我國住宅建筑零能耗設計方案研究

文/張喆 上海視覺藝術學院 上海 201620

隨著社會的快速發展，人類對能源的需求越來越大。在能源消費總量中，建筑能源消費占很大比重。在其他某些工業化國家當中，這項比例可以達到30%以上，但是在我國，建筑能耗的比例大致在25-30%。從 這些數據表明，在未來的經濟建設中，關于建筑的使用舒適度和功能性，人們會有更高的要求和標準。建筑能耗所在社會總能耗中占據的比例也是逐年上漲。在節能大環境背景下，零能耗的建筑需求出現在人們的視野中。正是由于采用先進的節能技術大大降低了建筑本身的能耗，并依靠可再生能源利用技術為其提供能源供應，才有可能實現建筑的零能耗。所以，人們普遍認為發展零能耗建筑是降低能源消耗和碳排放的主要手段。

1、零能耗的概念與分類

零可再生能耗建筑是一種運用保溫隔熱性能較好的外圍護結構來完成的，其運用的方式是采用各種有效能源來進行能源的開發和利用，通過這些能源的開發利用來達到最后的建筑能源零消耗的目的，這是一項比較系統和繁瑣的工程項目，它不但與外圍護結構的熱工性能相關聯，而且還與各項可再生能源利用的相關技術有聯系。

1.1 零能耗建筑的概念

從研究發展至今，有關零能耗建筑的概念尚沒有一個特定的標準，但是在學術研究領域很多學者認為有關零能耗建筑的概念應該是較為靈活的。現在常用的國際定義零耗能建筑是建筑本身并不意味著它不消耗能量，所指的是建筑最大可能的使用太陽能、地熱能和生物質能等作為可再生能源的基礎，通過以上的能源降低建筑物的能源總消耗，減少對煤炭、石油等不可再生能源的損耗。它通過使用最先進的技術和最優化的建筑材料以及最先進的節能設備，運用自身所產生的能量來滿足住宅對能源或電力的需求。本文對零能耗建筑的定義是指通過優化周邊結構最大范圍的達到接近零能耗，最后達到建設零能耗建筑的目的。因為我國現在缺乏零能耗建筑的一些相關標準，所以我們借鑒了德國的零能耗建筑技術規范，這項近零能耗建筑需要滿足以下兩個標準。

（1）采用精細并且具有創造性地設計和施工方式，單位居住/使用面積的年采暖耗能量不大于15KWh/㎡。

（2）單位居住/使用面積的年制冷耗能量不大于15KWh/㎡。

1.2 零能耗建筑的分類

零能耗建筑根據其功能的不同可分為住宅零能耗建筑和商業零能耗建筑。根據能源供應方式的不同，可分為以下三類：

一是獨立的零能耗建筑：采用可再生能源利用的相關技術，建筑自身產生的能源可以維持正常運行所需的能源消耗，不需要通過外部能源進行供給。

二是零能耗建筑與能源平衡：建筑內部的低碳發電設備與城市電網相連。當使用可再生能源產生的電力大于建筑物的實際需求時，多余的電力可以轉移到電網。

三是零耗能建筑包括社區基礎設施等：不但能夠在單一建筑中采用太陽能、風能和其他可再生能源提供能量，在單體的建筑以外，但也可以使用風能和生物質能源為建筑物的正常運行提供能源通過社區設施。

在全部的零能耗建筑設計中都需要考慮兩個主要方面：一是盡可能的降低建筑的能耗，采用最好的建筑設計，高效節能的建筑材料和保溫性能良好的外部防護結構；二是采用更加先進的可再生能源技術為零能耗建筑提供基礎理論保障。有關在圍護結構的優化設計方面節省了大量的能源消耗，這也是完成建筑零能耗目標的主要依據。

2、影響住宅能耗的因素分析

當前能夠影響住宅能源消耗的原因有很多種，通常可以劃分為外部因素和內部因素，外部因素的概念所指的是影響住宅室內熱環境的一些干擾因素，可以分為外部干擾和內部干擾兩種。外部干擾的概念指的是氣候因素，包括室外氣溫、濕度、太陽輻射強度、居住區的風速、風向等；內部擾動主要是指人員活動和設備運行在住宅內所產生的熱量和濕度。它通常以輻射和對流兩種方式向室內散發熱量和散發濕度。內部擾動對住宅室內環境負荷的影響根據不同的環境而有差別。內部因素主要指住宅建筑本身，包括建筑朝向、形狀系數、外部防護結構形式和保溫性能、窗墻比等建筑節能設計參數。

2.1 住宅朝向對采暖制冷能耗的影響

建筑朝向通常所說的是建筑物的主立面方位角。目前我國北方很多居住類型的建筑物中，通常采用房屋的南立面作為主要立面。此立面的窗墻面積相對較大，立面形象比其他三個立面更為多樣化。依據不同朝向的不同太陽輻射強度，有關住宅的能耗會根據不同朝向產生不同的影響。在房屋與外界環境接觸的五個外表面(東、西、南、北、屋面)中，東、西、南、屋面主要為太陽輻射接收面，接收到的太陽輻射量直接影響室內熱環境的改變。

2.2 外圍護結構非透明部分熱工性能對采暖制冷能耗的影響

建筑圍護結構的熱性能直接影響建筑物的加熱和冷卻負荷和能耗，包括結構的傳熱系數提出了在當前國內建筑節能設計標準嚴格設計的指數，因為我們的國家土地廣闊，全國的氣候分為許多種類型，為了使建筑適應不同的氣候類型，同時也為了滿足節能的需要，我國有關部門制定了相應的在不同氣候區圍護結構傳熱的系數閾值。針對于寒冷的地區，冬季室內外溫差較大，采暖周期相對較長。因此，改善周圍防護結構的保溫性能可以顯著降低建筑采暖能耗。一般對于住宅來說，外墻占住宅總熱量消耗的73%-77%。考慮我國當前的建筑能耗標準和特性，建筑四周的外墻結構、屋頂推薦使用的材料和結構形式是不透明的材料與特定的蓄熱器性能，墻壁和屋頂的外表面也長期受到室外空氣溫度、太陽輻射、天空散射輻射和其他外部干擾因素的影響。

2.3 外窗對采暖制冷能耗的影響

室外窗戶(包括陽臺部分的透明門窗)它是構成建筑圍護結構的一個重要組成部分，室外窗戶與外墻和屋頂同時具有阻擋外部氣候影響的功能，是外部防護結構中的一個開放部分，它的主要作用是調節室內外溫度、通風換氣。它基本除了滿足住宅采光、通風、立面造型以及居住者的視覺需求等基本功能外，外窗作為外圍防護結構也是其重要的組成部分，在節能方面仍具有非常重要的作用。由于外窗為薄壁輕質構件，所以也是圍護結構保溫環節中最薄弱的部分。在我國嚴寒地區，雖然外窗只占總面積的1/3-1/5外防護結構，但其所造成的冷熱量損失占比超過外防護結構建筑的一半以上，因此，外窗(包括透明的陽臺的門窗)是解決整體節能住宅的關鍵一環。

2.4 窗墻比對采暖制冷能耗的影響

窗墻面積比是指外窗開窗面積與外立面單位面積的百分比，立面單元面積是指建筑高度和開口定位線圍成的面積。在不同功能的建筑物中窗墻比所呈現的數值會有不同，另外在同一座建筑物中，源于不同的朝向也會有不同的窗墻比數值，窗墻比數值的增大能夠提高室內的自然光線，會有更好的視覺效果，所以在現代的民用建筑和公共建筑設計中，窗墻比已經開始被廣泛的應用于建筑設計中。根據不同的外墻朝向，我們在不同季節、不同時間段里，所吸收的太陽輻射也不同，所以不同的朝向外墻窗墻比是有差異的，這么做的用意在于減少建筑的整體能源消耗。

2.5 外窗遮陽形式對制冷能耗的影響

當前，人們較為廣泛的關注建筑的外窗遮陽效果，在建筑節能方面，外窗的遮陽設計能夠大大增強建筑的節能效果，同時還能夠降低夏季室內的高溫環境。另外，窗外遮陽也成為建筑立面設計的高效方式之一，建筑師通過遮陽設計可以讓建筑更加的美觀、生動，具有層次感。外窗遮陽組件主要通過反射和吸收太陽直射輻射來進行減少通過外窗進入室內的太陽輻射，從而降低室內空調等制冷設備的電量能耗。

3、零能耗建筑設計方案研究

3.1 優化住宅朝向

在住宅設計的階段里依據能源使用季節和時段，計算不同接收面接收到的太陽輻射量，總結其總量和變化的方向，確定選擇建筑的基本朝向范圍。在由不同朝向的太陽總輻射量時空分布特征確定的朝向范圍里，最佳朝向與最差朝向的凈能耗差為1346.92 kWh，能耗增加15.13%。通過有效數據得出，朝向對住宅冷暖能耗有至關重要的影響。在0°正南至10°正南偏東范圍內，制冷季能耗最低，說明制冷季能耗隨方向變化不大。

3.2 改善外圍護結構非透明部分熱工性能

屋頂和外墻影響室內環境溫度是一個非常復雜的傳熱過程，以一年為研究周期，可以劃分為以下兩個方面：一是傳熱過程，包括吸熱、導熱和熱釋放外圍防護結構，此三個過程里包括輻射、對流和熱傳導。二是大氣溫度和太陽輻射強度受外界干擾因素的影響隨季節和晝夜波動較大。室外防護結構的室內側表面的熱狀況和室內空氣溫度受室內采暖、制冷、烹調、家用電器等設備的影響較大。通過增加保溫層的厚度，能夠減少熱量損失。特別是當保溫層厚度從60mm增加到200mm時，每年的供暖能耗將減少約1000kWh，超過200mm后，加熱能耗不會顯著降低。

3.3 改善外窗結構

室外氣候對室內溫度會產生影響，而這樣的影響主要通過建筑物外窗作為途徑。在因外窗而導致室內溫度發生變化的因素中會在兩個方面得以體現：1.室內溫度高于室外溫度而出現熱量通過外窗傳導至室外。2.太陽照射后，由于外窗玻璃受到輻射而產生熱量，進而變熱。在我國東北大部分高寒地區，冬季如果日光照射時間充足，而這樣產生的太陽能可以適度因此而產生的供暖能耗。但是在夏季，卻可能會增加空調因制冷需求而產生的能耗。外窗作為建筑物與外界唯一可以相通的部分，其組成也相對簡單。在窗框的材料選擇上主要以木質、鋼制、熱處理、鋁合金和塑料為主。在玻璃的選擇上則以吸熱、鍍膜、中空和真空為主。但是隨著玻璃加工技術的不斷創新和發展，可選擇性也越來越多。窗框和玻璃就構成了外窗。從窗外窗框材料主要是由塑料和鋁合金、玻璃主要是普通透明玻璃和發射率為0.25或更低輻射的中空玻璃，中空玻璃層以填充空氣為主，只有少數中空玻璃會填充氬氣，窗外的整體傳熱系數在6.4 - 1.7之間，遮陽系數在0.90-0.40之間，遮陽系數增加和玻璃涂層減少玻璃層。

3.4 科學設計窗墻比例

從太陽輻射熱量的角度來看，窗墻比的增加在冬季可以增加室內溫度，減少能源消耗，吸收更多的太陽熱量，但是同時它也可以在夏天因為接受太多的太陽輻射熱量增加空調制冷而消耗的能量。當前我國住宅建筑外窗與遮陽一體化產品主要分為三類：一是鋁合金遮陽構件的一體化卷簾窗；一種是鋁合金百葉中空伸縮窗，它具有調節角度的功能。還有一種室外窗安裝在室內一側的高強度復合布簾窗，布簾朝向室外一側涂有反光涂料。根據對我國北方地區住宅小區的驗證，得出我國寒冷地區零能耗住宅設計的最佳外窗類型和窗墻比為中南向三層3mmlow-e雙層中空玻璃窗。當太陽得熱系數約為0.474時，傳熱系數應小于0.8 0.8W/（㎡·K），和玻璃墻比例在0.7-0.8之間。

3.5 改變外窗遮陽形式

隨著我國目前建筑領域的大力發展和推進，建筑領域中所涉及的構件組成開始向一體化的方式演變，其中外窗與遮陽構件的一體化設計已經為我國的外窗創新帶來了更新的概念。遮陽與外窗一體化的概念所指的是建筑可調的遮陽構件與外窗的涉及和加工、安裝進行了統一。外窗與遮陽進行一體化設計之后，它們自身所具備的優劣勢形成了。另一種含義就是，外窗在滿足采光通風的基本需要的同時，又與遮陽構件密切聯系，具有遮陽、保溫、隔熱、隔音、防塵、隱私保護等多重功效。以往的外窗遮陽共分為以下五類，分別是水平式、垂直式、擋板式、綜合式和格柵式，遮陽傘組件所使用的材料主要是鋼筋混凝土板，重量輕，強度較高的復合材料，以PVC塑料、鋁、鋁合金百葉窗為主，如不同的窗口向外根據實際需要選擇不同的形式。傳統的固定遮陽方法對住宅的采光、通風、視線等要求缺乏靈活性，很難調節建筑物內的光線。然而通過利用可控式的遮陽材料可以依據不同季節、時間和用戶需求來開展多變、自主地調控方式進行安裝和設計。

結論：

基于零能耗建筑的研究意義和在我國節能建筑的開發和實踐，本文總結了中國零能耗住宅設計的發展趨勢，闡述了零能耗住宅在中國的發展的重要性，并以零耗能建筑的優化設計方法為主要研究方向。當前我國要在零能耗建筑的設計和施工方向加大投入力度，建設更多的可再生能源建筑類型，減少建筑帶來的能源大損耗，推動我國建筑節能事業的大力發展和建設，提高零能耗建筑的實際工程操作價值。