基于超低能耗的寒冷地区建筑本体节能设计

崔佳亮

（建研科技股份有限公司，北京 100000）

我国北方地区季风气候明显，建筑采暖与制冷能耗较高。为响应节能减排的绿色建筑理念，基于超低能耗的设计要求，在满足建筑基本的采暖与制冷需要的前提下，通过优化建筑平面布局和改良内部空间设计等措施，尽可能降低能耗。近年来，超低能耗建筑的相关理论和配套技术日益成熟，在具体设计时还要结合寒冷地区的气候特点，综合考虑建筑的功能、形式和布局，在达到预期节能效益的基础上，兼顾建筑的实用性。

1 建筑工程概况及平面布局设计

本文以某综合性办公建筑为例，该项目地处我国北方，占地位置地势较低，其功能要求分为内向型和外向型，其中内向型功能有行政办公、试验科研，外向型功能负责公共服务、会议接待培训及成果展示。在设计室内热环境时，根据办公及活动需求，可分为采暖房间与非采暖房间两类，办公及实验房间采用采暖房间，展会及会议室可采用非采暖房间。该建筑要求采暖房间的温度维持在20-25℃的恒定水平。考虑到墙体之间的热传递效应，因此为避免采暖房间热量过度散失，应将采暖房间集中布置。在寒冷地区，采暖区应靠近建筑的南面或东南面，这样冬季可充分借助外部的太阳光为室内升温。而对于活动较少的卫生间、公共通道等，应设置在背面。另外，通过合理的房间布局，将开敞式大空间更改为封闭式小房间，也能够减少热能损失，进而达到超低能耗的设计目标。

2 建筑形体设计

2.1 建筑平面形式的设计

对该项目进行建模，基于建筑常见的四种平面形式：长方形、三角形、正方形和圆形。其他一些比较复杂的形式（如回形），也可以看作是由这4 种基本形式演化形成。在Designbuilder 软件中分别建立4 个高度为10m、体积为1000m3的三维建筑模型。其中，长方形建筑的底面尺寸为20m×5m；正方向的底面尺寸为10m×10m，三角形的边长为15.2m，圆形半径为5.64m。4 个模型的窗墙比均设定为0.3，然后进行全年能耗模拟，所得结果如表1 所示。

表1 不同平面形式下建筑能耗模拟结果（单位：Wh/m3）

结合表1 可知，在体积相同的情况下，圆柱体建筑的总能耗最低。所以该项目建筑平面形式的设计采用圆形，可以取得比较理想的节能效果。

2.2 建筑形体高宽比的设计

使用Designbuilder 软件设计不同高宽比的圆柱体建筑模型。输入该建筑总体积V=10862.69m3，并保持该数据不变，分别调整其高度的直径，对比不同高宽比下建筑采暖能耗、制冷能耗，以及总能耗的变化情况。共设计了5 组模型，1#模型的高宽比为3:1，即高度225.63m，直径75.21m；2#模型的高宽比为2:1，即高度173.40m，直径86.7m；3#模型的高宽比为1:1，即高度为108.45m，直径为108.45m；4#模型的高宽比为1:2，即高度为68.37m，直径为136.74m；5# 模型的高宽比为1：3，即高度为52.13m，直径为456.39m。具体能耗如表2 所示。

表2 不同高宽比下圆柱体建筑的能耗情况

结合表2 数据可知，采暖能耗随着高宽比的增大而增加，制冷能耗在高宽比为1:1 时最低。总能耗方面，高宽比1:1 时最低，为94750.6Wh/m2；高宽比为1:2 时次之，为95542.6Wh/m2，两者差异并不明显。因此，对于圆柱体建筑，建筑形体的高宽比宜控制在1:1-1:2 之间，能够达到超低能耗的目标，结合周边地势较低，考虑通风问题，因此需要对其进行1:3的高宽比设计。

3 建筑内部空间设计

针对该建筑，应充分发挥优化建筑内部空间布局的作用，来达到节能降耗的目的。其主要设计内容如下：

3.1 中庭空间设计

中庭空间设计需利用热压通风原理进行优化。夏季高温热气上升，能够将建筑中的热空气排出，而室外的凉爽空气会因为压力差而吸入室内，实现了通风散热的效果。要增加天窗或者有利于导风的斜窗，提高热压通风效率。天窗应使用遮阳膜覆盖，阻挡太阳辐射，避免室内空气过快升温。在该项目设计中采用垂直型的剖面设计更能够提升采光效果，中庭的高宽比设计也应首先考虑采光需求，本文主要采用光井指数WI 代表中庭体量，并计算出在WI 不同的数值下中庭周边各房间的平均采光率，具体如下图1 所示。

图1 平均满足率与光井指数WI 关系图

结合图1的房间平均采光率来看，当光井指数＞0.68 后，平均采光率下降的比较明显，因此该项目的设计应将光井指数控制在0.68 以下，WI的计算公式为：

通过计算公式（1），其中庭的高度应为4.2×3+1.8=14.4m，而其宽度应大于21.5m，再结合整体建筑设计，该项目最终确定的中庭宽度为24m，能够保证采光，又可以兼顾通风散热。

3.2 办公室及会议室设计

主要利用风压通风原理进行优化，当室外自然风吹向建筑时，受到建筑阻挡，自然风从建筑两侧吹过，在建筑正后方形成“负压区”，在压力差的作用下将自然风吸入室内。通过优化室内布局，取消隔墙，形成南北通畅的通风廊道，利用“穿堂风”达到通风散热的效果，对于降低建筑能耗有明显效果，室内布局如图2 所示。

图2 基于风压通风原理的建筑内部空间设计

4 建筑窗墙比设计

窗户是建筑中热损失最为明显的部分。现代建筑通过使用中空low-e 玻璃在降低热损失方面起到了一定作用，但是仍然达不到超低能耗的设计要求。通过优化窗墙比，对提高建筑保温隔热效果有明显作用。为了验证建筑不同方向上窗墙比对能耗的影响，使用Designbuilder 软件进行三维建模，得到总高度为10m、共两层的长方体建筑模型。分别在东、西、南、北4 个建筑立面上，以0.1-0.7的窗墙比设计1 个窗户。通过对全年建筑能耗进行模拟，观察4 个方位上不同窗墙比下的能耗情况。以建筑南部立面为例，在窗墙比从0.1-0.7的情况下，采暖能耗、制冷能耗以及“采暖+制冷”的总能耗如表3 所示。

结合表3 可知，对于长方体建筑，窗墙比越大，其能耗越高。窗墙比为0.1 和0.7 时，总能耗差距达到了2498.2 Wh/m3，差异明显。为了进一步验证各个立面采暖与制冷总能耗的变化速率，从而计算出超低能耗建筑的窗墙比限值，绘制了建筑4 个立面上总能耗与窗墙比的关系曲线，如图3 所示。

表3 建筑南部立面不同窗墙比下采暖、制冷及总能耗变化（单位：Wh/m3）

图3 建筑4 个立面总能耗与窗墙比的关系曲线

结合图3，以建筑南向立面为例，在0.4-0.5的后半段以及0.5-0.6的前半段，能耗变化率有明显的突增现象，即建筑总能耗突然增加。因此要想达到建筑超低能耗设计，必须要将窗墙比控制在0.4 以下；同样的，建筑东向立面，窗墙比控制在0.3 以下能够使总能耗维持在较低状态。通过图3 所示的变化曲线，得出长方体建筑4 个方向窗墙比的限值，为后续建筑节能施工提供了依据。其中建筑南向立面窗墙比采用系数0.4，其具体尺寸如图4 所示。设立该建筑某一层楼板的距离为χ，单侧采光系数最远距离为2.5χ，经测量办公室的进深为8.8m，再减去1.1m的走廊距离，可得知最远的工作距离为7.7m，由此反向推出该办公建筑楼的窗户高度应＞7.7÷2.5-0.9=2.18m。

图4 窗墙比0.4 时窗户尺寸（单位：mm）

5 结论

现代建筑设计中，追求更低的能耗是一个核心目标。影响建筑能耗的因素较多，除了保温隔热材料的性能外，建筑本体的节能设计也十分重要。结合建筑的功能需要和建造要求，在满足实用性要求的基础上，通过优化建筑布局，选择合适的高宽比、窗墙比，达到超低能耗的目标，进一步降低建筑投入使用后的能耗，推进我国建筑行业的绿色、节能发展。