節能低耗綠色建筑的設計與創新技術介紹

王 偉 張義忠 劉博宇

(1.河南五方合創建筑設計有限公司，河南 鄭州 450000； 2.河南大學土木建筑學院，河南 開封 475000)

節能低耗綠色建筑的設計與創新技術介紹

王 偉1張義忠2劉博宇1

(1.河南五方合創建筑設計有限公司，河南 鄭州 450000； 2.河南大學土木建筑學院，河南 開封 475000)

對低耗綠色建筑體型需求、室內外建筑材料、設備需求等方面進行了設計與創新，達到了低耗和被動式節能效果，具體數據規格可按不同需求及不同預算來進行調整，對發展低耗節能建筑具有重要意義。

節能，低能耗建筑，被動供暖

我國建筑節能初始于20世紀80年代初期，最初從北方采暖區開始，過渡到南方夏熱冬冷地區，直至2003年夏熱冬暖地區開始實行之后，我國才全面展開建筑節能。建筑節能歷經了三個階段：30%→50%→65%，迄今為止全國都已展開節能50%以上的強制性標準和要求。按照國家節能發展規劃，到2020年全面實行節能75%的標準[1]。根據有關專家對2001年按終端用途劃分的建筑能耗資料，城鎮采暖消耗占37.4%，農村采暖占6.44%，空調制冷占11.5%[1]。由此得出的結論是采暖和空調占到建筑能耗的大部分。而低能耗建筑的設計與實施在整個建筑能耗系統將起到最大化的經濟效益和環境效益。

由于河南省界于東經110°21′～116°39′，北緯31°23′～36°22′，海拔150左右[2]，在地理位置上屬于溫熱帶季風區，冬季寒冷，夏天炎熱。如果全面開發完全的被動零耗建筑，會在昂貴的成本下帶來較低的收益，綜合各類建筑特點，在河南省客觀情況下設計低耗綠色建筑則是本文的探討目標。本文以下將在建筑內外方面對節能低耗各個要點進行設計創新介紹。

1 建筑低能耗供暖

1.1 建筑方位

合理選擇建設地點、朝向和房間距能夠提高冬日太陽能收集和夏日遮陽效果。地點方面，在建筑內背風向陽的地方設計太陽房、特隆布墻等集熱部位，使熱量在不被遮擋的建筑北側更好的吸收。在朝向方面，由于本省平均在北緯31°～36°之間[3]，而更多的以建筑朝向北30°左右的太陽房可以最大化增加冬日日照時間，在夏日則可關閉特隆布墻以達到隔熱效果。而在建筑南側則應盡可能少的開窗以達到被動保溫的要求。

1.2 氣密性

由于建筑能源的消耗占絕大多數在空間制熱上，所以在減少熱量消耗和增強制熱效果上，建筑的氣密性扮演著至關重要的作用。為了提高建筑氣密性，減少可控的漏風現象可以減少熱量損失和不適的干冷，可以直接影響室內舒適程度和建筑損傷。在空氣環境中，暖風從漏縫中流出，被外部冷空氣替換，而導致中和室內已有暖氣。常見存在建筑漏氣的區域見圖1。

1.3 節能機械通風和回暖系統MVHR(Mechanical Ventilation and Heat Recovery)

自然通風可以達到一般的通風效果，但如果在室內外溫差較大情況下可以根據需求采用節能機械通風和回暖系統(MVHR)，如圖2所示。

對于被動式綠色建筑來說，提高建筑保溫效率主要通過溫度隔離和提高建筑氣密性，而高氣密性則不利于空氣循環。由于所有建筑必須保證新鮮空氣，常規開窗可以保證通風但是建筑內部的溫度和濕度也在此同時損失嚴重，在保證低耗的前提下，機械通風回暖裝置(MVHR)是節能保溫系統上一個較為重要的組成部分。

在高氣密性的被動式保溫結構中，人體健康離不開空氣濕度和向外界排放二氧化碳。而通風回暖設備可以在低能耗的前提下保證室內舒適，并且用戶可以自由開關門窗。

2 室內被動供暖

2.1 低耗區供暖設計

使用現有的技術通過建筑設計把高效隔熱材料、透光材料、儲能材料等有機地集成在一起，采暖主要利用南坡屋面的鐵板吸收太陽能，加熱從屋外引進的冷空氣，當通過屋頂最高處的玻璃板時，空氣溫度被大幅度抬升，將通氣層內的熱空氣吸收聚集到熱氣通道里，然后通過控制箱送到地板下面貯存起來，并通過靠墻的地板風口送出來，太陽下山后，風扇自動停止轉動，控制箱內的風門會自動關閉，避免室外的冷空氣流入室內，貯存在地板下的熱量也慢慢釋放出來，使室溫下降速度減慢，使房屋盡可能多地吸收并保存太陽能，從而達到保溫的效果。

2.2 門窗幕墻設計

根據資料顯示，門窗的熱損失占建筑的總熱損失的40%以上[4]，所以門窗節能是建筑節能的關鍵，門窗既是能源得失的敏感部位，又關系到采光、通風、隔聲、立面造型。這就對幕墻的節能提出了更高的要求，其節能處理主要是改善材料的保溫隔熱性能和提高窗框的密閉性能。窗和幕墻的設計規則如下：

1)東、西外朝向玻璃應減少玻璃窗設置。陽光不僅自東向西每天從不同角度直射入，屋檐的設計無法有效阻擋太陽上升、落下時水平方向的光線，而且熱量還從不同角度透過地面反射到墻體。如需設玻璃窗，則需要玻璃窗具有高反射率、高溫度隔離性，或選擇隔離性較好的玻璃并裝有可下拉式窗簾來阻擋夏日的暴曬。減少內外溫度差將為整個節能系統做出不少貢獻。

2)南朝向若有屋檐則應多設置為高太陽能得熱系數(SHGC)的玻璃。布置在建筑南側的高H的開窗，H/2長屋檐設計可以在5月～9月阻擋高緯度的太陽光并且不會阻擋低緯度的冬季陽光。而水平方向的窗檐不失為一種廉價并有效的辦法。在窗檐的阻擋下，南側玻璃應設置為高SHGC，有利于吸收冬季溫度。

3)北朝向玻璃窗、幕墻采用Low-E玻璃。由于北側更多處于陰涼面，采用Low-E低輻射中空玻璃可以達到隔熱效果，從而保證穩定的室內溫度。

2.3 被動供暖設計因素

2.3.1 熱量來源

供暖季節，陽光每天9：00～15：00通過玻璃窗從南自東向西透過玻璃進入建筑,通常入射角應該在30°并不應該被其他建筑或障礙物遮蔽。日照角度見圖3。

2.3.2 溫度吸收

硬質黑色材料面層可以快速吸收太陽光熱量，表面可以是磚石材料的墻壁、地板、隔墻,局部區域可以采用兩倍吸收效果的蓄水墻。

溫度吸收可以采用特隆布墻(Trombe Wall)，它是生態建筑中與陽光房合用的墻，上下分別各一個洞(見圖4)。夏天陽光房上下洞開，特隆布墻關。冬天反之。特隆布墻主要功能為通過高熱容材料被動吸收太陽光，根據需求為室內提供溫度。其材料由磚石、混凝土或灰質粘土構成，墻體外部為高熱容材料，內部為隔熱層，并在建筑配有玻璃窗，取暖時段陽光透過玻璃，輻射由外側高熱容墻體吸收，暖風由玻璃窗與特隆布墻之間自然對流以及熱空氣上升的原理進入室內，冷風則自室內地板由特隆布墻底部排出。夜間，關閉特隆布墻阻止暖風流出，墻體內側的隔熱材料開始發揮作用，高熱容量的墻體開始將熱能釋放保持室內溫度舒適。同理在夏日，乘涼時段關閉特隆布墻以達到隔熱效果。

2.3.3 熱能分布傳導

太陽熱從收集和存儲材料循環傳向房子的不同區域。嚴格的被動式設計使用熱傳導，熱對流和熱輻射方式共同進行。局部區域可以通過高性能導熱墻體幫助分布熱量以及高效的熱回收：利用主動通風(逆流空氣/空氣熱交換)提供高質量的空氣，同時利用排放廢氣余熱的75%對抽進的新風加熱，此時廢氣和新鮮空氣并沒有混合。因為被動屋密封得非常好，可以讓空氣變換最優化。

3 夏季過熱

3.1 溫度緩沖帶

對夏季乘涼,建筑的環境設計應在南側最大程度地減少夏季陽光直射面,防止周邊地區的熱量再輻射和反射。在干燥炎熱的外部環境與室內舒適需求環境溫度差較大時可以設置溫度緩沖帶。如利用落葉樹和闊葉植被來阻擋低層的陽光，避免地面再次反射太陽輻射，從而使地面和建筑表面高溫現象達到緩解，而在此之后設置較緊密的綠化帶，如綠化草坪，水池等緩沖從地面至建筑傳來的溫度。而冬季已經落葉的樹木并不會阻擋入射角較低的太陽光直接照射和地面反射。

3.2 自然對流降溫

通過利用風壓原理，在內部設計門窗，家具擺設等相對位置可以引導建筑內部的空氣流動，在室內外部則可以利用天井，樓梯間和過道的開口面積來引導自然通風。加強對建筑迎風向進氣口的構造從而引導氣流擠壓，使入室氣流偏入生活區及人體高度范圍。而相對在風壓作用很小的位置則可以利用熱壓原理使建筑內部熱源產生溫室效應，來實現通風換氣(見圖5)。

其他利用對流的方案，如圖5b)所示，通過在地面開口使用太陽能風扇將地面冷空氣引入室內，由屋頂開口排出。

3.3 輻射降溫

在建筑頂層可以設置裝有水的特殊板材。輻射降溫板下層有不銹鋼/玻璃支撐板，中層為1 m深的水層，上層設導熱遮擋板。在日照期間，遮擋板保持關閉阻止過量熱輻射，水層在達到熱隔離功能的同時以高比熱容作為熱輻射海綿吸收熱量。夜間將上層遮擋板收起，將水層暴露于外部環境，水層以自身的較涼溫度向四周釋放長波輻射來達到降溫效果。日夜間輻射降溫示意圖見圖6。

3.4 蒸發降溫

根據需要可以配置環保水冷式空調，利用水汽蒸發的過程中會吸收周圍熱量的這一物理特性，水冷式空調在進風口處安裝上降溫水簾(又稱濕簾)。當空氣經過濕簾時，熱量被吸收，溫度降低5 ℃～8 ℃。溫度降低后的空氣通過水冷式空調的送風管道送入室內來降低室內溫度。由于經過水冷式空調的空氣含有大量的水汽，因此會再次蒸發，進一步降低溫度。水冷原理示意圖見圖7。

4 結語

本文針對性地對低耗綠色建筑體型需求、室內外建筑材料、設備需求等方面進行了設計與創新，達到低耗和被動式節能效果，具體數據規格可按不同需求及不同預算來進行調整。這對河南省未來低耗節能建筑發展，解決供暖耗費嚴重、環境污染加劇等問題具有重要的意義。

[1] DBJ 41/T109—2011，河南省綠色建筑評價標準[S].

[2] 地理概括[DB/OL].河南省人民政府網，2014.

[3] 淺談被動式太陽房的設計和發展[Z].2008.

[4] 南京化院.太陽防技術與建筑節能應用[Z].2011.

This design and innovative technology introduction of low energy consumption green building

Wang Wei1Zhang Yizhong2Liu Boyu1

(1.HenanWufangHechuangArchitecturalDesignLimitedCompany,Zhengzhou450000,China;2.ArchitectureCollege,HenanUniversity,Kaifeng475000,China)

This paper made design and innovation from low energy consumption green building shape demand, indoor and outdoor building materials, equipment requirements and other aspects, achieved the low energy consumption and passive energy-saving effect, the specific data specifications could be adjusted according to the different needs and budgets, had important significance to the development of low energy consumption building.

energy saving, low energy consumption building, passive heating

2015-04-07

王 偉(1973- ),男，高級工程師； 張義忠(1968- ),男，教授，注冊建筑師； 劉博宇(1990- ),男，助理工程師

1009-6825(2015)17-0187-03

TU201.5

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