淺談建筑設計中的節能設計

馮靖愷

摘要：針對建筑節能的設計問題，從建筑規劃設計、結構圍護設計等四個方面，論述建筑設計中對建筑節能的影響

關鍵詞：建筑；節能；設計

前言

節能、低碳是世界經濟發展的主旋律，建筑節能是建筑行業發展的新方向，為提高建筑用過程中的能源效率，在建筑設計中加入節能設計就成了當前建筑設計的重要理念之一。

1合理的規劃布局

影響居住環境的最主要兩個因素是太陽的輻射和空氣的流通，因此建筑規劃的節能設計，主要解決的問題就是一方面合理利用太陽輻射；另一方面增強建筑的自然通風效果。

1.1氣候地理環境條件與節能設計

進行建筑規劃節能設計應對建筑所在地的氣候條件、地形地貌、地質水文資料進行調查分析，根據分析結果，決定節能設計的基本方案。節能設計首先應該考慮如何充分利用建筑所在地的自然環境資源，在減少常規能源的前提下按照節能的設計方法和要求，結合建筑技術措施，創造出有利于人們生活和工作的居住環境。

（1）氣候條件。由于建筑所在地理環境的特殊性，建筑具有一定的地域性特征，而其中氣候條件起著重要的作用，要制定出科學的節能建設計方案，就必須了解當地太陽輻射強度，冬季日照率、降水、冬夏兩季主導風向頻率，及建筑所在地小區域環境的微氣候條件，通過對這些氣候條件的了解掌握，設計出和當地氣候相符合的節能建筑。

（2）地形條件。建筑所在地區的地形地貌，會直接影響建筑室內外熱環境和空調能耗的大小，因此，對不同的地形地貌的建筑要區分對待，設計出合理的節能方案。如果在濕地環境下水陸風比較大，那么在設計時就要充分考慮水陸風的影響。以建筑自然通風為設計的重要環節之一，就可以改善夏季熱環境對建筑的影響，節約空調的能耗；如果在山區地帶就要充分考慮該地區的山谷風的現象，在設計時重點考慮夏季防熱通風，冬季獲取較好的太陽輻射熱。

（3）地表環境。建筑所在地的表面覆蓋的植被或硬化地面都直接影響到建筑采暖和空調能耗的大小，由于建筑物和鋪砌的堅實路面大多為不透水層，或降雨后雨水流失快，雨水蒸發到空氣中形成高溫、高濕悶熱氣候，或由于太陽輻射到建筑物及硬化地面，造成環境溫度升高，建筑物為降溫，就會大量使用常規能源，造成能源的大量消耗，因此節能規劃設計應有足夠的綠地和水面，嚴格控制建筑密度，減少硬化地面，利用植被和水域減弱熱島效應。如適當安排樹木花草，既起美化作用，也是建筑節能的一項技術措施，所種植被的樹木應該選擇長的較高，枝葉伸展較寬，夏日茂盛，冬季落葉的喬木，以便夏季利用樹木爬藤遮擋陽光直曬，降低環境溫度，節約空調能耗，冬天樹木落葉后又可讓陽光照進室內，最大限度利用太陽輻射。適當設計水景，利用水來平衡環境溫度，凈化空氣、收集雨水，減少能源消耗量。

1.2日照環境

利用太陽能是建筑節能的重要途徑，日照環境設計主要是來確定建筑物的日照間距與建筑物的朝向。

（1）日照間距。日照間距是保證陽光不受遮擋可以直接照射到建筑室內的距離。影響日照間距的因素很多，包括當地的日照標準、地理緯度、建筑朝向、建筑物的高度、長度以及建筑用地的地形等。因此，建筑節能設計時，在節約用地的前提下，應該綜合考慮各種因素來確定日照間距。居住區平面規劃中在日照間距范圍內，合理布置建筑群體，錯落排列，能有效利用日照時間，如將一般的小體量的低層、多層、獨立式住宅放在南面，大體量的高層住宅放在北面，可以最大限度滿足日照要求，節省用地，又有利于居住小區內的空氣流通，從而使建筑物與空氣熱交換加快，有效降低建筑的溫度，降低建筑能耗。

（2）在建筑的平面布局上朝向的選擇很重要。

2控制建筑物的體形系數

合理控制建筑物的體形系數，即建筑物與室外大氣接觸的外表面積和其所包圍的體積之比值，也就是說單位建筑空間的外表面積越大體形系數就越大，其耗熱量隨體型系數的增長而增長，建筑設計中從以下幾點著手：

建筑體型系數與建筑單元連列有關，如一幢住宅，每增加一個聯列單元，建筑物就減少一面山墻，外表面積縮小，體型系數就小，所以多單元的住宅，對節能有利，低層的小單元的住宅對節能不利。

適當增加建筑層數，建筑層數的增加，外圍面積的遞增比不上所包圍體積的增加。也就是說體積大于外表面積的增率，高層建筑的體型系數偏低，一般在0.15～0.25之間就是這個原因，因此在滿足功能經濟允許的條件下，適當增加建筑層數對節能有利。當面積相同時，增大建筑物的進深，體型系數相應減少，即相對直角而言，正方形的體型系數最小，因此建筑平面接近正方形對建筑節能是有利的。選擇合適的平面形狀，為滿足可比性，我們假設各平面的四周表面積相同，高度一致對五種形狀進行了分析評價，三角形、正方形、1：2長方形、正六邊形、圓，所得體型系數數據由小到大，圓形3.13——正六邊形3.45——正方形4——1：2長方形4.44——三角形5.13。由此可見，圓和多邊形對節能有利，三角形對節能最不利，蒙古族所居住蒙古包的圓形平面，圓錐形房頂就能有效地適應草原的惡劣氣候，起到減少散熱面積，抵抗風沙的效果。

3合理控制窗墻比

窗墻比就是建筑窗戶洞口面積與房間立面單元面積之比值，由于外圍護墻體的熱工性能比玻璃窗戶要好，盡管外窗面積比外墻面積要小的多，但通過外窗得失熱能卻占圍護結構得失熱量50%，因此需根據不同地區氣候特征，合理控制窗墻比。如內蒙古地區西部氣候干燥太陽輻射強，風沙大，建筑外墻面積就要增大，窗墻比小，可以減少白天透過窗戶的太陽輻射熱，同時保持室內空氣的濕度；東部地區由于空氣濕潤冬季氣候寒冷，建筑的窗墻比就要增大，夏季利用較大的南向窗戶進行自然通風，冬季則可獲得較多的太陽輻射熱；再由于內蒙古地區年主導風向主要是西北風，建筑物窗墻比北向要比南向小，以抵抗冬季冷風侵入，減少室內熱量的散失。

4加強圍護結構的節能設計

建筑物的能耗是由其圍護結構的熱傳導和冷風滲透兩方面造成的，在其能耗所占份額中，外墻約占23%～34%，窗戶約占23%～25%，樓梯間隔墻約占69%～11%，屋頂約占7%～8%，陽臺門下部約占2%～3%，戶門約占2%～3%，地面約占2%，窗戶傳熱耗熱量與空氣滲透耗熱量相加約占全部耗熱量的50%，顯然如果建筑圍護結構具有良好的保溫性能，便可減少冬季室內傳室外的熱量，和夏季室外傳人室內的熱量，從而減少了保持室內舒適熱環境所需提供的采暖和制冷能量。為降低能耗，設計均從單項如墻、屋面、門、窗等圍護結構著手，重視熱工性能找出其經濟熱阻。

4.1墻體設計

墻體是建筑外圍護結構的主體，其功能主要是：

承重、防水、防潮、保溫、隔熱，是節能建筑設計的關鍵。墻體的節能設計除了適應氣候條件做好保溫、防潮、隔熱等外，還應體現在能夠改善微氣候環境條件的特殊構造上。如寒冷地區的外墻外保溫墻體構造，這種保溫墻體的主墻體，可采用各種混凝土的空心砌塊、粘土空心磚，以及現澆鋼筋混凝土墻體等，外側可采用輕質高效保溫隔熱層和耐候飾面層，保溫材料要選巖棉板、玻璃棉、模塑聚苯板（EPS）、擠塑聚苯板（XPS）、聚氨酯等，這種墻體基本消除熱橋影響。再就是從建筑設計本身解決改善微氣候環境條件，如楊經文設計的檳榔嶼州Menara Umno大廈外墻外加了一種“捕風墻”的特殊構造設計，在建筑兩側陽臺開口，開口兩側外墻上布置兩片擋風墻，使兩道風墻形成喇叭狀的口袋，將風捕捉到陽臺內，然后通過陽臺門的開口大小控制進風量，形成“空氣鎖”可以有效地控制室內通風。

4.2屋頂的節能設計

屋頂是建筑物與室外大氣接觸的一個重要部分，主要的節能措施應有：（1）屋面保溫層不宜選用吸水率大的保溫材料如巖棉，以防屋面濕作業時因保濕層大量吸水而降低保溫效果；（2）屋面不宜選用密度大導熱系數較高的保溫材料，以免厚度重量過大，不經濟；（3）根據功能要求可設計蓄水屋面，種植屋面等。

4.3外門窗、玻璃幕墻的節能設計

外門窗是建筑外圍護結構的開口部位，是人們滿足對采光、通風、日照、視野等方面的基本要求，應具備良好的保溫、隔熱、隔聲性能，有足夠的氣密性、水密性、抗風壓強度，才能為住戶提供安全、健康、寧靜的室內環境，提高生活質量。與圍護墻體相比較，外門窗是阻擋夏季太陽輻射熱的進入，室內和冬季室內熱量散失的最薄弱環節，其能耗約占圍護結構50%，所以外門窗是節能設計的關鍵部位，是節能技術的重點所在。門窗的節能措施，除控制各個朝向的窗墻比，還需增加玻璃門窗的熱工性能，其措施有以下幾方面：（1）合理選擇窗體型材，采用傳熱系數小的窗體材料，如經熱斷橋處理的門窗型材，彩色涂層鍍鋅節能型門窗型材，塑鋼門窗。（2）建筑玻璃的選用，必須考慮遮陽系數、傳熱系數，玻璃的傳熱系數越低，玻璃阻隔熱傳導性能越好，真空低輻射（Low-E）玻璃為首選，低輻射（Low-E）玻璃是一種表面鍍膜玻璃，它能夠減少熱透射，進一步降低建筑外窗玻璃的熱損失，其他還有中空玻璃，真空玻璃也廣泛用于不同地區建筑節能設計中。（3）加強窗墻間、框扇間的接縫氣密性設計，窗墻間的縫隙封閉可采用強性松軟型材料如毛氈、聚氨酯泡沫等封堵，框扇間的接縫要符合氣密性的設計等級。（4）增加外玻璃門窗的遮陽設計，防止夏季太陽輻射熱透過玻璃門窗直接進入室內而耗能，由于遮陽的位置方式不同，水平式遮陽適用于南向外窗遮擋高度角大，從窗口上方射來的陽光。垂直式外遮陽適用于東北向、西北向外窗，遮擋高度角小，從窗口斜射過來的陽光。為克服傳統固定式遮陽在采光、自然通風、視野等方面的矛盾，上述兩種遮陽方式在節能建筑中較多采用活動百葉遮陽，可根據光線變化自動調節百頁角度遮陽，不影響自然采光和通風。如內蒙古北方電力辦公樓遮陽百頁與建筑有機結合，體現現代風格的辦公建筑。（5）玻璃幕墻，現代建筑大面積使用玻璃幕墻，給節能設計帶來了新的課題。一種“可呼吸”的玻璃幕墻，解決了傳統玻璃幕墻的節能問題，“可呼吸”的玻璃幕墻是由內外兩層玻璃幕墻組成，外層幕墻一般采用隱框、明框點式玻璃幕墻，內層幕墻一般采用明框中空玻璃幕墻組成，內外幕墻之間形成一個相對封閉的空間一通風間層，空氣可以從下部進風口進入，從上部排風口排出，空間內經常處于空氣流動狀態，熱量在其間流動，形成熱量緩沖層，冬季關閉通風層兩端的進排風口，換氣層內的空氣在太陽光輻射下溫度升高形成溫室，有較提高內層玻璃熱能的散失，夏季打開換氣層進排風口，利用煙囪效應帶走通風間層的熱量，減少太陽的輻射熱，節省空調耗能。

4.4建筑熱橋的控制和其他部位的節能構造設計

在外圍護構件中，經常較大的嵌入構件，如外墻中的鋼筋混凝土粱、柱、板、過梁、圈梁、陽光板、挑檐板等，這部分與主體材料傳熱方向平行的材料導熱系數高于主體材料，起到局部加速傳熱的用，形成熱橋，這些熱橋必然增加傳熱熱損失。建筑節能設計要根據每個熱橋所在部位的結構形式，選擇最佳的節能設計以保證節能效果的良好，如鋼筋混凝土過梁常做成L形，使外露部分面積減少，或采用外保溫形式全部包起來，切斷熱橋，懸挑陽臺板、遮陽板、屋頂女兒墻，室外空調機隔板，屋面上人孔，屋頂廊柱、出屋面水箱間、樓梯間、坡屋頂上老虎窗及其側墻面，外墻各種管道穿孔處、外墻墻垛等容易出現熱橋部位都應在節點設計時增加適合的隔熱材料，提傳熱阻。

5結束語

總之，建筑節能需要通過節能的技術和方法來實現，是建筑功能和各種節能技術應用的綜合，涉及建筑行業的方方面面，隨著建筑節能實施的不斷深入，建筑設計的方法和理念也需要深化和變革以適應建筑業發展的需要，建筑節能作為國家可持續發展的目標是長期的。建設設計在源頭上保證建筑節能的實施起著首要的作用，通過與建筑科學技術各學科的通力協作配合，一定能創作即符合建筑學原理又符合節能發展的優秀建筑。