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研究方向

中心的研究发展框架如下图所示。通过建筑节能国情与战略研究,分析我国建筑能耗状况以及与国外不同国家的建筑能耗差异情况,为明确我国建筑节能重点研究与发展方向提供基础,从而明确本中心的重点发展方向与目标。以建筑热环境与空调系统能耗模拟研究作为分析节能数据的基本工具,以研究室内需求侧——人体热舒适研究为基础,构成建筑节能技术研究的基础支撑内容。在建筑节能国情与战略研究、建筑节能基础研究工作的基础上,为建筑节能政策、标准、法规的制定提供基础,有针对性地开展建筑节能关键技术的研究,开发解决建筑节能问题的核心产品,对重大工程进行咨询服务。继而,将建筑节能技术与工程经验在全国范围内进行宣传推广,进行建筑节能人员的培训,构建国内外建筑节能研究与交流的平台,有效推动我国建筑节能事业的发展,并在世界节能领域有一定影响力。

     

本中心的主要研究方向可以概括为:以建筑节能国情与发展战略研究为基本导向,以人体热舒适研究和建筑能耗分析模拟为两个基础支撑,在我国北方供热采暖与城市能源规划、农村建筑节能研究、大型公共建筑节能诊断与降低建筑能耗的关键技术四个应用领域进行节能技术与工程应用研究。以下分别简述几个方向的研究内容。

l  基于建筑用能数据模型的建筑节能国情与发展战略研究

建筑物实际的能源消耗状况是建筑节能研究与推广工作的基础,没有对实际建筑能耗的深入了解和对现实中问题的深刻认识,就很难确定适宜的研究课题,宣传与推广工作也难以产生有实际意义的节能推广效果。为此,中心把我国建筑能耗实际状况的研究作为重要的研究方向。从全国的建筑能耗宏观数据及各省市的统计数据分析与各类不同类型的典型建筑案例分析两个方面入手,汇集了大量实测数据与统计数据,从而对我国建筑能耗状况、建筑节能的关键问题、技术路线等有了清晰的认识,并系统地提出我国建筑节能任务的解决途径与政策机制。在建筑节能国情研究的基础上,中心从2007年开始每年出版“中国建筑节能发展研究年度报告”(至今已出版2007年度和2008年度两本年度报告,目前正在着手准备2009年度报告)。这本书社会各界高度重视,被IEA energy outlook 引用,成为研究我国建筑节能工作的主要文献。

为了更清楚地认识和理解中国建筑能耗状况和建筑节能问题,中心进一步开展全球建筑能耗状况研究,以各发达国家为主要目标,进行了全球建筑消耗数据统计与比对研究工作。在中心的组织下,两年来相继有来自美国联合技术公司研究中心、日本东北大学、挪威科技大学、芬兰技术研究中心、荷兰建筑环境与地球科学实验室、法国拉罗谢尔大学、香港太古集团等12个国家和地区的研究机构参与此项工作。初步的研究结果表明,在大多数场合下,中国以及世界上其它发展中国家的实际建筑能耗远低于发达国家同类型同气候条件下的建筑能耗。其巨大差别不是由于发展中国家的建筑节能技术领先,而是不同的使用模式、生活习惯以及对建筑物提供的服务质量的要求等方面造成的差别所致。而这一切都与建筑物使用者的生活模式有关。从建筑节能的长远发展出发,我们的未来应该是什么样的生活模式,怎样提倡和实现我们所希望的生活模式,从这种可持续发展的生活模式出发,建筑和相关的能源消耗系统应是什么样的,应向那个方向发展,这些问题成为建筑节能中心研究的重点问题。

l  两项基础研究:人体热舒适研究与建筑能耗模拟分析

1)人体热舒适研究。营造“恒温恒湿”的室内环境与“间歇空调、温湿度随室外状况有所变化”的室内环境,这两种室内环境效果对应于几倍的能源消耗差别,而由此所造成的温湿度环境差别对室内人员的舒适性有多大差异?是该营造恒温恒湿的机械式室内环境,还是应该发展与自然和谐的建筑室内环境?人体热舒适的研究是建筑热环境学的理论基础。以丹麦P.O.Fanger教授为代表的学派在上世纪七十年代建立了完整的静态热舒适理论,而本中心认为人体处于动态热环境下的热反应具有更广阔的普适性,且更符合人类自然存在的特性。该方面的研究成果不仅可回答何种环境对人类是健康、舒适的疑问,而且能为寻找降低室内环境控制能耗的途径提供重要的理论依据。中心研究了人体在温度动态化、风速动态化环境中的热反应,自然风与机械风的区别以及对人体的影响,以及局部热暴露对人体热舒适的影响;在该领域最具影响力的国际刊物和国际会议上发表了系列的原创性研究论文并在近年引起了国际学术界的关注。

(2)建筑能耗模拟分析技术与软件工具。完成了基于状态空间法的建筑热平衡理论、地下传热计算、大空间分布参数的逐时模拟、不确定性分析与处理方法等多项在理论模型及系统联合求解方法的重大技术创新,历经二十年自主研发出的建筑热环境及能耗动态模拟软件DeST,已经成为建筑节能研究工作的基础。DeST已发展成为一个集成了建筑能耗、日照采光、自然通风/机械通风、室内温湿度、空调负荷、空调系统、冷热源及水网模拟等多个计算模块,可以对建筑室内热、湿、光等环境参数、建筑环境控制系统及设备的运行状况以及建筑运行能耗等进行全年逐时模拟计算的大型建筑节能模拟分析平台。已被广泛应用于重大建筑项目的质量保证和节能优化、建筑节能评估及节能诊断改造等各项建筑节能事业中,已成为我国建筑节能的主要技术支撑点,目前已有超过2500万平方米的建筑中应用DeST进行能耗模拟分析工作。此外在香港、日本、法国、比利时、美国都建有DeST建筑能耗模拟分析技术研究推广中心。该项技术荣获2008年度国家科技进步二等奖。

l  四个应用领域研究:北方供热采暖、农村建筑、大型公共建筑以及节能新设备研究

通过建筑节能国情与发展战略研究,明确了中心建筑节能的重点发展方向。2004年,我国建筑能耗总计5.1亿吨标煤,占全国总能耗的25.5%。各类建筑能耗所占的比例见下图。

      

在对我国建筑能源实际消耗状况的深入研究和中外建筑能耗差别的原因的基础上,提出我国目前建筑能耗特点为:1)北方建筑采暖能耗高、比例大,应为建筑节能的重点;2)农村建筑能耗占比重大,是建筑节能的重点;3)住宅及一般公共建筑与发到国家相比能耗尚处在较低水平,但有明显增长趋势;4)大型公共建筑能耗浪费严重,节能潜力大,新建建筑中此类建筑呈上升趋势。此外,虽然目前长江流域住宅采暖能耗较低,但此区域新增采暖需求巨大,预计到2020年采暖面积需求将达到50亿m2,需要找到此区域的建筑室内环境控制的解决方案,否则将会成为沉重的负担。中心正在进行VRV多联机的实验研究、高效除湿机研究,以期找到长江流域的室内环境控制解决方案。以下重点介绍在北方供热采暖、农村建筑节能、大型公共建筑节能以及建筑节能关键技术四个领域上取得的进展情况。

1)北方供热采暖。从热源——输配——室内末端,是我国北方供热采暖的基本环节,降低这三个环节的能源消耗是供热采暖技术的关键。在对能耗数据分析与调研、供热系统改造获得的大量数据基础上,中心取得了创新性的研究成果并进行推广应用,取得了显著的节能效益。在提高热源效率方面,提出了基于吸收式热泵换热的热电联产新的系统流程,在不增加煤耗、不影响发电量的前提下,使热电厂向城市热网提供的热量提高约50%。在输配方面,提出了在用户热力站设置新型的吸收式换热机组方案,将一次网供回水温度由传统的130/70变为130/25在不改变目前城市热网基本架构的前提下,可使管网的热量输送能力提高约80%目前该技术已在内蒙古和山东等地正在进行示范应用。在室内末端调节方面,提出一种基于分栋计量,分户通断控制,按阀门开启占空比和面积分摊热费集中供热末端调节技术与热费分摊方法并研发出关键技术产品,目前已在北京国管局两个小区和清华大学学生公寓总计323个用户进行了示范,还在长春进行了12个小区,总计110平方米的工程示范应用,节能效益显著。

2)农村建筑节能中心组织实施了对我国北方15省和南方9省的大规模的农村建筑能源环境综合调研活动,全面了解了我国农村的现状和问题,以此为基础提出了解决这些问题的根本方法,进行了改善农村能源和环境的相关策略研究,并开展了一系列农宅节能技术集成与工程实践工作。已在北京房山地区完成了村级生态节能型农宅集中示范工程,同时准备在北京市平谷区、辽宁省大连市等多个地区进行推广应用。本研究成果已由中央电视台拍摄成专题电视片,美国国家科学院院士Kirk Smith 教授对本研究给予高度评价并将推进申报首个中国农村节能清洁发展国际专项,著名学术期刊《Nature》也对本成果的影响进行了专门报道。

3)大型公共建筑节能评估、诊断。中心对各类建筑用能情况(共计100多个建筑)进行了详细的测试,并通过测试获取的全部能耗调查和节能诊断过程中获取的大量数据为基础,建成了我国首个公共建筑能耗数据库。中心完成了在京所有新建奥运场馆的节能评估工作,在京中央国家机关20座建筑物的节能诊断与改造工作,该研究成果受到曾培炎副总理及国务院机关事务管理局领导的高度评价。中心还在美国费城宾夕法尼亚大学校园开展公共建筑节能诊断、自控系统故障诊断、优化运行调节工作,并在香港30万平方米大型办公商业建筑中开展节能诊断和改造工作。总结百余座国内外大型公建节能诊断报告,提出大型公共建筑节能诊断指标体系,给出基于大量第一手数据的指标合理数值,提出节能诊断的科学步骤与标准流程。

4)建筑节能设备创新。针对现有大型公共建筑中央空调系统的热湿耦合处理方式,中心提出了温湿度独立调节空调系统策略,可比常规空调系统节30%50%,并研究、开发了该系统的核心部件:用于东南潮湿地区的新风处理——溶液除湿空调、用于西北干燥地区的制备冷水机组——间接蒸发冷水机组,这两项空调技术分别荣获2007年度国家技术发明二等奖、2008年度中国制冷学会技术发明一等奖。中心倡议并组织国内多家企业、设计院等共同成立了温湿度独立调节空调技术推广联盟ATHIC,目前已在我国超过150万平方米的建筑中推广应用。针对数据中心和通讯机房内部发热量大、空调全年8760小时运行的特点,中心提出了基于热管技术的环境控制技术,并发明了热管处理的新流程,大幅度提高热管的散热量。应用分离式热管技术,直接利用室外环境的冷量来冷却数据中心、通讯机房等大室内发热量的建筑,比常规空调系统节能70%以上,已在广州移动基站等建筑中应用。

 

在进行建筑节能基础研究与关键技术研究的基础上,建筑节能研究中心积极为政府政策提供建议,参与建筑节能标准体系的制定工作,并通过举办国际节能学术周、节能技术展示、建立关键技术的推广企业联盟等方式,促进研究成果的宣传推广,并进行技术人员的技术培训。

l  政策建议与技术标准体系制定

本中心作为主要依托技术研究力量,为国家建筑节能方面政策制定提供建议。江亿教授是国家能源领导小组任命的国家能源专家咨询委员会委员。江亿教授作为专家组组长,完成了国家十五科技攻关项目规划、我国十一五期间科技攻关重大项目“建筑节能关键技术研究与示范”研究内容的规划。中心承担了国和会能源效率与城市发展研究项目,参与节能法中建筑节能方面的编写工作,研究成果直接为国家制定建筑节能方面的政策提供建议。中心每年发布《中国建筑节能发展研究年度报告》,每年在建设部等单位组织的中国绿色建筑大会做宗旨报告,对我国建筑节能政策与标准的制定提供建议与基础数据。受国务院机关事务管理局和北京市发改委委托,全面指导“政府机构节能工程”和“北京市政府机构节能工程”的规划和实施。

建筑节能研究中心发展了以能耗数据为导向的建筑节能标准体系研究,从项目立项、设计、施工、运行到节能诊断的建筑全周期的节能评估。作为项目组负责单位,主持国际ISO TC163的建筑能耗数据表达这一标准的编制。在科技部和北京市科委支持下,主持制定了国家绿色建筑评估标准、绿色奥运建筑评估体系、北京市公共建筑节能评审标准和大型公共建筑用能定额管理体系、上海和深圳单元住宅能耗标识方法等一系列标准体系,形成具有资助知识产权的技术标准体系和配套设计评估技术。

l  宣传培训推广

清华大学超低能耗示范楼是我国首座综合了示范、展示、试验功能的绿色建筑,用于展示和实验各种低能耗、生态化、人性化的建筑形式及先进的技术产品。在示范楼中集成的近百项建筑节能和绿色建筑相关的最新技术,有近十项产品和技术为国内首次采用。示范楼作为展示与宣传各种最新技术的舞台,为技术交流、产研挂钩、知识普及搭建了桥梁;并成为清华大学与企业界合作开发、展示新产品的平台,以及向社会、大众宣传、展示建筑节能和可持续发展建筑概念、技术和产品的展台。示范楼自落成以来,接受了包括美国CNN、英国BBC、美国ABC电视台、中央电视台、光明日报等国内外数百家媒体的报道或详细介绍。共接待了包括政府机构、科研机构、设计院、企业、高校、大众和媒体等超过两万人次的参观。包括中国政协副主席、中国工程院院长徐匡迪,北京市副市长张茅,建设部副部长仇保兴等领导以及北京和全国十几个地方省市的建设厅(局)、科技厅(局)等有关政府机构也到示范楼进行了参观和交流。此外示范楼还接待了来自欧洲、美国、日本等国家和地区的政府官员、建筑或能源相关学术界和企业界人士千余名来宾的参观和学术交流。此外还指导设计建造了包括济南交专图书馆、吉林博物馆在内的若干节能建筑示范工程,为建筑节能技术在各种实际条件下的集成应用积累了工程实践经验。

中心组织了“国际建筑节能学术周”活动。自2005年起,每年一次由中国工程院、清华大学联合主办,节能中心承办此活动,结合国内外建筑节能领域的动态和问题开展workshop和论坛。每届都有十余名国外专家,200余名国内专业人士参加,至今已4届,在建筑节能的研究与推动上已产生很大影响。

中心还通过与国内科研设计单位、空调企业建立了密切的合作关系。在大型公共建筑节能方面,组织了三地四方交流会议,至今已持续三年时间共举办了十余次交流会议。与上海市建筑科学研究院、深圳市建筑科学研究院等单位,研究我国不同气候条件下的建筑节能状况,分享建筑节能诊断、计量与改造方面的经验成果,引导全国范围内的建筑节能诊断工作的开展。2008年在嘉定,组织成立了长三角建筑节能研究分中心。在与企业界的合作上,组织成立“温湿度独立调节空调技术”推广联盟ATHIC,参加单位青岛海尔空调电子有限公司、际高制冷空调设备有限公司等多家空调设备制造企业,共同推动该项节能空调技术在全国范围内的推广应用。

中心积极加强与国外科研机构与企业的合作与交流。组织进行全球建筑消耗数据统计与比对研究工作,有来自美国联合技术公司、日本东北大学、挪威科技大学、芬兰技术研究中心等12个国家参与此项工作。与美国宾夕法尼亚大学联合组织成立UPenn建筑节能研究平台,目前已吸纳了包括ARUPSOMUTCDOW等在内的28家与建筑业相关的跨国企业加入会员,通过中心对于企业会员的交流培训,共同推动全球建筑节能事业的进步。中心还先后承担了多项国际合作项目,包括UNDP、欧盟(中欧合作项目)、美国EF基金会、美国UTRC(美国联合公司研发中心)、波音、P&G、英国ARUP、日本NEDO、三菱、大金、东芝、山武、日本九州电力等机构和公司的委托研究项目。此外,中心组织或承办了ISHVACBuilding Simulation等大型国际会议,参会代表近2000人,其中国外代表超过1200人。