新形勢下建筑節能設計探討

摘 要：根據多年的工作經驗， 筆者從建筑體形設計、圍護結構設計、開敞式室內空間設計三方面， 分析了建筑的節能設計措施，供大家參考借鑒。

關鍵詞：新形勢；建筑節能；體形設計

0 前言：

隨著傳統能源的供求矛盾越來越尖銳，我國的用能狀況不容樂觀。很多地區剛剛擺脫無能可用的狀態，又面臨著能源短缺的危機，節約能源己成為刻不容緩的大事。 而作為能耗大戶的建筑業來說，建筑節能工作任重而道遠。 未來的建筑節能應如何發展，未來的節能建筑設計應如何進行，這是每一個建筑師都應認真思考的問題。在此，文章提出如下幾點個人看法，希望能同大家一起學習交流。

1 建筑體形設計

1.1 體形系數

建筑的體形系數是建筑體形設計的重要參數。體形系數是指建筑物的外表面積與外表面積所包的體積之比，體形系數越小，單位建筑面積對應的外表面積越小，外圍護結構的傳熱損失越小。但是，體形系數不只是影響外圍護結構的傳熱損失， 它還與建筑造型、平面布局、采光通風等緊密相關。體形系數過小，將制約建筑師的創造性，造成建筑造型呆板，平面布局困難。

1.2 朝向

建筑物的朝向合理能使建筑在被動式和主動式太陽能系統中充分利用太陽能， 對于建筑節能有著很大的影響，這一點已成為人們的共識。建筑物的朝向要受到許多其他因素的影響，在設計時應根據建設場地所處的具體情況加以確定。根據我國太陽高度角和方位角的變化規律，南北或接近南北朝向的建筑在夏季可以減少太陽輻射得熱，冬季可以增加太陽輻射得熱，并有利于組織自然通風，是最有利的建筑朝向。

1.3 合理的建筑平面形式

根據當地緯度的太陽運動軌跡，選擇建筑平面形式也是影響建筑能耗的設計措施。研究表明，圓形的平面具有最小的表面積，熱耗最小，空調的負荷也相對較小，但盡管如此，矩形的形狀卻更有利于對太陽能的控制，矩形平面的長寬比不同，建筑的能耗有很大區別，在設計時應根據具體方案加以推敲。盡量使建筑北墻熱能損失達到最小， 在住人的地方減少玻璃的使用以防止熱能損失。

2 門窗的節能設計

門窗是圍護結構傳熱耗熱的大戶，約占總體傳熱耗熱量的25%～28%，加上空氣滲透耗熱量，總耗熱量高達40%～50%。在這樣的環境里，采用單玻金屬窗對于保障居室夏季溫度26℃～28℃，冬季16℃～18℃是很困難的。山東建筑科學研究院的研究證明，用單框雙玻塑料窗的熱阻值比單層塑料窗提高80%，單位熱阻值價格降低30%左右。采用節能窗之后，墻體只需抹少量隔熱砂漿就可以滿足傳熱系數的要求。在窗戶型材上，我們建議采用熱導率較低的產品，聚氯乙烯（PVC）的導熱系數僅為鋼材的1/357，鋁材的1/1250。在隔熱能力上，單玻塑窗比單玻鋁窗高4O%，雙玻高5O%。此外，PVC窗的密封性也很好，塑窗框扇結合采用搭接和嵌接結構，接合處有彈性密封條，不僅節能效果好，防水、防塵效果也非常好。

3 屋面的節能設計

我國建筑幾十年來相當普遍地采用了平屋頂。這種屋頂不僅容易漏雨，而且保溫隔熱效能差，能源浪費嚴重。近年來，參照國外經驗，用擠塑聚苯乙烯（XPS）板做倒置屋面保溫層，對屋面結構進行革新，效果良好，已在不少工程中得到應用。XPS板具有連續的表層和閉孔式蜂窩狀結構、組織均勻、連接緊密、強度高、隔濕性和耐氣候性能好、不易老化等優點。用這種XPS板做屋面保溫覆蓋在防水層之上，使保溫層起到保護防水層的作用，既可使防水層免受日光的暴曬，又大大緩解了防水層受外界溫度的影響，還可避免防水層受到磨損、 沖擊、穿刺等破壞，使防水層壽命大大延長。

2 圍護結構設計

2.1 采用隔熱墻或“雙層”通風空間

外圍護結構應設計成既可獲得日照，同時又能隔絕熱量。直接被太陽照射的外墻面應該是隔熱的，并且要注意其時間延遲的影響。外墻材料應該是有效的隔熱構件，或設計成“雙層的” 通風空間。對建筑外墻所受熱輻射的有效防護措施，是選擇某些在炎熱條件下具有吸收和輻射性能的材料。這些材料首先要對熱輻射的反射大于吸收，而吸收的熱量又能迅速地以熱輻射方式釋放出去， 以降低室內溫度。外立面色調應該越淺越好，以減少城市的熱島效應和建筑的總空調負荷。在不同氣候條件下，窗墻比也很重要。

2.2 采用適當的遮陽

夏季，太陽輻射往往成為建筑環境十分不利的作用因素，尤其是通過玻璃進入室內的熱量， 會造成大量的空調冷負荷。根據美國研究人員對墻體（木板）與玻璃的太陽輻射熱量通過情況進行的比較，通過玻璃進入室內的太陽輻射量是墻體的 30 倍以上。但如果附加了一定的遮陽措施，這種熱通過量則明顯減少，大約只占原先的 1/3 左右。由此可見，適當的遮陽設計對減少太陽輻射進入建筑內部是十分必要和有效的，盡管這是一種傳統而古老的辦法。 現在很多建筑采用有色玻璃來遮陽，這是一個認識上的誤區。有色玻璃并不能代替遮陽，它的最大效果是能減少大約 20%的熱量傳遞，但在日射量達500～1000w/mZ 的炎熱氣候或溫熱地區的夏季是無效的。此外， 有色玻璃降低了日光的質量， 影響室內自然采光的效果。目前，在國外一些比較先進的辦公建筑中使用了可自動調節的遮陽裝置，可以根據天氣的變化、季節的不同， 調整對太陽能量的獲得。但實踐中這類設備往往難于維護，并且造價十分昂貴。因此，我們在設計中應考慮其性價比， 采用適宜技術，如：非機械的固定遮陽板設計、 手動遮陽板設計等等。 正如奧格雅所說，“即使是那些最簡單的遮陽板，只要精心設計，同樣可以成為高效率的太陽輻射的控制器—夏季遮蔽太陽輻射， 而冬季卻能把熱量帶進室內” 。經過被動式節能設計的建筑立面造型是靈活而多變的，它不象人們所普遍認為的那樣：建筑造型呆板，僅僅是簡單的節能材料的使用。相反，經過精心設計的節能建筑立面造型比傳統的形式更為豐富精確，更為注重技術的應用，因而更為精彩，其可持續發展的意義應該受到建筑師們的重視。

3 開敞式室內空間設計

如果要降低能源消耗，建筑中的開敞式空間將在特定的條件下成為一個有意義的補充。與這個開敞式空間相連的房間不僅可以減少一半的熱量流失，同時可以減少制冷能耗。開敞式空間特別適合充分利用太陽能，并將其功能在建筑物內充分擴展。根據使用要求還可以將該開敞式空間設計成熱緩沖中庭、邊庭、 室內花園，以進一步改善室內小氣候，其本質就是一種凹進開敞的空間。它有通高的玻璃門可以從室內向此空間敞開，除了對該部分建筑具有遮陽作用之外，這種空中庭園還有下列功能：可作為緊急疏散區；可用于綠化和景觀設計；在允許容積率增加的情況下，可作為未來擴建的靈活間隙空間；它們還可以為使用者創造一個更富有人情味的環境，人們可以從封閉的室內空間步入到這些露天的開敞空間，直接欣賞室外景觀。這些開敞空間可以布置在建筑日曬的一面或景色優美的一邊，無論是位于建筑的中間還是周邊，這些多層的過渡空間，基本上是與傳統鄉土建筑的敞廊起著相同的空間過渡的作用 （即室內外空間的中間領域）。這些空間實際上就是一種半開敞狀態的露天空間。這些空間的上部是不需要完全遮擋的，它們可以覆以百頁式的屋頂，既可使風流進入，又能使熱氣排出。這些空間甚至能擴展到整個建筑的高度，作為風洞以利于室內通風 煙囪效應產生的熱氣可以在這些空間形成空氣的流動。需要完全遮擋開敞式空間還應盡量設計成為不需人工通風和降溫的空間，從而降低投資成本。

公共建筑的室內開敞空間需要特別注意氣流的組織，防止因“煙囪效應” 產生風速過大甚至紊流的現象。福斯特設計的法蘭克福商業銀行總部大廈（Commerz bank Headquarters）， 其平面呈三角形，樓梯、電梯、管道井和輔助用房等核心體部分設于各端， 在中部為貫通全樓的中庭， 工作空間圍繞中庭布置。空氣通過對流沿中庭上升達內外玻璃壁之間而形成良好的自然通風。同時， 辦公樓每隔三層設一溫室綠化空間， 它又可補充中庭采光的不足，使該建筑具有雙面自然采光的良好效果。在設計過程中， 針對塔樓中庭（60 層高）的自然通風狀況， 福斯特及其合作者進行了無數次計算機模擬和風洞試驗，其結果正如建筑師所擔心的那樣， 如果整個中庭從上到下不加分隔， 那么在很多情況下中庭內部將產生無法忍受的紊流。因此福斯特將每 12 層作為一個單元（12 層也是通過計算和試驗得出的理想值），在每個單元內部房間利用熱壓來進行自然通風， 各個單元之間通過透明玻璃相分隔。也就是說整個中庭不是通常所認為的一個 “大煙囪”，而是被分隔成多個彼此獨立的“小煙囪”，其目的是避免風壓和熱壓過強而產生紊流。

4結束語：

在實踐探索中， 我們應該充分發掘傳統建筑中蘊含的綠色思想和文化，對技術的研究側重于對應自然環境的低技術和方法的擴展性考慮， 重新開發基于基礎物理中有關空氣運動、光反射和材料實用性等面最基本知識的應用，采用適合中國國情的適宜技術，優先進行被動式節能建筑設計。

參考文獻：

[1]房志勇等.建筑節能技術[M].北京：中國建材工業出版社， 2004.

[2] 西安建筑科技大學綠色建筑研究中心.綠色建筑[M].北京：中國計劃出版社，2005.