寒冷地區超低能耗建筑與綠色建筑設計思考

張達

(太原市聚川都市建筑工程設計有限公司，山西 太原 030024)

在全方位推進雙碳目標落實，貫徹新發展理念的背景下，超低能耗建筑與綠色建筑發展勢頭愈發強勁。建筑設計落實期間，注重對超低能耗及綠色建筑設計方法的應用，可減少建筑業高能耗、高污染狀況，促使城市實現可持續發展。以寒冷地區為例，在寒冷地區，完善超低能耗建筑和綠色建筑思路設計部署，在能滿足用戶生活基本需求同時，還可高效應對能源短缺、氣候惡劣等因素限制，應用價值顯著。故研究本課題，具有重要的意義。

1 寒冷地區綠色建筑設計

綠色建筑是指以保護環境、減少污染為目標的新型建筑主體。設計過程中，常會遵循因地制宜原則，以建筑使用安全度提升環境資源短缺高效解決為前提，完善統籌布局，助推人與自然和諧共生目標順利實現。

本文將立足于寒冷地區建筑特征，以某地區綠色建筑示范工程為研究對象，以低能耗維護結構保溫、分庭戶地板控制、輻射采暖、太陽能熱水等多分支系統的設計落實為切入點，對寒冷地區建造綠色建筑技術實現總結，望能為其他施工作業人員累積經驗。

1.1 項目概況

本項目為某市核心交通地帶，總建筑面積約4 000m2，高27m，共計九層，其中地上、地下分布分別為8層、1層，全樓均屬躍層設計。案例建筑主體，其內在的體形系數指標數值約為0.29，符合北方地區建筑節能設計標準中有關體形系數的實體建造需要；南、北向窗墻比實體數值分別為0.4、0.3，東西則無明顯外窗。具體設計踐行期間，考慮到南面落地窗面積較北方向相比，相對較大，且北立面存在大面積玻璃幕墻，不符合建筑節能設計標準之中有關于窗墻比的具體要求[1]。

1.2 綠色建筑設計實踐落實

1.2.1 圍護結構低能耗設計

基于采暖系統視角來看，建筑物耗熱量常由兩部分構成，兩個主體分別為傳熱耗熱量、空氣滲透耗熱量，故而，想要實現最優化節能設計，作業人員必須提高思想站位，自覺減少維護結構內部環節，與之對應的兩主體細節量，以科學維持各部位傳熱系數減少率，確保更高節能目標能夠順利實現。

以本案例工程為例，設計人員在設計期間，考慮到建筑外墻厚度200mm，且均為混凝土墻，故基于最優化經濟原則，計劃利用100mm厚的硬泡聚氨酯，將此主體材料當作保溫主材料，以確保外墻傳熱系數指標數值，能夠始終維持在0.25W/m2·K。同時計劃在屋面采用厚度超200mm的擠塑聚苯板落實保溫，以保障其傳熱系數可順利維持在建筑節能設計標準要求中。

此外，為保障整體的綠色建筑設計更加滿足低能耗要求，還計劃對不同節能力所對應的建筑耗熱量指標實現精準計算。首先，依據采暖耗煤量計算公式，推算出建筑實體耗熱量指標，采暖耗煤量公式如下：

式中，qc表示設計的采暖耗煤量，單位為m2；Z表示采暖期天數，考慮到工程位于北方地區，故按照131d來加以計算；Hc表示標準煤熱值，單位為W·h/kg，這里取值8 140，η1表示室外管網輸送實體效率，η2表示鍋爐運行實際效率。依據上述公式計算得出的不同節點，節能率指標可看出，在建筑耗熱量指標明顯小于8.2W/m2這一區間數值時，建筑主體可有序達到節能八成指標，效果顯著。

1.2.2 綠色建筑采暖系統設計

本案例工程綠色建筑重點借助分庭式控制原則，實現的分戶計量地板輻射采暖系統設計。整體采暖系統，各房間獨立性較佳，內部均含帶完整性強的單獨布置回路，在各回路具體設計落實期間，是嚴格依據房間負荷需要這一指標展開的確定工作，實用價值較強。同時各房間都單獨設計了感官溫度計，以促使控制目標實現，且每戶還設計了獨立的供暖計量系統，計劃以單位計量系統的助力，完成整戶計量供暖流量操作，實驗證明設計產生效果良好，采暖收費工作展開十分便利。同時針對熱源方面，設計人員還計劃利用當地專業熱電廠所提供的高溫水實現供熱處理，在實操期間積極以小區為具體單位，憑借集中換熱站的介入，落實區域性供熱操作。據調查，在換熱之后，水溫可達50℃左右，用戶采暖舒適性需要能夠被充分滿足，適用性明顯。

1.2.3 綠色建筑太陽能系統設計

(1)太陽能熱水系統，本建筑主要采用太陽能集中-分散式熱水系統來聚焦用戶熱水供應狀況不良問題。此系統介入，可24h不間斷實現熱水供應，具體設計落實如下。首先，集中在屋頂部位布置規格統一的多臺太陽能集熱器，并以并聯手段介入，實現集合式集熱隊列，其次以個體住戶為踐行單位，憑借光電兩用頂水承壓換熱水箱的介入，確保太陽能能夠得到最大化利用。最后還在系統之中設置了自動在線拍動功效，無人化管理工作得以順利實現[2]。

除此之外，因本建筑太陽能熱水系統設計方案是依據季節變化具體需求所展開的方案設計落實，它的介入和保障在春季、秋季期間，基本不需要依靠任何輔助能源就可以順利完成以電加熱補充操作。具體設計要嚴格以太陽能熱水系統技術規范指標為落實依據，在充分計算出個體用戶所需熱氣采光面積后，再展開太陽能熱水系統設計參數制定，針對性十足。本建筑太陽能熱水系統相關設計參數指標數值如表1所示。

表1 太陽能熱水系統具體設計參數

(2)太陽能照明系統，照明系統則采用六塊太陽能電池板為具體媒介，進而實現太陽能合理轉化為電能這一目標。末端設計期間是計劃在各層走廊處設置的節能燈，并采用智能開關加以控制，以確保節能效果能夠得到最大化激發。

1.3 節能成果總結

立足于本綠色建筑保溫結構而言，在超低能耗維護結構保溫系統的介入下，標準煤使用量明顯減少，直觀地降低了能源消耗的同時，還可為減少溫室效應出現作貢獻。同時在多系統協同運作下，公共部分的電力燃煤需求也得到有效節約。據統計，每年可減少使用近30t的標準煤，經濟價值十分顯著。

2 寒冷地區超低能耗建筑設計

超低能耗建筑設計是指適應當地氣候特征，實現被動式建筑設計，以順利提升能源設備利用率。隨著超低能耗建筑理念在我國建筑落實期間的飛速發展，人們愈發看重設計產出成效，尤其是寒冷地區這一氣候條件相對較為特殊的地區，想要在此地區范圍內最大化激發低能耗建筑設計價值，設計人員就需要研究針對寒冷地區的超低能耗設計策略，以促使超低能耗建筑更好展現節能成效[3]。

下面，筆者將通過分析我國寒冷地區溫、濕度、風環境、日照指標等要素，在充分結合超低能耗建筑設計指標基礎上，從總體設計、圍護結構、無熱橋結構、遮陽設計等方面入手，提出適宜寒冷地區建筑落實的超低能耗設計策略。

2.1 寒冷地區特征分析

寒冷地區重點集中在華北地區，這些地區普遍冬季采暖區相對較長，冬季夏季溫差較大。據統計，夏季平均氣溫可比冬季氣溫高近25℃，日照輻射強烈，夏季日照輻射強，冬季日照輻射弱，在具體落實超低能耗建筑設計期間，要充分考慮上述氣候特征，結合相關設計標準，落實好超低能耗設計，以順利實現低能耗建設目標。

2.2 基于寒冷地區的超低能耗建筑設計策略

2.2.1 建筑總體平面設計

超低能耗建筑在設計期間要統籌規劃，遵循寒冷地區氣候特征，將日照輻射氣溫差等要素作為重點考察對象，以太陽能的介入，有效降低對傳統能源依賴。此外，平面設計也屬于節能的重要因素，在建筑落實平面設計期間，要確保建筑平面簡潔，以凹凸處數量的有機減少，盡可能降低體形系數，進而為獲得最優節能效果助力。在具體功能布局時，要有統籌意識，充分考慮氣候緩沖功效，完善設計格局。

2.2.2 圍護結構設計

因超低能耗建筑，其維護結構的傳熱系數相對較小，故要合理增加具體的保溫層實體厚度，保障保溫層厚度達200mm以上。同時，在具體外圍護結構設計期間，也要盡可能簡約減少裝飾布置，以有效保障維護結構整體性。

2.2.3 無熱橋構造設計

無熱橋構造系統設計作為超低能耗建筑設計的重中之重，它的設計落實會直接決定建筑節能最終產出成果，并對維護結構內部溫濕度分布產生直觀影響。在落實無熱橋構造這一主體環節，實踐設計期間，要自覺選用傳熱系數低的材料，并將其看作建筑主材料，盡可能不破壞保溫層連續性，進而保障整體設計更為科學。

2.2.4 遮陽設計

寒冷地區夏季氣溫高，日照輻射的存在，會使得室內溫度直線增加，為此遮陽設計也必不可少。在具體遮陽設計落實期間，要嚴格依據當地緯度及氣溫年平均變化數值來充分考慮適宜的方式，憑借遮陽角度及遮陽方式的有機介入，實現日照輻射的最合理利用。如若想要采用水平手段遮陽，在設計期間可以依據春分這一節氣作為具體分界，高效計算出春分時期太陽高度角，憑借被動式遮陽設計的落實，更為合理利用日照輻射資源[4]。

2.2.5 內部空氣質量設計

因超低能耗建筑，其氣密性相對較高，為此整體的室內空氣流通性較差，故想要優化整體的設計成效，室內空氣質量問題也要重點考慮。在具體設計踐行期間，要有意識強化過渡季節通風，被動式措施介入力度，基于問題導向原則，制定適配度高的被動通風計劃，以自動門窗控制介入，實現在線監測環境狀態目標，為切實保障室內空氣環境助力。

2.3 應用實踐

依據本文所提出的統籌式超低能耗建筑設計決策手段，可為建筑設計人員在前期方案設計期間，落實基準評判、設計方案決策等工作提供重要支持。促使建筑師嚴格依據低耗能目標，高效地選取設計策略，強化階段性設計深度，介入價值十分顯著。本章，筆者將以兩個寒冷地區居住建筑為例，通過分析在應用本文研究成果后設計各階段能耗目標，驗證輔助設計決策是否有效。

2.3.1 案例1

案例1地處天津，屬3層雙拼式住宅建筑，共四層，地上3層、地下1層，戶型建筑面積約為240m2。

案例1具體設計期間，嚴格基于個體量化目標導向，落實了整體的性能革新設計。此設計布局，不僅可持續挖掘節能設計發展潛力，還能順利保證超低能耗作業指標順利實現，經濟價值十分顯著。

步驟如下：依據上文所提及的設計踐行目標計劃，計劃以設計策略敏感度的排序為判斷基準，充分分析原方案設計信息之中的不足之處，并針對存在問題形成備選方案。原方案設計信息中，南向窗墻比、北向窗墻比及東向窗墻比分別為0.44、0.25、0.28，各類別窗墻比均存在進一步優化的發展潛力。故計劃在生成備選方案期間要合理增大各方向窗墻比所占比例，以科學明確能源目標值為參照依據，對圍護結構性能參數、遮陽設計參數、無熱橋構造設計參數、輔助供暖供冷參數實現優化設計，價值十足。

2.3.2 案例2

項目位于寒冷地區天津，是 1 棟高度為16層的板式高層住宅建筑，各層均為2梯4戶式布局。

在具體建筑設計期間，考慮到實際建筑采暖需求為35.9 kWh/m2a，雖然滿足現實需求，但與具體基準值依舊存在一定差距，故判定原有設計方案存有進一步優化空間。對此，設計人員立即反應，積極運作，為滿足形體生成階段能耗目標，有機降低采暖需求，計劃依據天津現行節能設計標準，在盡可能確保建筑室內熱環境達標的同時，合理優化形體設計布局，最大化挖掘各組織形體生成環節的環保節能發展潛力，為后續更完善的展開維護結廬設計提供支持[5]。

依據實際結果表明，案例2優化設計過程，在應用本文所提出的相關設計方式框架之后，整體的被動式超低能耗建筑設計效率顯著提升，建筑總體平面設計、建筑圍護結構設計、建筑無熱橋構造設計、建筑遮陽設計產出成效順利達到既定目標，適宜價值明顯。

3 結語

綜上所述，在針對寒冷地區這一主題，相關建筑實現超低能耗綠色設計組織工作時，作業人員需提高思想站位。首先，對當地實際氣候條件以及個體居民多元化需求實現了解，并以具體問題具體分析原則介入，細致化地對超低能耗和綠色設計技術落實科學選用，進而高效率滿足建筑綠色發展需求，以使超低能耗建筑及綠色建筑實現價值。