淺談建筑節能設計

汪進波

(中國建筑西南設計研究院，四川成都610081)

能源是人類生存和發展最重要的物質基礎。人類現在應用能源主要是煤炭、石油和天然氣等化石能源，它們對人類的生存和發展起著重大作用，人類靠其取得了輝煌的經濟和科技，文化的進步。但是隨著消費的增長，世界能源消耗量不斷增長，加之資源分布的不均衡，嚴峻的形勢促使人們意識能源問題的嚴重性和長期性。建筑能耗作為能源消費構成的重要部分，在發達國家已占到能源消耗總量的35%～40%，在我國已經占到能源消耗總量的25%以上。因此，建筑節能設計研究成為了我國目前亟待深入研究的課題，對于推進建筑節能的深入發展對保證能源安全、減少溫室氣體排放、保護大氣環境及生態環境、節約土地資源、提高人民群眾的生活水平都具有重要意義。

1 現階段的建筑節能設計理念

建筑的節能設計是長期的、持續的和發展的過程，不是絕對，一次就可以達到最理想的狀態。針對我國建筑節能工作發展狀況，就現階段的建筑節能設計提出以下設計理念。

(1)重視氣候環境因素，爭取有利條件，避免不利因素，使建筑盡可能順應自然，滿足人們對建筑室內環境的需求，在方案初應為建筑今后運行過程中的節能創造條件。根據不同地區的氣候特點決定建筑節能設計，要重視通風和采光，對建筑的熱穩性設計要兼顧氣候因素和建筑采暖和空調系統的運行特點。

(2)針對現有常規設計、常規材料及構造在能耗上的薄弱環節進行改進，使建筑在經濟條件許可的條件下適度超前。

(3)在設計實踐中貫徹節能設計思想，關注新技術發展，循序漸進地向無污染、超低能耗的建筑發展。

2 建筑平面節能設計

建筑節能設計需要從整體設計和建筑單體兩個方面入手。建筑節能整體設計又可以分為選址、建筑布局、建筑朝向、建筑通風和太陽輻射幾個方面。

(1)在建筑的選址上，首先要爭取日照。人類生存、身心健康、熱工效率均與日照有著密切的關系。對于居住內部空間而言，爭取日照包括爭取更長的日照時數、更多的日照量和更好的日照質量三個方面。在住宅的建筑設計中，基地應選擇在向陽的地段。“坐北朝南”是我國北方民居的建筑朝向定式，對于嚴寒和寒區住宅朝向，應以南北向為主，這樣可使每戶均有主要房間朝南，對爭取日照有利。為了滿足要求的日照間距，各地區應該針對所處地理緯度、日照衛生標準及城市環境條件而確定的日照距標準。冷空氣對建筑物圍護體系的風和冷風滲透均對建筑物冬季防寒保溫帶來不利的影響，尤其嚴寒和寒冷地區，住宅建筑應該選擇避風基址建造，采用錯列布局避免“風影效應”，以建筑物圍護體系不同部位的風壓分圖作為進行圍護體系的建筑保溫、建筑節能設計、開設各類門洞口和通風口的設計依據。

(2)建筑的布局，首先要有合理的選址和規劃。充分考慮住區的總體布局，做不同體量、不同角度、不同間距、不同道路走向的建筑物的組合，充分利用自然通風和日照，以產生不同的熱量需耗(冬季)和熱量盈余(夏季)。住區道路的不同走向對風向和風速有明顯的影響，住宅群和道路之間多為速度較小、方向豎直的管狀氣，很難穿越建筑物，所以必須考慮住宅群體的形狀與體量的組合和布局，使住宅高層、低層錯落排列，并利用道路和植被，形成氣流動和自然通風;使建筑物冬天可保持室內熱量，避免冷風滲透，到夏季則形成穿堂風，達到自然通風和降溫。利用建筑的布局，形成優化微氣候的良好界面，也就是建立一個小型組團的自然——人工生態平衡系統，以有利于節能。

(3)建筑朝向對能耗的影響也是較大的。正東、正西的房屋同正南的房屋相比，全年綜合耗電量大約相差20%。在住宅設計中，坐北朝南似乎已成為一種定律，戶戶朝南又是房產商的招牌售房口號，但這種做法不一定與當地的太陽入射角和主導風向存在因果關系，理想的日照方向有時恰恰是最不利的通風方向。朝向選擇需要考慮的因素有:一是冬季能有適量并具有一定質量的陽光射入室內，炎熱季節盡量減少太陽直射室內和外墻面;二是夏季有良好的通風，冬季避免冷風吹襲。由于冬夏季太陽入射角的差別和朝夕日照陰影的變化，我們應利用合理的朝向，使建筑在夏季盡量避開南向烈日的炙烤，而冬季爭取盡可能多的溫暖陽光，使建筑獲得冬暖夏涼的宜人室內環境。

(4)建筑通風應多考慮自然通風。自然通風是當今節能建筑所普遍采用的一項比較成熟而廉價的技術措施。采用自然通風方式的根本目的就是取代(或部分取代)傳統空調制冷系統，主要是利用室內外溫差造成的熱壓和風吹向建筑物而在不同表面上造成的風壓差來實現通風換氣的，熱壓主要取決于室內外空氣溫差和進出氣口的高度差。解決熱壓問題可通過空間布局、門窗洞口的合理設計，建筑設計中應設置一定數量的低窗與高窗相結合，增加進出氣口的高差，熱空氣上升，經由高窗排出，涼爽的空氣由低矮的洞口進入室內，這就是常見的煙囪效應。自然通風在建筑中的應用主要表現為:增加室內外溫差;加速室內空氣流動。

建筑物所處的室外環境并不是只與室外氣溫有關，還與太陽輻射、風、雨等有關，其中太陽輻射是主要因素，建筑的外立面由于朝向不同其得到(或失去)的太陽能量也不同。冬季輻射得熱，南立面與北立面相差甚大。從建筑冬季日照和夏季防熱綜合考慮，南向是建筑最佳朝向。對于南北向長方體形建筑，存在一個最佳的長寬比和高寬比，使得建筑外表面所得太陽輻射量很少。

建筑整體布局滿足節能要求的同時，單體建筑設計也是節能設計的關鍵，因為建筑單體形式的多樣性和建筑功能的復雜性，不同類型的單體建筑的節能設計又應采取不同的方法與措施。

3 建筑立面的節能設計

進行建筑立面的節能設計，首先需要確定合適的窗墻比。窗墻面積比對建筑能耗的影響，主要取決于窗與外墻之間熱工性能的差異，相差越大，影響越顯著。窗墻面積比不僅影響能耗，也影響建筑立面效果、室內采光、通風等。但減少窗戶能耗的根本途徑，不是減少窗墻面積比，而是利用高新科技、大幅度提高窗的熱工性能。其次，建立良好的立面遮陽設施，立面遮陽設計不僅僅是遮陽構造設計，還可綜合利用陽臺、外廊等建筑構件以及垂直綠化、遮陽樹木取得綜合遮陽效果，使立面遮陽設計與立面形態處理有機結合起來。

在建筑單體節能設計中，最重要的就是圍護結構的節能設計。

(1)屋頂的節能設計。對多層和高層建筑而言，屋頂在整個外圍護結構中所占比例較小，因此通過它的熱量損失也較小，但是對頂層住戶而言，屋頂溫度對室內溫度的影響最顯著，因此，有必要對屋頂的保溫隔熱性能給予足夠的重視。除了增厚屋面保溫材料層的厚度之外，在南方地區，還要采取架空屋面、種植屋面等隔熱的措施以減小屋頂的太陽輻射的熱。

(2)建筑外墻的節能設計。多年以來，我國建筑墻體一般采用單一材料，如空心砌塊墻體、加氣混凝土墻體等。單一材料導熱系數大，一般為高效保溫材料的20倍以上。由于建筑節能的需要(住建部將出臺強制性規定)，現行《建筑物外墻外保溫技術規程》規定己不能滿足保溫隔熱的要求，并已逐漸被新型的復合墻體所替代。這種復合墻體主要通過在墻體主體結構基礎上增加一層或幾層復合的絕熱保溫材料來改善整個墻體的熱工性能。復合墻體能夠很好地發揮兩種材料的長處，既不會使墻體過厚，又能承重，保溫效果又好，因此，發達國家新建建筑已基本上采用了此種方式。我國要達到節能50%的要求，除部分采用加厚的加氣混凝土單一墻體外，使用復合墻體將是大勢所趨。根據復合材料與主體結構位置的不同，分為外墻內保溫技術、外墻外保溫技術及夾心保溫技術。對復合墻體保溫，應大力推廣外墻外保溫技術。

(3)節能門窗設計。節能型建筑門窗是指達到現行節能建筑設計標準的門窗。凡是門窗的保溫隔熱性能(傳熱系數)和空氣滲透性能(氣密性)兩項物理性能指標，達到或高于所在地區《民用建筑節能設計標準(采暖居部分)》及其各省、市、區實施細則技術要求的建筑門窗統稱為節能門窗。節能門窗可以是單層窗，也可以是雙層窗，在高緯度嚴寒地可采用三層窗。一般而言，窗戶的傳熱系數要遠大于墻體的傳熱系數，所以盡管窗戶在外圍護表面中占的比例不如墻面大，但通過窗戶的傳熱損失卻有可能接近甚至超過墻體。窗戶的保溫隔熱性能要從三個方面著手來提高。首先是玻璃，玻璃的導熱系數很大，薄薄的一層玻璃熱量很容易流出或流入，因此必須考慮采用雙層玻璃、中空玻璃、低輻射玻璃等保溫性能較好的玻璃來做窗戶。其次窗戶的框材也要加以考慮，，如果是鋁型材或鋼型材窗框，則必須對型材做斷熱處理，即將型材朝室內的一面和朝室外的一面斷開，用導熱性能差的材料將兩者連接起來。最后對夏熱冬冷地區和夏熱冬暖地區，窗戶還要考慮安裝上遮陽裝置，減少太陽輻射透過窗戶形成空調負荷。除了安裝遮陽裝置外，也可以采用鍍膜玻璃，反射掉一大部分曬到玻璃上的太陽光。

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