低碳理念下的建筑設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)策略

陳源強(qiáng) 陳 霆

關(guān)鍵字：低碳建筑；建筑設(shè)計(jì)；應(yīng)對(duì)策略

隨著城市化水平的快速推進(jìn)與城市更新速度的顯著提升，建筑的數(shù)量與規(guī)模均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，隨之而來(lái)的建筑能耗問題也日益凸顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021 年我國(guó)建筑能耗占社會(huì)能耗的37%，相比于20 世紀(jì)90 年代的24%與2011 年的30%，建筑能耗已成為嚴(yán)重影響我國(guó)社會(huì)層面終端能源消耗的關(guān)鍵[1]。低碳理念貫穿文化、生活及經(jīng)濟(jì)各方面，并衍生出了低碳經(jīng)濟(jì)、低碳生活和低碳能源等新興概念，驅(qū)動(dòng)各行各業(yè)節(jié)能減排、綠色環(huán)保的發(fā)展態(tài)勢(shì)。將低碳理念貫穿于建筑設(shè)計(jì)中，是推動(dòng)建筑業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵。在社會(huì)發(fā)展的新形勢(shì)下，低碳理念可以促使我國(guó)建筑設(shè)計(jì)著力向著綠色、節(jié)能、環(huán)保方向跨越式發(fā)展。在低碳理念下研究建筑設(shè)計(jì)策略，可以促進(jìn)建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，推動(dòng)建筑設(shè)計(jì)向綠色可持續(xù)方向高質(zhì)量發(fā)展。

1 低碳建筑設(shè)計(jì)理念

城市化進(jìn)程不斷加快使得環(huán)境污染、生態(tài)破壞問題日益凸顯，不利于人們的身體健康與生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[2]。低碳理念是節(jié)能、環(huán)保、減排與降耗的有機(jī)綜合，將其應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)中，從材料選型、節(jié)能設(shè)施設(shè)計(jì)、建筑空間設(shè)計(jì)等方面踐行低碳理念，切實(shí)提高建筑物的保溫隔熱性能，降低建筑物的熱工消耗，減少照明系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及供暖系統(tǒng)的使用，提高建筑物對(duì)自然清潔能源的利用率，響應(yīng)節(jié)能減排降耗的綠色環(huán)保號(hào)召，為人們提供安全、高效、便捷及具備可持續(xù)發(fā)展功能的建筑[3]。同時(shí)，在建筑設(shè)計(jì)中充分融入低碳理念，深化節(jié)能環(huán)保技術(shù)，最終目的在于降低建筑的后續(xù)施工成本與能源消耗，從建筑材料、設(shè)備投運(yùn)、技術(shù)實(shí)施層面切實(shí)實(shí)現(xiàn)建筑工程施工與使用的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益的雙贏。

1.1 能源組合優(yōu)化

建筑行業(yè)需要消耗大量的能源資源，因而具有較高的能耗率。將低碳理念應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照房屋建筑相關(guān)節(jié)能環(huán)保規(guī)范優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)，做好建筑能源組合的優(yōu)化工作，在保證提升建筑各方面性能的前提下提高建筑設(shè)計(jì)的整體質(zhì)量，切實(shí)保證建筑設(shè)計(jì)方案的實(shí)效性與可行性，滿足人們對(duì)建筑內(nèi)部布局與功能的要求。例如，在建筑電氣設(shè)備選型設(shè)計(jì)時(shí)，將紫外線照明集成用于暖通空調(diào)系統(tǒng)中，安裝具有實(shí)時(shí)反饋與警報(bào)的空氣質(zhì)量傳感器，安裝自動(dòng)空氣凈化器與通風(fēng)控制系統(tǒng)，為住戶創(chuàng)造安全、舒適、便捷、高效且低能耗的生活與工作環(huán)境[4]。

在室內(nèi)設(shè)計(jì)中，可結(jié)合建筑物所在地的氣候條件、太陽(yáng)輻射情況以及周邊建筑遮擋情況等，優(yōu)化設(shè)計(jì)照明燈具布設(shè)，以自然采光與照明燈具相結(jié)合的方式為建筑物室內(nèi)照明提供滿足生產(chǎn)生活需求的光源光照度。同時(shí)，充分使用節(jié)能型照明系統(tǒng)或在建筑頂部鋪設(shè)太陽(yáng)能光伏板進(jìn)行發(fā)電，能夠?yàn)榻ㄖ覂?nèi)照明提供清潔型能源。在設(shè)計(jì)建筑物室內(nèi)供暖系統(tǒng)時(shí)，可充分利用太陽(yáng)能、地?zé)崮艿惹鍧嵞茉礊榻ㄖ锕┡?，并在建筑設(shè)計(jì)中充分考慮余熱、廢熱的回收利用問題，提高能源的利用率，降低供暖系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)性運(yùn)轉(zhuǎn)能耗[5]。由此可見，通過太陽(yáng)能與電能的有效組合與設(shè)計(jì)，可以提高資源能源的利用率。

1.2 充分應(yīng)用新型節(jié)能材料與設(shè)備

新型節(jié)能材料從生產(chǎn)加工工藝到施工現(xiàn)場(chǎng)安裝布設(shè)均具有低能耗、綠色環(huán)保等特性，是低碳建筑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在低碳建筑設(shè)計(jì)中，施工材料、電氣設(shè)備等的選型應(yīng)在滿足工程建筑質(zhì)量與建筑物特殊功能需求的基礎(chǔ)上，最大限度選擇節(jié)能型材料與智能化電氣設(shè)備，減少施工材料使用對(duì)自然環(huán)境的影響，同時(shí)提高設(shè)備的自動(dòng)維護(hù)、監(jiān)控能力，進(jìn)一步優(yōu)化建筑居住環(huán)境，提高建筑物保溫隔熱、采光透亮、自然通風(fēng)等性能[6]。例如，設(shè)計(jì)建筑墻體時(shí)，可選擇空心混凝土砌塊、頁(yè)巖空心磚、粉煤灰混凝土等新型節(jié)能材料，減少建筑工程實(shí)施中水泥的使用量，提升建筑墻體抗腐蝕、抗凍、抗碳化以及抗潮性能，提高建筑物的使用壽命。又如，在門窗選材時(shí)，綜合考慮門窗密封性對(duì)建筑保溫性能的影響以及門窗材料的成本，可選擇隔熱斷橋鋁型材，其利用硬塑將斷開的鋁合金進(jìn)行拼接，從而提高了材料的隔熱性能。再如，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型時(shí)，可采用中空型混凝土磚融合隔熱性能較好的聚苯乙烯泡沫，有效阻隔建筑外的冷空氣進(jìn)入，提高建筑結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能。

2 低碳建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用

2.1 建筑選址

低碳理念下的建筑設(shè)計(jì)應(yīng)考慮建筑與附近環(huán)境的協(xié)調(diào)性來(lái)優(yōu)化建筑選址。例如，選擇陽(yáng)光充足、雨季較少或者視野開闊的區(qū)域，有利于引入太陽(yáng)能與風(fēng)能等可再生能源。同時(shí)，在冬季陽(yáng)光照射時(shí)間較長(zhǎng)的地區(qū)，可以利用吸光性較好的材料作為建筑材料，以吸收更多的熱量，使室內(nèi)溫度持續(xù)升高，減少供暖設(shè)備的使用，達(dá)到建筑節(jié)能減排的目的。此外，在充足的太陽(yáng)光照射下，建筑設(shè)計(jì)可增加窗戶的數(shù)量與面積，充分用自然光照作室內(nèi)照明，減少照明設(shè)備的用電消耗。

2.2 建筑形體的低碳化設(shè)計(jì)

建筑形體設(shè)計(jì)是指對(duì)建筑的體量、體型、朝向等進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，以更好地適應(yīng)當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛才c氣候條件，減少建筑使用過程中對(duì)冷暖空調(diào)、排風(fēng)系統(tǒng)等的使用率。例如，在我國(guó)東南沿海地區(qū)，由于夏季炎熱多雨，建筑設(shè)計(jì)應(yīng)高度關(guān)注自然通風(fēng)，可對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的陰面與陽(yáng)面進(jìn)行巧妙布局，使建筑陰陽(yáng)面之間形成一定氣壓差，為建筑室內(nèi)外的空氣流通創(chuàng)造良好的條件，減少無(wú)風(fēng)狀態(tài)下建筑新風(fēng)系統(tǒng)的使用。同時(shí)，在建筑上合理開設(shè)風(fēng)洞，以使自然風(fēng)能夠在風(fēng)洞中回旋，實(shí)現(xiàn)建筑室內(nèi)外的良好通風(fēng)，達(dá)到建筑通風(fēng)方面的低碳化效益。

在建筑的朝向方面，考慮到寒冷冬季的取暖需要，應(yīng)將建筑朝向設(shè)計(jì)為向陽(yáng)面，以便建筑在冬季能夠充分接受太陽(yáng)輻射而升溫。建筑朝向設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)避開當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向，以免冬季強(qiáng)勁的西北風(fēng)快速帶走建筑室內(nèi)保有的溫度，影響建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際效果。此外，建筑形體規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)注重多元要素的均衡，充分統(tǒng)籌氣候、方位、朝向和日照等方面，適配當(dāng)?shù)氐淖匀坏乩憝h(huán)境，以上述要素的相對(duì)平衡優(yōu)化建筑的形體與朝向。

2.3 建筑頂蓋的低碳化設(shè)計(jì)

建筑頂蓋的功能為夏季隔熱、冬季保溫，為室內(nèi)生產(chǎn)和生活提供溫濕度相對(duì)適宜的環(huán)境。建筑頂蓋施工質(zhì)量會(huì)影響建筑物整體保溫隔熱性能，設(shè)計(jì)時(shí)多采用圓形或尖形作為頂部造型，以減少太陽(yáng)輻射的實(shí)際面積，減少頂蓋熱量的進(jìn)一步匯聚與滲透，切實(shí)降低建筑物的室內(nèi)溫度。近年來(lái)，隨著建筑物造型與風(fēng)格的多樣化，建筑頂蓋設(shè)計(jì)逐漸向功能性與美觀性兼具，而頂蓋施工的節(jié)能性依賴于施工材料與施工工藝的綠色化。例如，采用新型保溫材料作為頂蓋特殊造型的施工材料，能夠減少建筑熱工消耗；用玻璃作頂蓋材料，以直接采光代替?zhèn)鹘y(tǒng)建筑的側(cè)面采光，能夠增加建筑的采光面，加強(qiáng)對(duì)自然光線的直接利用。通過建筑材料與工藝的低碳化選型、設(shè)計(jì)與實(shí)施，可充分發(fā)揮建筑頂蓋冬暖夏涼的保溫隔熱功能，也能充分保障建筑頂蓋造型設(shè)計(jì)的美觀度[7]。

2.4 建筑門窗的低碳化設(shè)計(jì)

門窗是影響建筑物密封性與保溫隔熱性能的關(guān)鍵，也是建筑設(shè)計(jì)與實(shí)施中耗材較多的部分。根據(jù)相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)可知，經(jīng)由門窗散失熱量引起的能耗占整個(gè)建筑能耗的40%。為減少建筑設(shè)計(jì)方案中門窗方面的材料消耗，在選材與工藝設(shè)計(jì)方面需更加注重節(jié)能性與低碳性，摒棄傳統(tǒng)的普通玻璃材料，優(yōu)先選擇兼具基礎(chǔ)功能與特殊輔助功能的門窗材料，以提高建筑門窗的密封性、防水性與透光性等。例如，北京國(guó)際機(jī)場(chǎng)T3 航站樓設(shè)計(jì)施工時(shí)，考慮到采光需求與防水需求，采用鋁型材料作為天窗材料，增大太陽(yáng)輻射的直射面積，并將密封條嵌入天窗構(gòu)造中，提高天窗的密封性與防水性。普通民用建筑可采用阻熱型門窗，以較低的導(dǎo)熱系數(shù)減少室內(nèi)外熱量傳遞，降低建筑物室內(nèi)熱工消耗。

2.5 建筑屋面的低碳化設(shè)計(jì)

建筑屋面是整體建筑受到太陽(yáng)輻射面積最大的平面，可以有效阻擋太陽(yáng)輻射直接照射室內(nèi)，避免室內(nèi)溫度快速升高，也可以有效阻擋室內(nèi)的冷空氣與暖空氣逸出，降低建筑夏季制冷與冬季供暖保溫的能耗。傳統(tǒng)的建筑屋面設(shè)計(jì)多采用混凝土結(jié)構(gòu)，但混凝土的隔熱性能較差，實(shí)際工程中通常將混凝土與隔熱材料相結(jié)合，以提高屋面材料的保溫隔熱性能，常見的隔熱材料如珍珠巖、粉煤灰、纖維素等[8]。這些導(dǎo)熱系數(shù)較低的輕質(zhì)材料融入混凝土中，可以較好地提升混凝土的隔熱性能與防水性能。除屋面建筑材料外，在建筑工藝方面可采用“生態(tài)覆蓋”的屋面建筑方式，在建筑屋頂鋪設(shè)土壤種植植被花草，削弱建筑屋面承受的太陽(yáng)輻射，同時(shí)擴(kuò)大城市的植被覆蓋率，利用植被的光合作用增加城市的氧含量。此外，可在建筑屋面鋪設(shè)太陽(yáng)能面板，為建筑物室內(nèi)照明或用電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)提供清潔能源。

2.6 建筑墻體的低碳化設(shè)計(jì)

建筑墻體設(shè)計(jì)中，通常鋪設(shè)保溫材料以改善墻體的導(dǎo)熱系數(shù)，提高墻體的保溫隔熱性能，降低建筑夏季制冷與冬季供暖保溫的能耗。墻體保溫材料通常會(huì)選擇巖棉板、聚苯乙烯泡沫塑料等節(jié)能材料，將其附著在建筑外墻和內(nèi)墻上，能夠有效阻隔室內(nèi)暖空氣流失與室外冷空氣侵襲。另外，保溫層與墻體形成的多層空氣層，可有效降低墻體與屋面的熱傳導(dǎo)效應(yīng)。

2.7 建筑通風(fēng)的低碳化設(shè)計(jì)

建筑良好的通風(fēng)設(shè)計(jì)可提高室內(nèi)空氣的流通性，保障室內(nèi)住戶居住的舒適度以及用電設(shè)備適宜的運(yùn)行環(huán)境。建筑通風(fēng)低碳化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分借鑒與利用自然通風(fēng)的優(yōu)勢(shì)，在符合當(dāng)?shù)刈匀伙L(fēng)力與風(fēng)向的標(biāo)準(zhǔn)下設(shè)計(jì)通風(fēng)口的位置、朝向與大小，通過良好的進(jìn)氣與排氣交換達(dá)到更強(qiáng)的通風(fēng)換氣效果[9]。此外，建筑通風(fēng)低碳化設(shè)計(jì)也應(yīng)充分借助通風(fēng)輔助設(shè)備，如衛(wèi)生間的排風(fēng)機(jī)、室內(nèi)的新風(fēng)系統(tǒng)等，結(jié)合當(dāng)?shù)匦夂蛱卣?、氣流走向與氣團(tuán)分布、周邊建筑層高與空間分布等布設(shè)通風(fēng)設(shè)備，使其風(fēng)道走向與室內(nèi)局部區(qū)域的風(fēng)向一致。例如，室外新風(fēng)系統(tǒng)通過各居室外墻進(jìn)風(fēng)口，經(jīng)隔塵降噪后進(jìn)入室內(nèi)，提高室內(nèi)氣體交換的頻次，同時(shí)減少風(fēng)向相逆給通風(fēng)設(shè)備帶來(lái)的負(fù)載壓力，降低通風(fēng)輔助設(shè)備的運(yùn)行能耗。也有建筑設(shè)計(jì)師在墻體造型上進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)建筑通風(fēng)的量化調(diào)節(jié)。例如，馬來(lái)西亞建筑設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)出一種捕風(fēng)墻，即在建筑兩側(cè)開設(shè)陽(yáng)臺(tái)開口，開口兩側(cè)墻體上分別布設(shè)擋風(fēng)墻，通過擋風(fēng)墻的喇叭口袋造型可有效捕捉與攔截自然風(fēng)，再依托陽(yáng)臺(tái)開口的大小有機(jī)調(diào)控進(jìn)入建筑室內(nèi)的風(fēng)量。

2.8 建筑采光的低碳化設(shè)計(jì)

建筑采光低碳化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分利用自然光輔助與室內(nèi)照明設(shè)施相結(jié)合，減少室內(nèi)照明的電力消耗。例如，考慮到建筑頂部通常較平坦且規(guī)整，可在上面安裝反射光板，引入自然光提高室內(nèi)采光度；也可在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)引入過堂結(jié)構(gòu)，從而更高效地將自然光引入室內(nèi)，增加室內(nèi)空間的采光率。同時(shí)，可以在建筑室內(nèi)使用節(jié)能型照明系統(tǒng)，或利用建筑頂部鋪設(shè)太陽(yáng)能光伏板發(fā)電，為建筑室內(nèi)照明提供清潔型能源。

3 結(jié)語(yǔ)

在建筑設(shè)計(jì)中科學(xué)、合理地運(yùn)用低碳理念，可提高建筑物的節(jié)能性與環(huán)保性，有效降低建筑物的施工與使用能耗。在建筑低碳設(shè)計(jì)方面，可在建筑頂蓋、門窗、屋面、墻體施工中科學(xué)選材進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，將巖棉板、聚苯乙烯泡沫塑料等節(jié)能型材料應(yīng)用到屋面與墻體的施工中，嚴(yán)格控制門窗的數(shù)量，改善建筑屋面與墻體的熱傳導(dǎo)系數(shù)，降低建筑的熱工消耗。在建筑通風(fēng)與采光低碳化設(shè)計(jì)方面，應(yīng)充分運(yùn)用自然優(yōu)勢(shì)、新風(fēng)系統(tǒng)以及節(jié)能照明設(shè)施提升室內(nèi)空氣交換頻次與采光度，優(yōu)化建筑低碳化設(shè)計(jì)效果。同時(shí)，低碳建筑設(shè)計(jì)應(yīng)充分引入智能空調(diào)系統(tǒng)、智能給排水系統(tǒng)以及智能照明系統(tǒng)，對(duì)建筑物室內(nèi)溫濕度、光照度以及供水等進(jìn)行智能化調(diào)控，減少建筑電氣設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的用電消耗，從而實(shí)現(xiàn)建筑領(lǐng)域節(jié)能減排、低碳環(huán)保的目標(biāo)。