供节能改造的相关服务，并从客户节能改造后获得的节能效益中收回投资和取得利润的一种商业运作模式(见图5)。通常情况下，在节能改造之后的合同期内，客户企业原先单纯用于支付能源费用的资金，可同时支付节能改造后的能源费用、节能服务公司的费用，并且能够获得一部分的节能效益。合同期满后，客户享有全部的节能效益[7]。建筑节能是我国节能战略的重要组成部分，在建筑领域引进合同能源管理模式，既节省能源，又节省开支，还可以减少机关辅助人员，降低管理成本。2011年5月4日财政部、住房和城乡建设部联合下发的《关于进一步推进公共建筑节能工作的通知》，明确要求“十二五”期间，两部委从加强新建公共建筑节能管理，推动公共建筑节能改造，推进EMC、能效交易等节能机制创新等多方面出台一系列措施，力争在推进建筑节能上有所突破。目前，在建筑节能领域，EMC从业公司主要针对公共和商业建筑，从事空调、供热和照明节能工作。倾向于选择投资回收期短于2~3年的项目和技术，签订的建筑节能合同分享期通常不超过5年[8]。其主要采用的技术包括系统优化、能源阶梯利用、可再生能源利用、资源再利用、高效设备的应用、智能控制等方面。在新建建筑领域中，部分节能服务公司采用BOO(建设、运营、持有)模式，对区域供冷供热中心或冷热源进行投资和运营，并从收取的供冷供热费用中盈利。建筑节能合同模式一般有如下5种类型。

3.1效益分享型

效益分享型是节能服务公司与业主通过签订合同的方式确定节能效益的分享比例。节能分享依据为第三方评测机构出具的节能效益评估或实际运行的效益，节能服务公司与用户按比例分享其经济效益。一般节能服务公司在头几年的分成占主要比例，用户占次要比例，若干年后经济效益全部归用户所有。

3.2效益担保型

效益担保型的合同能源管理模式是指节能服务公司向业主保证一定的节能量，或者是保证将业主能耗降低或维持在某一水平上，业主按照合同规定向节能公司支付能源服务费用。实际节能量超过保证值的部分，其分配情况要根据合同的具体规定，可按一定比例进行分成，也可用于偿清节能服务公司的投资，也可属业主所有。

3.3设备租赁型

设备租赁型顾名思义是采用租赁节能设备的方式进行节能合同能源管理，在一定时期(租赁期)内，设备的所有权属于节能服务公司，业主以设备租赁费用的方式向节能公司支付节能服务费用。合同期后，设备属业主所有，设备维护和运行时间可以根据合同延长到租赁期以后。

3.4改造工程施工模式

业主委托专业的节能服务公司做能源审计、节能整体方案设计、节能改造工程施工，按照普通工程的方式进行实施。该模式对于高耗能行业、节能意识强、注重节能技术与节能效益的用户较为适用。该模式中，节能公司不能分享项目节能的巨大效益，因此其收益是最低的。

3.5能源管理服务型

对许多业主而言，能源及其管理不是企业核心能力的部分，其对用能的管理投资大、效率低、专业性相对较差。节能服务公司不仅为其提供节能服务业务，而且提供能源管理业务。企业能源管理的外包，将有助于企业全心投入核心业务和提升核心竞争力。

4结语

建筑能耗已成为我国一次能源消耗的三大部分之一，随着建筑总量的快速增加和对舒适度要求的提高，而呈急剧上升趋势。目前我国城乡既有建筑超过400亿m2，其中仅有3亿多平方米是节能建筑，不到全国既有建筑的l%。同时，我国北方采暖地区单位建筑面积能耗是发达国家的3倍。建筑用能所排放的温室气体超过全国温室气体排放的25%。由此可见，建筑节能在中国是一个潜力很大的新兴行业，具有广阔的成长空间。近年来，我国政府日益加大对建筑能耗的审查和限制，陆续颁布实施相关标准规范。建筑节能市场潜力巨大，目前已有一些建筑节能服务公司开始运营。有许多国外的电能效率服务和管理行业的节能服务公司也开始把目光转向我国的建筑节能市场。尽早研究和制定规范建筑节能服务市场的政策和法规，是防范建筑节能服务市场混乱、建筑能源利用安全的必要保证。建筑节能是一项全方位、综合性的系统工程，建筑节能技术涉及建筑技术、能源技术、材料技术、仿生技术、智能技术、废物再利用技术等，也涉及政策法规、设计、施工、管理等诸多部门，在策划、实施及取得实效的长时间过程中涉及规划、设计、施工、调试、运行、维修等诸多环节。为提高建筑节能的有效性还需技术含量高的节能产品，如节能型空调、节能型电梯、节能型灯具等，并开发新型能源利用技术，使建筑逐渐实现低能耗、零能耗。虽然目前超低能耗的生态示范楼还处于试验阶段，用于展示和实验各种低能耗、人性化、生态化的建筑形式及先进技术产品，但它代表着我国建筑节能的美好蓝图和发展方向。随着人们对建立资源节约型社会重要性认识的不断深入和节能科学技术的不断进步，建筑节能技术一定能够大幅度降低能耗成本，并在可以预见的未来逐步推广。

作者：赵东来1 胡春雨2 柏德胜2 李武峰2 单位：1.中国电力科学研究院 2.国网电力科学研究院

第四篇：建筑节能气凝胶应用与效果

1引言

在中国城镇化飞速发展的今天，我国能源需求结构发生了重大变化，建筑用能占全国新增能源消费总量从2005年不到35%上升到2012年的57%～75%，因此建筑节能是中国在未来20年实行“节能优先、结构优化、环境友好”的可持续发展能源战略的重要领域［1］。通过使用高效的节能系统能够有效的减少建筑能耗。据估算使用先进的节能材料和合理的节能措施能够节省高达80%的建筑能耗［2］，其中采用保温绝热材料是实现建筑能耗降低的主要措施之一，但传统建筑保温材料已越来越难以满足建筑节能的需求。1931年首次制备出的气凝胶材料，是一种纳米多孔结构的固体新材料，具有超轻、高绝热等优点，近年来随着研究的深入和应用的拓展，气凝胶的在建筑领域的应用将使得节能效果实现数量级上的提高，因此日益展现出巨大优势和前景。

2气凝胶简介

气凝胶，又被称为“固态烟”或“冻烟”，是目前已知最轻固体材料。气凝胶具有三维网状的微观结构，这种特殊的结构使其具有低密度、低导热系数、高比表面积、高声阻抗等特有的性能［3-5］，从而使其在隔热、隔音、储氢、催化等领域有很好的应用前景。气凝胶的制备一般包括三个阶段:一是湿凝胶的制备。用溶胶-凝胶法来制备湿凝胶，在反应过程中分散在液体中的纳米颗粒凝聚在一起进而在整个溶液中形成一个连续的三维网状结构。二是湿凝胶的老化。溶胶达到凝胶点时，硅聚合物充满了整个盛溶胶的容器。然而，凝胶中的硅骨架上还有很多尚未反应的活性基团。水解反应和缩合反应可能会继续，并且有足够的时间时会加强二氧化硅的网状结构。三是湿凝胶的干燥。干燥是气凝胶生产过程中最后也是最关键的一步，毛细管力是整个干燥过程中的关键因素。最常用的干燥方法有常压干燥(APD)和超临界干燥(SCD)两种［6］，常压干燥方法工艺简便，但湿凝胶干燥过程中骨架孔隙中的液体毛细张力会引起干燥过程中凝胶的收缩甚至开裂。超临界干燥方法是让骨架孔隙中的液体在高于其临界温度Tcr和临界压力Pcr条件下排出，在干燥过程中使溶剂毛细管张力消失，能够制备超低密度的气凝胶，但工艺、设备复杂、成本较高。

3气凝胶材料在建筑中的实际应用形式

气凝胶有诸多的优点，在建筑节能领域的应用中主要是利用其低密度、良好的隔热性和阻燃性等性能，气凝胶与几种常用保温材料性能对比如表1所示。

3．1气凝胶颗粒

气凝胶颗粒一般为二氧化硅气凝胶，分为疏水性和亲水性。气凝胶颗粒制备常用方法有一次成型法和二次成型法，李兴旺等［9］采用一次成型法以甲酰胺作为反应催化剂，水玻璃作为凝胶先驱体，利用溶胶-凝胶法在常压下制备出了性能优良的二氧化硅气凝胶微粒。二次成型是制备出块状二氧化硅气凝胶后，按粒径要求采用不同的破碎方法制备不同粒径的二氧化硅气凝胶颗粒。乌尔里克鲍尔等［10］将疏水气凝胶颗粒通过均化器进行研磨，并在研磨过程中进行表面处理以防止凝聚或聚集，可制备出粒径小于1微米的气凝胶颗粒。常压下合成气凝胶粉粒比较容易，具有实现大规模商业生产的可行性。国内外很多厂家已经生产出性能优良的商用气凝胶颗粒。例如美国卡博特公司采用新的工艺省去了成本高昂的传统超临界干燥过程，可在室温条件下连续生产完全疏水的二氧化硅气凝胶，产品粒度分布广(5～4mm)热导率低(0．009～0．012W/m•K)密度低(30～100kg/m3)。国内的广州埃力生公司也有类似的商用气凝胶颗粒在售，其性能和国外产品相近，粒度在0．5～5mm，密度在40～200kg/m3，比表面积可达600m2/g。

3．2气凝胶毡

气凝胶毡是通过将气凝胶与纤维增强材料进行复合，解决了气凝胶机械强度低，易碎易裂、高温隔热性能不佳等问题，能够使其在建筑领域有更大的实用价值。气凝胶毡的增强材料有两类:一类是韧性较好的有机纤维如芳纶纤维、聚氨酯纤维等;另一类是耐高温的无机材料如玻璃纤维、陶瓷纤维、硅钙石等。将制得具有流动性的溶胶与纤维增强材料复合，再经过凝胶(a)P-typeAerogelblanket;(b)C-typeAerogelblanket干燥等过程就得到了气凝胶毡。这种方法即可制得刚性的复合气凝胶板材也可制备具有柔性的气凝胶毡。Chand等［11］以水玻璃为硅源氧化铝溶胶改性的玻璃棉为增强体常温干燥制备出气凝胶毡，密度在0．1～0．14g/cm3，具有良好的力学性能和疏水性。韩国的Kyung等［12］采用两种类似的方法将二氧化硅气凝胶与PET纤维棉复合，常压下制备出有机纤维增强的气凝胶毡具有良好的隔热性和吸声性。美国阿斯彭气凝胶公司将气凝胶和超细玻璃纤维复合后得到的P型气凝胶毡(图1a)是一种柔软有弹性的高温隔热保温毡，具有较低的热导率(室温0．02W/m•K)。该公司将气凝胶毡外表面复合铝箔防水层后制备出C型气凝胶毡(图1b)，同样具有柔性、弹性、更低的导热系数(0℃为0．014W/m•K)，并且C型气凝胶毡可在低至－270℃的环境下使用，阿斯彭两种气凝胶毡如图1所示。

3．3气凝胶板

气凝胶复合板是将纯气凝胶和纤维、颗粒、砂浆、金属、有机聚合物等复合制成刚性的板材。由于可以和气凝胶复合的材料较多，复合形式也比较多样，所以其产品较为丰富，不仅可做成保温隔热板，还可用设计的模具制备所需的各种结构件。将制备气凝胶毡的方法改进即可制得刚性气凝胶-纤维复合材料，与制备气凝胶毡不同的是在制备刚性板时加入纤维的量较小，并且根据需要加入一些其它添加剂。其制备的板材中纤维和气凝胶都是连续相，即保证了其强度，又使其隔热性相对气凝胶毡有一定提升。另一种复合纤维方法是先制得具有不同粒径的颗粒状纯气凝胶颗粒，再将这些颗粒与有机或无机增强体、粘结剂等混合均匀，二次成型(浇注或模压)得到复合气凝胶，如明克(Min-K)材料［13］。Kim等［14］将制备的SiO2气凝胶颗粒粉碎后和PVB颗粒按一定比例通过不同的方式(干混或湿混)混合均匀。最后将混合粉末放入模具中在150℃和0．28MPa下热压成型得到SiO2气凝胶-PVB复合板。程颐等［15］将制得的疏水颗粒和亲水颗粒按照一定比例分别与水泥砂浆混合均匀，向混合物中加入一定量的水充分搅拌后倒入模具，干燥后即可得到SiO2气凝胶-水泥墙板。目前商用气凝胶板一般是将SiO2气凝胶与无机纤维毡复合制得的，比如广州埃力生气凝胶公司采用纳米技术将制备的GY06系列气凝胶板，具有低的密度(320kg/m3)、低导热系数(0．019W/m•K在25℃时)并且呈现出整体憎水性。绍兴纳诺高科公司通过进一步改进，结合真空技术制备的VIP真空绝热板具有更低的密度(200～250kg/m3)、更低的导热系数(≤0．004W/m•K在25℃时)，能在低温环境下使用(－200～100℃)可取代聚氨酯泡沫、酚醛树脂泡沫等传统保冷材料。

3．4气凝胶玻璃

气凝胶有较好的透光率和隔热性能，在节能窗上有很好的应用前景。但是气凝胶的极限拉伸强度很小，要避免直接的机械撞击。目前气凝胶很难单独作为玻璃应用，要和普通玻璃板结合应用，主要有气凝胶镀膜玻璃板和真空夹层气凝胶玻璃两种。气凝胶镀膜玻璃就是在普通玻璃板上增加一层气凝胶薄膜来提高其隔热性能，Kim等［16］首先通过将TEOS溶解到IPA中用酸碱两步催化法来制备TEOS/IPA基溶胶;然后通过浸泡涂膜法在玻璃表面形成一层湿凝胶薄膜;最后溶液替换和常压干燥制得气凝胶涂膜玻璃。气凝胶涂层厚度在0．16～10μm，折射率为1．08～1．09，气凝胶涂膜玻璃的透光率超过90%，导热系数达0．016W/m•K。真空夹层气凝胶玻璃是利用上下两层玻璃板对其夹层的气凝胶进行保护，并通过抽真空密封的方式进一步提高整个复合玻璃的隔热性能，也可使夹层气凝胶避免接触空气中的水分。Schultz等［17］研究了真空夹层气凝胶玻璃的影响因素，其主要制备过程有以下几步:首先用超临界干燥法制备出块状的气凝胶平板。然后将气凝胶平板夹在两片玻璃板之间并对边缘进行密封，最后对两片玻璃之间空间抽真空。该方法制出的中间夹层15mm的55×55cm的样品中心传热系数为0．7W/m2•K，透光率为76%。虽然上述两种气凝胶玻璃视觉效果较好，但是涂膜玻璃节能性能提升有限，真空夹层气凝胶玻璃所用气凝胶板难以制备价格昂贵。实际应用时，一般将半透明纳米二氧化硅气凝胶颗粒作为夹层填充物，虽然视觉效果差、折射率大，但可应用在大型剧院、展览中心、会议中心等无需良好视觉效果的位置或可以应用于太阳能集热器。Ｒeim等［18］研究了透明二氧化硅气凝胶颗粒填充厚度填充方式对气凝胶玻璃的透光率和导热系数的影响，其制备的气凝胶夹层玻璃传热系数为0．4W/m2•K透光率可达88%。绍兴纳诺高科公司以半透明纳米二氧化硅气凝胶颗粒、薄膜或板材为主体夹层材料，与优质玻璃钢材料复合制成的绝热采光板透光率大于70%，同时保证低至0．020W/m•K的导热系数，如图2所示。

4国内外气凝胶在建筑节能领域的应用方法及效果

4．1气凝胶在节能门窗的应用

就目前典型的建筑围护结构而言，通过门窗损失的热量约占建筑总的热量损失的40%～50%［19］，并且随着人们居住环境的提高，门窗面积还要不断增加，节能玻璃的应用对整个建筑节能将起到重要的作用。气凝胶节能玻璃相对传真空玻璃、夹层玻璃等统节能玻璃有着诸多优点。Schultz等［17］通过仿真模拟，将其制备的真空气凝胶玻璃替换三层充氩气中空玻璃安装于建筑门窗上。其模拟实例为处在丹麦气候的居民住宅。其中两栋符合丹麦保温建筑标准，另两栋复合丹麦节能建筑标准(房屋取暖耗能＜15kW•h/m2/a)。通过计算房屋的年取暖耗能量来比较两种玻璃的节能性能。结果如表2所示。从表2中可以看出普通居民住房相对中空玻璃气凝胶玻璃年节能量为1180kWh/a，约19%，而在节能住宅中这一数字是700kWh/a，占到了总耗能的34%。真空气凝胶玻璃不仅更节能也有不错的视觉效果，图3为气凝胶玻璃在美国耶鲁大学建筑的玻璃幕墙中的应用。

4．2气凝胶在建筑管道中的使用

气凝胶毡具有超高隔热性和疏水性等优点，是一种理想的管道保温材料。图4展示一种气凝胶毡管道保温层的结构，紧贴管道第一层的为卷绕管道的气凝胶保温毡，为保温结构的主要保温层，外层为金属保护层和绑带，提供了机械和户外风吹日晒雨淋的防护，如果卷绕多层气凝胶毡可采用错位搭接方式提高保温性能。气凝胶毡有较好的柔性与抗拉、抗压强度，施工方便快捷，另外气凝胶毡的整体疏水性使其在整个使用周期导热系数几乎没有变化。与传统保温材料相比气凝胶保温结构保温性能明显好于其他材料。根据美国阿斯彭公司的估算，平均每公里的高温蒸汽管道在8a的使用中仅能耗一项就可以带来250万美元的节省，而在建筑供热管道保温材料改造中，理想情况下一年左右即可以节省下改造投入的成本。

4．3气凝胶板在墙壁和屋顶中的使用

传统的墙壁和屋顶保温材料分为无机材料和有机材料，占据保温材料市场80%的有机保温材料聚苯泡沫板防火阻燃性不佳，无机保温材料如岩棉、玻璃棉等大多密度大且保温效果欠佳［21］。气凝胶板具有低热导率、低密度、高阻燃性是墙壁和屋顶的理想保温材料。图5展示了目前常见的气凝胶板保温层，其中包括墙壁保温层(图5a)和屋顶保温(图5b)。该结构的主要保温层是气凝胶板，其导热系数在常温下可到达0．013W/m•K，几乎只有挤塑聚苯板的三分之一，更是远低于其它建筑保温材料，具有高效的保温隔热性能。气凝胶板还可以起到吸声降噪的功能，该结构还可以有效的阻绝噪声。此结构使用的气凝胶毡和板燃烧性能为A1级，为完全不燃性材料，解决了建筑保温与建筑防火无法共存的巨大矛盾。气凝胶毡或板密度低于200kg/m3，施工时方便的同时也减轻了整栋建筑的重量。

4．4气凝胶在涂料中的应用

气凝胶粉体可以应用在涂料中，做成具有保温效果的保温涂料，起到补充保温作用。刘红霞等［22］分别以空心微珠、自制的SiO2气凝胶为隔热填料，添加到丙烯酸酯白色外墙涂料中制成隔热涂料，通过自制的测量装置测得SiO2气凝隔热涂料隔热性能明显优于空心微珠隔热涂料。卢斌等［23］用稳定剂爱利索TMＲM-825对SiO2气凝胶进行改性并制备成浆料，以水性丙烯酸树脂为成膜物，在助剂的配合下制得水性纳米透明隔热涂料，结果表明玻璃涂覆膜厚为20～25μm时，涂膜有良好的机械性能，可见光透过率大于89%，透明性好，同时有较好的隔热效果。气凝胶涂料不仅可以应用在外墙体的保温中，还可以应用在建筑内墙保温和建筑顶部保温和建筑底部保温。2010年上海世博会零碳馆及万科实验楼应用了该种涂料，表明这种涂料具有突出的节能效果。

4．5作为混凝土添加剂

气凝胶还可以用于降低混凝土的导热系数。Kim等［24］开展了混凝土基料中掺入不同量的疏水或亲水SiO2气凝胶粉末的研究，混凝土块的热导率随着SiO2气凝胶粉末含量的增加而减少，但抗压强度会有所降低，收缩率也会有所增大。据此特点可将添加SiO2气凝胶的混凝土用于非承重墙，或是作为粘结试剂使用的水泥砂浆。随着混凝土助剂的发展，可以加入助剂来补充损失的力学性能。

5展望

气凝胶材料以其独特的结构所表现的优异的保温隔热和防火性能使其具有在建筑节能中应用的可能性。目前气凝胶在实际应用中，主要有气凝胶颗粒、气凝胶毡、气凝胶板、气凝胶玻璃和气凝胶采光板等几种形式，在建筑围护结构、管道保温层、涂料、混凝土等应用领域具有诸多优势，尤其是节能效果显著。要实现气凝胶在建筑领域大范围推广应用，将来的发展方向将主要集中在以下三个方面:(1)降低气凝胶材料制备成本，若要大面积推广应用必须具有一定的经济型，可通过选择廉价的原料或改善制备工艺来降低制备成本;(2)复合气凝胶建材的开发，将气凝胶材料和现有建材复合，如聚氨酯泡沫、石膏板等，弥补气凝胶本身缺点的同时降低气凝胶材料的使用量;(3)气凝胶应用方案优化，利用计算机模拟技术优化应用方案，量化节能效果，使气凝胶的节能效果直观化，对气凝胶应用的宣传至关重要，为气凝胶的市场化奠定基础。随着国家能源战略和经济的转型必将在保温节能领域有更多的投入，传统保温材料会越来越多的被气凝胶所替代。因此，气凝胶材料在建筑保温领域具有广阔的前景。

作者：郭晓煜1 张光磊1 赵霄云2 秦国强1 李广鹏1 单位：1.石家庄铁道大学材料科学与工程学院 2.河北省安装工程有限公司

第五篇：建筑节能可再生能源的应用

近年来，我国建筑方面的节能工作越来越受到国内外各界的重视，同时也是人民群众都非常关注的问题，加强建筑节能的工作是一个综合性研究的问题，它主要是提高能源的利用率和实现能源的综合利用。我国可再生能源非常丰富，大力开发可再生能源并且运用到建筑各方面是非常有效的一项工程。只要能将可再生能源有效应用在建筑中，我国能源问题在很大程度上就会得到缓解。

1如今国内建筑节能的概况

目前，许多西方国家对建筑节能的认识和实行已经达到了很高的高度，建筑节能不仅能够节约能源，改善室内空气和温度，而且能够节约开支，减缓温室效应，保持生态平衡，有利于可持续发展。建筑节能已经成为全世界都非常重视的话题。而在国内，自从改革开放以来，我国建筑面积迅速增加，随着经济的发展，人们对生活工作的环境要求不断提高，这就难免会造成耗能过度的现象，近年来，我国建筑节能的问题越来越严峻，人们对建筑节能的认识都不足，而且由于我国科学技术的发展远不如西方国家，导致建筑节能在某些方面实行起来有一定的难度。

2太阳能的利用

至于太阳能，我们都不陌生，我们很早就开始运用太阳能了，可以说，太阳能是最早被运用在建筑的可再生能源。太阳能在建筑中的运用主要有被动式太阳能技术、主动式太阳能技术、太阳能光电技术三种方式。

2．1被动式太阳能技术

被动式太阳能技术不利用任何任何机械设备，也不借助任何控制系统，它是指在建筑物中直接利用太阳能，这种利用方式有直接获取系统、间接获取系统和混合式系统三种方式。例如，为了提升室内的温度，可以在修助房子时，选取适当光照时间长的方向，或者也可以调整房子之间的距离以增加太阳的光照面积，从而提高室内的温度。

2．2主动式太阳能技术

主动式太阳能技术主要是利用太阳能提供热水、室内升温、室内降温、室内除湿以及进行通风空气的预热等等。这种方式主要是利用太阳能产生热，用于其他设备中。

2．3太阳能光电技术

利用太阳能进行发电发热的时候，我们应该注意将太阳能与建筑物之间的协调，达到和谐的美。其次，利用太阳能进行产生热量后我们应该注意建筑的排水问题。

3风能的利用

3．1风力发电

在高层建筑物中利用风力发电必须考虑到当地的平均年风速、风向和风力资源。在高层建筑中，风力资源自然不用说，非常充分。所以在高层建筑物利用风力发电主要考虑当地的风速和风向就可以了。此外，在修建高层建筑物的时候，一定将风力发电的机械设备的装载考虑进去，不然后期再安装时极有可能会导致严重后果发生。

3．2自然通风

自然通风是一种纯天然的利用太阳能的方式，所谓自然通风就是及时将屋子内的窗门打开，保持室内的通风，同时可以带走室内的热空气流，从而降低室内的温度。这种利用风能的方式不利用任何机械设备和控制系统，也就不会造成任何环境污染。

4地热能的利用

4．1地热能利用技术

在建筑物中利用地热能主要是用热泵将地表浅层的低温热抽走，供建筑产热和获取热水，而到了夏天，建筑则通过热泵将热能输送到地表。利用热泵获取输送热能主要有土―气型地热泵技术和水―水地热泵技术两种技术方式。土―气型地热泵技术是从地表土壤中地下水中获取热能，然后分散在各个房间中，直接转化成热风或者冷风。而水―水地热泵技术则是将获取的热能经过热泵机转换成热水或冷水，然后分散在各个房间里通过风机盘转换成热风或冷风来供热或者制冷。

4．2利用地热能应注意的问题

利用地热能时，地理的选取是非常重要的。修建建筑物时，首先要做好规划，对建筑地基进行勘测，选取地热能源较广的地方进行建筑，并且在地下预留空洞，以便以后安装地热泵来传输地热能。同时，利用地热能的时候还要建立机房以便加强对地热能利用的控制，以及地热能装置的埋置都是值得注意的问题，埋置时不能影响建筑物的外观造型，以免造成不协调的现象发生。

5生物质能的利用

5．1沼气的广泛运用

我们对生物质能最多的就是沼气的运用，沼气是在沼气池中利用微生物将植物的秸秆和动物的粪便发酵，然后将产生的沼气进行过滤以提升其纯度从而更高效地运用在生产生活中。最后通过管道将沼气运输到每个家庭中。并且沼气能够减少废物的排放，达到环保的效果。

5．2利用生物质能应注意的问题

在建筑中利用生物质能需要注意很多问题，比如说沼气场地的选择，沼气池应该建多大，沼气池应该与植物园建在一起，植物对沼气池的影响作用，以及沼气池的外观与内在结构的和谐性，沼气池不仅要可观，而且要可行等等。最重要的是沼气池不能破坏建筑物的美观和结构，它必须与建筑物达到一定的协调性，这些都是设计师在设计建筑物的时候应该考虑的问题。

6结束语

建筑节能是我国发展的重大策略之一，近年来，我国政府一直将建筑节能作为放在国家发展的首要位置，采取措施去缓解能源问题，但是我国建筑节能还存在很多很严重的问题，这些问题直接影响着我国经济能源的发展，也阻碍着我国的全面整体的发展。为了我国能够可持续发展，我们每个人都应该负起一份责任，积极参与到建筑节能的行动中去。此外，开发利用可再生能源是一项能够有效缓解我国能源问题的行动，我们必须研究并且熟练掌握相关技术，提高可再生能源的利用率，减少温室气体的排放，从而达到绿色建筑的效果。

作者：王丹单位：保定市广厦工程建设监理有限公司

第六篇：建筑电气设计节能的应用

城市化进程的加快使得我国建筑行业出现了跨越式的发展，建筑规模与数量也在逐渐扩大。其中，最突出的就是高层建筑的出现。在建筑施工中，电气设计与人们的日常生活息息相关，电气设计的安全性和可靠性直接影响着建筑能源的使用，对社会经济发展有重大的影响。只有合理使用节能技术，才能有效地节约资源。因此，加强建筑电气设计中的节能工作已经成为了当前相关领域的重要研究课题。

1推行电气节能的意义

随着可持续发展观念的深入，我国大力提倡使用节能技术，同时，这也是全世界谈论的热点话题之一。我国是典型的人口大国，尽管当前各种资源、能源较为丰富，但是，人均拥有的资源却少之又少，而且随着人口数量的持续增长，资源消耗也在逐渐增加。中国加入WTO以后，经济实力和综合国力显著提升，建筑行业的跨越式发展在国民经济建设中发挥了非常重要的作用。但是，在建筑施工中，能源浪费和电能浪费的情况十分严重，对经济和环境造成了一定的影响，因此，加强建筑节能在电气设计中的应用是非常重要的。当前，我国资源、能源形势日益严峻，引起了国家与各级地方政府的高度关注。在节能减排的大环境背景下，为了节约资源，实现经济社会的可持续发展，使用节能技术是大势所趋。我国积极倡导使用节能技术，鼓励各个领域创新节能技术，并且逐步扩大节能技术的使用范围。我国已经认识到了在建筑施工中使用节能技术的重要性，而且各级地方政府也高度关注此问题。在电气设计中应用建筑节能技术，能够实现生态、经济的双效益，以顺应新时期建筑行业的发展要求。应用节能技术，不仅节约了电能、保护了生态环境，还为我国经济、社会的建设和发展提供了强大的动力支持。

2节能原则

2.1满足建筑物的基本功能

在电气设计的过程中，要先遵循满足建筑物基本功能的节能原则，即需要满足建筑的基本照明亮度、空调温度和建筑内部楼道畅通无阻等日常基本用电需求。另外，还要满足现代化特殊工艺的要求，例如，在一些大型娱乐场所中，需要设计一些独特的照明系统，以提高亮化程度，满足工艺照明的需求，同时还能起到亮化、美化的作用。

2.2充分考虑经济效益

电力节能活动需要根据当前我国的国情科学开展。要充分考虑经济效益，避免盲目性，不能因为过度节能而浪费不必要的资金，增加运行成本。

2.3减少不必要的能源耗费

对一些高层建筑而言，由于楼层较高，内部人口较多，所以，需要消耗大量的能源来维持其正常运行。但是，在这个过程中，往往会出现一些不必要的能源浪费情况。为了有针对性地解决这个问题，可以有效调查高层建筑中的日常能源使用情况，详细掌握每个环节对能源的使用程度，进而采用先进的节能技术减少无谓的能量消耗，在不影响建筑物内正常使用电能的前提下，减少用电设备，降低不必要的能耗。

3建筑节能在建筑电气设计中的应用

3.1配电系统中的节能技术设计

在设计配电系统时，相关设计人员和施工人员需要结合配电系统的实际容量、配点距离和电气设备的功能、特点等内容合理设计，尽可能地缩短变配电所与负荷中心之间的距离。这样做，不但能够大大节省输电材料，还能够有效降低输电过程中消耗的电能，从而发挥出节能的作用。同时，设计人员还要合理选择电源变压器的数量和容量，改变变压器的结构设计，进而起到一定的节能效果。另外，在完全放电的状态下，电容器才能充电。如果电容器中还有电就充电，会增加电能的耗费。因此，在实际工作中，要防止这种问题出现。

3.2照明系统节能设计

照明系统是建筑中的重要组成部分，该系统的节能设计是不可忽视的。尽管白炽灯安全、简单，便于维护，光色好，价格较低，但是，其发光率不高，不利于节能。在实际的施工过程中，可以选取高效能的光源。在室内场所，应该尽量选用功率较小的荧光灯、高压钠灯和LED节能灯，而在室外或道路照明中，可以使用金属卤化物灯和高压钠灯等。如果使用荧光灯和气体放电灯，就需要安装电容器。另外，建筑物中要尽量使用一些自然光，靠近室外的地方要充分利用自然光。

3.3降低线路和产品的电能浪费

在高层建筑中，线路中的电能损耗也是电能浪费的重要方面。因此，电气设计人员在设计电路时，要重视线路耗能的情况。根据机械长度和发热条件，尽量选择低压线路截面，以降低线路的电能损耗。同时，也可以选取电阻率较小的材料作为线路的导线，例如铝线和铜芯导线等。同时，还要选取低能耗的变压器和无噪声、节能型号的接触器。

3.4提高供配电系统的功率因数

提高供配电系统的功率因数是一种有效的节省电能的方法。要想提高自然功率因数，可以通过选取异步电机、使用同步电动机和实现电力变压器轻载运行的方式来实现。在无功功率的人工补偿环节，设计人员在设计过程中，可以使用高低压柜集中与分散就地补偿的方式补偿，但这要根据高层建筑中电力设备的实际情况合理设计。另外，在设计过程中，要尽量使三相负荷达到平衡状态，采取相应措施有效提高用电设备的功率因数，选择合适的容量和地点进行无功补偿。

3.5其他节能技术

在现代建筑中，对电气设计的要求比较高，同时，还要践行节能环保的理念。因此，在照明系统的设计中，要严格按照我国建筑施工的照明设计标准执行，满足其对功率的要求。在建筑电气设计中，要加大节能型电子镇流器和电感器的应用比例；在建筑楼道内、电梯间使用声控开关，对于一些庭院中的照明系统，也要使用声控、光控等开关来调节；对于车库照明设计，则要根据停车位、车道等不同要素划分，从而实现分级控制；大厅、礼堂和走廊等大型公共场的用电，可以采用楼宇自控或者集中控制的方法；宴会厅、高档会议室、别墅等场所和住家可以使用智能化的照明管理控制系统。这样，不仅能够对照明系统实现定时开关、调光、调声和场内效果等方面的控制，而且由于现代信息技术的应用，还能够实现能源的动态化、规范化管理，进而降低能耗。

4结束语

现阶段，能源危机日益严峻，一定要高度重视建施工中节能技术的应用，要加大对节能技术的研究力度，加大科技投入，节约资源，降低能耗，减少运行成本，最大程度地满足现代化建筑施工的需要，提高经济效益，促进经济社会的可持续发展。

作者：李杰 单位：中机中联工程有限公司综合八所