基于生態優化視角下的零能耗居住建筑優化設計分析

張喆

在綠色建筑的發展進程中，零能耗建筑成為非常重要的點，更是建筑節能方面研究最為重要的轉折點，也是建筑發展一種規律，在此方面的研究，很多國家都非常重視。本文從零能耗居住建筑設計實踐問題和意義出發，探討了此類建筑優化設計技術實踐和策略，意在為相關研究積累經驗。

現今，人們對于環境產生的影響越來越大，所以，怎樣才可以將人們對于環境產生的影響降低到最小，成為了人們迫切需要解決的問題。人們生活中最重要的部分就是居住建筑，其與能源有著密切的關系。在萬物理論中，“能”為永恒，評價能源的是“?”，代表著能源效率模式。在解決環境與能源之間矛盾時，它成為了關鍵。為此，人們從生態優化的角度出發，致力于進行零能耗居住建筑的優化設計，下面內容就此進行簡要的分析。

一、零能耗居住建筑的設計實踐問題

國內在此方面的研究處在探索與論證的階段，還有非常多的問題需要解決，行業內對于此種類型建筑含義的理解以及認識，并不是非常全面，有部分觀點顯得有一些偏頗。對于當前已經建筑完成的一些標注著零能耗的建筑，并沒有得到廣泛地認可，有一些設計師作品，被反應存在造價過高、低碳并不低碳、不能滿足可持續發展要求的問題。這些都反應出，我國的零能耗居住建筑還需要很長的一段路要走，需要加大研究力度。

當前，國內的零能耗建筑發展需要面對瓶頸問題，建筑的理論標準與實際情況不符，也存在時效不足的問題，對其的認可度也不是非常理想，其中應用的評估體系需要以海量的評價標準為基礎，也就不利于評價快速進行。因此，對于已經建成的相關理念的建筑所進行的評價遲遲不能完成，也就不能體現出這些建筑的推廣意義。

社會處在了極大變化之后，能源、環境、人居質量、互聯網、智能化等很多復雜化的問題越來越多，這也要求建筑研究在新的方面有一定成果。并且建筑是一門復雜學科，因此想要實現零能耗居住建筑的優化設計，還需要很多探索工作要做，最為主要的則是形成一套可行優化設計和評估的方法，對此類建筑設計提供實踐指導。另外，對于不同的地區，其建筑屬性也不同，相關的物理邊界以及能量平衡邊界的具體方法依舊沒有確定，所以在今后發展還需要很多大量化工作需要進行，才能真正實現零能耗居住建筑的優化設計。

二、零能耗居住建筑優化設計實現的積極意義

從理論上看，零能耗居住建筑的優化設計，對于我國生態城市的建設在全國范圍內推廣以及城市能源規劃的推廣有著重要的理論意義。零能耗居住建筑的基準模型設定以及其現實中的零能耗潛力和規模，在未來我國零能耗建筑、零能耗社區的相應研究和建設方面，有著拋磚引玉的意義。

而就具體應用層面進行分析，此方面的研究，主要方向是城市住宅的單體建筑節能和再生能源應用。以此對建筑設計進行優化，利用現有技術條件，開展城市中居住建筑的零能耗可能性和潛力以及規模的研究，從而可以總結和完善并補充零能耗居住建筑方面優化的技術手段和設計策略。除此之外，在零能耗居住建筑的研究中，技術和設計脫離實際問題還是比較常見，并且在設計后期運用技術性手段也不能達到良好的契合效果，因此將此類建筑付諸實踐，就可以為相關的研究者提供參考數據，從而能更好地改正和完善設計方案，進而達到零能耗的目的。

三、零能耗居住建筑的優化設計的技術實踐

優化設計實現可以從兩個方面進行考慮，一個是熱力學優化，另一個是生態系統優化。熱力學優化又分成是三個層次，其一則是純熱力學的優化，其二則是熱力學同經濟因素的結合，也就是熱經濟學的優化，其三則是全面性優化，包括生態方面的優化。

對于生態系統優化非常關鍵的一面則是生態評估，也就是計算節能廢料。對于此，研究人員提出從建筑物理系統熱力學和技術經濟的可行性角度進行突破，運用相應生態學物理表達方法，對優化后的項目可行性進行綜合的評價。為此，需要把居住建筑放置在生系統之中進行思考，打破單一熱力學和熱經濟學的優化束縛，也就形成了更全面的優化設計理論和方法，從熱力學到經濟學再到生態學，形成統一論域生態的優化設計理論和方法。

想要形成這樣統一論域優化的研究，必須應用到的技術手段為“低碳可持續”“熱力學能量平衡分析原理”，結合壽命期動態分析模式，與多目標的優化技術相結合，這樣才是更全面的零能耗居住建筑的優化設計研究。其中需要設計多個相互影響的機制，包括經濟性、環境友好性、碳排放、能耗、主動技術、被動技術、典型建筑空間形態等，并且有三個非常重要論域的指標，包括生態性、經濟性、能源性，從而形成科學有效的優化設計系統。

比如，NSGAII 遺傳智能的優化方法，構建出多維度的數學模型，然后就其中典型例子做多目標的優化求解，接著探究每種組合Pareto 空間的解集，設計出數據的調用庫，以為最后決策人員從不同偏好性和不同需要進行考慮，調用出最優的數據，以解決優化設計問題。

四、零能耗居住建筑優化設計的策略

零能耗的居住建筑設計時，采用的普遍方法是盡量減少建筑體形系數，運用回廊或者中庭的形式，構成自然的通風和采光，并增強圍護結構隔熱性能；將能耗模擬方法運用在設計階段，通過建筑能耗模擬軟件模擬出建筑耗能表現和熱工性能，并適時地進行調整，從而滿足預定能耗的目標。在減少熱量方面，以建筑圍護結構方面的設計為主，也就是合理設計門窗和屋面，避免熱量傳出；另外，利用了再生能源，以實現零能耗和零碳排放，具體有地熱和太陽能源，這類高品位的能源。

1.一體化的太陽能建筑

此類型的零能源居住建筑，一定要有著緊湊高效空間布局，這也是零能耗的基礎，并且與當地的氣候環境進行主動的響應。這種優化方法，前期工作主要是針對建筑當地的環境信息進行收集和分析，這是必要的條件。其中最為重要的則是正確評估出本地的太陽能資源，還有濕度、場地生物條件、風環境、當地可利用資源等。但是緊湊空間布局并不需要犧牲空間品質，而是充分發揮出空間可變性以及精神寄托，這也是此優化方法的艱巨挑戰。

2.利用模擬能耗的軟件

近些年，計算機技術發展水平更高，尤其是輔助計算技術發展水平已經非常高，利用此技術可以有效地實現對建筑的設計、光、通風、熱情況的模擬，特別是建筑熱環境的模擬?，F今，可以應用的軟件比較多，包括EnergyPlus、DeST、Ecotect 等，其中Ecotect 軟 件 可以很直觀對建筑光熱環境進行模擬，并可以與Autodesk軟件進行合并應用，有著很清晰的操作界面，對于設計方案是不是節能有著很好的判斷，也能對方案進行調整。EnergyPlus 軟件和DeST 軟件則能非常準確地模擬出建筑通風情況，這就能讓自然通風和建筑熱環境的耦合實現，能夠非常可靠地模擬出建筑外部風熱環節和內部通風條件。

3.合理利用自然通風采光

在建筑中占有非常大比重能耗的是制冷、通風、供熱設備。針對此，零能耗居住建筑采用中庭設計，以實現自然的通風和采光，這是不能忽略的一點。特別是那種高層建筑，可運用中庭拔風效應，也能讓室內有均勻采光。另外，在很多綠色建筑中，應用雙層幕墻的方法，借助熱壓原理把室內熱量帶出，運用此方法的典型建筑則是倫佐·皮亞若的提巴歐文化中心。

4.主動式能源的設計

在建筑設計中，建筑表皮設計應當以有效對太陽能輻射進行控制為目的，讓建筑在一年之內可以最大限度地增加太陽輻射，并減少夏季中的太陽輻射。一體化太陽能設計理念已經應用，可是并不能對建筑的各個面均安裝太陽能板，而應當從多個角度出發，綜合地考量建筑屋面傾角、建筑朝向、用電負荷等，嚴格控制建筑經濟成本。在建筑中，考慮到系統效率提升和成本降低，一般在制冷用能、采暖、熱水等方面可以優先采用光熱系統，當在轉換率低、負荷比較大的時候，可以轉化使用電能，這樣才進一步實現零能耗。

五、結語

綜上所述，我國在能源消耗方面非常大量，特別是最近幾年，人口增長、城市化進程加快，建筑面積也就越來越大，建筑所消耗的能源是社會總能源消耗中的重要部分。并且，我國的建筑領域中，建筑設計理念呈現為綠色建筑和節能建筑的思想，并已經逐漸成為主流。零能耗的建筑也是節能的一種必然趨勢，在未來的建筑中會成為一種普遍存在的形式。因此，必須要強化此類建筑的優化設計研究。