气膜建筑--气膜足球馆的能耗分析（最终）pdfSuslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 气膜建筑----气膜足球馆的能耗分析 本文来自 Suslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 由于我国气膜建筑研究起步很晚，目前所有的生产厂家提供的相关的数据和能耗差异非 常大，我想一方面由于使用设备的原因、还有使用膜材质量，最终有可能与制造单位的设计 和加工，以及加工有关。 让我记忆深刻的是，某次进入某厂家的气膜馆的经历。此馆膜材外表应该为白页已成为 黑土色，外表膜面不知是加工的原因还是安装的原因，轴线明显成为S 形，而且外部部分应 该鼓胀的圆形，竟然明显显示出凹凸不平来。 进入内部后，一股恶心的气味从建筑内部补面而来；门负重很重，估计力气小点的男生 打开平开的气密门也会非常艰难。由于内部使用的内衫是蓝色的，整体非常的暗淡，而且由 于保温棉安装的不到位，从室内处向棚顶上看，竟然斑斑点点非常难看。 我想如果气膜建筑都是这个样子的，就太不能让人接受了，人在一个污浊散发恶臭的空 间里打球，那可不是锻炼身体，而是损害身体，此气膜建筑的种种弊端我不想赘述，以免影 响大家对气膜建筑结构的误解。 非常高兴的是，接下来参观的几个气膜建筑，就大不一样，空气清新、棚顶光亮整个造 形也赏心悦目。 基于此种经历，我觉得我非常有义务将正规的、真正的气膜建筑 （气承式膜结构建筑） 一点一点的介绍给大家，还气膜建筑的本来面目。 焦亮 2013 年7 月 1 / 45 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX Suslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 目录 一、气膜馆的面积设定...................................................................................................................3 二、气膜馆的接待人数设定...........................................................................................................3 三 室内条件设定.............................................................................................................................4 四、能源消费影响因素...................................................................................................................5 4.1 围护结构............................................................................................................................6 4.1.1 外膜.........................................................................................................................6 4.1.2 基础.........................................................................................................................7 4.2 通风....................................................................................................................................8 4.2.1 加热系统.................................................................................................................8 4.2.2 空气再循环系统.....................................................................................................9 4.2.3 制冷系统...............................................................................................................10 4.3 气膜建筑的热量增益因素..............................................................................................12 4.3.1 接待人员数量.......................................................................................................12 4.3.2 照明 ...........................................................................................................12 4.3.3 电器设备 ...........................................................................................................12 5、计算模型...................................................................................................................................12 5.1 热散失 .................................................................................................................13 5.1.1 天气条件...............................................................................................................13 5.1.2 围护结构的热损失...............................................................................................13 5.1.4 通风过程中的热量散失.......................................................................................18 5.2 热负荷..............................................................................................................................19 5.2.1 照明散发的热量...................................................................................................20 5.2.2 室内人员产生的热量...........................................................................................21 5.2.3 电气设备散发热量...............................................................................................21 5.3 制冷的能源消耗..............................................................................................................22 6、节能措施...................................................................................................................................22 6.1 保温措施..........................................................................................................................23 6.2 加热与制冷......................................................................................................................23 6.3 夜间模式设置..................................................................................................................23 6.4 周末模式设置..................................................................................................................24 7、计算结果分析...........................................................................................................................24 8、结论...........................................................................................................................................26 附录一.............................................................................................................................................27 附录二（2.1 ）................................................................................................................................28 附录2.2 ..........................................................................................................................................30 附录2.3 ..........................................................................................................................................32 附录3.1 ..........................................................................................................................................34 附录3.3 ..........................................................................................................................................38 附录4.2 ..........................................................................................................................................42 附录4.3 ..........................................................................................................................................44 2 / 45 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX Suslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 一、气膜馆的面积设定 一个标准足球场的尺寸：105m x 68m。 另外需要配置一个区域作为：辅助区域 此区域可以作为球员练习和热身的场所，这一区域也是助理裁判活动和跑动的区 域，还是球童、医务人员、安全人员和媒体人员的活动区域。建议这个区域离边 线 米，离两边底线 米。 因此一个标准的气膜式足球馆的尺寸最少应为125m x 85m ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX 如果需配置一定数量的观众的线 人的观众席，这样气膜足 球馆的面积设置为125m x 90m 最好。 二、气膜馆的接待人数设定 气膜足球馆设计时,完美的通风和适宜的室内温度调节是必须考虑的。没有 他们, 运动员受到伤害概率会很高,健康会有风险。气膜馆内要获得良好的室内空 气品质，设计师需要了解很多基本因素。比如，接待人员的数量，气膜馆的具体 尺寸,和建筑类型。气膜足球馆如果只是用于一般性的训练使用，意味着将有大 3 / 45 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX Suslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 约100 人的接待能力；但如果按正式比赛球馆设计，如果两支球队及其观众加起 来，球馆最少需要容纳700 人。 气膜体育馆是一个公共建筑,所以应提供高质量的室内空气。因此,有必要计 算可容纳的最大容纳人数，此文案例中，将以设置500 人观众的座位和50 名服 务人员和不超过100 人的运动员进行设计。也就是说气膜足球馆可容纳的人员总 数为650 。通风能力要能够满足室内最大数量人员所需的新风，还要计算室内人 员空气流量变化和热传导。 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX 三 室内条件设定 气膜馆室内温度控制在18-26 摄氏度，相对湿度40 - 70% 。风速不应超过0.24 m / s，换气率为2 dm3 / s / m2 。 以下为美国采暖、制冷与空调工程师学会所规定的体育馆标准浮动范围。 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX predicted percentage dissatisfied PPD predicted mean vote PMV 总结不同国家的标准要求，并将这些不同的参数要求进行融合，将为气膜体 育馆设计提供是更好的设计参数，并尽量制订出气膜体育馆适当标准来满足不同 4 / 45 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX Suslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 国家的需求。 最终，我个人觉得冬季时段，温度设定为摄氏 18 度以上；在夏天的时间段 设定为21 摄氏度较为适当；相对湿度是40 - 50% ；空气速度不应超过0,24 m / s 。 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX 四、能源消费影响因素 能量的计量单位是以焦耳 J 或千瓦时来计。然而,谈论为整个建筑物的能耗, 单位通常是MWh。有两个热力学定律。第一定律,无论是能源还是物质不可消失 （能量守恒定律）。热力学第二定律提出了能量转换的规则。 我们可以决定什么类型的能源是可以用于气膜结构的。有很多类型的能源, 例如可再生能源、水能、太阳能和地热能。 所有的时间能量在一个建筑必须平衡。有进口和出口流动的能源是图 2 所 示。整体建筑所需的能耗必须统计出来，基于这些热量计算收益和热损失。 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX 5 / 45 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX Suslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 4.1 围护结构 气膜馆的一个重要部分的节能策略是围护结构。在气膜结构中的热损失发生 的大多数通过围护结构传导出去的。如外层膜材和地板。热损失通过地板流失的 量很大。这些损失由于气膜馆下面的混凝土结构有很高的u 值。一般而言,这些 结构可以进行保温处理，但它需要特定的材料和额外增加成本。然而,它应该是 做节能处理。计算热失时，需要考虑气膜结构的地板通用制做方法和不同类型的 锚固方法。 气承式膜结构主要有三个不同类型的周围做法。 4.1.1 外膜 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX 气膜建筑的整体形状可能略有不同，而且锚固方式也不同，比如不做任何处 理的地面和专业处理过的基础地面。通常的气膜馆的形状是半圆柱形，气膜建筑 的外壳可以是单层、双层、三层膜构成，采用哪种方式根据保温隔热的要求而订。 首先，单层膜制造的气膜建筑没有任何保温隔热材料和任何声音屏蔽作用， 只能用于夏季。通常这种结构重量最轻，造价最便宜。因为热量散失很大，冬天 一般不会供暖。 第二种，双层膜结构的气膜建筑是目前最常用的形式，广泛的应用于各种体 育馆。对于没有极端天气的国家和地区，这种建筑形式有相当的热阻值和耐久性， 可以配置制冷和暖气系统，意味着可以作为永久性建筑长期使用。 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX 6 / 45 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX Suslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 这种类型的围护结构有很多优点。这种结构有很小 u 值;它意味着，与单层 膜结构相比。保温隔热能力很强，能量损失非常的小。但是与三层膜结构相比， 其两层膜结合部位导热性能就成为其薄弱的地方了。 对于建设既能优化能源使用，又能满足舒适性的要求都在低能源现代建筑来 说，采用智能化、集成方法设计加热和冷却系统，建设零能耗的建筑。气膜建筑 系统正是这种要求的集中体现。气膜建筑是节能性最好的建筑之一。加装上空调 和暖气之后，其只需要工作很短的时间就可达到长期的温度需求。它可以为业主 节省很多使用费用。 气膜建筑的内部压力取决于气膜建筑围护结构的膜材重量以及建筑外部的 风荷载和雪荷载。例如：根据俄罗斯建筑序号CH497-77 的要求，单层气膜建筑 的内部压力为大于150Pa。当然内部压力大小与气膜建筑的尺寸大小也有很大的 关系。也与气膜建筑的漏气量有关。 4.1.2 基础 气膜建筑的另一个优点，就是与其他建筑形式相比其所需基础非常的小。也 就是说其基础的建设成本远低于传统建筑。在气膜建筑内部，处于微正压状态。 基础包括两部分锚固基础和压载物。 锚固基础，是钢筋水泥结构浇筑的圈梁结构，另一部分是浇注于其中的螺栓， 数量依气膜建筑的尺寸来定。? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX 7 / 45 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX Suslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 角钢或拉环将膜材固定在锚接梁上。水袋或是沙袋或其他物质也可代替水泥 结构而成为压仓物作为配重使用。如下图。 只是使用起来有一些缺点。比如，漏气量会比水泥结构的大很多，对能源的 浪费较大。只能用于临时的建筑。 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX 4.2 通风 通风系统给气膜建筑内部提供可接受的室内空气质量和防止危害健康或造 成其他污染。然而,对气膜建筑来说,通风系统不仅解决室内环境问题。在气膜建 筑内部通风系统还用于冬季供暖和夏天制冷。更重要的是,通风系统是气膜建筑 稳定性的重要保证。气膜结构外壳是基于内外压力差才实现的，特制的风机向气 膜建筑内部充气是维持内外压力差的主要工具。 4.2.1 加热系统 加热线圈或是火焰加热是非常常用的几种供暖方式。因为电价贵的原因，电 加热供暖方式用的非常少。市政热水或天燃气，或乙醇供暖形式比较容易实现。 也不会发生膜材热融的危险。使用市政热水供暖，水温需要一定的温度系数，热 交换要求和流速。 由于膜材的耐温范围为-30 至+70 度，因而如通风口采用膜材包裹时，其出 水或出气温度应该低于60 度。否则膜材有可能发生变形或焊缝开裂现象。 加热装置，建议使用热效率高的集成加热单元。这套装置是由冷凝不锈钢 锅炉结合预混气体燃烧器。这种做法可以理解为:“气体燃烧, 产生水蒸气。传统 8 / 45 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX Suslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 的加热器热量会通过烟囱散失一部分。而集成锅炉废气热量也被利用,转化为热 能，使热率最大化。混合空气和燃气燃烧器在特殊气密室混合，确保了最大的天 然气效率。燃烧器充分调节、通过敏感探头控制出口空气温度。单位运行40% 的 工作时间，保持在40 °恒定的出口温度，应用低分层技术，实现最终要求。整体 能源蓄热与加热装置节省45 - 50%的热能。“/ 10 / 。这个系统如图6所示。 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX 设备与风机连接，将热空气直接吹进气膜建筑内部。特殊的风柜是用来防止热空 气内分布不均匀,并提供再流通和空气循环功能。 4.2.2 空气再循环系统 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX 进行空气循环的空气量占总空气量的80%，也就意味着保持循环系统的高效 非常重要。风机的主要作用就是保证空气的循环和保持气膜建筑的压力。 选择适用的风机对气膜结构建筑来说非常重要，需要着重考虑两方面的因 素。风机效率是首先要考虑的。风机有可能需要每天24小时运行。因此，其能量 消耗会非常的大。所以风机效率对于能源节省非常重要。一台高效风机有可能一 6 年节省80MWH 。（Mwh是兆（10 ）瓦时的意思，指的是耗电量。KWh则是千瓦时的缩写, 也就是我们平常说的“度” ，1千瓦时就是一度电。如果一度电一元钱，一年节省80000元）。 9 / 45 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX Suslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 第二个考虑因素是风机的噪音。通常，噪声小的风机能效高。一般风机的循 3 环风压不能超过600-700Pa 。风速流量应该在5.5-11m /s 。消音装置尺寸大小和方 式一般没有太严格的要求。为了保证气膜建筑内部的压力，可以使用辅助风机或 是使用带再循环加热系统的风机设备。当空气泄漏量增大的同时，风机的流量增 加但是不会增加能量消耗。为了防止风机过压充气而导致气膜建筑发生破裂的危 险，需要配置有压力限制的风机。比如限定最高充气压力不能超过1000Pa。 4.2.3 制冷系统 气膜建筑的制冷系统通常用于永久性保温性好的建筑。一般是配备大型风冷 冷凝机组，EER效率值从 10.0到9.6 。这样的效率范围风冷单元目前可以从任一的 制冷设备供应商处购得。 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX 气膜专用风柜可以保证和提供气膜建筑内制冷效果，同时也能防止能量散 失。为了保证制冷效果，需要让冷空气从上部进入气膜建筑，这样气膜建筑内部 的热空气上升，冷空气下降可以保证很好的降温效果。需要配备特殊的带孔的管 子布置和安装在气膜建筑的棚顶。 所有的制冷的损耗的能量都需要认真核算。外部的空气经过压缩机降温至17 摄氏度之后，分配给风机，通知冷风进入风柜后温度会升高一度，达到18度。所 有的能量损耗见下表： 10 / 45 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX Suslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 11 / 45 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX Suslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 4.3 气膜建筑的热量增益因素 有很多因素影响建筑能耗。当供热系统工作时，有很多因素作用下会产生热 损失, 。设计师设计时一般会把热量损益的因素考虑进来，到防止发生热能不足 情况。同时，也有助于保持良好的热室内环境。太阳辐射、接待人员数量，照明 和电气设备热损等因素都会影响室内的能耗。因为气膜建筑没有窗户的原因，建 筑物的太阳能辐射值太小,很难计算。但是其他因素会非常容易计算获得。 4.3.1 接待人员数量 室内人员会增加室内的温度。人员一般会在白天时间在体育馆内运动。人员 产生的热量应该计算进整体的热能总量中。但是，室内人员的数量的变化的。气 膜足球馆内我们依最大数量650人来计算。如果人员数量增加，室内热量也会增 加，为了保证舒适度，室内温度的控制就应做相应的调整。不同的国家都会有室 内人员热值表，在体育馆里，芬兰的标准是每个人会发出200W的热量。这样以 年为计算维度的情况下，人员散发的热值是非常可观的。 4.3.2 照明 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX 照明对于建筑的能量平衡也是非常重要的。不同的灯具提供的照度大不一 样。 欧洲建筑协会依不同的工作环境，提供照明灯具配置方案，并给出不同的能 效标识。依照这个标准配置灯具可以有效的节约大约15%的能耗。如果灯光照度 和能效配备合理，可以节约能耗55% 以上。一般情况下，在保证照度要求的情况 2 下，每盏灯会发出15W/m 的热量。 4.3.3 电器设备 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX 气膜建筑的风机在工作时，会发出热量，并由其吹入的风把部分热量带入气 膜建筑内部，不同的国家都有这部分热量的估测值（SFP值），芬兰的国家标准是 3 3 低于2.0kW/ m /s 。一些别的国家的标准是低于 1.5 kW/ m /s 。 5、计算模型 设计核算气膜筑物的能源消耗时，计算的热损失和热的散发值是一个非常重 12 / 45 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX Suslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 要的步骤, 。当计算供热能耗时，需要考虑节能问题。没有内部和外部条件的物 体表面传热系数数据，热损失是无法计算的。 可以选择不同的方法来计算建筑材料的导热系数。选择这些系数是极其重要 因素博业体育官网。确定建筑物的热损失,有必要正确估计传热系数。节约的能源一个重要途 径就是计算出准确的气膜建筑的能源消耗的热负荷。以下就相关问题逐项展开讨 论。 5.1 热散失 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX 依芬兰国家标准计算热损失，主要是计算围护结构和通风系统两个方面。首 先，要定义外部和内部环境条件，并确定建筑外壳的热损失和渗透量。接下来， 就需要计算通风系统的热量变化。 5.1.1 天气条件 冬季供暖期依照气候参数来进行计算，这些参数不是绝对与建筑面积相对 应。极其寒冷的条件的点是很少出现。百年每发生一次。如果我们专注于这些值, 它会导致施工的成本显著增加。因此,计算值和一定的概率相稳合。室外温度是 选择外部壁垒和确定加热系统功率等建筑防护品质最重要的参数依据。 在芬兰,有三个重要曲线。这些曲线描述了每个温度多少年出现一次。见图6 。 5.1.2 围护结构的热损失 热传导的三种方式：传导、对流和辐射。气膜足球馆的基本数据如下表: 13 / 45 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX Suslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX U值与初始的建筑材料有关，一般生产厂家会给出相关数值。芬兰的农业研究中 心给出的，年平均土壤温度的测量50厘米低于土壤表面,范围从最热6.4摄氏度， 最低点1.9 摄氏度。“/ 12 / 地面的U值计算过程，如图9所示 2 热阻值（m K/W）计算过程依照公式1 Rt Rsi +R1 + R2 + ... + Rn + Rse 1 各材料之间的热阻值的计算依照公式2 14 / 45 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX Suslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX 导热系数的公式如下： 2 2 当地面的热阻值为5.1 m K/W，U-value 0,196 W/m K。 围护结构热损值（W ） 15 / 45 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX Suslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 能量损失依公式5 使用公式4 可以计算出建筑外皮和地面的能量散失。附录1 有各种材料的能 2 量指数。单层膜结构的U 值是2.37W/m K，这样计算出从外壳的热量散失是 2 2 o Q 2.37W/m K ·17584m ·52 C·5h 10835kWh 10.84 MWh 2 同样，使用相同的方法可以计算出地面的热损失。地面的U 值是0.2W/m K。 2 O 地板面积是 11957m 。温差13 C （地面温度5 度，内部温度 18 度）。从地面的 热损失（Δt 5h ） 2 2 o Q 0.196W/m K?11957m ?13 C?5h 152.3KWH 0.2MWh 冬季外部环境最低气温为-34 度时，地面和建筑外壳总计热损失为11MWh。 5.1.3 空气渗漏带来的热损失 3 空气渗漏指空气从建筑物中流失的过程，计量单位l/s 或是m /h 。 气膜建筑围护结构的密闭性是由空气泄漏速度来描述的。渗漏会带来很多不 同的问题。比如：温度高的房间的空气引风过程中会夹带着水分和热损失。对于 节能性建筑，减少热损失是最重要的一环。空气渗漏量越少，能源消耗越少。除 了节省能源，还会减少漏水和潮湿的危害。 然而，在此文中首先来分析空气渗漏带来的能量损失。空气渗漏的热量损失 公司为： 16 / 45 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX Suslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 依D5 空气渗漏速度（m3/h ）计算公式为/7/ 。 空气渗漏系数q50 计算公式如下： 17 / 45 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX Suslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 依据芬兰围护结构的气密性的国家标准， 应该在0.5-1.5 范围内。如果 N50 是1l/h，空气渗漏系数q50 的计算办法如下： 3 2 q50 n50/A*V 1/17584*191980 10.92m /h ·m 空气渗漏的空气速率为： 3 Qv.l.a q50/ 3600 ×X *A 10.92/ 3600*35 *17584 1.52m /S 通常空气渗漏的能量消耗计算办法使用公式 5 。例如温度低于-34 度时，计 算方法如下： 3 o Qinf 1.2kg/m ???J??gK×1.52m3/s×[18- -34 ] C×5h 474.2kWh 0.47MWH 空气渗漏的其他因数见附录2 。 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX 5.1.4 通风过程中的热量散失 通风的方式有自然通风和机械通风两种。机械通风方式由于能够给空间提供 充足的空气量，因而比自然通风应用更为普遍。而且机械通风可以将空气进行净 化和除尘。 依据芬兰的国家标准新风的流量应为每人6l/s 。进一步可以计算出室外向室 3 内的进风量为：Qv 6l/s ×650 3900l/s 3.9m /s 由于只通过外部的空气流量不足以满足运动时的空气需要。只能通过持续的空气循 环来解决这一问题。就需要加装空气循环系统设备：以免室内空气污染和杂质以及特殊 气味对的伤害，需要加装空气净化设备。 但是，但是空气循环的过程需要很多能量消耗。外边新风占整体风量的20% 。 空气循环量的计算公式和方法是： 3 3 3 Qv.r.a [ 3.9m /s /0.2]-3.9 m /s 15.6 m /s 芬兰的国家标准D3 给出了通风过程中的能量损失公式： ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX 18 / 45 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX Suslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 空气温度决定于室外环境的温度。所以当外别环境的温度低于 17 度时，就 需要供暖。当温度高于17 度时，冷气装置就需要开启了。 总体的能量消耗决定于以下几个因素：运行方式、空气渗漏、通风等。在附 录2 中列出了全年所有的能量消耗。 5.2 热负荷 热负荷包括：阳光辐射、照明发热、加热系统、电器设备发热、发热和 其他热源物体（热的食物、热的地面等等） 2000 年时，莫斯科加热和通风部门制订了节能建筑的能源消耗标准。比较了 不同的物质最终表示为下表： ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX 由于气膜建筑没有窗户，因而太阳能对建筑内部的影响可以忽略不计，只需 要知道建筑内部的各项热荷载即可。以下为芬兰的国家相关标准。 19 / 45 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX Suslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX 5.2.1 照明散发的热量 照明方式一般有三种方式：自然光、人工光源、混合光源。混合光源是大多 数建筑采用的方式。混合光源就是自然光和人工光源的混合。气膜建筑的 PVC 膜材透光率小，因而人工光源必须得以保证。光源设置数量与功率大小与面积和 光照要求有关。 2 依据每盏灯散发热量15W/m ，根据公式10，可以计算出灯具散发的热量， 工作时间长为14 个小时。生的热量如下： 附录2 给出了系数。 20 / 45 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX Suslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 5.2.2 室内人员产生的热量 2 一般在体育运动馆内人员的散发的热量为5W/m 。公式如下： 附录2 是人员在室内热值列表。 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX 5.2.3 电气设备散发热量 气膜建筑的风机等机械设备对室内温度的影响主要依照SFP 值。如果有一个 3 风机工作的气膜建筑，SFP 值一般为1KW/ m /s 。 风机在工作状态下，转化为热量的多少和气膜建筑的配置有很大关系。要计 算出风机工作可能产生的热量的多少需要知道风机的风量大小。 见附录2 所列的参量表 21 / 45 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX Suslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 5.3 制冷的能源消耗 制冷设备的能源消耗和机器的效率和功率有关。相关计算需要考虑外部环境 条件、建筑的U 值、围护结构的表面积。 公式如下： 夏天时节，由于地面温度较低，所以地面所消耗热量较多，而建筑外壳的热 负荷较大。要准确的分析气膜建筑的能耗就需要了解任何时段阳光辐射和内部人 员所发散的热量。由于气膜建筑结构本身没有窗户的原因，要准确的计算出太阳 光线辐射产生的热量是非常困难的。如果使用三层膜材的气膜建筑计算太阳能辐 射值请参照附录3 。 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX 6、节能措施 如今，全世界都在加大对节能型建筑的推广和应用。各个国家采取的策略略 有不同。如有的国家强制采用节能技术和能源的循环利用，但是多数的国家一般 制订一个长期的目标，逐步跟进和推广，这就需要更长的周期才能真正把建筑节 能标准应用于实际。 气膜结构的足球馆的节能措施和普通建筑略有不同。但是基本的措施有智能 灯光调节、加热和制冷措施的改进、增加保温材料或是应用夜间模式减少能源消 耗。以下我们逐一进行分析和论述。 22 / 45 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX Suslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 6.1 保温措施 前几章论述了不同类型的建筑外壳其 U 值不同。为了减少热损失获得良好 的保温性，三层膜带两层保温材料的气膜足球馆具有最好的特性，整体的热量损 失最少，但是会增加成本。 附录3.1、3.2、3.3 列出了不同膜材的U 值。除了提高造价之外，使用三层 膜加两层保温的气膜足球馆需要白天进行人工照明。因为材料越厚透明度越低， 因而照明费用也会越贵。 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX 6.2 加热与制冷 在北方地区，供热消费占整个浪费能源的比例最高。因为体育馆在北京的供 热时间为5 个月，而东北和西北地区将近7 个月。如果在俄罗斯或北欧地区，一 年约80 - 90 %时间需要供暖热量。在图7 中，列举了可用于气膜建筑的不同类型 加热系统，和不同的类型的加热系统的操作成本和投资。在我们的本文应用的实 例中，使用热效率高的压缩加热机组，其应用成本和初始投资都不是非常高。 也可以考虑其他类型效率更好的通风加热方式，但会需要更多投资。例如, 建立高效锅炉系统代替天然气加热炉。也可以采取市政供暖加热以减少运行成 本。另一个系统是地源热泵技术。这种设备有很多优势,但初始投资成本较高。 热泵技术可以利用地下水源冷却的建筑，这意味着它是非常适合保温隔热效率非 常高的气膜建筑结构，但其最大的缺点是这个系统的安装和维护成本高。 冷却系统也有不同的选择方式。在第四章中,我讨论了出风口系统，但冷却 系统的能源消耗指数取决于系统的主要类型。能源高效冷凝器单元和蒸发式冷凝 器单元适用的用于冷却空气穹顶。为了节约能源，与首先我们应以提高其效率来 节约成本。蒸发冷却冷凝机组比电容器单元冷凝机组有更好的效率而且该设备自 带风机和配套设备集成度很高。 6.3 夜间模式设置 在气膜足球馆运营期间和闲置期间通常设置的正常温度都是 18 度。使用夜 间模式，可以降低加热和通风的能源消耗。空闲的时段每天大约有10 小时以上。 应用PLC 智能控制技术，可以自动控制和调整空间温度，也可以使用手动模式关 23 / 45 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX Suslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 掉加热系统。 不同的制造商推荐不同的控制模式。夜间模式有助于节省能源,但在极冷天 气或是遇到极端的气候的情况下，夜间模式会使气膜建筑应对大风和大雪的整体 反应能力降低，并且由于如果遇到温度极低的情况下，气膜建筑的膜材也将是非 常大的考验。如果能够保持室内温度不低于8 摄氏度，气膜结构建筑膜材受到的 影响最小。从夜间模式恢复到正常运营模式的时间很短:大约30 -45 分钟。这也 和空间容量的大小和对空气清洁要求和空气流动速度有关。 附录4.1 、4.2 、4.3 列出了应用夜间模式的气膜建筑全年的能耗值。这一表 格还列出了不同建筑外壳下的能源消耗值。如果以此表与 3.1、3.2、3.3 进行对 比，就会发现夜间模式下节省的能源状态。 6.4 周末模式设置 周末是官方比赛和人员运动最集中的时段。在这些时间段，接待人数的最多, 平时的体育馆大多以训练为主。因为没有观众和媒体人员，所以气膜馆接待人数 很少，也没有必要提供最大数量的室外新风。为了合理的节约能源和资金，因此 有必要减少送风。但首先,必须计算平日的人员数量。通常在训练日有不超过100 个运动员。但同时收益也会减少。 使用第五章公式和方程，计算整体空间所需的空气供应量和平日时段人员较 少时所需热负荷。其他数据不需调节，但通风强度会影响能源消费，周末的新风 消耗远远大于平日。这意味着通过调整这些设置, 能源的需求可以显著减少。 在附录5.1,5.2,5.3 计算出相关数值。通过比较可以很轻易的发现这些设置会 如何影响能源消费。 7、计算结果分析 建筑能效有一些具体的要求。设计建筑需求设计出高效的建筑系统是非常必 要的。在此基础上,室内环境需求决定整体建筑的总能量消费。建筑的年度能源 消耗与不同的围护结构关系非常大。许多因素影响最终结果,如围护结构的类型， 整体建筑结构的气密性，通风和热增益因素等。 在此的论文中，所有这些影响因素都逐一论述和研究后，整理出下表，反应 出每一因素如何影响整个年度能源消费。分析这些表,我们就可以更好应用能源 和也可以给我提供更佳的投资回报，真正的使我们达到，节能策略与实用性完美 的结合。通过计算三个不同类型的围护结构方式和四个类型的设置。得出表6 的 24 / 45 ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX Suslov Stanislav 2010 年 《Calculating of energy consumption of the sports hall》 一些主要结果: ? 焦亮 气膜建筑 1XXXXXXXXXX 首先,我计算出整个气膜体育馆在不采服任何节能措施情况下的，能源需求。 这意味着通风、取暖和照明系统持续运行 每天24 小时 。表5 中列出了，气膜建 筑三种不同的围护结构年度能源消耗。有趣的是, 三层膜气膜建筑结构的能源需 求是单层膜气膜建筑结构的能源需求一半。 其次,计算能耗的方式每天大约有十小时不接待客户。因此，没有有效的利 用所有设备。因此, 已经减少了操作时间。非运营状态下，关闭照明、不接待客 户、冬天通风过程只保持基本温度水平。年度能源消耗数量是减少的。通过比较 第一和第二列，很明显发现，夜间操作模式的设定对建筑节能的功效非常显著。 表5 的第三列显示：多少能量消耗在支持整体结构的稳定上以及在寒冷的季 节，维持恒定的室内温度所消费的能量。气膜足球馆在这种情况下，即不接待人 员、也没有照明、通气量非常小。在这种情况下,空气通风量与泄漏量相等。很 明显,从表中可以看出，这种状态下能源消费量是最小的。 在我看来第四列是最有用的。这是平日时段时，当接待人员数量少于 650 人时的能源消耗。在计算
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