室内热环境和建筑节能设计指标
夏热冬冷地区居住建筑节能探讨
摘要：阐述建筑耗能的现状及建筑节能的必要性；讲解节能型居住建筑应从整体规划设计、建筑单体设计、建筑细部构造设计等多方面综合考虑，以实际工程为例阐述节能型居住建筑的设计方法。
关键词：建筑节能；节能型居住建筑设计
1.引言
建筑作为人工自然产品，是人类自身应变自然环境气候的一种延伸手段。建筑发挥着气候“过滤器”的角色，通过利用和防御自然界各种气候因素，为人类创造出良好的室内气候条件。我国古代的传统民居，如北京的四合院、西南的吊脚楼、陕北的窑洞、闽南的土楼等，虽然建筑形式和材料各不相同，但都是长期气候选择和建筑不断应变的结果。随着现代技术水平的提高，人类有时过分地依赖人工设备技术力量，以期实现更高的室内热舒适度要求，结果导致高能耗和自然生态的破坏。我国是能源短缺的国家，但建筑能耗却是同等气候条件下发达国家的2~3倍。高能耗不利于建筑可持续性发展，需要我们重新研究节能设计策略，充分挖掘建筑节能的潜能。
2.建筑节能要求十分迫切
早在20世纪70年代，建筑节能概念就被正式提出。建筑节能的中心是减少建筑耗能，提高建筑中的能源利用效率。同时，建筑节能需以不影响人们感觉舒适度为前提，即室温冬季不低于18℃，夏季不高于26℃。时隔30年，2009年，围绕着石油与能源问题的“大事件”再次集中发生，而我国的能源问题更是显露无遗。
尤其夏热冬冷地区是指长江流域及其周围地区，涉及16个省、自治区、直辖市。该地区面积约180万平方公里，人口约5．5亿，国民生产总值约占全国的48％，是一个人口密集、经济比较发达的地区。该地区普遍存在夏季高温高湿，冬季阴冷潮湿情况，居民对室内舒适度满意率低。
另一方面，住宅空调和采暖需求逐年上升，空调用电成为夏季居民用电的主要部分，
用电高峰负荷已经对电网容量与安全形成挑战。冬季普遍采用电采暖，部分地区开始建设集中采暖设施为居住建筑供热，能耗大大增加。在这样的背景下，实施改造面积夏热冬冷地区既有居住建筑实施节能改造，一方面可以提升建筑用能效率，降低建筑用能需求，有效缓解建筑能耗增长压力；另一方面可以提高建筑室内热舒适性，有效改变居住建筑室内夏季过热、冬季过冷的状况，减少室内噪声，更好地惠及民生。
过去由于经济和社会的原因，该地区的一般居住建筑没有采暖空调设施，居住建筑的设计对保温隔热问题不够重视，围护结构的热工性能普遍很差，冬夏季建筑室内热环境与居住条件十分恶劣。
随着这一地区的经济发展和人民生活水平快速提高，居民普遍自行安装采暖空调设备。由于没有科学的设计和采取相应的技术措施，致使该地区冬季建筑采暖、夏季建筑空调能耗急剧上升，能源浪费严重，居民用于能源的支出大幅度增加，居住条件也未得到根本改善。
3、建筑节能标准的总体构想
建筑能耗受当地气候条件、建筑热环境质量标准、室内空气质量标准、建筑热工性能、采暖空调设施性能和建筑使用管理情况等诸多方面共同制约,总体关系错综复杂。建筑节能标准必须把握好这个总体关系,不宜脱离总体关系孤立确定某一个方面的指标。要紧密结合过渡地区的气候特点、社会经济发展水平,综合制定建筑热环境标准、室内空气质量标准、建筑能耗指标、建筑热工指标和采暖空调设备的能源利用效率以及配套的技术细则。
制定节能标准应该确立以下基本原则:
(1)改善建筑热环境,提高居住质量是该地区人民的强烈要求与基本权利,不能以压抑这方面的需求来抑制建筑能耗的增长;
(2)室内空气质量是与居住者的身体健康和工作学习效率密切相关的,不能以牺牲室内空气质量为代价获取节能效果;
(3)建筑是个多功能系统,不能以建筑节能为由,影响和妨碍其它功能的实现;
(4)建筑节能标准应依靠科学技术进步,提高建筑热工性能和采暖空调设备的能源利用效率,不断提高建筑热环境质量,降低单位建筑面积能耗。
4.节能型居住具体建筑设计方法
建筑节能设计应从以下几个方面考虑：1）、总体规划设计；2）、建筑单体设计；3）、建筑细部构造设计
1、建筑选址
建筑基地不适宜选择在山谷、洼地及凹地等处，因冬季冷气流在凹地里易形成对建筑物的“霜洞”效应。位于凹地的底层或半地下层建筑为保持所需的室内温度所消耗的能量，就会相应的增加。所以建筑基地应尽量选择在向阳、避风的地段上，为建筑争取日照创造必要的条件。
2、建筑布局
设计中要充分考虑夏季有利的主导风向（通风致凉）和避免冬季不利的主导风向（避风保暖），综合考虑采光、通风、保温和防晒等因素，合理安排群体布局和建筑朝向。如南京属典型的夏热冬冷地区，又具有大陆性气候特征，夏季炎热多东南风、冬季寒冷多西北风，在进行小区群体布局时，一般将小体量的低层、独立式住宅放在南面，大体量的高层住宅放
在最北面，可以最大限度地满足夏季自然通风和冬季阻挡不利的西北风的需要。
3、建筑形态
节能建筑的形态不仅要求体型系数(外表面积／体积)小，同时需要夏季日辐射得热少，冬季还需要对避寒风有利，但满足此三项需要的建筑形体常不一致，因此应考虑多种因素的制约，包括当地夏季气温和日辐射照度、建筑朝向、各围护结构的保温状况和局部的风环境情况，需要具体权衡得热和失热的具体情况，优化组合各项因素后得出结论。建筑间距
阳光对于个人不仅有卫生学的意义，同时对人的心理及精神也具有一定的影响。它不但是热源，同时还可以提高室内的日照水平，保证住宅室内具有一定的日照量，从而决定建筑间最小间距，并结合其他条件综合考虑建筑群体的布置。建筑采用斜屋顶在满足日照的前提下可以缩小住宅间距。建筑通风
适当布置建筑物，冬季降低冷风风速，可减少建筑物和场地表面热损失，节省能耗；夏季可以组织良好的通风，在建筑物之间及建筑内部形成良好过堂风。
4、建筑朝向
朝向的选择考虑因素有：冬季具有适量和一定质量的日光照入室内；炎热季节尽量减少太阳直射室内及居室外墙面；夏季通风良好，冬季避免冷风吹袭；充分利用地形和节约用地；照顾居住建筑群体组合的需要。
5、环保概念的体现
环保一个重要的体现方面是小区绿化。小区绿化要综合考虑绿化覆盖率、人均公共绿地指标和生物多样性、植被的生态效应等诸多因素。可以考虑乔灌草相结合，以乔木为主；同时建议多布置立体绿化，见缝插绿；步行道、停车坪、水体护岸和水底地面不宜一概“硬化”，应该给大地以透水透气的余地。屋顶绿化不仅可以改善小区的环境绿化条件，还能改善建筑屋面的热工性能。
6、建筑单体设计
建筑市场中，住宅开发商为了达到土地最大利用率的目的，往往要求建筑师按容积率的最高值进行设计，甚至超值设计，这样导致许多新建住宅多为一梯六户、一梯八户，甚至一梯十户以上都有。这种住宅单体平面在实际使用中通风将十分不利，特别是在夏季，室内积聚的热量难以散失，必须采用人工通风或空调降温，大大增加了建筑使用的能耗。而且目前的许多住宅设计，建筑立面窗户的设计主要是从立面造型方面考虑——采光面积大，可开启窗户面积小，这样的设计不但对隔热不好，对通风就更加不利。这都是因为忽视建筑单体的通风设计所造成的。所以，一定要做好建筑单体的通风设计，而且要从平面和剖面两方面考虑。
平面的通风设计应注重以下几个问题：
第一，平面设计尽可能按有利于空气的贯穿进行考虑。建筑的进深应有效控制，避免建筑体型过于臃肿。房间的门窗位置应合理安排，窗户的朝向应有利于形成穿堂风，从而增加房间内的空气流动，利于室内换气。
第二，从通风的角度来讲，窗户可通风面积的大小是决定室内风速的关键，但前提是必须要保证进风口和出风口的同时存在，才能由于正负风压的作用而形成空气的流动。研究表明，空气流动的平均速度取决于较小尺寸的开口。因此，单方面增大进风口或出风口面积，并不能对室内气流平均速度有太大影响，而为了增强室内穿堂风的效果，必须同时增大进风口和出风口。这样也有利于室内保持较为稳定的风速和均匀的流场，提高人体舒
适度。
第三，窗户的开启形式对通风面积和气流的流场均产生较大的影响。如推拉窗与平开窗比较（相同窗户面积），平开窗的最大通风面积是推拉窗的两倍，通风效果明显优胜。上悬
窗与平开窗对比，两者的最大通风面积相同，但由于两窗的窗叶开启形式不同，所引导空气产生不同的流场，造成的通风效果也明显不同。因此，从通风的角度考虑，对于有利于建筑通风的窗户应尽可能采用提高通风面积的形式，窗户开启的角度和位置要慎重考虑，科学设计，将室内空气主流场控制在房间剖面的主要使用高度。
除了平面设计时应对通风重点考虑之外，建筑剖面的通风设计其实也十分重要，一般应注意以下两点：
其一，进出风口的高低决定了室内空气流动的方向，对人体的舒适度影响较大。因此，一般应结合房间的实际使用功能设计剖面的通风高度。如办公室，通风高度应设在人坐姿的头部位置；住宅内的通风高度控制可按不同功能要求确定，起居室、书房、餐厅应以坐姿为参考，厨房应以站姿为参考，卧室可以卧姿为参考。窗台的高度应按实际通风要求进行相应调整，才能获得较为理想的通风效果。
其二，在建筑物剖面的上部设置出风口，使平面面积较大的建筑物也有良好的通风效果。具体做法可在大进深的建筑物中部设置若干贯通的垂直空间，此空间应高于建筑物屋面，并设置相应数量的出风口，由于太阳辐射的加热作用使该空间形成烟囱效应，促进气流上升，实现热压通风散热，这就是所谓的“太阳能烟囱”。建筑内部设置了“太阳能烟囱”，可实现无风状态的自然通风，室内温度得到了有效的降低，换气次数得到了明显的增加，在节能方面有很好的成效。该技术已被日本的文教建筑广泛采用，在我国积极倡导节能的大形势下，很值得我们借鉴。
7、建筑细部构造设计
建筑围护结构对建筑保温起到决定性的作用，但其中的热桥问题往往是人们所最容易忽略的。当代建筑由于追求造型的变化，立面上的凹凸进退增多，突出墙体、屋面的构件也越来越多，外飘窗得到了广泛的使用，这些设计手法丰富了建筑造型，却无形中增加了热桥的产生，对建筑节能带来不利的影响。
产生热桥的原因主要有两个：一是因为该部位的传热系数比相邻部位的传热系数大得多，热阻小，保温性能较差；二是因为该部位的受热面积远小于其散热面积，从而失热过多，内表面温度较低。围护结构中钢筋混凝土梁、柱、板的相互交接处，外墙与外墙、内墙、以及窗户的连接处，保温门窗中的金属门框，以及突出屋面的女儿墙、排气孔与屋面交接部位等，都是围护结构中热桥形成的主要部位。
在寒冷的季节，室内的热能就会通过热桥大量地流失。不妥善处理好这个问题，对于建筑节能会造成很大的影响。因此，在需要考虑冬季保温的地区，必须要做好外墙、屋面以及门窗的保温，构件自身的物理性能应满足节能标准的要求。在防止热桥产生的构造处理方法上，墙体的外保温比内保温更为有效，可避免室内外温差加大，保持较为稳定的室温和舒适度，防止保温层受潮，避免热桥的产生。
实践证明，在采暖期采用相同厚度保温材料的外保温要比内保温减少约1/5的热损失，而在夏季，墙体的外保温做法还能减少太阳辐射热和室外热空气与外墙的表面换热，隔热效果也优于内保温做法。对于建筑中使用较多的铝合金门窗，解决热桥的方法是改采用新型的断热桥型铝合金门窗或铝塑复合门窗，且应同时配置三玻中空玻璃或Low-E中空玻璃，这样就能保证门窗达到节能65％的要求[。其它的如屋面、外墙角、挑出构件与主墙体的连接位等热桥部位，应严格按照国家规范要求加强建筑局部的保温措施，防止热散失。从总体上讲，防止热桥的产生就要平衡建筑围护结构的传热，控制各组成部分的传热系数相接近，保证各部位的传热均匀。这就需要建筑师熟悉各种建筑材料的物理性能，在设计时对用材要仔细研究，合理配置，从根本上减少热桥的产生，最终达到节能的目的
5、夏热冬冷地区居住建筑节能在政策方面的体现
《国务院关于印发“十二五”节能减排综合性工作方案的通知（国发〔2011〕26号）明确指出，“十二五”期间完成夏热冬冷地区既有建筑节能改造5000万平方米。
2013年1月1日，国务院办公厅以国办发〔2013〕1号转发国家发改委、住房城乡建设部制订的《绿色建筑行动方案》，再次明确要实施夏热冬冷地区既有居住建筑节能改造。为贯彻落实国务院文件精神，财政部、住房和城乡建设部联合下发了《关于推进夏热冬冷地区既有居住建筑节能改造的实施意见》（建科[2012]55号），决定在夏热冬冷地区试点既有
居住建筑节能改造工作，探索适宜的技术路线和改造模式。并相继颁布了《夏热冬冷地区既有居住建筑节能改造技术导则（试行）》（建科[2012]173号）。《夏热冬冷地区既有居住建筑节能改造补助资金管理暂行办法》（财建[2012]148号）。这些文件的发布标志着夏热冬冷地区既有居住建筑节能改造进入试点起步阶段。
6、建筑设备节能设计应注意的问题
建筑的节能设计，必须依据当地具体的气候条件，首先保证室内热环境质量，同时，还要提高采暖、通风、空调和照明系统的能源利用效率，以实现国家的节能目标、可持续发展战略和能源发展战略[1]。
1）合适、合理地降低设计参数
合适、合理的降低设计参数不是消极被动地以牺牲人类的舒适、健康为前提。空调的设计参数，夏季空调温度可适当提高一点如25～26℃、冬季的供暖温度可适当低一点。
2）建筑设备规模要合理
建筑设备系统功率大小的选择应适当。如果功率选择过大，设备常部分负荷而非满负荷运行，导致设备工作效率低下或闲置，造成不必要的浪费。如果功率选择过小，达不到满意的舒适度，势必要改造、改建，也是一种浪费。建筑物的供冷范围和外界热扰量基本是固定的，出现变化的主要是人员热扰和设备热扰，因此选择空调系统时主要考虑这些因素。同时，还应考虑随着社会经济的发展，新电气产品不断涌现，应注意在使用周期内所留容量能够满足发展的需求。
3）建筑设备设计应综合考虑
建筑设备之间的热量有时起到节能作用，但是有时候则是冷热抵消。如夏季照明设备所散发的能量将直接转化为房间热扰，消耗更多冷量。而冬天的照明设备所散发的热量将增加室内温度，减少供热量。所以，在满足合理的照度下，宜采用光通量高的节能灯，并能达到冬夏季节能要求的照明灯具。
4）建筑物空调方式及设备的选择，应根据当地资源情况，充分考虑节能、环保、合理等因素，通过经济技术性分析后确定。
7.结束语
对人居环境的探讨，一直以来都是建筑界所关注的问题。无论在建筑节能，降低建筑能耗，还是在提高人居舒适度，创造新型的住宅建筑，都取得了很大的成效。但是面对这个庞大的建筑领域，建筑能耗是显而易见的，微小的能耗变化，都将决定对能源的如何分配。
当然，建筑节能是一个复杂的系统工程，涉及方方面面的问题。上文所提及的只是其中的一部分，它们往往不被重视甚至被忽视，这会造成许多的设计漏洞，使建筑物能耗增加。，在今后的设计中多研究、多尝试、多积累、多总结，在有限的条件下将建筑功能与艺术和技术更好地结合，使建筑设计的各个方面都能体现节能的原则，努力创造低成本、高效率的节能建筑。
参考文献：
1、宋德萱. 节能建筑设计与技术. 同济大学出版社.
2、中华人民共和国建设部建筑节能办公室. 夏热冬冷地区建筑节能技术. 中国建筑工业出版社
3、沈致和. 住宅节能原理与设计. 安徽科学技术出版社
4、李德英. 建筑技能技术. 机械工业出版社
5、《浙江省民用建筑热环境与节能设计标准》