基于超低能耗的寒冷地區建筑本體節能設計

崔佳亮

（建研科技股份有限公司，北京 100000）

我國北方地區季風氣候明顯，建筑采暖與制冷能耗較高。為響應節能減排的綠色建筑理念，基于超低能耗的設計要求，在滿足建筑基本的采暖與制冷需要的前提下，通過優化建筑平面布局和改良內部空間設計等措施，盡可能降低能耗。近年來，超低能耗建筑的相關理論和配套技術日益成熟，在具體設計時還要結合寒冷地區的氣候特點，綜合考慮建筑的功能、形式和布局，在達到預期節能效益的基礎上，兼顧建筑的實用性。

1 建筑工程概況及平面布局設計

本文以某綜合性辦公建筑為例，該項目地處我國北方，占地位置地勢較低，其功能要求分為內向型和外向型，其中內向型功能有行政辦公、試驗科研，外向型功能負責公共服務、會議接待培訓及成果展示。在設計室內熱環境時，根據辦公及活動需求，可分為采暖房間與非采暖房間兩類，辦公及實驗房間采用采暖房間，展會及會議室可采用非采暖房間。該建筑要求采暖房間的溫度維持在20-25℃的恒定水平。考慮到墻體之間的熱傳遞效應，因此為避免采暖房間熱量過度散失，應將采暖房間集中布置。在寒冷地區，采暖區應靠近建筑的南面或東南面，這樣冬季可充分借助外部的太陽光為室內升溫。而對于活動較少的衛生間、公共通道等，應設置在背面。另外，通過合理的房間布局，將開敞式大空間更改為封閉式小房間，也能夠減少熱能損失，進而達到超低能耗的設計目標。

2 建筑形體設計

2.1 建筑平面形式的設計

對該項目進行建模，基于建筑常見的四種平面形式：長方形、三角形、正方形和圓形。其他一些比較復雜的形式（如回形），也可以看作是由這4 種基本形式演化形成。在Designbuilder 軟件中分別建立4 個高度為10m、體積為1000m3的三維建筑模型。其中，長方形建筑的底面尺寸為20m×5m；正方向的底面尺寸為10m×10m，三角形的邊長為15.2m，圓形半徑為5.64m。4 個模型的窗墻比均設定為0.3，然后進行全年能耗模擬，所得結果如表1 所示。

表1 不同平面形式下建筑能耗模擬結果（單位：Wh/m3）

結合表1 可知，在體積相同的情況下，圓柱體建筑的總能耗最低。所以該項目建筑平面形式的設計采用圓形，可以取得比較理想的節能效果。

2.2 建筑形體高寬比的設計

使用Designbuilder 軟件設計不同高寬比的圓柱體建筑模型。輸入該建筑總體積V=10862.69m3，并保持該數據不變，分別調整其高度的直徑，對比不同高寬比下建筑采暖能耗、制冷能耗，以及總能耗的變化情況。共設計了5 組模型，1#模型的高寬比為3:1，即高度225.63m，直徑75.21m；2#模型的高寬比為2:1，即高度173.40m，直徑86.7m；3#模型的高寬比為1:1，即高度為108.45m，直徑為108.45m；4#模型的高寬比為1:2，即高度為68.37m，直徑為136.74m；5# 模型的高寬比為1：3，即高度為52.13m，直徑為456.39m。具體能耗如表2 所示。

表2 不同高寬比下圓柱體建筑的能耗情況

結合表2 數據可知，采暖能耗隨著高寬比的增大而增加，制冷能耗在高寬比為1:1 時最低。總能耗方面，高寬比1:1 時最低，為94750.6Wh/m2；高寬比為1:2 時次之，為95542.6Wh/m2，兩者差異并不明顯。因此，對于圓柱體建筑，建筑形體的高寬比宜控制在1:1-1:2 之間，能夠達到超低能耗的目標，結合周邊地勢較低，考慮通風問題，因此需要對其進行1:3的高寬比設計。

3 建筑內部空間設計

針對該建筑，應充分發揮優化建筑內部空間布局的作用，來達到節能降耗的目的。其主要設計內容如下：

3.1 中庭空間設計

中庭空間設計需利用熱壓通風原理進行優化。夏季高溫熱氣上升，能夠將建筑中的熱空氣排出，而室外的涼爽空氣會因為壓力差而吸入室內，實現了通風散熱的效果。要增加天窗或者有利于導風的斜窗，提高熱壓通風效率。天窗應使用遮陽膜覆蓋，阻擋太陽輻射，避免室內空氣過快升溫。在該項目設計中采用垂直型的剖面設計更能夠提升采光效果，中庭的高寬比設計也應首先考慮采光需求，本文主要采用光井指數WI 代表中庭體量，并計算出在WI 不同的數值下中庭周邊各房間的平均采光率，具體如下圖1 所示。

圖1 平均滿足率與光井指數WI 關系圖

結合圖1的房間平均采光率來看，當光井指數＞0.68 后，平均采光率下降的比較明顯，因此該項目的設計應將光井指數控制在0.68 以下，WI的計算公式為：

通過計算公式（1），其中庭的高度應為4.2×3+1.8=14.4m，而其寬度應大于21.5m，再結合整體建筑設計，該項目最終確定的中庭寬度為24m，能夠保證采光，又可以兼顧通風散熱。

3.2 辦公室及會議室設計

主要利用風壓通風原理進行優化，當室外自然風吹向建筑時，受到建筑阻擋，自然風從建筑兩側吹過，在建筑正后方形成“負壓區”，在壓力差的作用下將自然風吸入室內。通過優化室內布局，取消隔墻，形成南北通暢的通風廊道，利用“穿堂風”達到通風散熱的效果，對于降低建筑能耗有明顯效果，室內布局如圖2 所示。

圖2 基于風壓通風原理的建筑內部空間設計

4 建筑窗墻比設計

窗戶是建筑中熱損失最為明顯的部分。現代建筑通過使用中空low-e 玻璃在降低熱損失方面起到了一定作用，但是仍然達不到超低能耗的設計要求。通過優化窗墻比，對提高建筑保溫隔熱效果有明顯作用。為了驗證建筑不同方向上窗墻比對能耗的影響，使用Designbuilder 軟件進行三維建模，得到總高度為10m、共兩層的長方體建筑模型。分別在東、西、南、北4 個建筑立面上，以0.1-0.7的窗墻比設計1 個窗戶。通過對全年建筑能耗進行模擬，觀察4 個方位上不同窗墻比下的能耗情況。以建筑南部立面為例，在窗墻比從0.1-0.7的情況下，采暖能耗、制冷能耗以及“采暖+制冷”的總能耗如表3 所示。

結合表3 可知，對于長方體建筑，窗墻比越大，其能耗越高。窗墻比為0.1 和0.7 時，總能耗差距達到了2498.2 Wh/m3，差異明顯。為了進一步驗證各個立面采暖與制冷總能耗的變化速率，從而計算出超低能耗建筑的窗墻比限值，繪制了建筑4 個立面上總能耗與窗墻比的關系曲線，如圖3 所示。

表3 建筑南部立面不同窗墻比下采暖、制冷及總能耗變化（單位：Wh/m3）

圖3 建筑4 個立面總能耗與窗墻比的關系曲線

結合圖3，以建筑南向立面為例，在0.4-0.5的后半段以及0.5-0.6的前半段，能耗變化率有明顯的突增現象，即建筑總能耗突然增加。因此要想達到建筑超低能耗設計，必須要將窗墻比控制在0.4 以下；同樣的，建筑東向立面，窗墻比控制在0.3 以下能夠使總能耗維持在較低狀態。通過圖3 所示的變化曲線，得出長方體建筑4 個方向窗墻比的限值，為后續建筑節能施工提供了依據。其中建筑南向立面窗墻比采用系數0.4，其具體尺寸如圖4 所示。設立該建筑某一層樓板的距離為χ，單側采光系數最遠距離為2.5χ，經測量辦公室的進深為8.8m，再減去1.1m的走廊距離，可得知最遠的工作距離為7.7m，由此反向推出該辦公建筑樓的窗戶高度應＞7.7÷2.5-0.9=2.18m。

圖4 窗墻比0.4 時窗戶尺寸（單位：mm）

5 結論

現代建筑設計中，追求更低的能耗是一個核心目標。影響建筑能耗的因素較多，除了保溫隔熱材料的性能外，建筑本體的節能設計也十分重要。結合建筑的功能需要和建造要求，在滿足實用性要求的基礎上，通過優化建筑布局，選擇合適的高寬比、窗墻比，達到超低能耗的目標，進一步降低建筑投入使用后的能耗，推進我國建筑行業的綠色、節能發展。