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1、通过建筑围护结构的设计来提高能源效率摘要建筑物及其周边环境还有相关联的企业比其他任何一个人类企业或工厂，都要产生更多的CO2、制造更多的污染、消耗更多的能源及浪费更多的自然资源。并且，这些环境的冲击的相当大的一部分源于住宿业。旅社建筑的多功能化设计，从而提供不同的舒适度和服务顾客。一般渴望享受独家的设施。度假村一般在最原始的、敏感的生态系统开发，很少甚至没有对自然环境或人文环境加以考虑。大多数策略是边设计边实施的，很多住宿设施所提供的服务需要消耗大量的能量、水和不耐用的物品。从建筑开始设计到最终的使用者，旅店的设施的资源利用效率通常较低，并且旅店对环境的影响比其他类型的类似规模的商业建筑物要严
2、重的多。对于建筑物的管理者，建筑设计期间做出的决策在减少环境影响中扮演着重要的角色。随着旅社建筑的总能量性能的全球性提高，本文描述一个研究设计工程。该工程坐落在土耳其的伊兹密尔市，基于被动式太阳能设计技术的影响来设计建筑物的围护结构体系，从而来开发和论证高的性能。关键字：建筑围护结构设计 酒店能源性能 能效建模一、引言各种用途的费用代表着来自旅店老板的使用费的快速增长，并且在2004年至2006年期间以每年平均12%的速率增长。旅店业在能量使用、花费和温室气体的排放上有一个显著的增加。有一篇关于能量是什么时间在什么地方怎样被使用的，和从旅社设施管理者的立场上可能发生的存储的调查研究。然而 ，旅
3、社的能量损耗的很显著的一部分可以在建筑设计中减少。因为，建筑设计对选择和制定建筑物的机械系统有直接的影响，而机械系统的选择和制定反过来影响建筑使用期限中的能量损耗。因此，从建筑设计师、业主和公共事业设备的观点来看，检验减少建筑物能量损耗的可能性的关键是识别建筑物组成部分的能量损耗，不仅仅通过检验建筑物系统和管理部门的高效率，而且通过建筑物的建筑学特征。这个研究的目的是展示如何用被动式设计来满足减少能耗的要求。适当的建筑物设计能够显著地减少能量损耗。此外，低能源消费减少温室气体的排放（二氧化碳、甲烷、一氧化二氮），并降低运行成本。已经完成的旅社能源效率的研究，就旅社能源损耗模型给出了一个清楚的理
4、解。旅社能源强度年均为87 kBtuh/ft2(274.8 kWh/m2). 其中61% 来自电，39% 来自天然气和其他燃料。如表1和图1、2所示，这些转换成电能的为53.1 kBtuh/ft2(167.74 kWh/m2) 和天然气0.34therms/sf(106.55kWh/m2)。当把旅社与像事务所和零售处等其他商业建筑物相比，旅社的年均能源密集度是最高的。办公大楼的年均能量密集度是79.8 kBtuh/ft2 (251,57 kWh/m2) ，甲级零售物业的是81.5 kBtuh/ft2 (256,93 kWh/m2) 。因此，以节能的观点来评估旅社建筑物变得越来越关键。然而，没有
5、一个研究根据建筑物的能耗，给出任何关于建筑物维护结构的重要性的信息。这些来自在下方给出文献的迄今为止的研究实例中可以看出，没有一项实施的研究考虑过建筑物维护结构体系的重要性。在美国，2007年每年住宿房的平均能量强度从15 kBtuh/ft2 (48 kwh/m2) 到300 kBtuh/ft2 (947 kwh/m2)不等。通常情况下，一个旅社或者汽车旅馆几乎75%的能源使用都归因于空间供暖、水供暖、照明和制冷的综合使用。剩下的25%用于程序、电梯和厨房。这些数据与加拿大渥太华的旅社能源性能不同。 据报道渥太华地区的每年平均的能量密集度为218 kBtuh/ft2 (688.7 kwh/m2
6、) ，该结果来自于1991年对渥太华地区的41家旅社中的19家进行问卷调查得到的。其不同能源类型的百分比分布与美国住房建筑能源分布的电、汽油和蒸汽分别占居28.9%, 26.4% 和44.7% 的百分比不同。空间取暖消耗35% ，而水加热、制冷和照明的消耗分别为15%、33% 和8%。 在英国，几个有关旅社建筑物能源性能方面的研究案例已有报道。例如：1988年，伦敦旅社每个建筑面积的平均能源消耗为226.3 kBtuh/ft2 (715 kwh/m2),，其中大约74% 来自于天然气的消耗。在香港， 有个早期关于旅社电能需求的研究指出平均电能消耗强度为81.6 kBtuh/ft2 (257.8
7、 kwh/m2) 和115.9 kBtuh/ft2 (366 kwh/m2)。然而香港的这些研究仅仅针对于电能使用。也有一些关于地中海气候类型的旅社的研究。希腊158所旅社的能源损耗平均为86.4 kBtuh/ft2 (273 kwh/m2) 。突尼斯旅店各部门的年均总能源损耗的变动范围是54.1 到117.8 kBtuh/ft2 (170.9e372 kwh/m2.) 。分析了土耳其安塔利亚地区的旅社，测定其能源损耗为40.8到204.6 kBtuh/ft2 (129e646.3 kwh/m2) 之间。这篇研究论文将综合以上提到的各个研究的结果，进一步强调建筑物维护结构的能源效率的重要性。大
8、规模建筑物的能源效率的提高不能仅通过应用先进的动机械系统，而且也要通过经营管理的设计方案来提高，能够意识到这些是至关重要的。这些决策应该在建筑设计的开始阶段就制定，正如本文强调的，此时决策对能源效率的影响是及其显著的。这是一个多学科的问题，要求包括工程学、建筑学、环境管理、设计及国家政策在内的各学科的协调工作。每个新结构的搭建，如果没有遵守可承受的原则，将使建筑的使用寿命降低。从能源的损耗和浪费这一代的观点来看，建筑设计决定了一个建筑物在它的整个使用期限如何运作的。建筑设计影响营业成本。用于空间调节尤其是制冷的能量是地中海国家最关心的事情。过去的十年间，欧洲南部的国家对机械空调的使用不仅在旅社
9、中戏剧性地增加，而且在其他建筑业也有增加。 这一结果主要归因于生活水平的提高和空调设备组件的费用的增加。欧盟成员国的国民生产总值的销售额有明显的增长趋势。对电能损耗的影响令人担忧。在欧洲南方的大部分地区，夏天开始出现电能的最大值负荷。本研究展示了自然能源流在减少热和冷负荷方面的优势，即使当用于像被动地设计的旅社这种现存的大规模建筑物也同样存在优势。能源损耗的减少以百分数的形式给出。在这个特使案例的研究中，作为重点的不只有冷负荷，还有热负荷，因为旅社大多在夏季旅游观光季节使用，但也在冬季开放。2.旅馆建筑的能源损耗的建模e-QUEST (基于美国能源部的DOE2.2计划)能源分析计划被用于模拟土
10、耳其的伊兹密尔市的旅社建筑。该城市坐落在爱琴海沿岸，是全国第三大人口密集的城市和著名的乡村旅游景点。其地理坐为北纬38度25分，东经27度8分。伊兹密尔以长期而炎热的夏天和适度而多雨的冬季为特征，是典型的热带地中海气候。这样的气候一年又300天的日照，有很长的旅游季节。夏天很干燥，夏天的月份（六月到九月）的特点是缺乏水及日间平均气温为82.4F（28摄氏度）或者更高。另一方面，冬季是温和的，伴随着偶热的降雪和一般的降雨量。事实上，总降水量的77%发生在冬季的一月到下年三月。冬季月份的平均最高气温在48到55F（8.8到13摄氏度）间变动。如图3、4所示由于适合DOE2能源计划使用的8760个小
11、时的气候数据对伊兹密尔却行不通。巴勒莫、意大利的气候被作为最相近的使用。一月和七月的温度曲线和干湿球温度计的温度值如图3至5所示。3. 建筑模型为了进行评估，建立一个假设的模型。一个典型的21层轻结构的建筑物（基于伊兹密尔现存的一个1992年建造的旅社）被建立，来评估其能源效率，如图6到8所示。在90世纪期间，土耳其没有一个关于能源性能的管理规则。政府部门和社区是有关建筑物的规章制度的责任团体。建筑物能源性能的的规章制度在2008年十二月开始生效。然而，仍需要评估建筑能源性能的方法，并且也存在一些漏洞，尤其对大规模的建筑。4. 能源分析能源效率的是根据美国能源部制定的DOE2.2能源分析程序中
12、的e-QUEST、表格、输入图形建模界面来运行。e-QUEST是为建筑师使用设计的，尤其是在早些时候，用于在设计中做出关于外形和建筑方位这些重要决策。它用来分析建筑物的外表面和几何结构在一年8760个小时中，对内在负荷和外在天气情况的响应。这些负荷包括太阳辐射的热量和来自居住者、电灯和仪器设备的热量以及通过渗透物或者由墙、房顶和装配玻璃的传导来实现的获得或散失的热量。由于本研究的目的是无源设计，在三种情况下机械系统和工厂用来消除影响。 选择高效节能的机械器具和设备是很重要的。外貌和规划的细节都不是这次研究真的关心考虑的，但是建筑的能效模型与建筑学的观点并不相同。例如，在能源仿真中，对分析者来说
13、，窗户的可操作性和其遮阳物比其形状更重要。能源分析需要建筑材料的信息，建筑材料可能影响建筑物的热质量。因此，例如，在设计阶段从木材和混凝土中做出符合建筑学的选择是很容易的。能源建模也要关心颜料和室内设计，这些影响室内的反射率和白天的绩效，而外面的装饰会影响太阳能的获得。基本上，建筑物能源消耗在供暖及制冷、热水、照明设备及服务项目和设备。该项目的年能量密集度为 67 kBtu/ft2 (211 kwh/m2)。总能源损耗中，27%的建筑物能耗来自天然气和73%来自电力。其中37%的电能损耗来自空间调节，包括空间制冷和通风设备（图10）。仅仅如果在建筑设计阶段考虑这些因素，通过应用被动式设计技术可
14、以减少相当大一部分的损耗。因此在设计中对机械系统需求最小化可以减少建筑的总能耗。5、被动式太阳能应用的设计技巧建筑物内被动式太阳能的设计相对的决定了建筑材料的选用。这其中包括框架结构材料，绝缘材料以及玻璃的类型。然而，旧的建筑外或者不合理设计的建筑物由于不好的建筑物维护体系而处于过度耗能的状态（例如，隔热性能不好的墙壁和窗户）。被动设计方案主要包括一下几个因素：a，建筑维护结构；b，括彼此连接的屋顶阳台等维护结构的遮阳；c，相邻结构材质的遮阳；d，自然通风（可以打开或关闭的窗户）；e，冬季的太阳能辐射；f，每日的照明。被动式太阳能设计策略把a到e都纳入了模型。所建立的模型方位被定位在伊士麦的一
15、家酒店处，由于当地建筑都是晚上占用并且自动照明控制不适用，所以日照对当地居民建筑影响很小。然而，酒店类建筑的定位是非常重要的。因为，除了要考虑太阳辐射可以利用外，它还和以下因素相关联：l 视野；l 客房与其隔壁房间的隔离；l 建筑内功能和社会的联系。建筑内简单的平面布置却能够满足各种活动的需求；并且减少的地板面积，提高了效率。在温带气候和夏季炎热气候地区，遮阳处理在平衡白天室温方面非常有效，也就论证着遮阳策略在节省能源方面有着重要的作用。建筑的定位方向朝南通过简单固定遮阳设备系统就可以有助于太阳光利用的控制，例如遮蓬。着这个设计里，现有的建筑都是长矩形平面布置，并且建筑较长的一面朝向南北方向。
16、这有助于使用悬吊挂设的朝南方向的玻璃去控制太阳光束的直接辐射。所应用的策略和和相应的对比如下：1，增加或者改善了外墙外保温和改善玻璃系统；2，减少外部窗户在外观上胶粘剂的百分比。 3，增加着色元素。6、三种情况来估能源的消耗使用相同的建筑空间与结构，创建三个案例进行对比。 第一个情况；独创性；代表着最典型的伊饭店1.单一的玻璃；2.非绝缘隔热的屋顶和墙体。第二个情况；美国暖通空调工程师协会制定的ST90.1:2004基线标准-除了低层居民建筑之外建筑的能源基准。1.改善外墙外保温和改善玻璃系统；2.减少外部窗户在外立面墙的所占比例（50%的玻璃窗）。第三个情况；拟定设计方案1、按照美国暖通空调
17、工程师协会ST90.1:2004标准改善外墙外保温和改善玻璃系统； 2、减少外部玻璃在外立面墙的所占比例（40%的玻璃窗）；3、着色元素。 在以上三个例子中，建筑能源是从电力和天然气提供整个建筑的热冷负荷来运行。6.1 第一个案例 （初始条件）第一案例的典型代表是伊饭店。伊饭店的外墙和屋顶不是绝缘的，它的玻璃采用单层明净的玻璃。在这种典型的情况下，特别是在气候温暖的土耳其。如果在冬季没有特别重要的需求的话是不考虑绝缘隔热的。同时，大多说观点认为，在外立面墙中玻璃所占的比例可达到60%。6.1.1 建筑物围护性结构墙表面结构：金属框架，2X6,24IC（在中间）没有绝缘的墙体 U=0.7 Btu
18、/ft2h_F (3.97 W/m2 K)玻璃种类：单层透明玻璃；U =1.04 Btu/ft2h*F (5.91 W/m2 K) SHGC = 0.86 VT =0.9.6.1.2 大厅、客房、自助餐厅除了拱肩、柱、外墙外，其余的都模化为玻璃墙，在整个建筑物中，设立在整个建筑物东西南北四面的玻璃所占比例达到45%。 第一案例中建筑节能按e-QUEST运行的结果如图11所示。6.2 第二案例第二个e-QUEST模型是按照美国暖通空调工程师协会ST90.1:2004 标准进行，ST90.1:2004 标准可以描述为建筑物的能量标准，不过低层居民建筑除外，它可以描述为除了低层居民建筑之外建筑物再所
19、设计能量利用率的基础上所需要的最少能量。做了以下建模的改进：l 为了防止由于室内外的热量交换造成的能量的增加和损失，绝缘材料被应用于墙壁和屋顶。这是最优先的选用方法，因为建筑中有相当多的能量可以通过绝缘隔热材料的使用来获得。外墙的绝缘材料包括聚苯乙烯和棉絮。l 为了提高能源的所有的利用效率，所得的窗户均采用双层釉面光滑玻璃，因为在暴露的表面双层釉面玻璃相比于单层来说可以减少能量的损失。通过改善从单窗格到其它窗格的釉面类型可以造成建筑该空间内所需热量和冷量的急剧减少。如果一个轻型建筑采用不同的设计方案类型，那么它可以有效地体现它在温带气候下得最佳性能。建筑物维护性结构可以参考表2.l 窗户面积的
20、减小以及墙体面积一定程度的增加不但不会阻碍视野，反而会有助于阻止太阳辐射的获得。玻璃所占比例按照美国暖通空调工程师协会90标准采用40%的比例。第一种情况下建筑节能性能上的e-QUES运行结果如图12所示。6.3 第三案例（拟定假设）这个案例代表着e-QUES提议的模型模型，墙体与屋顶的结构与案例2的基线相同。l 玻璃效率的提高，玻璃的范畴；2倍的low-e（=0.04），净空间为1/4；空气空间为1/2；透明玻璃被应用于大厅。玻璃的类型从DOE2图书中选取。l 窗户的最小尺寸比例由于为了保证视野需求被缩小至30%，但是这样可以有效的防止多的的热量。l 屋顶和墙体的结构显示在表2中。它们作为层
21、进入e-QUES模型，屋顶和墙的U值可以用e-QUES来计算。通过e-QUES计算出来的第三案例的建筑能量运行体系由图13所示。7、添加着色元素由于土耳其由漫长而炎热的夏季，给建筑物进行挡板处理形成较低荷是非常重要的。建筑物材质会与建筑物定位、视角、相邻房间的隔离、景观设计、周围植被、还有建筑通风有关。底纹元素是建筑室内空间热增益防护的主要设计。各种可以减少太阳辐射的遮阳设备的使用可以有效地减少冷负荷以及改善室内热和视觉的舒适度。外遮阳是普遍最有效的，因为大量的入射太阳辐射被封闭在建筑物外进而分散远离建筑物。e-QUES正在被运行，以分析利用精心设计遮阳元素来确定热冷负荷的最佳平衡。这个设计对
22、两种不同的遮阳效果进行了评估。首先就如图14、15中所列的阳台和窗口遮阳棚等建筑物遮阳元素进行了评估。其次是对如图16中所示建筑物周围遮阳元素的评估。阳台的应用在一定程度上给建筑物环境和人们的起居或生活区构造了一个缓冲区。它不仅提供了一个独立的环境，同时也避免了太阳的直射。而遮阳棚运用于阳台不适用的建筑物的其他区域。阳台和遮阳棚在东南西北四个方向上的纵向尺寸为四英寸（1.2米）。为了考察建筑物围护结构仅有百叶窗的情况，假设三种情况都对外开放。作为酒店建筑重要元素的酒店客房占有建筑物整个建筑面积的80%之多。客房内任何的节能设备都将显著影响到整体的节能。8 、室内设计标准三种情况运用相同的设计标
23、注，以便比较，建筑物围护结构材料的效率与性能在表3中列出。9 、构建三维数据模型同一建筑运用于三种情况做性能比。对于第三种情况的假设，玻璃所占的百分比要比以前假设有所减少。图四所示的是墙的尺寸；图五所示的是窗口标准尺寸（美国暖通空提工程师协会标准90）以及表六所示的是所提出的窗口设计尺寸。10 、DOE2运行结果（BEPS报告）DOE2有关第一、第二、第三种情况的建筑节能的报告显示在表7-9中。10.1、第四种情况：周围环境遮阳效果的影响根据美国暖通空调工程师协会90标准规定，虽然环境不能纳入冷却和制冷效果，但由于大部分在繁华市中心的建筑见不到太阳而必须被考虑到内。在研究中可以看出，在冬季太阳
24、辐射得热的损失可以致使节约能耗的减少。因此，如果不考虑相邻建筑物的影响将会造成热负荷的低估（这可能造成不准确的结果）和冷负荷的高估。e-QUES关于有遮阳的建筑的能源效能的运行结果显示在图17中。10.2、多种情况下的比较这项研究表明，建筑物围护结构的设计对能源效率，即使是像酒店这样的大规模建筑，具有重要的作用。这项研究将绝缘材料、玻璃、阳台的因素进行了比较。这项研究取得了以下成就：供热量86%的减少，制冷量60%的减少以及总体能源40%的减少量（如图18和表10）。然而这样的成果只有在这些策略应用于建筑设计的发展阶段才能取得。三种情况的对比显示在图19。现场能源的使用以及有关现场、电力、天然
25、气的选用所产生的能源节约百分比的结果显示在图20和图21上。表11显示的每个雇员所用的能源消耗以及DOE2 BEPS报告，表12表示的是雇员补偿条例的设计准则。11 、结论这项研究的目的在于强调被动式建筑设计技术在甚至像基于能源效率的高层酒店这样大规模建筑中的重要性。酒店建筑是根据它们所需的休闲服务要求有针对性的去设计以提供最佳的室内环境。建筑物室内环境必须提供适宜的温度条件以利于空间的使用。这项研究结果表明，建筑物围护结构的精确设计显著促进供热和制冷目的的实现的同时，可以显著提高能源利用效率。建筑物维护结构决定了室外环境与室内空间的能量交换，进而决定着建筑物的整体节能性能。建筑物围护结构设立
26、的目的是减少建筑冬季的热损失和夏季的热收益。这项研究还表明，适当的热绝缘、玻璃类型以及低温元素的选用可以减少通过围护结构的热传导。该研究项目所取得定量成果包括：1）、直到20世纪90年代才发现土耳其的建筑由于低效的建筑物围护结构所造成的低效能；2）、原有建筑与美国暖通空调工程师协会90标准基线存在35%的差距，基线为43.9kbtuh/sf/年，而原有建筑为66.5kbtuh/sf/年。3）、所提议的与基线之间有9%的差异，所提议建筑设计的为39.8 kbtuh/sf/年。4）、所提议建筑设计的与原有的建筑存在40%的差异。总而言之，所提议的建筑设计相比于土耳其传统的建筑在能源使用上减少40.
27、1%。这也就意味着所需机械设备系统尺寸的减少。1. 由于没有对建筑物能源性能的较为严格的监管体系，土耳其在20世纪90年代的建筑的能源效率较低。建筑物能源规管条例在2008年12月才生效。2. 在供暖与制冷荷载上，原有建筑（66.5kbtuh/sf/年）与美国暖通空调工程师协会90标准基线（43.9kbtuh/sf/年）有37%的差异。 3. 在供暖与制冷荷载上，原有建筑（66.5kbtuh/sf/年）与所提议的建筑设计（39.8 kbtuh/sf/年）之间有40%的差距。 总而言之，所提议的建筑设计相比于土耳其传统的酒店在供热与制冷荷载上减少40%，这也就意味着所需机械设备系统尺寸的减少。1
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