摘要：通过对家庭建筑综合节能认识和实践应用进行阐述, 说明了只要竖立了正确的家庭建筑节能观念和进行系统的家庭建筑节能规划, 寻常百姓家也可以开展大量卓有成效的节能活动。
关键词：家庭建筑; 综合节能; 节电; 节水; 节能措施;
引言
能源的消耗场所主要与人类生产和生活的环境密切相关。环境可以分为室内和室外两大部分, 其中室内环境是由建筑物构成的, 因此, 对建筑物的构建和生命周期使用进行综合性节能应用一直是十分重要的课题。不过, 由于综合性的建筑节能技术复杂、成本偏高, 长期以来一直局限在成栋建筑物这类较高的单位企业层面上被关注, 而在家庭建筑层面上的综合性节能并未受到足够的重视。实际上每个公民在家庭活动的时间要比在单位的楼宇内长, 在家庭中每个公民实际上更能按照自己的意识和能力管理能源的使用状况, 因此, 做好家庭节能不但能更好地体现“节约能源、人人有责”这一绿色革命的宗旨, 而且也可以更合理地寻求到生活舒适与环保低碳、资金投入与成本回收的平衡。现从家庭建筑节能的理念和应用两个方面进行系统探讨。
传统的家庭节能方式主要是养成“随时关水、关电”的好习惯。从“开源节流”的角度看, 这只进行了简单的“节流”, 其实节能的措施还有很多。现代化的家庭对能源的需求无论是规模还是形式都与过去有着明显的不同, “开源”的空间和方法都存在较大的可能。如果能够导入切实可行的节能应用手段就有可能从技术上实现较大规模的能源节约。以下介绍一些对家庭建筑节能的个人认识。
1 家庭综合建筑节能
观点1:任何家庭实现节能手段的第一前提是业主付出必要的成本, 这种成本是通过其他资源和能源的耗费换取的。如果节能付出的成本不能在一定的居住期回收, 那么采取的相应节能手段就不可取。节能是针对具体业主特定的能源消耗需求而言的, 由于应用的环境不同, 结论可能就不一样。因此, 对业主及其家庭成员的需求调研至关重要, “装而无用”或“装而少用”的节能措施是极大的能源浪费。
观点2:并不是节能措施越多越好, 除上述成本因素, 还应优先选用技术成熟稳定、实施简单可行的措施。毕竟综合性导入节能措施是需要在家装期间完成的, 而家装寿命至少要按照十年来估计, 不但即将淘汰的节能措施应该规避, 对于尚不成熟或过于复杂的节能措施也应慎重决策, 不能因后期节能系统的改造升级给家装效果带来严重影响。同时, 也要考虑到家庭成员操作和维护的简易方便, 家庭是家人居住的舒适空间, 绝对不能为“节能”而节能、客观上形成强迫业主家庭成员接受某些“使用不便”的节能措施。
观点3:家庭居所作为建筑物空间的一个组成部分, 开发商在建设期已经根据国家标准对构造体进行了大量节能工作 (事实上也纳入了建筑成本, 且已由客户买单) , 虽然可能还存在一些瑕疵, 但在家装阶段的节能规划还是应该本着“善加利用、局部优化”的原则去承接, “推倒重来”的想法是不可取的, 不单这样浪费了建筑商的节能投入, 而且新节能措施势必伴随大量土建工程量, 造价可想而知。另外, 对建筑物可能带来安全隐患 (承重、漏电、漏水、消防、高空落物等) 的节能措施也不应考虑。
观点4:家庭建筑节能不可能从思想意识上去彻底改变家庭成员对能源和资源已有的使用习惯, 但可在技术上储备、预留让家庭成员可以力所能及参与并收到实效的家庭建筑措施。通过实实在在的能源和资源的节省, 鼓励、引导家庭成员逐步养成低碳节能的良好生活习惯, 达到可实现、可扩充、可持续的节能目的。
观点5:其实已经有很多的成熟产品可供家庭建筑节能需求选择, 比如节能灯具、家用太阳能热水器等。只要条件允许, 都可以直接采用;条件限制的情况下, 单一节能措施的应用不等于不具备“综合性”, 这里的节能的“综合性”首先是指对家庭建筑节能的综合性规划, 其次才是综合性应用。
总之, 家庭节能没有十全十美的统一标准, 关键是把握好可行的节能手段与业主的节能理念和预算之间的契合程度, 以及家庭成员对节能手段易用性的接受程度。家庭综合节能的难点其实不在于如何去构想, 真正的难点在于如何去实现。家庭节能措施要尽量减少对家庭装修效果的影响, 同时, 又最能够充分发挥家庭节能措施的效力, 其前提就是在家庭装修前就导入家庭节能措施, 即把选定的节能措施整合为家庭装修工程的一部分, 与家装同期交付使用。
2 家庭综合节能的典型应用案例
2.1 初始条件调查
被调查家庭位于重庆市某小区一联排别墅端头单元, 临崖, 周边上空无遮挡物, 开窗多, 共4层, 其中地上3层通透性均好。五口之家。其中3人长期在家, 均已过退休年龄。业主有一定的环保意识, 对新事物有一定的接受能力, 并且有在家庭装修风格上突出“低碳节能”特色的意愿。家中老人有勤俭节约的生活习惯, 对省水、省电的事情持欢迎态度。
2.2 节能措施构想与实现
2.2.1 节电措施
2.2.1. 1 空调节电
空调选型:家用中央空调主要分为风管式系统、冷/热水机组、多联型系统3种类型。一个共同的特点就是室内机能够隐藏式安装, 除风口外, 其他室内的机体与管道不外露, 避免影响家装效果。因为被调查户型房间多, 如果全部房间都配备家用中央空调的话, 一次投入成本比较高, 而且由于常住人口不多, 不是每个房间都使用空调, 而是以几个固定房间使用空调为主, 因此, 采用每个房间均衡考虑的中央空调方案长期累积运行起来能耗降低不明显。因此, 全部选择某空调厂的隐风系列空调, 该空调室外机与室内机一一对应, 室内机和制冷剂管道均封装在吊顶内, 只有风口外露, 与中央空调的室内机造型、遥控方式均一致, 可以理解为壁挂空调的风管机升级版, 但总体造价不到中央空调的50%, 折合为用电量非常可观。
中央空调的室外机因为承重和噪音的缘故, 一般都是在地面安装, 因此, 到达楼层各个房间的管路较长, 而隐风空调的室外独立挂机安装在就近外墙上, 室内外机的连接铜管较短, 因此, 铜管管道成本也要低不少。今后即使单机运行故障, 也只对某一个房间有局部影响, 不会降低业主生活质量。
2.2.1. 2 照明
(1) 筒灯:本户型吊顶的楼层和房间较多, 因此筒灯用量也很大。实际使用的是120个LED筒灯。虽然市面上LED要比常规筒灯贵不少, 但常规筒灯是由灯筒+灯源 (节能灯) 组成的, LED灯是把灯珠焊接在灯座上的, 可以直接安装使用, 批量购买价格相近;关键是在同等照度下能耗低, 比如白光LED的能耗仅为白炽灯的1/10, 节能灯的1/4, 加之LED灯寿命在3万h以上, 基本上不存在一年半载就得更换节能灯灯具的麻烦, 其后期维护成本低的优越性十分明显, 同时也规避了节能灯管内汞环境污染状况的发生。
(2) 吊灯:欧式吊灯的装饰作用很大, 需要的灯源也多, 降低灯源耗电值得重视。全部灯源要选择节能灯可以有效减少能耗。但考虑到部分光源是用于装饰房间的效果, 日常家庭照明并不需要全部灯源都点亮, 因此, 安装了三段式电子节能开关, 可以分组和全部点亮光源, 从而按需自如切换照明亮度来实现节能。随着LED灯泡技术的逐步完善和价格的持续下降, 可以考虑在后期把节能灯全部更换为LED灯, 将更为节能。
(3) 底层照明:底层无外部采光, 虽然日常使用不多, 但对照度要求较高。在没有装修吊顶的情况下只使用5个LED室外防潮泛光灯 (共60 W) 就可取得非常好的照明效果。由于运行使用时间不长, 节约能源总量可能不显着, 但节省了大量安装材料和工程量 (顶部装饰) , 也因为LED室外防潮灯的高可靠性, 免除了因为环境潮湿可能给照明设备带来的后期维护成本。
(4) 太阳能照明:太阳能照明系统实际是由太阳能发电系统和LED照明系统组成。市面上小型太阳能照明产品已经能够提供性价比适中的服务。考虑到现阶段这种商品的外形装饰性不够完美, 因此, 只是在入户过道侧墙和车库内部选择了红外感应式的太阳能照明方式, 只要人或车靠近设定的距离, 灯自动点亮提供照明, 之后在设定时间之后自动熄灭, 保持待机状态。虽然使用的小型多晶硅电池现阶段受技术限制转换效率不高, 但LED灯耗电极低, 且天黑后才短暂点亮工作, 一次日照充电后足够正常使用10 d以上, 而现实生活中几乎不可能连续10 d看不到太阳, 这样的太阳能照明甚至可以说终身免费提供照明 (不过蓄电池与汽车电池一样有生命周期, 需要到期更换) 。
2.2.1. 3 电器节电
(1) 冰箱节电:冰箱在有人居住的情况下是唯一连续运行的大型电器, 变频压缩机肯定是首选;其次是注意给冰箱周边预留足够的散热空间;不要设置人为的对流障碍, 比如有些厨房的瓷砖横向凸出的圆弧装饰线条 (腰线) 就可能阻隔或压缩冰箱散发热空气的上升通道;再次要根据实际家庭成员的食品用量和采购频度选择冰箱容积, 容积越大越耗电, 而容积过小, 食品拥塞则会造成冷气不能有效循环, 也达不到低温储存效果。
(2) 洗衣机节电:洗衣机过去侧重洗涤的重量, 但是在使用过程中如果衣物较少, 洗衣机还是用固定的转速去洗涤, 存在能量浪费。目前的很多洗衣机厂家都推出了配备变频电机的洗衣机, 能够根据洗衣负荷和水位自动调整电机转速来改变工作功率, 从而达到节能的目的。目前变频洗衣机能够节省传统洗衣机1/3的电能, 而且噪音也大幅度降低。转速是提高洗涤洁净率的一个重要因素, 转速与耗能直接相关。还有一些耗能不大的因素也值得考虑, 比如不少的厂家还在洗涤滚筒的波轮设计、水流的循环流向等方面有改进设计, 实现以较少的用水量达到更高的洁净率。
(3) 面板开关的节能:现在不少电器 (如电视机、微波炉等) 只要插在插座上而不关闭设备电源开关, 就存在静态待机电流, 虽然这种电流非常小, 但天长日久, 也是一种应该避免的电量浪费, 但实际上每次去拔插电源插头又比较麻烦, 因此, 通过大量选配五孔一开的面板就可以较好地解决不拔电器插头就方便断电的操作难题。
(4) 供电线路的节能:任何供电线路都存在一定的线路电阻, 当电器启动后的工作电流通过时这些线路电阻就会形成额外的发热损耗。从欧姆定律R=ρ·L/S可知, 线路电阻不但与线路长度有关, 而长度基本是无法更改的 (假设布线方案正确合理) , 因此, 需要关注导线的金属材质和截面积, 这就需要装修公司严格按照标准提供正规品牌的纯铜导线, 电线截面积应符合设计规范, 实际简单操作可以按照一般家用电器回路采用2.5 mm、大型电器回路采用4 mm的铜线要求。实际上一些不道德的装修队常会使用一些铜质纯度不高的杂牌电线或铜包铝导线以次充好, 或者使用截面积缩水的导线, 这样的不合格电线长期使用将带来不小的线路能量损耗。
2.2.2 节水措施
2.2.2. 1 热水节能
生活热水基本都是对常温的自来水通过耗能加工后提升水体温度生成的, 节能的思路最好是使用无偿能源, 其次是在同等制热量的情况下选择耗能成本低的加热器来制取热水。
主用热水器的选型:在重庆地区, 由于电价和天然气价的差异, 生产同量热水所需的使用成本中, 电热水器至少是天然气热水器的3倍, 而两种热水器的购置成本差别并不大, 而电价和天然气价的差异在短期内不会有明显变化, 因此, 选用的是16 L燃气热水器作为主用热水器。
太阳能热水器的选型:虽然该户屋顶上空完全没有遮挡, 太阳光的照射时间相对较长, 小区内也有少量家庭屋顶安装有太阳能热水器的先例, 但考虑到重庆地区地处两江汇流的低地, 常年雾气天多, 因此不适合选择太阳能热水器为主用热水器, 但作为辅助加热源考虑其实还是有价值的。事实表明:在夏天正常日照下完全可以满足洗浴热水需要, 可以直接替代原来的主用燃气热水器制备热水, 就是在冬天排放的“热水”也在15℃以上, 触手无冰凉感, 因此, 完全可以满足家庭成员洗菜、洗衣的需要。为此在这两个用水点设立了太阳能热水的直供管道和独立龙头, 确保冬夏都可以随时使用。既然是辅助加热手段, 就没有必要投入较大成本去选择高档的太阳能热水器。市面上太阳能热水器主要有平板式、热管式两类, 后者成本不到前者的1/3, 而且有大规模多年民用的历史, 因此, 最后选定的是18管200 L的太阳能热水器, 并且为满足“夏主冬辅”的需要, 对相应的热水管路进行了分路合路的改造。
2.2.2. 2 节约用水
盥洗室用热水都存在把热水管路的冷蓄水放空直到出热水的浪费现象, 否则不方便准确调节热水管路与冷水管路的混合出水温度, 由于本户主的楼层较多, 热水管路较长, 排空的冷水自然不少。为此专门针对有早晚用热水特征的3、4层卧室的盥洗室设计了热水循环回路, 每天早晚定时启动燃气热水器工作, 并提前循环供应热水3 min, 确保盥洗室热水管路龙头开启即出热水, 事实上这种定时控制器可以实现人工按钮启停、对热水管路外壁温度下降和上升到规定值后启停、家人外出断电等功能, 管理十分方便。不过由于太阳能加热受日照量和升温慢限制, 这里只取其节能的长处, 基于系统简化就没有考虑对太阳能热水器进行循环节水处理。
2.2.3 其他节能措施
2.2.3. 1 隔热节能
(1) 玻璃节能:该户建筑的开窗多, 虽然是双层玻璃, 但太阳照射下还是有不少热量透入室内, 势必增加空调的热负荷。为此对被太阳照射的窗户玻璃贴膜, 根据反光膜产品性能介绍, 贴膜后能够将照射到玻璃表面的热量反射出去80%, 降低了房间的外来热量, 空调的工作时间就自然减少, 用电量相应减少。
(2) 屋面节能:有树荫遮蔽的屋面或墙面自然对太阳的热量吸收减少, 针对该户建筑的阳台和露天较多的特点, 在这些阳台和露台上设计布置了较多花台或花盆, 引导户主多种植观赏植物和墙面攀爬植物来增加树荫遮蔽面积。
2.2.3. 2 天然冷气利用
(1) 户外新风:该户建筑前面临崖, 后面靠坡, 存在地势差, 建筑内部前后通透, 容易形成空气对流通道, 这种空气自然流动不但可以给室内带来新风, 而且可以散发掉一些室内热量。为减少户外蚊蝇的滋扰, 对常开窗户都配备了强度较好的不锈钢网纱窗。
(2) 底层冷气:底层房间处于地平面下, 不被太阳直射, 室内温度比上层房间大约低5℃, 因此, 在为底层房间设计的向上经一楼向室外的排风管道中段开了一个向餐厅的分歧管路, 底层房间内质量不好但温度较低的空气首先由户外排风电机经排风口排出, 同时在低气压的作用下新风通过底层房间的窗户逐步补入, 如果夏天需要, 在底层房间的空气置换后封闭窗户, 关闭户外排风电机, 启动位于分歧管路中间的户内排风电机, 底层房间的较冷空气就被徐徐吹入餐厅, 而餐厅的部分空气也经楼梯通道被导入底层房间, 形成了一个不是特别严格的冷热交换空气循环系统, 来自地表下土层的自然蓄冷经墙面导入给底层房间的空气, 再循环送到楼上的餐厅, 一年四季从不间断, 只要需要, 随时可用, 虽然利用的手法巧妙, 但技术上还是比较简单, 因此, 获取的冷量有限, 只能作为辅助制冷手段。
2.3 对未来节能措施的预留考虑
2.3.1 家用太阳能发电
关于重庆地区太阳能利用背景情况前面已经介绍, 从市场调查看, 目前的太阳能发电效率还很低, 就是最好的单晶硅电池板也只有15%左右, 如果要给大型电器提供太阳能电源, 势必需要大量的电池板来拼接使用, 电池板安装强度的可靠、对屋顶的承重造成的影响都将是技术难题, 关键是系统造价一般家庭无法承受。经验数据表明, 如果太阳能的成本在20元/W以上, 商用和民用都是不可接受的, 因此, 这类产品现在的用户集中在解决没有电力供应的高山和草原等偏远地区。有些西方发达国家通过购置补贴和余电并网收购的方式来鼓励家庭绿色太阳能事业发展, 一定程度上也降低了家庭的压力。不过我们应该看到由于国家在新能源政策上的牵引, 很多企业在太阳能电池转换效率这个技术方向上投入很大, 可以预见未来将会有很大的提升空间的, 因此, 本户在布线上就考虑太阳能发电系统的室内设备机位以及到每层楼的配电线路, 特别预留了机位到室外的引入线路, 只要今后的电池板价格和体积降下来, 在房顶安装后经预留线路进入室内设备机位, 在室内的控制器、蓄电池和逆变器作用下输出220 V交流电能至每层楼, 供用电设备使用。事实上这种预留还给风力发电系统一个选择的可能, 但出于家庭建筑对风力发电塔体基础支撑的困难而基本排除了其入选的可能性。
2.3.2 家用空气源热泵热水器
凡是体积庞大的物质其内部积聚的能力是非常庞大也是非常稳定的。空气、土地、江河就是其中的典型, 空气相对于土地和江河水可以直接采集, 这种先天的优势形成了空气源热泵热水器较地源热泵热水器和江河水源的热泵热水器的系统构成成本优势, 因此最近几年家用空气源热泵热水器受到相对广泛的推广。空气源热泵在运行中, 蒸发器从空气中的环境热能中吸取热量以蒸发传热工质, 工质蒸汽经压缩机压缩后压力和温度上升, 高温蒸汽通过永久粘结在贮水箱外表面的特制环形管冷凝器冷凝成液体时, 释放出的热量传递给了空气源热泵承压贮水箱中的水。冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到蒸发器, 然后再被蒸发, 如此循环往复。相当于通过耗电对压缩机做功, 从空气中获取大量免费热量, 每消耗1 k W·h电就能产出3~4 k W·h电的热量, 因此, 比电热水器有明显的优势。不过现阶段一次性购置成本较高, 部分抵消了使用成本的优势, 因此本户只做了机位和接入管口的预留, 方便今后设备费和电价下降后可以直接购入并网。需要说明的是, 由于机位设置在对内与厨房有门相连、对外与户外大气有窗户相隔的生活阳台, 如果是采用室内吸热模式, 在制备热水的同时可以起到厨房制冷空调的效果, 将会给厨师送来一丝凉意。
3 结语
本文通过对家庭建筑节能认识的阐述和一个现实的家庭节能实施案例说明了家庭建筑综合节能完全并非高不可攀的难题, 而是很大的、实实在在可为的节能应用市场。这里面没有太多的高科技, 也没有找不到的产品和服务供应商, 因此, 寻常百姓家也完全可以把家庭建筑节能的理念和实践结合起来, 逐步营造出我们的“绿色家园”。
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