民用建筑設(shè)計(jì)中節(jié)能設(shè)計(jì)的有效應(yīng)用分析

朱皆杰

摘 要：節(jié)能設(shè)計(jì)是優(yōu)化提升民用建筑設(shè)計(jì)成效的必然路徑，更是充分滿足建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展導(dǎo)向的關(guān)鍵基石，理應(yīng)采取科學(xué)合理的節(jié)能設(shè)計(jì)方法，對民用建筑設(shè)計(jì)方案予以優(yōu)化完善?；诖耍紫冉榻B我國民用建筑節(jié)能現(xiàn)狀，分析基于民用建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)方法。在探討民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的有效策略的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分別從門窗節(jié)能、墻體節(jié)能、樓板節(jié)能以及屋頂節(jié)能等多個(gè)角度與方面，探討了民用建筑外圍護(hù)節(jié)能構(gòu)造設(shè)計(jì)問題。

關(guān)鍵詞：民用建筑設(shè)計(jì)；節(jié)能設(shè)計(jì)；方法應(yīng)用；效果優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TU201.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2023）01-0103-03

0 引言

在民用建筑設(shè)計(jì)中，節(jié)能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性地位不言而喻，它對提升民用建筑舒適性、降低建筑能耗流失、增加建筑運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益等具有積極作用。當(dāng)前形勢下，技術(shù)人員應(yīng)密切分析民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的具體規(guī)則方法，創(chuàng)新利用各項(xiàng)節(jié)能設(shè)計(jì)要素，構(gòu)造最優(yōu)化的節(jié)能設(shè)計(jì)方案。

1 我國民用建筑節(jié)能現(xiàn)狀

我國民用建筑節(jié)能技術(shù)運(yùn)用經(jīng)歷了漫長而曲折的發(fā)展歷程，其方法體系日趨完善，尤其是在提高建筑用能系數(shù)與熱工性能等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，初步構(gòu)建了基于多能源綜合利用的民用建筑節(jié)能技術(shù)框架。但與世界發(fā)達(dá)國家相比，我國民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)起步較晚，行業(yè)經(jīng)驗(yàn)積累相對薄弱，未來發(fā)展空間尚具備較為廣闊的彈性空間。

縱觀當(dāng)前民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)實(shí)際，普遍存在著屋頂保溫、外墻保溫和新型供暖制冷等節(jié)能技術(shù)銜接融合不深入等共性問題，難以從源頭上保證節(jié)能技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)活力，限制了新時(shí)期民用建筑綠色設(shè)計(jì)水平的綜合提升。部分民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中，對信息化與智能化的技術(shù)方法運(yùn)用不足，無法以軟件平臺(tái)為依托，構(gòu)造清晰直觀的節(jié)能設(shè)計(jì)方案模型，建筑節(jié)能的具體參數(shù)校核不甚精準(zhǔn)，建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的可視化與模型化構(gòu)造方式尚有待深化研究[1]。上述背景下，深入探討民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的具體實(shí)施方法，對于實(shí)現(xiàn)民用建筑在節(jié)能層面的跨越式發(fā)展具有深刻意義。

2 基于民用建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)分析

2.1 氣候設(shè)計(jì)與環(huán)境規(guī)劃

民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中的氣候設(shè)計(jì)與環(huán)境規(guī)劃是由生態(tài)學(xué)和建筑地域?qū)W衍生而來的設(shè)計(jì)理念，旨在立足民用建筑所處地域的氣候條件，利用優(yōu)化選址布局等方法，提高民用建筑與本地自然氣候狀況的融合度。在氣候設(shè)計(jì)與環(huán)境規(guī)劃中，又可細(xì)化分為建筑生態(tài)設(shè)計(jì)、規(guī)劃選址與環(huán)境散熱等部分，彼此之間關(guān)聯(lián)性突出，各節(jié)能設(shè)計(jì)要素協(xié)同發(fā)揮作用，謀求實(shí)現(xiàn)民用建筑節(jié)能效益的最大化。氣候設(shè)計(jì)與環(huán)境規(guī)劃應(yīng)充分體現(xiàn)因地制宜的基本原則，充分利用氣候與環(huán)境因素的優(yōu)勢。

2.2 整體設(shè)計(jì)

在新時(shí)期民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中，整體設(shè)計(jì)需運(yùn)用宏觀視野，全面把握對節(jié)能設(shè)計(jì)具有直接或間接影響的各類因素，比如太陽輻射、大氣環(huán)流和地理特征等，在建筑朝向、路網(wǎng)布置、區(qū)域綠化、建筑體型等方面進(jìn)行優(yōu)化處理，構(gòu)造符合民用建筑功能的微氣候環(huán)境。為做好民用建筑節(jié)能的整體設(shè)計(jì)，技術(shù)人員應(yīng)分別從通風(fēng)角度與日照角度等進(jìn)行細(xì)化控制，合理優(yōu)化進(jìn)入建筑室內(nèi)的夏季太陽輻射量，并在冬季提高日照系數(shù)降低采暖能耗。整體設(shè)計(jì)效果的優(yōu)化提升應(yīng)改善熱微環(huán)境，并有針對性地避免“熱島效應(yīng)”“光污染”等負(fù)面作用[2]。

2.3 單體設(shè)計(jì)

與整體設(shè)計(jì)相對應(yīng)，民用建筑單體設(shè)計(jì)的主要面向?qū)ο鬄閱我换膫€(gè)體建筑，通過構(gòu)造符合實(shí)際的單體建筑平面、立面和剖面等，實(shí)現(xiàn)充分利用自然資源，降低建筑自身能耗的效果。其中，在平面風(fēng)路設(shè)計(jì)中，應(yīng)側(cè)重健康通風(fēng)、熱舒適通風(fēng)和降溫通風(fēng)等方法的運(yùn)用，優(yōu)化建筑方位朝向，合理布局導(dǎo)風(fēng)設(shè)施等。在立面節(jié)能設(shè)計(jì)中，則應(yīng)根據(jù)建筑節(jié)能的預(yù)期效果，綜合確定適宜的窗墻比，并引入新型科學(xué)技術(shù)方法提高窗的熱工性能。此外，可在防水層和屋面板之間布設(shè)特定保溫材料，以優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能效果。

3 民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的有效策略

3.1 總體規(guī)劃布局

民用建筑的總體規(guī)劃布局是實(shí)現(xiàn)預(yù)期節(jié)能設(shè)計(jì)效果的關(guān)鍵所在，只有結(jié)合周圍環(huán)境實(shí)際，充分利用光、水、風(fēng)等自然資源條件，才能有效降低建筑自身能耗。在總體規(guī)劃布局中，應(yīng)綜合考量建筑方位、風(fēng)速風(fēng)向、地表結(jié)構(gòu)等要素，尊重人與自然和諧相處的基本原則要求，實(shí)現(xiàn)建筑能源消耗與自然環(huán)境之間的銜接平衡。一方面，應(yīng)優(yōu)化建筑朝向與采光通風(fēng)設(shè)計(jì)，在日照資源相對豐富的地區(qū)，應(yīng)降低建筑進(jìn)深，爭取最大限度的自然光線，減少日間對電能的消耗。另一方面，應(yīng)科學(xué)選擇基址，從宏觀與微觀角度運(yùn)用內(nèi)外部雙氣候設(shè)計(jì)方法，滿足民用建筑的各項(xiàng)自然資源需求。

3.2 民用建筑自身系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略

3.2.1 建筑體型設(shè)計(jì)

建筑體型設(shè)計(jì)應(yīng)首先控制體型系數(shù)，優(yōu)化圍墻面積等參數(shù)，減少不必要的能耗流失。有關(guān)研究表明，建筑體型系數(shù)與建筑耗熱量指標(biāo)呈正相關(guān)關(guān)系。在實(shí)踐中，降低民用建筑體型系數(shù)的方法包括以下3個(gè)方面：①適度提高建筑物整體高度、增大進(jìn)深；②優(yōu)化建筑布局緊湊性，合理控制建筑外墻凹凸變化；③加大民用建筑物體量等。

在此過程中，還應(yīng)綜合考慮民用建筑外在形象的美觀，使體型系數(shù)與建筑平面規(guī)劃相契合。同時(shí)，在基于太陽能資源利用的建筑形體設(shè)計(jì)中，則應(yīng)校核南墻面積與其他外表面積之比等參數(shù)，控制窗墻比，降低建筑熱能損失。

3.2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中的作用愈發(fā)突出，可構(gòu)造形成冬季保暖、夏季防曬等功能效果，且可滿足自然通風(fēng)和視線視野等方面的現(xiàn)實(shí)要求。為實(shí)現(xiàn)維護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的節(jié)能目的，可在此區(qū)域設(shè)置可調(diào)節(jié)性的應(yīng)變過濾性裝置。圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可同時(shí)滿足多項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，圍繞基本設(shè)計(jì)需求進(jìn)行主動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并完成對民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方案可行性的評(píng)價(jià)。同時(shí)，在特定設(shè)計(jì)方法支持下，可充分把握民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的基本導(dǎo)向，在舒適度、經(jīng)濟(jì)性與能耗系數(shù)等方面做出差異化處理，使最終形成的建筑節(jié)能環(huán)境更具綜合效益。

3.2.3 自然通風(fēng)與采光設(shè)計(jì)

自然通風(fēng)效果的實(shí)現(xiàn)過程同時(shí)也是完成建筑室內(nèi)外空氣交換的過程。在自然通風(fēng)設(shè)計(jì)中，可充分利用熱壓作用與風(fēng)壓作用，促使空氣流動(dòng)。在單側(cè)通風(fēng)方面，可在民用建筑的特定位置布設(shè)開口用于通風(fēng)，并合理設(shè)計(jì)開口數(shù)量與分布密度，以增強(qiáng)通風(fēng)效率。在貫流通風(fēng)方面，則應(yīng)為空氣的流入和流出分別設(shè)置空氣通道，嚴(yán)格掌握一字型建筑平面進(jìn)深，提升自然通風(fēng)效能。在中庭通風(fēng)方面，由于風(fēng)壓變化強(qiáng)度存在規(guī)律性，因此可將細(xì)化分為多種不同構(gòu)造形式，優(yōu)化中庭與實(shí)體空間的位置關(guān)系。在采光設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分利用場地和基地環(huán)境，優(yōu)選自然采光與綠色照明方式，運(yùn)用分區(qū)控制分級(jí)設(shè)計(jì)等方面，并配置節(jié)能燈具。

3.2.4 綠色空間設(shè)計(jì)

為改善民用建筑內(nèi)部微氣候，構(gòu)造有機(jī)生態(tài)和無極生態(tài)之間的交互體系，可將綠色植被引入綠色空間設(shè)計(jì)之中。首先，可設(shè)計(jì)建筑綠色外立面，利用民用建筑在垂直方向上的高度優(yōu)勢，構(gòu)造垂直景觀效果，起到自然遮陰和凈化空氣的雙重效果。其次，可設(shè)計(jì)生態(tài)中庭，以綠化植被形式為依托，構(gòu)造可控制界面開閉的玻璃溫室，創(chuàng)造熱緩沖區(qū)，改善建筑內(nèi)部熱環(huán)境。最后，綠色空間設(shè)計(jì)可借助軟件技術(shù)，對建筑內(nèi)部綠色生態(tài)效果進(jìn)行優(yōu)化模擬，直觀形象地展現(xiàn)綠色空間設(shè)計(jì)的整體構(gòu)造狀態(tài)，輔助擇定最優(yōu)綠色空間設(shè)計(jì)方案[3]。

3.3 新能源的利用與生態(tài)建材

3.3.1 太陽能和風(fēng)能的利用

太陽能和風(fēng)能是取之不盡用之不竭的清潔能源，更是提升民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)效果的重要載體。在太陽能利用中，可采用被動(dòng)式太陽能技術(shù)，設(shè)計(jì)熱惰性墻體結(jié)構(gòu)，發(fā)揮其吸收太陽能輻射的優(yōu)勢作用，在冬季將太陽能輻射熱量轉(zhuǎn)換為建筑內(nèi)部供暖資源，在夏季阻斷室外熱量向室內(nèi)傳遞的路徑，達(dá)到自然降溫的預(yù)期效果。同時(shí)，可采用直接受益式太陽能技術(shù)，使用蓄能熱力突出的建筑材料，構(gòu)造形成熱緩沖區(qū)，調(diào)節(jié)優(yōu)化室內(nèi)溫度起伏，以有效降低建筑能耗。在風(fēng)能利用中，則可結(jié)合民用建筑外立面造型，設(shè)置獨(dú)立運(yùn)行或與其他發(fā)電方式結(jié)合運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電裝置，為建筑提供照明用電，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力能源向電力能源的轉(zhuǎn)化。

3.3.2 熱泵技術(shù)的利用

現(xiàn)代熱泵技術(shù)的創(chuàng)新運(yùn)用，為新時(shí)期民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)提供了更為豐富靈活的技術(shù)手段，使傳統(tǒng)節(jié)能技術(shù)條件下難以完成的低溫?zé)嵩磁c高溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)換目標(biāo)容易實(shí)現(xiàn)。在熱泵技術(shù)運(yùn)用中，可充分利用空氣源熱泵、水源熱泵與土壤源熱泵等形式，實(shí)現(xiàn)理想的環(huán)境效益。其中，空氣源熱泵的裝置構(gòu)造模式相對簡單，以空氣熱力為主要面向?qū)ο?，通過特定容量的熱泵實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換；水源熱泵則可將民用建筑的多余熱量轉(zhuǎn)移到水源之中，或從水源中提取能量，經(jīng)提升溫度后，轉(zhuǎn)入建筑內(nèi)部；土壤熱泵則以土壤為熱源，可有效保持建筑供熱供冷系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定。

3.3.3 新型生態(tài)材料的利用

生態(tài)材料所獨(dú)有的天然特性在綠色建筑設(shè)計(jì)中具有無可比擬的優(yōu)勢，可營造返璞歸真、回歸自然的設(shè)計(jì)效果，符合生態(tài)環(huán)境多元化的現(xiàn)實(shí)需要。以蓄熱性能良好的玄武巖為例，它可在白天吸收熱量，在外界環(huán)境溫度降低后再行釋放，縮小建筑內(nèi)部晝夜溫差，且其肌理和質(zhì)感可與自然環(huán)境相契合。此外，可持續(xù)的循環(huán)再生材料中蘊(yùn)藏著顯著的物質(zhì)能源，其獲得途徑包括工業(yè)材料和農(nóng)業(yè)材料等，經(jīng)嚴(yán)格加工處理后形成生態(tài)砂基透水磚、HB復(fù)合板和人造木材等?？蓪⒔ㄖ鸪龔U料等進(jìn)行無害化處理，形成節(jié)能、環(huán)保、生態(tài)的外立面材料，降低傳統(tǒng)混凝土墻體的能耗系數(shù)。

3.4 建筑電氣節(jié)能

盡量選擇節(jié)能型變壓器，有效降低系統(tǒng)短路和空載損失量。此外，節(jié)能型變壓器還具有高節(jié)能、高工作效率、高抗沖擊力等諸多使用優(yōu)勢，因此在目前的建筑工程中，節(jié)能型變壓器的使用非常廣泛。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該對變壓器的容量進(jìn)行充分考慮。雖然變壓器負(fù)載率為50%時(shí)的理論能耗最低，但在實(shí)際使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量無功能耗，因此要充分考慮建筑工程的實(shí)際情況，選用最適合的變壓器種類。合理選用電氣設(shè)備，集中補(bǔ)償和就地補(bǔ)償結(jié)合，可更有效地節(jié)省設(shè)計(jì)、施工的成本。集中大負(fù)荷以及集中式電度表箱都要有功率補(bǔ)償，通過采用合適的無功補(bǔ)償措施，可有效改善施工的電壓質(zhì)量，降低用電損耗，從而提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

4 民用建筑外圍護(hù)節(jié)能構(gòu)造設(shè)計(jì)

4.1 門窗節(jié)能

在傳統(tǒng)民用建筑設(shè)計(jì)中，往往不注重窗戶節(jié)能措施的有效運(yùn)用，所采用的窗體結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)大，容易導(dǎo)致室內(nèi)熱量散發(fā)較快，無法在建筑室內(nèi)形成凝聚效果。對此，一方面可采用熱反射玻璃窗、中空玻璃窗等導(dǎo)熱系數(shù)較低的窗體結(jié)構(gòu)，隔絕太陽輻射，提高窗體密閉性，減少熱量損耗。另一方面可適當(dāng)優(yōu)化北立面的窗墻比，設(shè)計(jì)水平式或垂直式遮陽板等，減少空氣滲透量，對窗戶節(jié)能各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行充分校核。加強(qiáng)窗戶框料的組熱性能，設(shè)置減壓槽，增加空氣滲流阻力[4]。

4.2 墻體節(jié)能

在現(xiàn)代綠色建筑設(shè)計(jì)理論推動(dòng)下，民用建筑墻體部分的節(jié)能設(shè)計(jì)更具靈活性。在墻體節(jié)能設(shè)計(jì)中，可構(gòu)造基于綠色建筑功能需求的保溫復(fù)合外墻，優(yōu)化在綠色節(jié)能維度的性能參數(shù)，防止室內(nèi)熱量無序散失?？刹捎脡w與建筑外立面一體化的設(shè)計(jì)方法，選擇具有導(dǎo)熱系數(shù)低、可持續(xù)、可再生等特征的墻體構(gòu)造材料，使墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的綠色節(jié)能效果更趨穩(wěn)定，防止墻體結(jié)露。運(yùn)用復(fù)合外墻保溫、玻璃幕墻與新型生態(tài)墻體等，阻斷建筑結(jié)構(gòu)中常見的冷熱橋現(xiàn)象，改善墻體保溫性能。

4.3 樓板節(jié)能

樓板在民用建筑結(jié)構(gòu)中的占比較大，且與人們行為活動(dòng)密切相關(guān)，優(yōu)化樓板節(jié)能效果有助于改善建筑節(jié)能效果。在實(shí)踐中，可用于樓板節(jié)能的技術(shù)方法包括低溫輻射技術(shù)和地板送風(fēng)技術(shù)，二者在構(gòu)造方式與節(jié)能效果等方面存在顯著差異，應(yīng)結(jié)合民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)需求靈活運(yùn)用。低溫?zé)崴匕遢椛浼夹g(shù)可通過熱媒熱力作用，將整個(gè)地面作為散熱器，利用蓄熱向上輻射規(guī)律，向建筑內(nèi)部空間散發(fā)熱量，不僅節(jié)能環(huán)保，而且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。地板送風(fēng)技術(shù)可高效實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣熱質(zhì)交換，節(jié)約能源。

4.4 屋頂節(jié)能

建筑屋頂是接受太陽光輻射以及承受自然降水的關(guān)鍵區(qū)域，其節(jié)能設(shè)計(jì)效果的優(yōu)劣與建筑整體節(jié)能狀況密切相關(guān)。在此過程中，可設(shè)計(jì)種植屋面，利用綠色植物的蓄水涵養(yǎng)作用，對屋面多余雨水進(jìn)行收集，形成屋面水系微循環(huán)系統(tǒng)，同步使用外遮陽綠色材料，改善屋面熱舒適性。上述收集到的雨水可在凈化處理后，進(jìn)入建筑給排水系統(tǒng)，提高利用率。優(yōu)先采用倒置式保溫，或設(shè)計(jì)蓄水屋面等，提高屋面的熱惰性指標(biāo)，挖掘屋頂節(jié)能潛力。

5 結(jié)語

受自然環(huán)境與設(shè)計(jì)理念等要素影響，當(dāng)前民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)實(shí)踐中依然存在諸多短板與不足，束縛著建筑設(shè)計(jì)整體效果的優(yōu)化。因此，技術(shù)人員應(yīng)從民用建筑所處自然環(huán)境與地域特點(diǎn)出發(fā)，充分運(yùn)用自然條件帶來的節(jié)能元素，配合現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)的智能化與自動(dòng)化技術(shù)方法，拓展豐富建筑節(jié)能設(shè)計(jì)內(nèi)涵，為彰顯建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的核心價(jià)值創(chuàng)造有利條件，為推動(dòng)現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)行業(yè)邁向更高層次保駕護(hù)航。

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