基于實(shí)際案例分析超低能耗建筑設(shè)計(jì)方法

李曉光

摘要：建筑能耗占據(jù)了社會(huì)總能耗的50%左右，尤其是伴隨著城市化進(jìn)程的加快，建筑工程的數(shù)量不斷增加，這個(gè)比例也在持續(xù)上漲，在能源危機(jī)越發(fā)嚴(yán)峻的現(xiàn)在，做好建筑能耗的控制意義重大。本文結(jié)合實(shí)際案例，對(duì)超低能耗建筑的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，希望能夠?yàn)榻ㄖ墓?jié)能降耗提供一些參考。

關(guān)鍵詞：超低能耗建筑；設(shè)計(jì)方法；案例分析

前言

自2000年開始，在全球范圍內(nèi)，超低能耗建筑逐漸興起，并且迅速受到了世界各國(guó)的重視。不過(guò)，在相關(guān)研究中，超低能耗建筑設(shè)計(jì)針對(duì)的多是某個(gè)具體案例或者某個(gè)方面的研究，缺乏通用性、系統(tǒng)性的超低能耗建筑設(shè)計(jì)方法。從降低建筑能耗，構(gòu)建綠色節(jié)能建筑的角度著眼，需要明確超低能耗建筑的具體設(shè)計(jì)方法，確保其能夠更好的適應(yīng)我國(guó)的具體國(guó)情，推動(dòng)建筑行業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。

1超低能耗建筑的設(shè)計(jì)方法

單純從技術(shù)方面分析，通過(guò)被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)，在提升建筑運(yùn)行效率的同時(shí)，降低其能耗水平，以可再生能源滿足建筑對(duì)于能耗的需求，能夠建設(shè)超低能耗乃至零能耗建筑。但是從實(shí)際出發(fā)，受各種因素的影響，超低能耗建筑的實(shí)現(xiàn)存在著許多的阻礙，如成本過(guò)高、建筑能耗指標(biāo)難以降低等。這里結(jié)合當(dāng)前超低能耗建筑的研究和實(shí)踐，對(duì)其通用設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析和討論。

1.1關(guān)鍵參數(shù)限額法

以降低建筑能耗為目標(biāo)，結(jié)合建筑所處區(qū)域的自然條件與氣候特征，對(duì)建筑中的關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格控制，然后配合高效新風(fēng)熱回收技術(shù)，基本上能夠滿足用戶對(duì)于居住舒適性的要求。關(guān)鍵參數(shù)限額法不需要進(jìn)行大量的模擬計(jì)算，也不需要過(guò)度依賴可再生能源資源，從實(shí)質(zhì)分析，主要是通過(guò)提升現(xiàn)有的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)控制指標(biāo)，達(dá)到超低能耗建筑的各種要求。該設(shè)計(jì)方法存在三個(gè)比較關(guān)鍵的技術(shù)特征，一是提升建筑整體氣密性以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，包括墻體、屋面、門窗等，確保其傳熱系數(shù)及密閉性能夠滿足相關(guān)規(guī)范的要求：二是被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)，包括太陽(yáng)輻射、自然通風(fēng)等，以降低建筑在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)于能源的需求：三是高效的新風(fēng)熱回收系統(tǒng)，可以充分保障室內(nèi)的熱環(huán)境及空氣質(zhì)量。

1.2經(jīng)濟(jì)環(huán)境決策法

經(jīng)濟(jì)環(huán)境決策法的導(dǎo)向包括了能耗、舒適度及經(jīng)濟(jì)性三個(gè)指標(biāo)，在對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)，合理利用可再生能源，在考慮經(jīng)濟(jì)性的前提下，對(duì)建筑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以找出滿足各項(xiàng)指標(biāo)需求的設(shè)計(jì)條件。由于需要同時(shí)考慮三個(gè)指標(biāo)，可以采用定量分析結(jié)合循環(huán)迭代的方法，獲取最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以同時(shí)滿足業(yè)主和用戶的需求。該方法的三個(gè)主要技術(shù)特征為：一是必須同時(shí)滿足三相指標(biāo)，不能出現(xiàn)偏向或者先后：二是應(yīng)該稽核循環(huán)迭代優(yōu)化，獲取單一參數(shù)的最優(yōu)值以及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行方案：三是必須正確處理節(jié)能與成本的關(guān)系，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合理選擇。

1.3雙向交叉平衡法

這種方法是將能耗指標(biāo)和舒適度指標(biāo)作為導(dǎo)向，在設(shè)置高校新風(fēng)熱回收系統(tǒng)、優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，運(yùn)用可再生清潔能源來(lái)滿足建筑運(yùn)行過(guò)程中的能源需求，實(shí)現(xiàn)能量供需的平衡。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以通過(guò)建筑朝向及窗墻比等的變化，將其圍護(hù)結(jié)構(gòu)與可再生能源等實(shí)現(xiàn)優(yōu)化組合。雙向交叉平衡法想要滿足超低能耗的需求，同樣有三個(gè)技術(shù)特征，一是被動(dòng)設(shè)計(jì)手段的優(yōu)化，通過(guò)對(duì)建筑形體系數(shù)、自然通風(fēng)采光、內(nèi)外遮陽(yáng)等的合理調(diào)節(jié)，控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)限制，以盡可能減少建筑對(duì)于能源的需求：二是系統(tǒng)性能的主動(dòng)優(yōu)化，即運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，提升能源利用效率，如變頻風(fēng)機(jī)、變頻水泵、節(jié)能燈具等：三是可再生能源的利用，包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿?，以滿足建筑對(duì)于能源的需求。

2實(shí)例分析

2.1概況

某展示中心總體占地面積1.1萬(wàn)㎡，建筑面積4782.3㎡，包括地上兩層和地下一層，采用鋼框架結(jié)構(gòu)，建筑高度為15m，體形系數(shù)0.22，總窗墻比0.2。采用超低能耗建筑的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，要求場(chǎng)地范圍內(nèi)運(yùn)行能耗趨于零。

2.2設(shè)計(jì)方法

經(jīng)分析研究，最終選擇經(jīng)濟(jì)環(huán)境決策法的設(shè)計(jì)方法，一方面，通過(guò)被動(dòng)技術(shù)措施，降低建筑在使用過(guò)程中對(duì)于能源的需求，另一方面，通過(guò)主動(dòng)技術(shù)措施，提升建筑對(duì)于能源的利用效率，降低能源的浪費(fèi)，同時(shí)以可再生能源取代傳統(tǒng)化石能源，滿足超低能耗的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3技術(shù)措施

（1）被動(dòng)式設(shè)計(jì)：首先，結(jié)合建筑所處區(qū)域，進(jìn)行自然環(huán)境和氣候條件的分析，重點(diǎn)考慮其冬季的保溫性能，提升外墻、屋面、門窗的保溫隔熱性能，通過(guò)調(diào)整建筑布局的方式，使得出入口避開了冬季主導(dǎo)風(fēng)向。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，建筑整體采用梭形結(jié)構(gòu)，南北朝向，在避免冬季冷風(fēng)入侵的同時(shí)，也可以充分利用夏季風(fēng)實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。其次，在通風(fēng)設(shè)計(jì)中，采用了坑道風(fēng)，結(jié)合屋頂通風(fēng)窗以及大廳地面送風(fēng)口，對(duì)建筑的自然通風(fēng)能力進(jìn)行了強(qiáng)化，經(jīng)測(cè)算，能夠入口大廳的空調(diào)制冷時(shí)間縮短20%以上，減少能耗30%。同時(shí)，利用天窗、中庭等增強(qiáng)了熱壓通風(fēng)效果，可以通過(guò)外窗實(shí)現(xiàn)直接通風(fēng)。然后，采光的設(shè)計(jì)以自然采光為主，經(jīng)測(cè)算，將窗墻比設(shè)置在0.26，能夠在保證自然采光效果的同時(shí)，最大限度的降低能耗。在具體設(shè)計(jì)中，還對(duì)外窗陽(yáng)臺(tái)進(jìn)行了優(yōu)化，配合設(shè)置在屋頂?shù)臏\色發(fā)光板，對(duì)自然采光的效果進(jìn)行了強(qiáng)化。同時(shí)，在屋頂設(shè)置了采光天窗，房間內(nèi)部的隔斷采用了透明玻璃，都可以強(qiáng)化室內(nèi)采光效果，降低能耗。

（2）主動(dòng)式設(shè)計(jì)：采用干燥新風(fēng)，通過(guò)對(duì)風(fēng)量的控制，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境相對(duì)濕度的調(diào)節(jié)，同時(shí)也高溫冷水經(jīng)獨(dú)立末端調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度?？照{(diào)系統(tǒng)的冷熱源采用的是高溫地源熱泵耦合太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)+溶液調(diào)濕系統(tǒng)+VRF的形式，搭配干式直流無(wú)刷電機(jī)風(fēng)機(jī)盤管，可以將風(fēng)機(jī)的效率提高約20%，年節(jié)約電耗1230kW。結(jié)合建筑本身的實(shí)際情況，選擇地板輻射采暖的方式，在保證采暖效率的同時(shí)，也提升了舒適度。經(jīng)模擬分析，建筑整體全年的能耗在61.2-62.2kWh/㎡.a，與基準(zhǔn)建筑相比，節(jié)能率達(dá)到了54.2%。

（3）可再生能源利用：主要是對(duì)太陽(yáng)能的利用，為了保證良好的立面效果，這里采用了一體化設(shè)計(jì)，在建筑屋頂設(shè)置弧形的光伏板支架，以增加光伏板的整體面積。太陽(yáng)能光伏板的設(shè)置保持與建筑主體風(fēng)格一致，使得展示中心在外觀上更加富有科技感和未來(lái)感。同時(shí)，利用計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)，對(duì)建筑南向的光伏板支架形狀進(jìn)行了調(diào)整，使得其能夠與建筑外遮陽(yáng)以及自然通風(fēng)系統(tǒng)相互結(jié)合起來(lái)，實(shí)用性更強(qiáng)。建筑中采用了單晶硅光伏組件，對(duì)于太陽(yáng)光的轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到16.7%，總裝機(jī)容量為315.78kWp，全年可發(fā)電326MWh，基本能夠滿足建筑對(duì)于電能的全部需求。

3結(jié)語(yǔ)

總而言之，超低能耗建筑的作為一種比較新穎的概念，需要從設(shè)計(jì)方法、性能控制等方面進(jìn)行逐步落實(shí)，在充分考慮區(qū)域氣候條件及經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能技術(shù)的優(yōu)化組合，盡可能減少建筑在使用過(guò)程中的能源消耗。應(yīng)該注意的是，在超低能耗建筑的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該在盡量降低建筑對(duì)于能源需求的同時(shí)，強(qiáng)調(diào)可再生能源的開發(fā)利用，減少建筑使用中的給自然環(huán)境帶來(lái)的負(fù)擔(dān)，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的順利實(shí)施。