民用建筑設計中節能設計的有效應用分析

朱皆杰

摘 要：節能設計是優化提升民用建筑設計成效的必然路徑，更是充分滿足建筑設計領域可持續發展導向的關鍵基石，理應采取科學合理的節能設計方法，對民用建筑設計方案予以優化完善。基于此，首先介紹我國民用建筑節能現狀，分析基于民用建筑的節能設計方法。在探討民用建筑節能設計的有效策略的基礎上，結合相關實踐經驗，分別從門窗節能、墻體節能、樓板節能以及屋頂節能等多個角度與方面，探討了民用建筑外圍護節能構造設計問題。

關鍵詞：民用建筑設計；節能設計；方法應用；效果優化

中圖分類號：TU201.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）01-0103-03

0 引言

在民用建筑設計中，節能設計的基礎性地位不言而喻，它對提升民用建筑舒適性、降低建筑能耗流失、增加建筑運行經濟效益等具有積極作用。當前形勢下，技術人員應密切分析民用建筑節能設計的具體規則方法，創新利用各項節能設計要素，構造最優化的節能設計方案。

1 我國民用建筑節能現狀

我國民用建筑節能技術運用經歷了漫長而曲折的發展歷程，其方法體系日趨完善，尤其是在提高建筑用能系數與熱工性能等方面積累了豐富的經驗，初步構建了基于多能源綜合利用的民用建筑節能技術框架。但與世界發達國家相比，我國民用建筑節能設計起步較晚，行業經驗積累相對薄弱，未來發展空間尚具備較為廣闊的彈性空間。

縱觀當前民用建筑節能設計實際，普遍存在著屋頂保溫、外墻保溫和新型供暖制冷等節能技術銜接融合不深入等共性問題，難以從源頭上保證節能技術實踐應用的現實活力，限制了新時期民用建筑綠色設計水平的綜合提升。部分民用建筑節能設計中，對信息化與智能化的技術方法運用不足，無法以軟件平臺為依托，構造清晰直觀的節能設計方案模型，建筑節能的具體參數校核不甚精準，建筑節能設計的可視化與模型化構造方式尚有待深化研究[1]。上述背景下，深入探討民用建筑節能設計的具體實施方法，對于實現民用建筑在節能層面的跨越式發展具有深刻意義。

2 基于民用建筑的節能設計分析

2.1 氣候設計與環境規劃

民用建筑節能設計中的氣候設計與環境規劃是由生態學和建筑地域學衍生而來的設計理念，旨在立足民用建筑所處地域的氣候條件，利用優化選址布局等方法，提高民用建筑與本地自然氣候狀況的融合度。在氣候設計與環境規劃中，又可細化分為建筑生態設計、規劃選址與環境散熱等部分，彼此之間關聯性突出，各節能設計要素協同發揮作用，謀求實現民用建筑節能效益的最大化。氣候設計與環境規劃應充分體現因地制宜的基本原則，充分利用氣候與環境因素的優勢。

2.2 整體設計

在新時期民用建筑節能設計中，整體設計需運用宏觀視野，全面把握對節能設計具有直接或間接影響的各類因素，比如太陽輻射、大氣環流和地理特征等，在建筑朝向、路網布置、區域綠化、建筑體型等方面進行優化處理，構造符合民用建筑功能的微氣候環境。為做好民用建筑節能的整體設計，技術人員應分別從通風角度與日照角度等進行細化控制，合理優化進入建筑室內的夏季太陽輻射量，并在冬季提高日照系數降低采暖能耗。整體設計效果的優化提升應改善熱微環境，并有針對性地避免“熱島效應”“光污染”等負面作用[2]。

2.3 單體設計

與整體設計相對應，民用建筑單體設計的主要面向對象為單一化的個體建筑，通過構造符合實際的單體建筑平面、立面和剖面等，實現充分利用自然資源，降低建筑自身能耗的效果。其中，在平面風路設計中，應側重健康通風、熱舒適通風和降溫通風等方法的運用，優化建筑方位朝向，合理布局導風設施等。在立面節能設計中，則應根據建筑節能的預期效果，綜合確定適宜的窗墻比，并引入新型科學技術方法提高窗的熱工性能。此外，可在防水層和屋面板之間布設特定保溫材料，以優化圍護結構節能效果。

3 民用建筑節能設計的有效策略

3.1 總體規劃布局

民用建筑的總體規劃布局是實現預期節能設計效果的關鍵所在，只有結合周圍環境實際，充分利用光、水、風等自然資源條件，才能有效降低建筑自身能耗。在總體規劃布局中，應綜合考量建筑方位、風速風向、地表結構等要素，尊重人與自然和諧相處的基本原則要求，實現建筑能源消耗與自然環境之間的銜接平衡。一方面，應優化建筑朝向與采光通風設計，在日照資源相對豐富的地區，應降低建筑進深，爭取最大限度的自然光線，減少日間對電能的消耗。另一方面，應科學選擇基址，從宏觀與微觀角度運用內外部雙氣候設計方法，滿足民用建筑的各項自然資源需求。

3.2 民用建筑自身系統設計策略

3.2.1 建筑體型設計

建筑體型設計應首先控制體型系數，優化圍墻面積等參數，減少不必要的能耗流失。有關研究表明，建筑體型系數與建筑耗熱量指標呈正相關關系。在實踐中，降低民用建筑體型系數的方法包括以下3個方面：①適度提高建筑物整體高度、增大進深；②優化建筑布局緊湊性，合理控制建筑外墻凹凸變化；③加大民用建筑物體量等。

在此過程中，還應綜合考慮民用建筑外在形象的美觀，使體型系數與建筑平面規劃相契合。同時，在基于太陽能資源利用的建筑形體設計中，則應校核南墻面積與其他外表面積之比等參數，控制窗墻比，降低建筑熱能損失。

3.2.2 圍護結構設計

圍護結構在現代民用建筑節能設計中的作用愈發突出，可構造形成冬季保暖、夏季防曬等功能效果，且可滿足自然通風和視線視野等方面的現實要求。為實現維護結構設計的節能目的，可在此區域設置可調節性的應變過濾性裝置。圍護結構設計可同時滿足多項設計指標要求，圍繞基本設計需求進行主動優化設計，并完成對民用建筑節能設計方案可行性的評價。同時，在特定設計方法支持下，可充分把握民用建筑節能設計的基本導向，在舒適度、經濟性與能耗系數等方面做出差異化處理，使最終形成的建筑節能環境更具綜合效益。

3.2.3 自然通風與采光設計

自然通風效果的實現過程同時也是完成建筑室內外空氣交換的過程。在自然通風設計中，可充分利用熱壓作用與風壓作用，促使空氣流動。在單側通風方面，可在民用建筑的特定位置布設開口用于通風，并合理設計開口數量與分布密度，以增強通風效率。在貫流通風方面，則應為空氣的流入和流出分別設置空氣通道，嚴格掌握一字型建筑平面進深，提升自然通風效能。在中庭通風方面，由于風壓變化強度存在規律性，因此可將細化分為多種不同構造形式，優化中庭與實體空間的位置關系。在采光設計中，應充分利用場地和基地環境，優選自然采光與綠色照明方式，運用分區控制分級設計等方面，并配置節能燈具。

3.2.4 綠色空間設計

為改善民用建筑內部微氣候，構造有機生態和無極生態之間的交互體系，可將綠色植被引入綠色空間設計之中。首先，可設計建筑綠色外立面，利用民用建筑在垂直方向上的高度優勢，構造垂直景觀效果，起到自然遮陰和凈化空氣的雙重效果。其次，可設計生態中庭，以綠化植被形式為依托，構造可控制界面開閉的玻璃溫室，創造熱緩沖區，改善建筑內部熱環境。最后，綠色空間設計可借助軟件技術，對建筑內部綠色生態效果進行優化模擬，直觀形象地展現綠色空間設計的整體構造狀態，輔助擇定最優綠色空間設計方案[3]。

3.3 新能源的利用與生態建材

3.3.1 太陽能和風能的利用

太陽能和風能是取之不盡用之不竭的清潔能源，更是提升民用建筑節能設計效果的重要載體。在太陽能利用中，可采用被動式太陽能技術，設計熱惰性墻體結構，發揮其吸收太陽能輻射的優勢作用，在冬季將太陽能輻射熱量轉換為建筑內部供暖資源，在夏季阻斷室外熱量向室內傳遞的路徑，達到自然降溫的預期效果。同時，可采用直接受益式太陽能技術，使用蓄能熱力突出的建筑材料，構造形成熱緩沖區，調節優化室內溫度起伏，以有效降低建筑能耗。在風能利用中，則可結合民用建筑外立面造型，設置獨立運行或與其他發電方式結合運行的風力發電裝置，為建筑提供照明用電，實現風力能源向電力能源的轉化。

3.3.2 熱泵技術的利用

現代熱泵技術的創新運用，為新時期民用建筑節能設計提供了更為豐富靈活的技術手段，使傳統節能技術條件下難以完成的低溫熱源與高溫熱源轉換目標容易實現。在熱泵技術運用中，可充分利用空氣源熱泵、水源熱泵與土壤源熱泵等形式，實現理想的環境效益。其中，空氣源熱泵的裝置構造模式相對簡單，以空氣熱力為主要面向對象，通過特定容量的熱泵實現能源轉換；水源熱泵則可將民用建筑的多余熱量轉移到水源之中，或從水源中提取能量，經提升溫度后，轉入建筑內部；土壤熱泵則以土壤為熱源，可有效保持建筑供熱供冷系統狀態穩定。

3.3.3 新型生態材料的利用

生態材料所獨有的天然特性在綠色建筑設計中具有無可比擬的優勢，可營造返璞歸真、回歸自然的設計效果，符合生態環境多元化的現實需要。以蓄熱性能良好的玄武巖為例，它可在白天吸收熱量，在外界環境溫度降低后再行釋放，縮小建筑內部晝夜溫差，且其肌理和質感可與自然環境相契合。此外，可持續的循環再生材料中蘊藏著顯著的物質能源，其獲得途徑包括工業材料和農業材料等，經嚴格加工處理后形成生態砂基透水磚、HB復合板和人造木材等。可將建筑拆除廢料等進行無害化處理，形成節能、環保、生態的外立面材料，降低傳統混凝土墻體的能耗系數。

3.4 建筑電氣節能

盡量選擇節能型變壓器，有效降低系統短路和空載損失量。此外，節能型變壓器還具有高節能、高工作效率、高抗沖擊力等諸多使用優勢，因此在目前的建筑工程中，節能型變壓器的使用非常廣泛。在實際設計時，設計人員應該對變壓器的容量進行充分考慮。雖然變壓器負載率為50%時的理論能耗最低，但在實際使用時會產生大量無功能耗，因此要充分考慮建筑工程的實際情況，選用最適合的變壓器種類。合理選用電氣設備，集中補償和就地補償結合，可更有效地節省設計、施工的成本。集中大負荷以及集中式電度表箱都要有功率補償，通過采用合適的無功補償措施，可有效改善施工的電壓質量，降低用電損耗，從而提高電力系統的運行效率。

4 民用建筑外圍護節能構造設計

4.1 門窗節能

在傳統民用建筑設計中，往往不注重窗戶節能措施的有效運用，所采用的窗體結構導熱系數大，容易導致室內熱量散發較快，無法在建筑室內形成凝聚效果。對此，一方面可采用熱反射玻璃窗、中空玻璃窗等導熱系數較低的窗體結構，隔絕太陽輻射，提高窗體密閉性，減少熱量損耗。另一方面可適當優化北立面的窗墻比，設計水平式或垂直式遮陽板等，減少空氣滲透量，對窗戶節能各項性能指標進行充分校核。加強窗戶框料的組熱性能，設置減壓槽，增加空氣滲流阻力[4]。

4.2 墻體節能

在現代綠色建筑設計理論推動下，民用建筑墻體部分的節能設計更具靈活性。在墻體節能設計中，可構造基于綠色建筑功能需求的保溫復合外墻，優化在綠色節能維度的性能參數，防止室內熱量無序散失。可采用墻體與建筑外立面一體化的設計方法，選擇具有導熱系數低、可持續、可再生等特征的墻體構造材料，使墻體圍護結構的綠色節能效果更趨穩定，防止墻體結露。運用復合外墻保溫、玻璃幕墻與新型生態墻體等，阻斷建筑結構中常見的冷熱橋現象，改善墻體保溫性能。

4.3 樓板節能

樓板在民用建筑結構中的占比較大，且與人們行為活動密切相關，優化樓板節能效果有助于改善建筑節能效果。在實踐中，可用于樓板節能的技術方法包括低溫輻射技術和地板送風技術，二者在構造方式與節能效果等方面存在顯著差異，應結合民用建筑節能設計需求靈活運用。低溫熱水地板輻射技術可通過熱媒熱力作用，將整個地面作為散熱器，利用蓄熱向上輻射規律，向建筑內部空間散發熱量，不僅節能環保，而且經濟實惠。地板送風技術可高效實現室內空氣熱質交換，節約能源。

4.4 屋頂節能

建筑屋頂是接受太陽光輻射以及承受自然降水的關鍵區域，其節能設計效果的優劣與建筑整體節能狀況密切相關。在此過程中，可設計種植屋面，利用綠色植物的蓄水涵養作用，對屋面多余雨水進行收集，形成屋面水系微循環系統，同步使用外遮陽綠色材料，改善屋面熱舒適性。上述收集到的雨水可在凈化處理后，進入建筑給排水系統，提高利用率。優先采用倒置式保溫，或設計蓄水屋面等，提高屋面的熱惰性指標，挖掘屋頂節能潛力。

5 結語

受自然環境與設計理念等要素影響，當前民用建筑節能設計實踐中依然存在諸多短板與不足，束縛著建筑設計整體效果的優化。因此，技術人員應從民用建筑所處自然環境與地域特點出發，充分運用自然條件帶來的節能元素，配合現代先進科學的智能化與自動化技術方法，拓展豐富建筑節能設計內涵，為彰顯建筑節能設計的核心價值創造有利條件，為推動現代建筑設計行業邁向更高層次保駕護航。

參考文獻

[1] 劉國成.關于民用建筑暖通空調系統節能設計策略的分析與思考[J].低碳世界，2022，12（1）：107-109.

[2] 花蕊.民用建筑節能與建筑設計中新能源的利用與研究[J].中國建筑裝飾裝修，2022（2）：67-69.

[3] 劉炳苡.解析綠色節能技術在民用建筑電氣設計中的應用[J].建筑·建材·裝飾，2021（24）：173-175.

[4] 劉川，王洋.研究高層民用建筑電氣設計中節能減耗必要性及措施[J].中國房地產業，2021（35）：182-183.