第三节　建筑节能理念辨析

一、建筑的舒适与健康需求

近年来，我国经济社会快速发展、人民生活水平逐步提高，城镇居民住宅消费观念和需求正在发生重大变化，住宅发展已经从“量”的需求提升到“质”的享受，住宅建设已从“功能型”转变到“舒适型”，居民利用采暖、制冷设备提高室内生活质量成为趋势，而这也可能使建筑能耗进一步增加。为了澄清建筑环境中的一些基本理念问题，正确引导人们的消费观念，本节将首先针对建筑的舒适与健康需求等相关问题展开讨论。

（一）热舒适与人体对气候的适应

1. 不同气候地区的人体热舒适差异

学术界将不冷不热的状态称为“热中性”，一般认为是最舒适的状态，此时人体用于体温调节所消耗的能量最少，感受到的压力最小。经过大量实验，研究者力图将构成热环境的四个主要要素（空气温度、湿度、环境长波辐射温度、风速）与人体热反应（热感觉）联系起来。此外，人体的热舒适性还与其对气候环境的适应性密切相关，很多研究者发现在实际现场调查中，人们喜欢的温度范围差别很大，即便是在服装相同的条件下，夏季可接受的温度偏高，而在冬季可接受的温度偏低，即人们对相同建筑热环境的热舒适发生季节性偏移。而在近几年的现场调查中，研究者发现，热舒适除了与季节气候密切相关外，在相同季节，不同气候地区的人们对热舒适的要求也有较大的差别。2010年冬季清华大学^[12]对北京（寒冷地区）、上海（夏热冬冷地区）两地居民开展了人体热反应气候室实验研究。研究发现，在相同的偏冷环境下，北京受试者实际热感觉投票（TSV）值显著低于上海受试者，两者相差近0.6；若要获得相同水平的热感觉，北京受试者所需的室内温度要比上海受试者高出约2.5℃。结果表明夏热冬冷地区居民对偏冷环境具有较强的适应能力。而现场调查也得出了类似的结论。2011年冬季，清华大学^[13]分别在北京和上海选择10户住宅进行跟踪调查，其中，北京10户均为集中供暖用户，上海10户为空气源热泵用户。从结果可发现，在相同的室内温度下，相比北京集中供暖住户，上海住户的衣着量略低但TSV投票值更高，上海住户的中性温度为20.9℃，北京集中供暖住户的中性温度为22.0℃。

2011年大连理工大学^[14]通过问卷和现场测试调查我国不同气候分区的居民对于热环境的喜好差异，得到：夏热冬暖地区（如华南地区）居民夏季可接受的温度要比严寒地区高出4℃左右；对于未进行集中供暖的住宅，夏热冬冷地区（如长江流域地区）居民冬季可接受的舒适温度低于夏热冬暖地区，前者为14.2℃，后者为16.3℃。研究表明，对于室内生活热环境差异不大的人群而言，长期生活在炎热气候的居民，对热有更强的忍耐能力，长期生活在寒冷气候的居民，对冷有更强的忍耐能力。

上述实验和调查结果表明，不同地区的人群具有不同的热适应性，其舒适区的范围是存在差异的。我国地域辽阔，南北跨越热、温、寒几个气候带，气候类型多种多样，因此，居住室内热环境控制标准的制定应该结合各地区居民实际热舒适需求，因地制宜，而不应该推崇恒温恒湿。

2. 人体对建筑气候的适应性

人工制冷和采暖手段的引入，改变了人体热环境的经历，受此影响，人体的热适应性也发生了显著变化。在较多的实际现场调查中，研究者发现，相比在非空调、非采暖环境中的居住者，经常处于空调、采暖环境中的居住者对室内热舒适的要求较高；随着夏季室内空调温度的逐渐降低或冬季室内采暖温度的逐渐升高，人们感觉舒适或中性的温度也会向低温或高温方向偏移。西安建筑科技大学^[15]对东莞地区居住建筑夏季室内热环境的调查表明，经常生活在空调环境下的人在家中往往把空调开到较低温度（21℃～24℃）才感觉到舒服，然而不经常使用空调的居民在家中往往把空调开到较高温度（25℃～27℃），在家中同样感觉舒服。Nicol与Humphreys^[16]比较了20世纪70年代和90年代的现场调查结果，发现自然通风建筑室内舒适温度与室外温度变化的特征基本一致，而集中空调采暖建筑中人体的舒适条件却有所不同：与70年代的调查结果相比，90年代人体在偏冷季节的舒适温度提高了约2℃。他们推测这与室内供暖温度逐年提高有关，人们对此已经产生了适应。在我国的现场调查中，也发现了类似的现象。哈尔滨工业大学^[17]比较了哈尔滨地区在2010年和20世纪90年代的冬季室内热舒适现场调查结果，发现与90年代的调查结果相比，室内空气温度提高了5.3℃，居民的室内服装热阻下降了0.7clo，热中性温度提高了4.9℃。若将服装热阻的变化折算到中性温度的变化上，可以得到，理论上该地区居民当前的中性温度应该比20年前提高4.2℃，而实际值却比这还要高出0.7℃，其原因同样是该地区居民对冬季室内的高温气候已经产生了适应。由此可以推断，夏季长期维持较低的空调室温或冬季长期维持较高的采暖温度，人体的热适应性会发生显著变化，夏季感觉舒适的温度会越来越低，冬季感觉舒适的温度会越来越高。

实际上，空气调节设备从出现到广泛应用仅有短短几十年的时间，而在人类社会发展几千年的历史中，绝大部分时间都是通过其居住的建筑墙体蓄存、隔离外界热量，通过自然通风、服装、风扇等调节手段来达到夏季降温的目的，充分展现了人体适应自然环境变化的机体机能。这是一种节约能源、环境友好的生活方式，至今依然受到大多数居住者的偏爱。

在我国各地开展的大量现场调研结果表明，当环境温湿度相似时，非空调的自然通风环境比空调环境受到更多居住者的偏爱。居住者对于家中的空调往往采用“能不使用就尽量不使用”的态度，只要室内温度没有达到不能忍受的范围，就更乐于使用开窗通风或电风扇来降温。2000年清华大学的调查发现，在“自然通风，有点热，总体可以接受的环境”和“空调凉爽环境”中进行选择时，80%以上的人选择前者。2003年清华大学在上海地区的住宅热环境调查发现，人们并非室温高于26℃就开启空调，而是继续使用自然通风手段，直到环境温度高于29℃时才开启空调。2012年清华大学对中国居民夏季使用电风扇习惯的网络调研结果表明，无论是家中有空调还是没有空调的居民，75%以上会在夏季选择使用电风扇来改善室内热舒适。2011年清华大学^[18]在江苏地区的住宅热环境调查发现，相比“全时间、全空间”空调、采暖使用模式的住户，“部分时间、部分空间”空调、采暖使用模式的住户对室内热环境的满意率更高。

由上述研究结果可见，居住建筑应该为居住者提供较多适应自然环境变化的机会，避免使用“全时间、全空间”的空调、采暖模式，从而保持人体对热环境的适应性。

（二）关于恒温恒湿恒氧环境的讨论

1. 什么是恒温恒湿恒氧技术

所谓“恒温恒湿恒氧”技术是采用集中空调采暖系统控制房间内的温度、湿度，实现室内温度常年保持在20℃～26℃，空气相对湿度常年保持在40%～60%，同时采用新风系统提供定量的新风确保室内的含氧量。在“恒温恒湿恒氧”住宅中，温湿度和新风量往往由中控系统控制调节，住户自己并不能控制空调启停和设定温度。此外，为了保证室内参数恒定，住户平时不能随意开窗开门。因此，这种住宅如同一个密封的恒温箱或如医院的ICU，住户不仅失去了自我调控室内热环境的能力，也减少了接触大自然的机会。

2. 恒温恒湿环境对人体热舒适的影响

在这种恒温恒湿住宅中，由于人体感觉不到冷热刺激，不需要进行热调节，人们可能感到舒适性较高。但是，若从住户个体需求角度考虑，这样的住宅不一定舒适。因为每个人感觉舒适的温度不同，如老人偏好温度高一些，年轻人偏好温度低一些，有些人觉得26℃很舒适，而有些人却觉得太热了。然而，在恒温恒湿住宅里，各家各户的室内温度一致，住户根本无法按照自己的实际需要对室内温度进行个性化调节。因此，集中控制的恒温恒湿住宅无法真正满足住户的实际舒适需求。

3. 恒温恒湿环境对人体热健康的影响

人类生理对冷热刺激的应激与调节功能是人类在大自然中经历数千万年的进化而获得的适应自然的能力。这一能力保证了人体在受到冷热冲击的时候能够调节自己的身体以保证其具有正常的功能。如果人体保持了良好的热调节能力，那么人体在处于一定热舒适偏离的条件下也能够轻松应对，并不会感到显著的不舒适。

在非空调环境下环境温度会随着室外气象参数变化而变化，人员具备较高温度环境下的“热暴露”的经历，骨骼肌、汗腺等生理机能得到了锻炼，一定程度上提高了人体的热调节能力。如果长期生活在恒温恒湿环境中，会使在这个环境长期逗留的室内人员缺乏周期性刺激，同时相对低温使人的皮肤汗腺和皮脂腺收缩，腺口闭塞，而导致血流不畅，产生“空调适应不全症”。当室内外温差过大时，人们在进出空调房间时会经历过度的冷热冲击而导致不适，甚至会影响居住者的健康，除受冷热刺激而容易感冒外，还会产生中暑、头疼、嗜睡、疲劳、关节疼痛的症状。因此，长时间停留于恒温恒湿的空调环境，虽然免除了冬夏冷热给人们带来的不适，但却改变了人体在自然环境中长期形成的热适应能力，损害人体的健康。在保证舒适度的前提下，人们应该尽量减少对空调、采暖环境的依赖，适当延长在非空调、非采暖环境下的热暴露时间，对于保持人体对热环境的适应能力和人体健康是大有裨益的。

二、主动营造与被动接受服务的探讨

国内外的多项调查研究均发现，如果室内环境调控系统能够允许使用者根据自己的需要，自行对室内环境因素（如温度、湿度、通风、照明和遮阳等）进行有效调控，那么使用者对于调控系统的满意度会比较高。为了很好地满足使用者对于自行可调的需求，需要建筑、系统、使用者三方面协同配合。

从设计上考虑，建筑应设计成性能可调的建筑。开窗后可以获得良好的自然通风，关闭后可以保证气密性；需要遮阳时可以完全阻挡太阳光射入，而希望晒太阳时又可以接收到阳光照射。也就是说，当使用者需要时，可以使其感觉到与自然界的直接联系，而不需要时，又能够让其避开与外界的联系。这种建筑既不是完全依靠机械手段进行调控的建筑，也不是在各种自然条件（温度、湿度和污染物等）变化时无法调节的建筑。服务系统应设计为独立可调，能满足不同时间、不同位置的不同需要。

从运行上考虑，建筑与系统的调控模式决定了使用者是主动营造环境条件，还是被动接受服务，进而对建筑实际运行能耗产生巨大影响。对于相同的环境，具有自我调控能力的使用者更容易对所处的环境感到满意，有利于实现各种形式的行为节能。相反，如果使用者不具有主动调控能力，就会把自己定位为被服务对象，从而与提供环境控制的系统或物业管理方形成服务与被服务的关系。由于不具有控制环境的能力，人们在心理上容易产生对环境可能会有不舒适的焦虑，对服务提供方的要求就会变高，对室内环境参数的容忍度也会降低。而且，每个人对室内环境的需求实际上存在个体差异。为了避免不同需求者的抱怨，提供服务的系统往往要处在“过量供应、过量服务”状态：夏季温度过低、冬季温度过高，无论人是否在家都全天24小时连续运行，只依靠统一的机械新风供给恒定的室外新风，遮蔽全部太阳直射光……以此满足最苛刻的建筑使用者。然而对大多数使用者而言，冬季采暖室内温度过高时，住户必须通过开窗把热量散出去，夏季空调室温控制过低时，又可能启动再热装置，造成冷热抵消的双重浪费。此外，这种统一调控的系统往往需要对整栋建筑集中供冷供暖，对于家中无人的用户来说就会造成极大的能源浪费。而如果采用更加灵活的调控方式，仅对所需的房间提供恰好满足使用需求的环境参数，或者根据不同需求提供与之相匹配的舒适性水平，则既节能又能满足使用者的客观需求。

因此，无论从满足居住建筑使用者的真实需求，还是从更好地实现建筑节能出发，都应倡导由使用者对室内环境进行主动调控，而不应让建筑使用者成为被动的接受者。

三、空调与采暖——集中还是分散？

长期以来，分体空调机是我国绝大多数居民采用的空调方式。而近些年，“中央空调”也开始出现在住宅建筑中。中央空调与分体空调机代表了集中式与分散式两种不同的理念。这两种理念的差别也反映在采暖方面，近来就出现了关于南方地区应该集中供暖还是分散采暖的热烈争论。有人认为，中央空调、集中供暖能耗低、舒适性高，集中式调控体现了先进高效的用能方式，我国未来的住宅室内环境控制应该向集中式发展。与此同时，也有大量支持分散式的不同观点。“集中还是分散”已成为对未来住宅室内环境控制模式的争论焦点。

我们既要实现对小康社会的追求，又要从生态文明的要求出发，在有限的能源、资源与环境容量下实现合理的住宅环境调控。在集中式与分散式之间，我们应该选择哪个方向？

首先，让我们看一下在我国几个典型城市所做的住宅空调采暖能耗调查的结果。

（一）集中式和分散式的能耗调研

1. 中央空调与分散空调的比较

表2-2是2006年李兆坚^[19]在北京对采用不同空调形式的住宅夏季空调能耗进行的调研结果。被调查住户的收入水平差别不大。其中，A楼是一栋老住宅楼，围护结构保温性能较差，其住户基本上都是采用能效比较低的普通分体空调；B楼也是使用分体空调的普通住宅楼，其空调室外机采用了暗装方式；C楼则是一栋采用集中空调的节能样板楼，围护结构保温性能大大优于A楼和B楼，外窗采用双层断热中空Low-E玻璃窗，全部设置外遮阳，并使用多种先进的集中空调技术和设备，如温湿度独立控制、辐射空调、置换通风、排风热回收、水泵和风机变频控制等。然而，这栋高投入的集中空调节能样板楼的空调能耗指标却远高于采用分体空调的“非节能”的A楼和B楼。

除此之外，其他学者在我国不同地区调研得到的住宅分散式空调能耗结果见表2-3。从南方到北方，从东部到西部的调查结果均表明，我国采用分散式空调住宅的夏季空调能耗为2～8kWh/m²。表2-4是采用集中空调的住宅空调能耗的调查结果。由此可以看到，在北方地区，集中空调的能耗通常比分体空调高8～10倍；在南方地区，通常高3～8倍。

调查得到的中央空调系统能耗中，输配系统能耗占很大部分。表2-2中的C楼仅冷冻水循环泵耗电就高达7.6kWh/m²，占空调系统总能耗的38%，已经大大超过了采用分体空调的A楼、B楼的单位面积空调总能耗；在表2-4的第3个项目中，水泵（包括地源水泵和冷冻水泵）一项的夏季能耗也达到6.5kWh/m²，占空调系统总能耗的30%，接近甚至超过表2-2中相同气候区分体空调的单位面积总能耗。这些输配能耗绝大部分又转化为热量进入冷冻水系统，造成了供冷量的损失。而反观分体空调，则几乎不产生输配能耗。

2. 集中供暖与分户采暖的比较

2011—2012年冬季，清华大学对北京某住宅小区60余户壁挂炉采暖住宅进行了调查。图2-27为调查得到的室温分布状况，图2-28为各户采暖季天然气用量分布状况。

清华大学同时调查了附近30余户集中供暖住宅。目前，北京采用小区燃气锅炉供暖的住宅单位面积采暖燃气消耗量为8～12m³/m^2[29]。实测这些集中供暖住宅室温为20℃～22℃。图2-29为集中供暖和分散壁挂炉用户对采暖状况满意度的调查结果。图中表明，尽管集中供暖的室温普遍高于壁挂炉采暖的室温，但由于壁挂炉用户可以根据自己的需要自行调节，因此满意度反而更高。

因为具有能够独立调控室内温度的优点，使得壁挂炉用户对于室内环境的可控度更高，居民会“按需索取”，自己掌握采暖的时间。调查显示，有超过70%的住户日平均采暖时间不超过18小时（见图2-30）。这种独立运行的模式因为与费用直接挂钩，也调动了人们节能的积极性，例如在不影响室内活动的前提下，适当增加衣物来提高舒适性。针对60余户壁挂炉用户的调查结果显示，冬季每户每平方米用于采暖的燃气耗量约为8m³。对于房屋面积100m²的住户，一个冬季的采暖费用约为1600元；而如果采用集中供暖，则采暖费用将达到2500～3000元。对住户来说，壁挂炉是比集中供暖更为经济实惠的采暖方式。综合考虑舒适性、经济性及自主调节性等因素后，有95%的被调查住户认为壁挂炉采暖优于集中供暖。

（二）集中式系统能提供更好的服务吗？

1. “全时间、全空间”一定比“部分时间、部分空间”好吗？

集中式系统按照“全时间、全空间”的运行模式提供服务，在不需要空调采暖时，尤其是在房间内没人时，同样进行环境控制，这是导致能耗高的重要原因。一种观点认为，这样的全时段恒温可以使居住者一进入建筑立即感受到舒适环境，不必等待分散式系统的开启与舒适温度的建立过程。这有一定的道理，一般的分散式系统从启动到舒适温度的建立需要15分钟到半小时。那么，我们从温度不舒适的室外回到家中，是不是就需要马上进入舒适环境？等待15分钟到半个小时到底有多大的不适感？为什么每个采用风机盘管的“半集中式”系统的使用者都不让风机盘管连续运行以保证“一进家门就进入舒适环境”，而是都选择等待15分钟到半个小时的模式？这就说明，在2～3倍的能耗或4～6倍的费用差异面前，使用者都会选择节能省钱的模式。而实际上分散式系统也可以提供全时间的服务，只要将其分散的环境控制装置连续运行就可以了。在舒适性和省钱之间，让消费者独立选择，有何不好呢？

2. 集中式真的可以提供更好的服务质量吗？

实际上，很多末端调控能力不足的集中式系统都存在室内过冷过热的问题。典型的现象就是北方各地集中供暖的室内状况。北方城镇集中供暖的住宅使用者经常抱怨室内过冷或过热，同时由于很多被“过量供暖”的用户无法调节，只得开窗散热，不仅造成大量的热量损失，还散失了室内湿空气，使室内过度干燥，也造成不适。集中供暖冷热失调造成热量浪费的现象，是北方供暖节能需要解决的关键问题，也是十多年来有关部门积极推行“供暖改革”的主要原因。目前，有大量科研项目正在进行技术研发，试图解决这一问题。然而实践表明，改善集中供暖系统末端调节远非简单的技术问题。由于管理体制、财政补贴机制、系统形式、调节技术、装置可靠性与易维护性等多方面的原因，使得供暖改革十多年来仍成效不大，真正解决末端温度和热量有效调节的住宅项目，至今也是极少数。集中供暖缺少有效的调节措施，是图2-29给出的集中供暖用户满意度低、分户燃气壁挂炉用户满意度高这一调查结果的主要原因。

3. 必须注意新风供应不足造成的室内空气质量问题

目前出现在集中空调住宅项目中的另一个主要问题是室内空气质量问题。因为是集中空调，室外新风是由新风系统集中处理并向各个房间进行配送，而不希望住户打开外窗自行通风。新风供给量则是根据设计的室内人数决定。但事实上，由于室内实际人数的不确定性，就导致一般情况下新风量过大，室内没人时也有足够的通风换气，这也是造成实际能耗偏高的重要原因。而当举行家庭聚会等活动，室内人员聚集，对新风量需求较大时，却很难提高新风量，从而导致这些时候室内空气质量恶化，不能满足使用者的要求。对于分散式系统，这种问题就很容易解决。因为新风是依靠住户自行开窗通风换气，所以任何时候只要感到室内空气质量不佳，就可以通过开窗通风解决，在室外没出现严重污染时不存在室内新风量不足导致的空气质量问题。清华大学曾在南京某集中空调住宅小区对住户进行随机问卷调查，发现70%以上的住户表示对被动地接受统一的室温和新风量调控感到不适宜，希望能够由用户对室内温度和新风量进行独立调控。

（三）集中还是分散？

以上分析表明，对住宅采暖和空调系统的各个环节（包括末端、输配系统、冷热源和新风），哪个环节采用了集中式，哪个环节就成为高能耗环节，哪个环节就会出现由于调节不当造成的服务水平降低。相应地，哪个环节采用分散式，哪个环节的能耗就相对较低，并且不会出现调节不当影响服务质量的情况。

对集中式系统出现的各种问题进行分析，发现除了输配系统能耗高之外，似乎都是由于调节控制能力不足所导致的。那么，是不是采用更有效的调节措施就可以解决这些问题呢？从原理上讲，依靠现代的科学技术，似乎这些调节控制问题都能够很好地解决，对于一些高档办公建筑，也可以找到令各房间都具有较好的环境调控效果的集中系统案例。那么为什么对于住宅建筑，集中式系统就不适合呢？这是因为住宅建筑的服务对象是分布在各房间、进行不同活动、需求差异极大的使用者。与办公建筑相比，住宅末端使用者的主观愿望与实际活动的差异更大，更具有随机性，而主观愿望和随机的活动又很难直接反馈到调控系统中，这就对满足个体需求的调控提出了极大的挑战。

分散式系统可以赋予末端使用者满意的独立调控能力，既没有技术上的障碍，还可以获得相对低的能源消耗。集中式系统却面临重重困难，即便圆满解决控制上的难题，其能耗也很难比分散系统更低。那么，我们为什么一定要发展集中式呢？住宅的突出特点是使用者的独立活动、不同需求和独立调控要求，为住宅服务的空调采暖系统也应该是分散的、各室或各户能够独立调控的系统形式。

四、建筑室内与室外是隔绝还是相通？

深圳建科大楼于2009年建成，是一座12层的现代办公建筑（见图2-31），但这座大楼的建筑环境营造理念与目前大多数现代化办公大楼很不相同。这座楼的每层都连接有很大的露台和与室外半开放的活动空间。茶歇、交谈甚至小组会都在这种半室外空间进行。办公空间也设计为与这些半室外空间很好地相通，并且通过调整门、窗状态还能实现良好的自然通风、自然采光。相对于目前大多数与室外隔绝的现代化办公大楼，这座办公建筑尽可能使室内与室外在某种程度上相通，使用者可以从多个角度感觉到室外环境。相比全封闭的空调办公室，楼内很多工作人员更偏爱半室外的开敞空间，即便是夏季室外温度接近30℃的时候，开敞平台上也有人在召开项目讨论会。由于全年一半以上的时间依靠自然通风、自然采光就可以满足办公需求，所以该建筑单位面积运行能耗大大低于当地办公建筑的平均水平，而实测室内的温湿度状况、照度水平等，与一般的现代化办公建筑相差不大。即便冬季温度偶尔略偏低，夏季温度、湿度偶尔略偏高，这样的办公环境仍然受到大多数使用者的偏爱。

2000年，英国建筑研究院（BRE）曾对英国的各类办公建筑能耗进行调研（见图2-32）。从图中可以看出，除去最左边一段表示“供暖与生活热水”的能耗外，各类型建筑的其他各项能耗相差巨大。典型的自然通风办公建筑，除采暖外每平方米建筑能耗约为30kWh；而典型的中央空调办公建筑，除采暖外每平方米建筑能耗则超过300kWh，二者大约相差10倍。针对这些办公建筑的使用者开展的满意度问卷调查反映出，自然通风办公楼的用户满意度最高，而中央空调大楼却收到了“空气不好、容易过敏、易瞌睡”等的投诉，用户满意度最差。

表2-5列出了两种不同的室内环境营造理念以及由此产生的结果。考虑到生态文明的发展原则，不应追求所谓的极端舒适，而应在资源和环境容量容许的上限以下适当地发展，在传统的基于自然环境的基本原则下，依靠现代科学技术进一步认识室内环境变化规律及人真正的健康与舒适需求，从而通过技术创新尽可能营造健康舒适的居住与生活环境。