基于低碳節能理念的建筑設計策略

張明華 樊 威 侯 強 段 剛

近年來，我國建筑業飛速發展，能源消耗已成為限制我國可持續發展戰略實施的重要因素[1]。既往建筑設計會有這樣一個誤區，認為使用可再生能源設備就是節能，而不去考慮降低建筑能耗[2]。但從源頭入手才是低碳節能的關鍵，更是提高經濟效益的關鍵。例如，通過傳統方式能夠將房子的用電量從100 kW·h降到50 kW·h。利用太陽能系統也可以達到這一目的，雖然結果一樣，但成本卻大相徑庭。可見，在建筑設計中采用低碳節能理念，有利于實現建筑設計節能環保的目標。

1 低碳節能理念對建筑設計的重要意義

1.1 改善人們的生活環境

低碳節能建筑基本上都具有良好的氣密性和保溫效果，室內不同區域不易出現溫差過大的情況，保持室內環境健康。隨著時代的發展，人們對于生活環境的要求越來越高。低碳節能建筑設計有利于改善室內生活環境，使之可以與外部環境相匹配。另外，采用低碳節能理念還能夠較好地減少建筑施工廢物的堆積，為人們提供更加舒適的居住環境。

1.2 實現建筑行業的持續發展

在低碳建筑方面，我國已經制定了相應的法律法規，力圖促進低碳建筑設計的順利進行，加快新能源、新材料的研究進度，爭取早日實現我國建筑行業健康發展的目標。基于低碳節能理念進行建筑設計，可以有效減少建筑施工成本，促進現代建筑設計的持續發展。

1.3 保護環境

在低碳節能的背景下，建筑設計更加注重對周邊環境的保護。目前，我國供熱系統使用的產熱原料主要是煤炭，但燃燒煤炭會排放大量溫室氣體，導致全球氣溫升高。鑒于此，加強低碳節能建筑設計，可以減少化石能源的使用，降低碳排放量,達到保護環境的目的。

2 基于低碳節能理念的建筑設計策略

2.1 合理選用低碳節能建筑材料

低碳節能是當前建筑業的主要發展目標，采取低碳節能材料可以降低對自然環境的污染，延長建筑的使用年限，同時也可以有效避免對人體健康產生不良影響。由于建筑業在二氧化碳排放總量中幾乎占到50%，遠遠高于運輸領域和工業領域，因此在建筑設計過程中，應盡可能使用一些能夠循環利用的綠色材料，避免使用污染指數高的材料。另外，建筑設計可以基于不同的形式進行，不但有助于建筑多樣性，還能夠達到節能減排的目的。需要注意的是，在實現建筑形式多樣性的過程中，必須充分考慮所采用的建筑材料是否為低碳環保材料。這是由于在建筑施工過程中，會耗費很多資源，或多或少都會損害周邊環境。因此，需要選用可再生廢料，并通過清潔的生產技術完成各項生產流程，盡可能避免排放過多有害氣體。

2.2 合理應用太陽能

太陽能、風能以及生物質能等均屬于清潔能源，都能實現100%綠色電能供應，符合節能減排的發展目標。

（1）太陽能光伏。太陽能光伏（圖1）是利用光伏半導體產生的光生伏特效應，將太陽能轉化為電能。在建筑設計過程中加強對太陽能光伏的應用可以發揮建筑的環保作用。例如，在建筑物屋頂設置光伏系統，光伏組件為230 W的晶體硅，根據當地情況設置電池組件傾角為20°，采取串聯3 塊電池的方法獲取電池方陣，其具體連接方式是電池方陣-匯流箱-接線柜-配電系統，實現太陽輻射能的有效轉化[3]。

圖1 太陽能光伏（來源：網絡）

（2）太陽能熱水系統。太陽能熱水系統是將太陽能轉換成熱能來加熱水的裝置，通常包括太陽能集熱器、貯水箱、泵、連接管道、支架及控制系統。該系統的運行原理如下：第一，太陽能照射真空管、真空管集熱器完成水的加熱工作，通過循環系統將熱水儲存在保溫水箱中；第二，水溫達到系統要求后，通過換熱器將熱量傳到地暖盤管中，再由地面均勻地向室內輻射熱量；第三，當太陽能集熱達不到地暖系統所需溫度，開啟電加熱。

（3）外部遮陽。近年來，越來越多的建筑開始選擇使用卷簾外遮陽系統，該系統的顏色和面料比較豐富，結構簡單。根據相關要求使用遮陽卷簾，不僅可以遮擋外面的光照，而且觀賞價值極高。但要想提高太陽能應用的合理性，還需要關注以下幾個方面。

第一，在選擇卷簾面料時，需要基于所在區域的光照時長、紫外線強度來確定，且需要考慮面料是否方便清洗及后期維護。第二，遮陽卷簾的抗風能力也非常重要，因此可以在卷簾中暗藏拉桿，以延長其使用時間。第三，其他節能技術。在走廊、電梯內部安裝節能燈具也是實現低碳目標的重要方法，如在樓梯間安裝聲控燈具等。另外，由于傳統路燈耗電較多，可采取風光互補路燈加以替換。

2.3 采用屋面節能技術

目前，屋面保溫隔熱設計采用的主要方式有蓄水、架空等。通過屋面綠化與墻體垂直綠化相結合的方式，不但可以美化建筑，還能調節屋面溫度。屋面節能主要通過優化屋面層防止熱量傳向室內，常用的有保溫屋面、綠化屋面等（見圖2）。傳統保溫材料的支出成本高，施工難度大，有毒且易燃，使用年限較短，而且不能滿足綠色節能要求，甚至會造成火災等嚴重后果，威脅人們的生命安全[4，5]。為了達到節約目的，我國研發了XQ 保溫材料，其推廣和應用符合我國的節能減耗方針，主要有以下幾個優勢：第一，具有較強的防火效果，能夠保證使用安全；第二，無毒且不會污染環境；第三，整體強度高，未見生霉、脫落等現象；第四，施工簡單，成本低，使用年限長。

圖2 屋面節能—屋面綠化（來源：作者自攝）

2.4 采用地源供熱

近年來，我國城市集中供熱面積持續增加，其中能源消耗量最多的就是暖通項目。在以往設計過程中，建筑制冷、供暖更多是依賴天然氣、礦煤等能耗極大的方式，導致環境污染問題日益嚴重。地球淺層所蘊含的地能往往為可再生能源，地源熱泵在現有技術中優勢突出且應用前景廣闊，其可轉化淺層地能，使排放的二氧化碳總量減少約6%。

另外，我國研發的超導熱泵，相較于常規熱泵技術而言，具有更顯著的節能效果。該技術取代了水源傳導材料，通過利用超導材料可以升級真空金屬管及其傳導材料，提高導熱性能，不但可以加快能量傳遞速度，而且還可以延長傳輸距離，進而達到低碳節能的目的，實現建筑業的可持續發展[6]。

2.5 采用雨水收集技術

雨水循環利用除了需要耗費大量的人力、物力以及資源，還要考慮一些外部因素，因此為了有效節約水資源，必須采用雨水收集技術（見圖3）。

圖3 雨水收集（來源：作者自攝）

目前，建筑項目的儲水系統中存在很多無效水，這類水因處置不得當，經常被人們當作廢水處理掉，浪費了水資源。如果可以調整儲水系統，將廢水轉變為有效水，那么就能夠達到節約水資源的目的。

其具體措施如下：收集建筑空調產生的冷凝水和自然降水，然后通過相應的生化處理后，將其用于澆灌[7，8]。

2.6 采用門窗改造技術

在選擇門窗材料以及設計門窗結構時，需要綜合考慮所在地區的環境、結構部件組合情況等因素。

（1）改善門窗的隔熱和保溫性能。首先，在選擇門框、窗框的過程中，需觀察其是否滿足熱工性能、物理性能的要求，如可以選用經過斷熱處理的金屬材料等。其次，建筑工程中通常會選擇使用薄膜材料的窗戶，但使用效果最佳的還是具有顯著紅外線反射能力的窗戶，能夠達到事半功倍的效果，但由于造價稍高，因此很少用于建筑設計中。最后，保溫性能好的窗戶大部分選擇雙層或多層玻璃，玻璃內部為中空，利用空氣熱阻大的特點改善窗戶的保溫性能。

（2）提高門窗的氣密性。建筑門窗的氣密性也極其重要，在優化門窗氣密性的過程中需要從構造方面入手，最常用的方法就是通過加設門窗密封材料進行改善。

（3）提高窗戶的遮陽能力。采用物理方法優化遮陽效果，如在窗戶內側設置熱反射織物窗簾（圖4）。

圖4 中空玻璃幕墻內側設置（來源：作者自攝）

3 結語

在實際建筑設計過程中，設計人員應將低碳節能理念滲透至施工的各個環節中，并使用環保型的建筑材料和節能型的施工技術。只有這樣才可以構建起建筑結構的節能系統，最大程度發揮建筑結構的環保效益。

總之，低碳節能建筑就是能源利用最大化、二氧化碳排放最小化、使用舒適度最高化、維護成本最低化，實現低碳節能理念和方式在建筑行業中的廣泛應用。