低碳理念下的建筑設計應對策略

陳源強 陳 霆

關鍵字：低碳建筑；建筑設計；應對策略

隨著城市化水平的快速推進與城市更新速度的顯著提升，建筑的數量與規模均呈現上升趨勢，隨之而來的建筑能耗問題也日益凸顯。據統計，2021 年我國建筑能耗占社會能耗的37%，相比于20 世紀90 年代的24%與2011 年的30%，建筑能耗已成為嚴重影響我國社會層面終端能源消耗的關鍵[1]。低碳理念貫穿文化、生活及經濟各方面，并衍生出了低碳經濟、低碳生活和低碳能源等新興概念，驅動各行各業節能減排、綠色環保的發展態勢。將低碳理念貫穿于建筑設計中，是推動建筑業健康發展的關鍵。在社會發展的新形勢下，低碳理念可以促使我國建筑設計著力向著綠色、節能、環保方向跨越式發展。在低碳理念下研究建筑設計策略，可以促進建筑行業轉型升級，推動建筑設計向綠色可持續方向高質量發展。

1 低碳建筑設計理念

城市化進程不斷加快使得環境污染、生態破壞問題日益凸顯，不利于人們的身體健康與生態環境的可持續發展[2]。低碳理念是節能、環保、減排與降耗的有機綜合，將其應用于建筑設計中，從材料選型、節能設施設計、建筑空間設計等方面踐行低碳理念，切實提高建筑物的保溫隔熱性能，降低建筑物的熱工消耗，減少照明系統、冷卻系統以及供暖系統的使用，提高建筑物對自然清潔能源的利用率，響應節能減排降耗的綠色環保號召，為人們提供安全、高效、便捷及具備可持續發展功能的建筑[3]。同時，在建筑設計中充分融入低碳理念，深化節能環保技術，最終目的在于降低建筑的后續施工成本與能源消耗，從建筑材料、設備投運、技術實施層面切實實現建筑工程施工與使用的社會效益與經濟效益的雙贏。

1.1 能源組合優化

建筑行業需要消耗大量的能源資源，因而具有較高的能耗率。將低碳理念應用于建筑設計的過程中，應嚴格按照房屋建筑相關節能環保規范優化建筑設計，做好建筑能源組合的優化工作，在保證提升建筑各方面性能的前提下提高建筑設計的整體質量，切實保證建筑設計方案的實效性與可行性，滿足人們對建筑內部布局與功能的要求。例如，在建筑電氣設備選型設計時，將紫外線照明集成用于暖通空調系統中，安裝具有實時反饋與警報的空氣質量傳感器，安裝自動空氣凈化器與通風控制系統，為住戶創造安全、舒適、便捷、高效且低能耗的生活與工作環境[4]。

在室內設計中，可結合建筑物所在地的氣候條件、太陽輻射情況以及周邊建筑遮擋情況等，優化設計照明燈具布設，以自然采光與照明燈具相結合的方式為建筑物室內照明提供滿足生產生活需求的光源光照度。同時，充分使用節能型照明系統或在建筑頂部鋪設太陽能光伏板進行發電，能夠為建筑室內照明提供清潔型能源。在設計建筑物室內供暖系統時，可充分利用太陽能、地熱能等清潔能源為建筑物供暖，并在建筑設計中充分考慮余熱、廢熱的回收利用問題，提高能源的利用率，降低供暖系統的實質性運轉能耗[5]。由此可見，通過太陽能與電能的有效組合與設計，可以提高資源能源的利用率。

1.2 充分應用新型節能材料與設備

新型節能材料從生產加工工藝到施工現場安裝布設均具有低能耗、綠色環保等特性，是低碳建筑設計的關鍵環節。在低碳建筑設計中，施工材料、電氣設備等的選型應在滿足工程建筑質量與建筑物特殊功能需求的基礎上，最大限度選擇節能型材料與智能化電氣設備，減少施工材料使用對自然環境的影響，同時提高設備的自動維護、監控能力，進一步優化建筑居住環境，提高建筑物保溫隔熱、采光透亮、自然通風等性能[6]。例如，設計建筑墻體時，可選擇空心混凝土砌塊、頁巖空心磚、粉煤灰混凝土等新型節能材料，減少建筑工程實施中水泥的使用量，提升建筑墻體抗腐蝕、抗凍、抗碳化以及抗潮性能，提高建筑物的使用壽命。又如，在門窗選材時，綜合考慮門窗密封性對建筑保溫性能的影響以及門窗材料的成本，可選擇隔熱斷橋鋁型材，其利用硬塑將斷開的鋁合金進行拼接，從而提高了材料的隔熱性能。再如，在建筑結構設計選型時，可采用中空型混凝土磚融合隔熱性能較好的聚苯乙烯泡沫，有效阻隔建筑外的冷空氣進入，提高建筑結構的保溫隔熱性能。

2 低碳建筑設計應用

2.1 建筑選址

低碳理念下的建筑設計應考慮建筑與附近環境的協調性來優化建筑選址。例如，選擇陽光充足、雨季較少或者視野開闊的區域，有利于引入太陽能與風能等可再生能源。同時，在冬季陽光照射時間較長的地區，可以利用吸光性較好的材料作為建筑材料，以吸收更多的熱量，使室內溫度持續升高，減少供暖設備的使用，達到建筑節能減排的目的。此外，在充足的太陽光照射下，建筑設計可增加窗戶的數量與面積，充分用自然光照作室內照明，減少照明設備的用電消耗。

2.2 建筑形體的低碳化設計

建筑形體設計是指對建筑的體量、體型、朝向等進行科學設計，以更好地適應當地的地形地貌與氣候條件，減少建筑使用過程中對冷暖空調、排風系統等的使用率。例如，在我國東南沿海地區，由于夏季炎熱多雨，建筑設計應高度關注自然通風，可對建筑結構的陰面與陽面進行巧妙布局，使建筑陰陽面之間形成一定氣壓差，為建筑室內外的空氣流通創造良好的條件，減少無風狀態下建筑新風系統的使用。同時，在建筑上合理開設風洞，以使自然風能夠在風洞中回旋，實現建筑室內外的良好通風，達到建筑通風方面的低碳化效益。

在建筑的朝向方面，考慮到寒冷冬季的取暖需要，應將建筑朝向設計為向陽面，以便建筑在冬季能夠充分接受太陽輻射而升溫。建筑朝向設計時還應避開當地的主導風向，以免冬季強勁的西北風快速帶走建筑室內保有的溫度，影響建筑暖通空調系統運行的實際效果。此外，建筑形體規劃設計應注重多元要素的均衡，充分統籌氣候、方位、朝向和日照等方面，適配當地的自然地理環境，以上述要素的相對平衡優化建筑的形體與朝向。

2.3 建筑頂蓋的低碳化設計

建筑頂蓋的功能為夏季隔熱、冬季保溫，為室內生產和生活提供溫濕度相對適宜的環境。建筑頂蓋施工質量會影響建筑物整體保溫隔熱性能，設計時多采用圓形或尖形作為頂部造型，以減少太陽輻射的實際面積，減少頂蓋熱量的進一步匯聚與滲透，切實降低建筑物的室內溫度。近年來，隨著建筑物造型與風格的多樣化，建筑頂蓋設計逐漸向功能性與美觀性兼具，而頂蓋施工的節能性依賴于施工材料與施工工藝的綠色化。例如，采用新型保溫材料作為頂蓋特殊造型的施工材料，能夠減少建筑熱工消耗；用玻璃作頂蓋材料，以直接采光代替傳統建筑的側面采光，能夠增加建筑的采光面，加強對自然光線的直接利用。通過建筑材料與工藝的低碳化選型、設計與實施，可充分發揮建筑頂蓋冬暖夏涼的保溫隔熱功能，也能充分保障建筑頂蓋造型設計的美觀度[7]。

2.4 建筑門窗的低碳化設計

門窗是影響建筑物密封性與保溫隔熱性能的關鍵，也是建筑設計與實施中耗材較多的部分。根據相關調查數據可知，經由門窗散失熱量引起的能耗占整個建筑能耗的40%。為減少建筑設計方案中門窗方面的材料消耗，在選材與工藝設計方面需更加注重節能性與低碳性，摒棄傳統的普通玻璃材料，優先選擇兼具基礎功能與特殊輔助功能的門窗材料，以提高建筑門窗的密封性、防水性與透光性等。例如，北京國際機場T3 航站樓設計施工時，考慮到采光需求與防水需求，采用鋁型材料作為天窗材料，增大太陽輻射的直射面積，并將密封條嵌入天窗構造中，提高天窗的密封性與防水性。普通民用建筑可采用阻熱型門窗，以較低的導熱系數減少室內外熱量傳遞，降低建筑物室內熱工消耗。

2.5 建筑屋面的低碳化設計

建筑屋面是整體建筑受到太陽輻射面積最大的平面，可以有效阻擋太陽輻射直接照射室內，避免室內溫度快速升高，也可以有效阻擋室內的冷空氣與暖空氣逸出，降低建筑夏季制冷與冬季供暖保溫的能耗。傳統的建筑屋面設計多采用混凝土結構，但混凝土的隔熱性能較差，實際工程中通常將混凝土與隔熱材料相結合，以提高屋面材料的保溫隔熱性能，常見的隔熱材料如珍珠巖、粉煤灰、纖維素等[8]。這些導熱系數較低的輕質材料融入混凝土中，可以較好地提升混凝土的隔熱性能與防水性能。除屋面建筑材料外，在建筑工藝方面可采用“生態覆蓋”的屋面建筑方式，在建筑屋頂鋪設土壤種植植被花草，削弱建筑屋面承受的太陽輻射，同時擴大城市的植被覆蓋率，利用植被的光合作用增加城市的氧含量。此外，可在建筑屋面鋪設太陽能面板，為建筑物室內照明或用電設備運轉提供清潔能源。

2.6 建筑墻體的低碳化設計

建筑墻體設計中，通常鋪設保溫材料以改善墻體的導熱系數，提高墻體的保溫隔熱性能，降低建筑夏季制冷與冬季供暖保溫的能耗。墻體保溫材料通常會選擇巖棉板、聚苯乙烯泡沫塑料等節能材料，將其附著在建筑外墻和內墻上，能夠有效阻隔室內暖空氣流失與室外冷空氣侵襲。另外，保溫層與墻體形成的多層空氣層，可有效降低墻體與屋面的熱傳導效應。

2.7 建筑通風的低碳化設計

建筑良好的通風設計可提高室內空氣的流通性，保障室內住戶居住的舒適度以及用電設備適宜的運行環境。建筑通風低碳化設計時，應充分借鑒與利用自然通風的優勢，在符合當地自然風力與風向的標準下設計通風口的位置、朝向與大小，通過良好的進氣與排氣交換達到更強的通風換氣效果[9]。此外，建筑通風低碳化設計也應充分借助通風輔助設備，如衛生間的排風機、室內的新風系統等，結合當地小氣候特征、氣流走向與氣團分布、周邊建筑層高與空間分布等布設通風設備，使其風道走向與室內局部區域的風向一致。例如，室外新風系統通過各居室外墻進風口，經隔塵降噪后進入室內，提高室內氣體交換的頻次，同時減少風向相逆給通風設備帶來的負載壓力，降低通風輔助設備的運行能耗。也有建筑設計師在墻體造型上進行特殊設計，實現建筑通風的量化調節。例如，馬來西亞建筑設計師設計出一種捕風墻，即在建筑兩側開設陽臺開口，開口兩側墻體上分別布設擋風墻，通過擋風墻的喇叭口袋造型可有效捕捉與攔截自然風，再依托陽臺開口的大小有機調控進入建筑室內的風量。

2.8 建筑采光的低碳化設計

建筑采光低碳化設計時，應充分利用自然光輔助與室內照明設施相結合，減少室內照明的電力消耗。例如，考慮到建筑頂部通常較平坦且規整，可在上面安裝反射光板，引入自然光提高室內采光度；也可在建筑結構設計時引入過堂結構，從而更高效地將自然光引入室內，增加室內空間的采光率。同時，可以在建筑室內使用節能型照明系統，或利用建筑頂部鋪設太陽能光伏板發電，為建筑室內照明提供清潔型能源。

3 結語

在建筑設計中科學、合理地運用低碳理念，可提高建筑物的節能性與環保性，有效降低建筑物的施工與使用能耗。在建筑低碳設計方面，可在建筑頂蓋、門窗、屋面、墻體施工中科學選材進行節能設計，將巖棉板、聚苯乙烯泡沫塑料等節能型材料應用到屋面與墻體的施工中，嚴格控制門窗的數量，改善建筑屋面與墻體的熱傳導系數，降低建筑的熱工消耗。在建筑通風與采光低碳化設計方面，應充分運用自然優勢、新風系統以及節能照明設施提升室內空氣交換頻次與采光度，優化建筑低碳化設計效果。同時，低碳建筑設計應充分引入智能空調系統、智能給排水系統以及智能照明系統，對建筑物室內溫濕度、光照度以及供水等進行智能化調控，減少建筑電氣設備長時間運行的用電消耗，從而實現建筑領域節能減排、低碳環保的目標。