浅析建筑节能设计 高花英

浅析建筑节能设计 高花英 摘要：能源是一个国家的经济命脉。我们的生活与能源息息相关，随着城市现代化建设的不断发展，我国能源消耗已向大国迈进。如今国际能源危机加剧，我国也将面临着巨大的能源挑战。所以为了响应国家的号召，同时也为了节约能源，我们推出绿色建筑的设计理念。绿色建筑设计中最关键的是建筑本身的节能，故建筑节能成为当今社会高度关注的现实问题。本文着重从建筑围护结构的节能设计视角出发，结合实际项目，分析建筑节能的方法以其存在的问题、同时也阐述了建筑节能存在的必要性。 关键词：建筑、节能设计、气候

2006年我刚入行建筑设计，那时还没有建筑节能设计一说，直到2007年上海市提出建筑节能设计这一理念。相对其他发达国家，我国提出建筑节能设计要晚些，从而建筑能耗要比发达国家高很多。为此，不断地开发各种节能建筑材料，更新建筑节能技术，提高建筑物的能源利用效率至关重要。实现建筑节能的技术途径，在尽量减少建筑内能源总需求量的同时，大力开发利用可再生的新能源，从而减少使用在建筑领域内易引起环境污染的能源。减少建筑内能源总需求量主要从建筑规划与设计，建筑围护结构，提高总的能源利用效率方面着手，在节约能源、保护环境方面，新能源的利用起至关重要的作用。随着建筑节能技术的不断提升，对于建筑材料的要求也越来越高，比如绿色环保型的等，因为建筑材料是组成建筑的基础，同样在建筑节能设计中也起到至关重要的作用。 经粗略估算，采取周密、有效的建筑技术措施可以降低2/3～3/4的建筑能耗。因此，在建筑规划设计、建造和使用过程中，在满足室内环境舒适、卫生、健康的条件下，采取合理有效的建筑节能技术，有利于实现建筑节能和环保共进的目标。 1、建筑规划与设计 面对全球能源环境问题，不少全新的设计理念应运而生，如低能耗建筑、零能建筑和绿色建筑等，它们本质上都要求建筑师从整体综合设计概念出发，坚持与能源分析专家、环境专家、设备师和结构师紧密配合。在建筑规划和设计时，根据大范围的气候条件影响，针对建筑自身所处的具体环境气候特征，重视利用自然环境（如外界气流、雨水、湖泊和绿化、地形等）创造良好的建筑室内微气候，以尽量减少对建筑设备的依赖。具体措施可归纳为以下三个方面：合理选择建筑的地址、采取合理的外部环境设计；合理设计建筑形体（包括建筑整体体量和建筑朝向的确定），以改善既有的微气候；合理的建筑形体设计是充分利用建筑室外微环境来改善建筑室内微环境的关键部分，主要通过建筑各部件的结构构造设计和建筑内部空间的合理分隔设计得以实现。 建筑体形系数是建筑物与室外空气直接接触的外表面积与其所包围的体积的比值，外表面积不包括地面和不供暖楼梯间内墙的面积。根据定义我们可以看出，建筑体形系数反映了一栋建筑体型的复杂程度和围护结构散热面积的多少，体形系数越大，则体形越复杂，其围护结构散热面积就越大，建筑围护结构传热耗热量就越大，因此建筑体形系数是影响建筑物耗热量指标的重要因素之一。为了减少建筑物外围护能耗的损失，不同气候地区都对建筑体形系数做出了限定。比如寒冷地区、严寒地区就直接规定，建筑体形系数不满足节能设计要求的不给以节能设计评判。比如我北京的一个园区接待服务中心的项目就是典型的体形系数不满足当地节能设计要求从而无法进行节能计算。该项目的方案阶段我没有参与，从施工图阶段接手，当看到每个小单体的时候，我就在担心体形系数不能满足北京市当地规范要求，因为在整个项目中，一共有11个小单体，但只有三个小单体（1#—3#楼）的楼层超过两层，其余（4#—11#楼）都是一层的，再加上一层的小单体面积都很小，都没超800平方，而且楼层也不高，基本上都是4.2米的层高，通过节能计算，只有1#—3#楼的建筑满足节能要求，其余楼号的体形系数都不满足规范要求。可方案已经通过审批，在施工图阶段不可能大调整平面，如此情况下，要么增加楼层、增加高度从而让体形系数满足要求，要么就是把每个小单体连在一起当一个主体来进行计算，因为接待中心各单体的底层是通过室外连廊及内庭的形式紧密相连的，后经审图部门的同意，接受了各单体除了体形系数其他指标满足规范要求，整体连在一起满足体形系数的要求这一观点。由此可见，体形系数对建筑节能设计的影响至关重要，特别是在严寒和寒冷地区。为了避免再出现此类问题，设计师在进行建筑设计的时候应该提高意识，尽量做到建筑平面布局紧凑，减少外墙凹凸变化、加大建筑物的进深、合理设计建筑物的层数、加大建筑物的体量，只有这样才能保证建筑的体形系数越小，从而使建筑物节能效果越好。 2、围护结构 建筑围护结构组成部件（屋顶、墙、地基、隔热材料、密封材料、门和窗、遮阳设施）的设计对建筑能耗、环境性能、室内空气质量与用户所处的视觉和热舒适环境有根本的影响。 （1）屋顶 屋顶的保温、隔热是围护结构建筑节能的组成之一。在寒冷、严寒地区屋顶设保温层，以阻止室内热量散失；在炎热地区屋顶设置保温隔热层以阻止太阳的辐射传热至室内；而在夏热冬冷地区，则要冬、夏兼顾。 现如今比较常见的屋顶节能措施：保温隔热屋顶、架空通风屋顶、种植屋顶（绿化屋顶）、蓄水屋顶、其他新型屋顶等。 保温隔热屋顶的做法一般有两种形式：正置式保温及倒置式保温。正置式保温屋顶是指保温层位于防水层下方，这类保温做法也是现今保温常用的技术措施，其保温材料主要有岩棉、玻璃棉、膨胀珍珠岩等；倒置式保温屋顶是指防水层位于保温层下方，这类屋顶保温层厚度一般在节能计算达标的基础上增加25%的厚度。保温隔热屋顶除采用保温材料外，还包括有屋顶反射降温隔热屋顶、绝热反射膜屋顶、降温涂料屋顶和节能屋面瓦屋顶。 架空通风屋顶是指在屋顶设置通风的空气间层，利用间层中空气的流动带走热量，降低屋顶表面温度。 蓄水屋顶，即在刚性防水屋面上蓄水，其目的是利用水蒸发带走水层中的热量，消耗屋面的辐射热，从而减弱屋面的传热量和降低屋面温度，是改善屋面热工性能的有效途径。 在屋面上铺以种植土，并种植植物，使其起到保温、隔热和生态环保作用的屋面称为植被屋面。 其他新型屋顶，目前用的最广泛的是利用智能技术、生态技术来实现建筑节能的愿望，如太阳能集热屋顶和可控制的通风屋顶等。 这几种屋面节能措施均能不同程度地满足屋顶节能的要求。大家可以根据项目的实际情况，所在的气候地区选择最适合的屋顶节能措施，同时选用的屋顶保温材料其燃烧性能要满足《建筑设计防火规范》（2018版）的要求。 （2）外墙 墙体保温系统的设计是建筑节能设计的关键环节。墙体保温系统一般含有外墙外保温、外墙内保温、外墙自保温等。 外墙外保温指采用一定的固定方式（粘贴、机械固定、粘贴+机械固定、喷涂、浇筑等），把导热系数较低（保温隔热效果好）的绝热材料与建筑物墙体固定一体，增加墙体的平均热阻值，从而达到保温或隔热效果的一种工程做法。 外墙内保温的保温层构造位置使得建筑物的外墙与内墙分别处于两个不同的温度环境。外墙既要承重又要起保温作用，外墙厚度必然较厚。采用高效保温材料后，墙厚得以减薄。但如果采用内保温，主墙体越薄，保温层越厚，热桥的问题就越趋于严重。在寒冷的冬天，热桥不仅会造成额外的热损失，还可能使外墙内表面潮湿、结露，甚至发霉和淌水，而外保温则可以不存在这种问题。内保温材料的板缝被温度变化而产生的外墙变形应力拉开，经过几个年温差对外墙的变形影响，这种材料板缝裂缝终归是会产生的。外保温墙体控制裂缝要比内保温墙体控制裂缝的发生容易的多。外保温相对于内保温来说还可以增加房间的使用面积，内保温一旦业主自行装修很容易就破坏其保温效果，而外保温则不会。 现今市场上常用的保温材料：膨胀聚苯板（EPS板）、挤塑聚苯板（XPS板）、岩棉板、玻璃棉、胶粉聚苯颗粒保温浆料、聚氨酯发泡材料、泡沫玻璃保温板、发泡水泥板、水泥基无机保温砂浆、石膏基无机保温砂浆等。受《建筑设计防火规范》（2018版）的影响，其实可选的建筑外墙保温材料少之又少。一般情况下，我所接触的项目大部分屋顶选用挤塑聚苯板（XPS板）、泡沫玻璃保温板，外墙外保温选用岩棉、玻璃棉板，在夏热冬热地区、严寒及寒冷地区的项目基本上都能达到节能要求。例如我有个项目兰州国际高原夏菜副食品采购中心一期B2-1至B2-3商业及办公区，位于寒冷地区，当时设计的时候屋顶采用70厚挤塑聚苯板，外墙采用60厚岩棉板就能满足寒冷地区甲类建筑平屋顶满足《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）第3.3.1-3条K≤0.45W/（㎡.K）的规定及寒冷地区甲类建筑外墙满足《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）第3.3.1-3条K≤0.5W/（㎡.K）的规定。 （3）门窗 现今很多建筑都喜欢采用玻璃幕墙或者大量的玻璃窗，这样虽然采光很好，但不利于建筑节能。可以说在整个建筑外围护结构中，门窗的绝热性能是最差的，也是影响室内环境质量和建筑节能的重要因素之一，在每个项目中基本上门窗的能耗约占整个建筑围护构件总能耗的一半左右，故必须合理设计建筑窗墙面积比。窗墙面积比是指单一朝向立面上窗户面积（包括阳台门透明部分）与该朝向外墙建筑立面面积（不包括女儿墙面积）之比，窗户面积按洞口面积计。从这定义可以看出，窗墙面积比跟建筑的朝向有关，也就是建筑物的角度。全国公共建筑节能设计标准中对建筑立面朝向的划分有明确的规定：1）北向为北偏西60o至北偏东60o；2）南向为南偏西30o至南偏东30o；3）西向为西偏北30o至西偏南60o（包括西偏北30o和西偏南60o）；4）东向为东偏北30o至东偏南60o（包括东偏北30o和东偏南60o）。从这个划分我们可以看出，如果建筑角度不好，很有可能导致建筑在进行节能计算的时候只出现三个立面的窗墙比，这一现象对于建筑节能来说是非常不利的。我有个上海市崇明区广电中心的项目，当时就是因为建筑朝向南偏西33.2o，下面是这个建筑模型的两个基本大样图及轴侧图：

因角度问题，该项目在进行节能计算的时候，只有东、西、北三个立面窗墙比。东、西面窗墙面积比竟然高达0.6，北面0.55，根据上海市《公共建筑节能设计标准》DGJ08-107-2015中对甲类建筑单一立面外窗的传热系数要求，其传热系数≤1.8 W/㎡.K，夏季综合遮阳系数东、西面≤0.3，北面≤0.4。因该项目要评上海绿建三星，当时进行节能计算的时候为了既能满足上海市的节能规范要求又能符合绿建三星标准，我不得不选择了三玻两中空[金属隔热型材（隔热条高度20mm）（5中透光Low-E+12Ar+5+12A+5中透光]的外窗材料，同时三个立面的外窗都做了活动遮阳措施。这样的处理，虽然从建筑上来说已经达到了节能，但相应的造价也提高了不少，本来一般的两玻一中空窗就能达到节能设计标准，结果因建筑角度的问题，不得不提高外墙的性能指标。所以合理的建筑角度以及在满足建筑本身自然通风及采光的基础上，建筑的外窗、玻璃幕墙面积不宜过大。空调建筑或空调房间应尽量避免在东、西朝向大面积采用外窗、玻璃幕墙。采暖建筑应尽量避免在北朝向大面积采用外窗、玻璃幕墙。其次就是凸窗的设计，在严寒地区居住建筑不宜设置凸窗。寒冷地区和夏热冬冷地区北向卧室、起居室不应设置凸窗，其他地区或其他朝向居住建筑不宜设置凸窗。因为在同等窗墙比的情况下，凸窗的传染系数应比相应的平窗降低10%，且不大于2.8 【w/（m2·K）】，再有就是其不透明的顶部、底部和侧面的传热系数不大于外墙的传热系数。 在门窗设计时，不仅传热系数重要，其门窗的气密性设计也时尤为关键的。为提高门窗、幕墙的气密性能，门窗、幕墙的面板缝隙应采取良好的密封措施。玻璃或非透明面板四周应采用弹性好、耐久的密封条密封或注密封胶密封。 （4）建筑遮阳 遮阳设施应根据地区气候特征、经济技术条件、房间使用性质等综合因素，满足夏季遮阳、冬季采光入射、自然通风、采光等要求。夏热冬暖地区、夏热冬冷地区的建筑以及寒冷地区中制冷负荷大的建筑，外窗（包括透明幕墙）宜设置外部遮阳。遮阳分为外遮阳、内遮阳和中间遮阳三种。 外遮阳按构件活动方式，分为固定式和活动式。固定式：结构简单，造价相对较低，维护方便，但其灵活性较差，不易兼顾冬季阳光入射、采光及房间自然通风；活动式：适应性强，使用灵活，可兼顾冬季阳光入射、采光及房间自然通风，但其结构复杂，造价高，维护成本高。 外遮阳按遮阳构件安装位置，可分为水平式、垂直式、综合式、挡板式四中基本形式。水平式：太阳高度角较大时，能有效遮挡从窗口上前方投射下来的直射阳光；垂直式：太阳高度角较小时，能有效遮挡从窗侧面斜射过来的直射阳光；综合式：能有效遮挡从窗前侧向斜射下来的直射阳光，遮阳效果比较均匀（我有很多项目中就选用了综合式遮阳，其节能效果很明显）；挡板式：能有效遮挡从窗口正前方射来的直射阳光。 内遮阳可降低空调负荷，改善室内环境。内遮阳的主要形式有百叶帘、卷帘、窗帘等。