关于建筑节能设计的一些经验与体会

鲍立雄

随着全球气候暖化及受其影响产生的各种恶劣的气象灾难使全球各国都不得不携起手共同面对我们自己造成的恶果；中国从改革开发以来的经济高速的增长是以牺牲环境和浪费大量能源为代价的高炭经济。开始清醒认识到现状的中国于1986年建设部颁布了《民用建筑节能设计标准》，要求新建居住建筑，在1980年当地通用设计能耗水平基础上节能30%，《民用建筑节能设计标准》是我国第一部建筑节能设计标准，它的颁布，开启了我国建筑节能新阶段。以它提出的指标为目标，建筑节能的设计、节能技术纷纷发展起来，一系列的标准和法规先后制定。1995年《民用建筑节能设计标准》修订并于次年执行，修订后的《民用建筑节能设计标准》将第二阶段建筑节能指标提高到50%。1998年5月29日中国签署了《联合国气候变化框架公约的京都议定书》并于2002年8月核准了该议定书，因此中国对节能减排并寻求可持续发展的道路日益迫切；随着国家对各行各业节能减排要求力度加大，建筑节能设计已经成为了设计师必须考虑和重视的环节。

建筑节能设计是包含建筑、结构、设备等方面的节能设计；这里仅从我所从事的专业（建筑设计）来探讨建筑节能设计的一些经验和体会。

一、节能建筑设计应从规划开始

在以往的规划设计中，设计人考虑的往往是容积率、日照间距、空间形态、以及建筑与周边环境协调等问题，而很少从节能的角度来指导设计，节能设计只有在单体方案设计阶段才有所重视，从而产生了许多单体设计难以解决的问题。所以，提倡建筑节能首先应该重视规划节能。规划节能是指在规划设计当中充分考虑建筑与外部环境的关系，以节能作为指导规划设计的主要原则，充分利用自然资源，实现从总体上为建筑节能创造先决条件的设计方法。其中，规划节能对于居住建筑尤为重要。

影响居住区气候环境及建筑舒适性的最主要的两个因素是太阳辐射和空气流动（即风流）。因此，通过降低太阳辐射、增强建筑的自然通风效果是规划节能的主要方向。由此，建筑朝向、建筑间距以及建筑的相互组合关系将是规划节能设计的重点。首先，建筑的主要朝向应迎合当地夏季的主导风向（我国大部分地区以南北向或接近南北向布局为宜），利于自然通风，提高居住的舒适度。同时，南北朝向的建筑物在夏季所受到的太阳辐射也相对东西朝向建筑要少很多，可以节省夏季空调的用量；而在冬季时，建筑受到太阳辐射的情况刚好与夏季相反，从而节约了建筑保温所需的能耗。第二，居住建筑的间距应在满足当地规划部门的日照间距要求上适当加大。增加建筑物的间距有利于居住区内的空气流动——风量增大、风速提高，从而使建筑物与空气的热交换增加，有效降低建筑物的温度，从而降低建筑能耗。这需要规划师在节约土地与合理的建筑间距之间找到最佳的平衡点，优化节能设计。第三，居住建筑群的组合应充分考虑整体的节能效果，以有利于居住区内的自然通风。具体应注意以下几点：①居住区规划应确保“风道”的畅通，建筑群的入风口和出风口应结合主导风合理设置，使空气流通。②按照夏季盛行风向作为建筑的主要朝向，排列建筑物应遵循南小北大、南低北高的原则，确保居住区内建筑对自然风的共享性，同时也使北面高大的建筑成为人工的风障，这样的建筑群体在夏季能迎合南风、引导空气穿越，冬季又能阻挡寒冷北风的侵袭，较好地适应气候的变化。③减少采用封闭式建筑组合，平面组合成“U”型的居住建筑组团，开口应尽可能朝向夏季主导风向，保证“U”型内部建筑的空气流通。④在规划阶段充分利用计算机进行三维模型的日照模拟运算，在满足采光、日照、防火等要求下，利用建筑物的自遮挡和建筑群间的相互遮挡，减少太阳辐射对居住建筑的影响。

二、节能建筑设计应在单体设计重点考虑

单体设计阶段是节能设计的重要的一环，其中包括建筑平面设计阶段、立面（效果图）设计阶段这两大节能设计阶段。

1、建筑平面设计阶段的节能设计

①合理控制体形系数。体形系数就是指建筑物与室外大气接触的外表面积F0（m2）和其所包围的体积V0（m3）之比值。也就是说，单位建筑空间的外表面积越大，体形系数越大，能耗就越高，反之亦然。因此，在考虑节能设计时，建筑平面外形不宜凹凸太多，力求完整，避免因凹凸太多增大而提高体形系数。

《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005中就有“严寒、寒冷地区建筑的体形系数应小于或等于0.4。当不能满足此规定时，必须进行权衡判断”的规定，其他的气候区（《民用建筑热工设计规范》中将我国建筑热工设计分区分成五个区：严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区以及温和地区）没有此硬性规定；

《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》JGJ 26-95中就有“建筑物体形系数宜控制在0.30及0.30以下；若体形系数大于0.30，则屋顶和外墙应加强保温”的规定；《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ 134-2001中就有“条式建筑物的体形系数不应超过0.35， 点式建筑物的体形系数不应超过0.40”的规定。其他气候区（夏热冬暖地区以及温和地区）的节能规范细则对体形系数的要求是条式（夏热冬暖地区的北区的单元式、通廊式）住宅的体形系数不宜超过0.35，点式（夏热冬暖地区的北区的塔式）住宅的体形系数不宜超过0.40。而夏热冬暖地区的南区没有限制体形系数。

由此可见，在严寒地区、寒冷地区的建筑设计（无论是居住建筑还是公共建筑）和夏热冬冷地区居住建筑设计都必须满足体形系数的要求，如不满足此要求，则需付出很大的代价（墙体、屋顶的加强保温措施等）来满足节能权衡判断的要求，甚至因为设计没考虑到体形系数而需其他节能措施来补救，但其补救措施代价超出开发商预算时，有可能会推翻原方案重新设计，这有可能会产生非常严重的后果，所以我们做设计时要合理设计单体，力求在满足规划与功能的同时满足体形系数的要求；而其他地区虽然没有强制规定，但建筑体形系数超出要求则也要采取的其他节能措施来满足节能权衡判断的要求，同样的这也会或多或少增加工程预算；就算是在夏热冬暖地区的南区对体形系数没有要求的地方，我们做方案设计时能稍微留意建筑单体的体形系数，很可能在施工图节能计算时会事半功倍。

②自然通风。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。第四，当建筑内部不具备形成穿堂风的情况下，有必要通过导风板的设计尽可能增加形成空气流通的条件。

③屋面空间绿化。一般情况下屋面的传热耗热量仅占整个建筑的7%～8%,但对于顶层房间的热工性能影响却非常显著。提高屋顶保温、隔热性能应宜采用热阻值大、性能稳定、轻质高效、吸水率低、耐久性好的材料作为保温层。在夏季，屋面日照时间长，太阳辐射强度大，屋顶外表面温度最高达到60～80℃，顶层室内温度受其影响会提高2～4℃。在冬季，屋顶对外散失热量，又增加了室内的空调热负荷。屋面隔热保温除采用倒置式设计外，蓄水屋面和种植屋面越来越引起人们的重视。①蓄水屋面，就是利用屋面蓄水层蒸发带走太阳辐射热（蓄水层深度一般保持在200mm为宜），从而有效地减弱屋面的传热量和降低屋顶内表面温度（可比一般屋面低2~4℃），具有明显的隔热效果。②种植屋面，是一种生态节能型屋面，不仅能够提高屋面的隔热保温性能，还能增加城市绿地面积，改善城市气候环境。实验数据表明，种植屋面使屋顶外表面最高温度下降32.4℃，内表面最高温度下降2.0℃，具有较好的隔热保温性能。屋面遮阳，主要采用遮阳构架、遮阳百页、膜结构、飘板等，有效遮挡太阳直接辐射屋面，同时也能结合立面造型，创造出有性格的建筑形象。

2、建筑立面（效果图）设计阶段的节能设计

⑴、外立面玻璃门窗的隔热保温与遮阳。外门窗是住宅能耗散失的最薄弱部位，其能耗占住宅总能耗的比例较大，其中传热损失为1/3，冷风渗透为1/3，所以在保证日照、采光、通风、观景要求的条件下，尽量减小住宅外门窗洞口的面积，提高外门窗的气密性，减少冷风渗透，提高外门窗本身的保温性能，减少外门窗本身的传热量。其节能措施有：

控制住宅窗墙比。窗墙面积比是指外墙窗洞口面积与房间立面单元面积的比值,由于通过窗流失的热量较墙体多,因此,窗墙面积比值越大对建筑节能越不利。

提高住宅外窗的气密性，减少冷空气渗透。如设置泡沫塑料密封条，使用新型的、密封性能良好的门窗材料。而门窗框与墙间的缝隙可用弹性松软型材料（如毛毡）、弹性密闭型材料（如聚乙烯泡沫材料）、密封膏以及边框设灰口等密封;框与扇的密封可用橡胶、橡塑或泡沫密封条以及高低缝、回风槽等;扇与扇之间的密封可用密封条、高低缝及缝外压条等;扇与玻璃之间的密封可用各种弹性压条等。

改善住宅门窗的保温隔热性能。户门与阳台门应结合防火、防盗要求，在门的空腹内填充聚苯乙烯板或岩棉板，以增加其绝热性能;窗户最好采用钢塑复合窗和塑料窗，这样可避免金属窗产生的冷、热桥，可设置双玻璃或三玻璃，并积极采用中空玻璃、镀膜玻璃，低辐射玻璃；合理地设计可开启的窗扇面积，保证南方地区室内自然通风和降低北方地区室外冷风的直接渗透。

设置“温度阻尼区”。所谓温度阻尼区就是在室内与室外之间设有一中间层次，这一中间层次象热闸一样可阻止室外冷风的直接渗透，减少外墙、外窗的热耗损。在北方地区住宅中，将北阳台的外门、窗全部用密封阳台封闭起来，外门设防风门斗，防止冷风倒灌，楼梯间设计成封闭式的，对屋顶上人孔进行封闭处理等措施均能收到良好的节能效果。

合理控制外窗遮阳系数。简言之,遮阳系数系指外窗对阳光的遮挡程度,是影响外窗节能的另一个重要指标。降低遮阳系数可以减少夏季通过外窗的太阳辐射得热,降低室内制冷负荷,提高建筑节能效果。

⑵、墙体节能。墙体的主要功能是承重、防水、防潮、隔热、保温,是建筑外围护结构的主体。对于一定体积的建筑物来说,其体形系数越大,越容易散热。从节能角度讲,体形系数应尽可能地小。 我国一直以实心黏土砖为主要墙体材料,用增加砌筑厚度来达到保温目的,这种做法实际上浪费了土地资源。主要作为承重用的单一墙体材料往往无法同时满足保温、隔热的要求,因而在节能的前提下,应推广使用复合墙体技术,即将保温材料与基层墙体复合,构成复合保温墙体。复合墙一般用砖或钢筋混凝土作承重墙,并与绝热材料复合;或用钢、钢筋混凝土框架结构,用薄壁材料夹以绝热材料作墙体。采用墙体复合保温节能措施时,最主要的是保温层不宜过厚,过厚应采取钢丝网加固等相应措施。同时,对保温材料的耐候性,以及保温体系的抗裂、防火、拒水、透气、抗震和抗风压性能等都有较高的要求。 墙体复合保温方式主要包括内保温和外保温两种。内保温是指在外墙内侧增加保温措施,施工简便宜行,目前用得较为广泛。内保温热稳定性差,室内温度调节的速度快,适用于间歇使用的空调房间。内保温容易因室内装修而被破坏,热桥部位多,冬季室内容易结露。外保温即保温材料在墙体的外侧,有利于室内水蒸汽通过墙体向外散发,可避免墙体受潮,对保护建筑结构有利,能够延长建筑物的使用寿命,墙体可以作为蓄热材料且能解决维护结构通常存在的冷桥问题。其特点热稳定性好,室内温度调节的速度慢,适用于连续采暖、空调的房间。相比较而言,推荐外保温作为墙体保温的首选措施。

对夏热冬暖和夏热冬冷南区的地区的屋顶和外墙的外表面，宜采用浅色饰面层，不宜采用黑色、深绿、深红等深色饰面层，而其他地区则恰恰相反，宜采用深色饰面层。

三、结束语

建筑节能是一项系统工程。在策划、实施及取得实效的长时间过程中涉及规划、设计、施工、调试、运行、维修等诸多环节。作为设计行业的人员，在对建筑进行节能设计的同时我们应根据当地资源条件。因地制宜，就地取材，合理利用。并且应建立寿命周期成本观念，按建筑寿命50年内发生的各项费用，取其总和较低者作为选取决策的依据，不应考虑一次消费最低者。同时，更应重视综合设计过程这个新观念，在方案之初即组织相关专业工种介入，统筹考虑相互影响，寻求合理的解决方案。