節能建筑設計在建筑工程設計中的應用

年夫帥

（蚌埠市規劃設計研究院，安徽 蚌埠 233000）

隨著國內城市化建設不斷加速，需要消耗大量水源、水泥、電能和鋼筋等材料，為進一步節約能源，支持可持續發展需要注重節能建筑設計，改善建筑工程質量，提升建筑工程質量。

1 建筑工程節能設計分析

現代化社會中，人們更加追求人性化、自動化和智能化綠色建筑，在城市規劃和建筑工程施工中合理融入各種綠色理念、新型材料、先進工藝技術，迎合了新時期建筑行業發展需求，能夠促進實現綠色節能建筑設計目標。建筑節能設計包括以下內容，第一是建筑形體和建筑朝向，建筑形體方面像是建筑平面形狀、綜合布局、朝向和體型系數等，聯系微環境和當地氣候條件進行合理設計，實現自然降溫和取暖，縮減能量消耗。第二是屋頂保溫節能設計，借助新型工藝、材料，發揮出良好保溫隔熱功能，例如設置種植屋面和蓄水屋面。第三是外墻、樓板節能設計，借助建筑自身良好保溫隔熱功能減少電氣系統設計，調節建筑內部空間微環境，優化保溫隔熱效果。第四是外窗節能設計，改善外窗氣密性和遮陽效果，合理選擇窗戶位置、方向、大小，設計恰當窗戶材料。總而言之，建筑節能設計主要激發出建筑自身保溫隔熱效能，優化建筑和自然互動，降低建筑能耗。

2 工程概況

此次研究中主要以某個公共建筑為例，該建筑工程為多層辦公建筑，包括衛生間、走廊通道、會議室以及辦公室等部分組成，其中一半辦公室單人應用面積最少是6m2，設計中根據8到10人計算，專用辦公室對應可用面積超出10m2，衛生間實施東西方向分別設置兩女兩男總計四個衛生間，辦公建筑中走廊為雙面布房。

3 節能建筑設計在建筑工程設計中的應用

3.1 外墻節能設計

針對建筑圍護結構實施節能設計可以改善室內環境，控制建筑能耗，促進實現建筑節能[1]。外墻構造設計如下，第一是外墻外保溫，此次工程中將保溫材料通過噴涂和粘貼等方式在墻體外部固定，具體如圖1所示。

圖1 外墻外保溫構造

設置外墻保溫系統，選擇聚苯板充當主要保溫材料，因為隨保溫層厚度擴大，制冷、采暖能耗相繼減少，針對南北向保溫層厚度盡量控制在60～200mm之間，北向墻對應保溫層厚度控制在60～180mm之間。按照《近零能耗建筑標準》 （GBT 51350—2049）相關標準要求，其將建筑外墻傳熱系數設置在0.15～0.4W/（m2·K），對應保溫層厚度為100～240mm，為此確定此次工程項目中的北向墻體整體保溫層厚度需要控制在100～180mm之間。東向墻體對應保溫層厚度設置在60～180mm之間。結合《近零能耗建筑標準》（GBT51350—2049）相關標準要求，冬冷夏熱區域建筑的綜合節能率應該大于50%，相關計算公式如下。

上述公式中，ηp為建筑綜合節能率，ED是建筑設計中的建筑綜合能耗值，ER是基準建筑對應能耗綜合值。

3.2 屋頂節能設計

針對屋頂常規構造設計中可以選擇正置式屋面和倒置式屋面兩種形式。其中正置保溫屋面屬于傳統保溫屋面，在保溫層上方設置防水層，能夠有效阻隔水分滲透保溫層，這種保溫屋面對保溫材料吸水性沒有過高要求，成本低廉，常用保溫材料包含珍珠巖、加氣混凝土以及EPS板等，整個施工流程相對繁瑣，需設置各種排氣孔，對防水層耐老化和抗裂性提出更高要求。倒置式屋面對應防水層主要設置于保溫層下方，能夠對防水層進行有效保護，對材料性能具有較高要求，應具備相應憎水性，像是XPS保溫板，于保溫層上方設置保護層，避免破壞保溫層，倒置式屋面結構簡單，具有良好防水和保溫效果。

隨著城市建設速度加快，進一步增加建筑用地面積，導致綠地面積大范圍縮減，使城市熱島效應更加突出。通過屋頂綠化設計能夠降低噪音、減少環境污染、改善熱島效應，優化屋頂熱工性能，縮減建筑能耗，有助于冬冷夏熱地區實施低能耗建筑設計。

此次工程中實施屋頂綠化設計中，在建筑屋頂區域進行部分覆蓋一層植被，阻隔太陽輻射直接照入室內，為降低建筑屋面荷載，可以選擇安放種植容器及輕質種植土充當屋頂綠化，植被選用草坪或淺根系植物。草坪式的屋頂綠化對應基質土厚度較小、綠化層質量輕，無需頻繁進行植物養護。聯系地區特色選擇植物，栽種生長速度緩慢、耐移植、耐修剪、氣候冷熱變化承受能力強的植株。通過比較分析，考慮區域氣候特征以及屋頂結構最終選擇佛甲草作為屋頂綠化植物。

屋頂綠化擁有良好保溫隔熱效能，同時1m2的屋頂綠化佛甲草平均每年能夠吸收150g的粉塵和氮氧化物、3.1g的二氧化硫以及1.77kg的二氧化碳，實現生態和減耗全面統一[2]。

此次屋頂綠化設計中選擇EPS聚苯板充當主要保溫材料，設置屋頂綠化和倒置式屋頂融合模式，在屋頂保溫層厚度持續增加過程中，建筑能耗相繼降低，結合相關建筑節能技術標準內關于屋頂傳熱系數要求在0.15～0.35W/（m2·K），對應保溫層厚度為120～260mm，最終將屋頂保溫層厚度設置為120～240mm[3]。

3.3 外窗節能設計

外窗屬于建筑工程中透明圍護結構，相關熱損失在整個建筑工程熱損耗總和中占據30%，屬于超低能耗建筑的重點設計內容。窗戶熱損失主要分布于窗框部位，隨著窗框材質差異，對應熱阻也存在較大差異，窗框材質會直接影響窗戶傳熱系數。當前建筑市場中應用的窗戶材料主要以塑鋼窗框為主，塑鋼窗框成本低廉、輕質美觀，同時擁有良好的熱工性能。除此之外，塑鋼框架存在良好剛性，內部設置了鋼材支撐，窗戶框架相對穩定，不會產生變形問題。鋁合金窗是通過鋁合金擠壓型材制作形成，在長期應用中不會產生變形、掉色等問題，針對鋁合金窗額外設置隔熱層，優化窗戶隔熱性能。針對窗戶玻璃，選擇遮陽系數低、傳熱系數小的玻璃，從而進一步降低太陽輻射，優化室內環境。而建筑窗戶玻璃材料主要包括熱反射玻璃、吸熱玻璃、LOW-E玻璃、吸熱玻璃、中空玻璃，其中熱反射玻璃屬于鍍膜玻璃，對應鍍膜為銀色、灰色、藍色等。熱反射玻璃適用于夏季日照強的冬冷夏熱區域。吸熱玻璃為有色玻璃，將金屬離子摻入玻璃內縮減玻璃遮陽系數，可以對太陽輻射進行選擇性吸收，控制室內得熱，縮減多余能耗，發揮出控制眩光和隔熱功能。因為吸熱玻璃遮陽系數低，吸收大量短波輻射，降低光線透射率，影響室內照明。LOWE玻璃也是低輻射玻璃，借助鍍膜調節遮陽系數，優化玻璃性能，夏季能夠減少室內照射太陽輻射，降低空調制冷能耗，但不利于冬季采暖。中空玻璃即利用兩個或三個玻璃構成，不同玻璃層間形成空氣層，選擇斷熱窗框和高性能玻璃，打造低傳熱節能窗，擁有良好隔熱效果，同時可以控制冷輻射，優化室內環境，擁有良好節能成效。通過對比分析發現，LOW-E單層玻璃遮陽效果好，傳熱系數低，擁有最好的綜合性能。中空玻璃整體性能比單層玻璃要好，所以針對節能建筑進行外窗設計中，優先選擇三層玻璃以及雙層玻璃，搭配優質窗框，激發出玻璃優勢性能[4]。

夏季室內能耗主要是太陽光直射所形成的，為此需要做好遮陽處理。通過合理設計遮陽能夠縮減室內得熱，改善眩光現象，從遮陽位置角度分析，可以進一步分成內遮陽和外遮陽兩種形式。當前被動式綠色建筑以及低能耗建筑相關設計規范要求建筑需配置外遮陽裝置，包括百葉以及卷簾式遮陽裝置。借助遮陽節能改造減少空調夏季能耗過程中需要對外遮陽分布位置和類型進行合理選擇，聯系構件形狀可以進一步分層擋板式、百葉窗、綜合式、垂直式以及水平式等形式。合理設計遮陽窗位置，明確夏季天空中的太陽高度角和方位角，觀測住宅建筑對應太陽輻射面。結合遮陽尺寸結構和遮陽形式，形成最佳遮陽方案，建筑南側敞開空間對應外窗聯合應用百葉窗、垂直和水平等形式，建筑南側敞開空間聯合應用百葉窗、垂直和水平等方式融合設計，水平遮陽板對應投影是0.5m，水平窗重疊0.2m，頂層搭接長度是0.4m，窗外設置百葉窗，直接將整個窗戶全面覆蓋。建筑南側小外窗設置水平遮陽板，寬0.5m，遮陽板和窗側相距0.4m，遮陽板距窗頂0.12m。西側外窗設置遮陽，應用百葉窗和水平融遮陽融合，水平遮陽板寬1.5m，遮陽板至窗側相距0.4m，遮陽板至窗頂相距0m[5]。

3.4 南向玻璃幕墻

此次公共建筑對應外立面選擇雙層玻璃幕墻實施設計，提升建筑工程美觀性，立足于節能角度分析，北向和南向應用雙層皮幕墻擁有良好效果，不會出現較大熱流量，整體起伏變化相對平穩，為此可以選擇于南向外墻中創建雙層幕墻。雙層玻璃幕墻主要分為三種能量傳遞形式，分別是輻射、對流和導熱。將空腔寬度設計為200mm，提升整個幕墻通風效果。進出風口超出100mm條件下幕墻擁有良好通風效果。雙層玻璃幕墻具備良好保溫隔熱能力，可以于空腔內部設置活動百葉，提升人體舒適度[6]。

3.5 采暖空調和其他參數設置

其次建筑工程中利用通風冷暖空調系統來代替原本設備實施全面節能改造，對通風冷暖空調各項運行參數進行合理設置，制冷和采暖等工作全部借助空調實施，電網供電提供基礎能源，將系統效率設計成2.8，把原本自然通風模式轉化為機械通風，結合整體面積對所需新風量進行準確計算，通風系統對應熱回收率設計成75%。為提升建筑內部環境舒適度，可以將相關制冷采暖系統溫度全部設置成25℃。同時在暖通空調節能設計中，空調末端設備是降低更好的合理手段，其原理為：按時間程序和最佳啟停控制送回風機運行，該裝置可以自行計算出計算出空調機開/關的最佳時間，達到降低能耗目標。1）采用DDC控制器檢測室內新風溫度與室外溫度差值，根據邏輯計算結果控制新風閥與回風閥開度，確保室內新風量充足，尤其是當新風溫度接近室內穩定時，需盡量引入新風；2）在空調機組與新風機組上設置溫度加測裝置，在檢測風溫與測定值后，輸出溫度電信號，調整回水管比例，減少空調回風系統波動；3）風機盤管上設置電動兩通閥，該裝置可以用于控制風機盤管開關狀態，有助于維持室內溫度恒定。同時在新風機上增加全自動干蒸汽加濕器，避免室內溫濕度出現波動，有助于降低能耗[7]。

4 建筑節能設計注意事項

結合外保溫能夠對建筑結構進行合理保護，控制溫度變化和降低溫度應力影響，消除熱橋，避免外部環境危害墻體結構，增加建筑壽命。外墻內保溫方面，利用聚苯板和膨脹珍珠巖板等材料在外墻內側進行全面砌筑粘貼，表面制作保護層充當飾面層。外墻夾心保溫設計中，通過外葉墻、保溫層以及內葉墻實施靈活組裝，并借助拉結件針對內外葉墻實施拉結處理。此次工程中主要選用巖棉、聚氨酯以及模塑聚苯板等材料。為進一步提升建筑節能效果，滿足被動式建筑標準要求，可以將雙層中空一般白色玻璃轉化成雙層充氬中空低輻射玻璃。氬氣屬于一種無毒、無色、無味的惰性氣體，和空氣比起來擁有更高氣密性。為此通過氬氣取代空氣對中空玻璃進行填充，能夠進一步削弱氣體導熱系數，降低熱對流，提升雙層玻璃幕墻整體隔熱性能[8]。

5 結語

節能建筑設計相關研究對我國建筑工程持續穩定發展具有重要影響，可以支持工程建設資源的充分利用，緩解國內能源壓力，滿足可持續發展基礎理念，是新時期建筑設計主流發展趨勢，為此設計者和建筑師需要針對節能建筑設計開展深入研究，提升自身專業素養與綜合實力，提升設計水平，優化節能建筑設計。