韋成

摘 要：節(jié)能低碳設(shè)計是建筑綠色發(fā)展的重要內(nèi)容。為深入思考基于建筑本身的節(jié)能設(shè)計與規(guī)劃策略，本文從建筑綠色節(jié)能設(shè)計相關(guān)的概念、節(jié)能設(shè)計要求，以及建筑主體的制冷、制暖需求與節(jié)能間的關(guān)系等出發(fā)，探討在綠色理念下，建筑規(guī)劃中的節(jié)能設(shè)計基本途徑和矛盾平衡策略。從屋面隔熱、建筑制暖、建筑制冷、光照節(jié)能等角度探討節(jié)能路徑；從氣候變化與室內(nèi)環(huán)境的恒定需求、環(huán)境條件差異性與設(shè)計的獨一性特點、功能需求與結(jié)構(gòu)要求的匹配、建設(shè)成本與投資效益的平衡等方面，分析節(jié)能設(shè)計的矛盾與平衡，并提出系統(tǒng)化的思考、環(huán)境差異下的技術(shù)創(chuàng)新以及建筑結(jié)構(gòu)節(jié)能優(yōu)化等節(jié)能設(shè)計應(yīng)用策略。

關(guān)鍵詞：綠色建筑；建筑規(guī)劃；節(jié)能設(shè)計；應(yīng)用策略

1 前言

綠色建筑要求在建筑建設(shè)、使用、報廢等全生命周期內(nèi)，通過資源節(jié)約、高效利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、污染防控與處理等手段，盡量降低建筑對自然環(huán)境、社會生產(chǎn)生活的負(fù)面影響。建筑綠色設(shè)計在為人們提供健康、實用、高效的建筑空間和使用功能的基礎(chǔ)上，最大限度地提升了建筑的綠色效益，促進(jìn)建筑生產(chǎn)運營，與自然生態(tài)環(huán)境達(dá)到和諧共生。

建筑建設(shè)與運營過程中，其能耗主要表現(xiàn)在建設(shè)材料生產(chǎn)加工、建設(shè)設(shè)備驅(qū)動以及建筑使用過程中取暖、制冷、照明、樓宇智能化等功能性設(shè)備[1]。相關(guān)研究顯示，2020年，全國建筑全過程能耗總量為22.7億tce，占全國能源消耗總量的45.5%；其中，建筑運行階段能耗為10.6億tce，占全國能源消耗總量的21.3%[2]。建筑建設(shè)與運行過程中的大量能源消耗，要求從建筑設(shè)計與規(guī)劃開始就需要充分而系統(tǒng)地考慮建筑節(jié)能問題。按GB 55015-2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》要求，應(yīng)加強(qiáng)建筑在規(guī)模、布局、功能、性能和關(guān)鍵技術(shù)措施等要素上的節(jié)能與可再生能源利用。

2建筑規(guī)劃節(jié)能設(shè)計的基本途徑

建筑作為人類生產(chǎn)生活的重要空間建構(gòu)產(chǎn)物，本質(zhì)上是人類安全防護(hù)的重要產(chǎn)品，發(fā)揮著抵風(fēng)御寒、遮陰避陽、阻擋各種風(fēng)險的重要作用。在電氣技術(shù)之前，人們主要通過建筑結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與優(yōu)化等，來實現(xiàn)對建筑的“制冷”、“制暖”、“調(diào)濕”等功能。在建筑節(jié)能化發(fā)展中，基于人類對環(huán)境條件變化的更深層認(rèn)知和了解，建筑節(jié)能可以通過更為科學(xué)的、優(yōu)化建筑自身的設(shè)計，且基于隔斷、引入等原理，采用屋面隔熱、建筑采暖、建筑制冷、光照節(jié)能等形式[3]，提升建筑的“制冷”“制暖”“調(diào)濕”等功能。

2.1房屋各部位的絕熱處理

在房屋各部位的絕熱處理方面，已經(jīng)有了較為成熟的絕熱技術(shù)。比如，在建筑屋頂絕熱方面，需要防止太陽直接照射建筑屋頂所帶來的熱效應(yīng)，為此可以加強(qiáng)屋頂區(qū)域的通風(fēng)換氣效果，從而帶走熱量，或是選用隔熱材料，防止熱量傳遞到建筑內(nèi)部；在墻壁和地面絕熱方面，需要阻止建筑內(nèi)外熱流的相互傳導(dǎo)功能，為此可以在建筑物外側(cè)、屋內(nèi)側(cè)等位置增加絕熱層，進(jìn)行隔熱處理；在門窗絕熱方面，可以通過雙層或多層玻璃或是能夠反射紅外線的玻璃、貼反射膜的玻璃等提升門窗的絕熱性能。

2.2建筑制暖

制暖的原理主要是熱輻射的傳導(dǎo)和積聚作用，以阻止室內(nèi)熱流的流出和室外寒流的進(jìn)入，以及采取一定的蓄熱處理并提升室內(nèi)的陽光照入量。在阻止對流方面，可以通過墻面、門窗的絕熱處理，減緩熱量的傳導(dǎo)；通過提升門窗的密封效果，防止空氣流動帶走熱量；在引入熱流方面，可以選擇建筑朝向、擴(kuò)大透光面積等，以增加太陽光照射的時長與面積；在蓄熱處理方面，可以在建筑內(nèi)采用具有反射紅外線效能的材料以提升室內(nèi)的熱輻射，或是減小空間與外部的接觸面積，從而降低熱傳導(dǎo)，提升室內(nèi)的蓄熱速度。

2.3建筑制冷

在建筑制冷節(jié)能方面，主要通過規(guī)避陽光、利用溫差和空氣流動帶走熱量以及降低熱傳導(dǎo)等方式實現(xiàn)制冷[4]。比如，在建筑物外部，通過樹木、其它建筑物和構(gòu)筑物等遮擋陽光，減少陽光直射帶來持續(xù)積蓄的熱量；通過增加建筑周圍環(huán)境中的水景，利用水的蒸騰作用帶走熱量；通過調(diào)整建筑物的間距、高度、形態(tài)等，提升建筑環(huán)境的通風(fēng)效能，利用空氣流動帶走建筑周圍的熱量。

在建筑物內(nèi)部，通過吸光材料降低反射到環(huán)境中的熱輻射，并通過熱傳導(dǎo)將吸收的熱量傳導(dǎo)到建筑物其它部分；通過絕熱材料，抑制熱量進(jìn)入室內(nèi)的速度，還可以通過自然通風(fēng)、在建筑物最高處設(shè)置排氣孔、采用人造風(fēng)等方式，促進(jìn)對流散熱。

2.4光照節(jié)能

在建筑照明節(jié)能方面，主要通過提高建筑物的采光率和透射率等，減少照明用電，進(jìn)而起到節(jié)能的效果。在建筑規(guī)劃設(shè)計時，需充分考量建筑門窗的朝向、尺寸，利用天窗、豎井等結(jié)構(gòu)增加照明時長和光照面積；通過提高建筑門窗的透光率及室內(nèi)物體的光反射系數(shù)等抑制光損失[5]。但是，在提高日照光的同時，還要考慮日照帶來的熱輻射以及擴(kuò)大門窗的日照面積對建筑保溫效果的影響，平衡光照帶來的制冷和制暖效應(yīng)。

3建筑節(jié)能規(guī)劃設(shè)計中的矛盾與平衡

3.1氣候變化與室內(nèi)環(huán)境的恒定需求

人們在建筑物中，一般需要相對恒定的溫度、濕度和具有良好通風(fēng)條件的環(huán)境。但因氣候的變化，不得不進(jìn)行必要的制暖和制冷雙向措施。在非電氣功能性設(shè)施的助持下，很多制冷、制暖和節(jié)能措施之間是相互矛盾的。比如，增大開窗面積會降低阻隔效果，而加強(qiáng)阻隔設(shè)計在提升了制暖功能的同時，又會影響散熱功能；引入太陽直射光照明減少了照明電力供給，但也可能導(dǎo)致室內(nèi)環(huán)境溫度的升高，進(jìn)而提升了空調(diào)制冷帶來的耗電問題。因此，單一方面的節(jié)能設(shè)計往往并不能發(fā)揮出節(jié)能作用，甚至?xí)绊懻w節(jié)能效果，為此需要更系統(tǒng)的分析和合理的模型建構(gòu)，從節(jié)能的整體效果進(jìn)行動態(tài)考量。

3.2環(huán)境條件差異性與獨一性設(shè)計

在建筑節(jié)能規(guī)劃過程中，不同的建筑面臨的氣候條件存在較大差異，比如，我國北方氣候變化明顯，日照角度偏大，冬季寒冷；南方夏季炎熱，冬季濕冷，存在極為潮濕的時節(jié)。為此就需要依據(jù)地域氣候特征選擇適宜的節(jié)能技術(shù)。再比如，城市建筑中，由于周圍建筑遮擋和反射等，環(huán)境日照和氣流的變化具有獨一性，需要充分了解建筑環(huán)境特點才能有效利用環(huán)境進(jìn)行節(jié)能設(shè)計。因此，不同的建筑條件需要不同的節(jié)能技術(shù)，而相同的節(jié)能技術(shù)，也需要根據(jù)區(qū)域環(huán)境條件、氣候變化不同等因素進(jìn)行精準(zhǔn)的計量。

3.3功能需求與結(jié)構(gòu)要求

從功能上來講，建筑需要更大的使用面積，且便于建造和日常維修與維護(hù)。但保溫、制冷、通風(fēng)等節(jié)能措施，常常占用了建筑的使用空間，也使建筑結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜多變，從而帶來施工的復(fù)雜性，不利于建筑的日常維修與維護(hù)。而且，在建筑設(shè)計規(guī)劃過程中，為達(dá)到建筑設(shè)計創(chuàng)意效果和使用功能，需要設(shè)計一定的造型風(fēng)格和空間布局，但從節(jié)能的角度來講，為達(dá)到一定氣流走向和阻隔效果，在建筑設(shè)計過程中會對建筑的方向、形態(tài)結(jié)構(gòu)、空間布局等有一定的約束，可見設(shè)計效果與節(jié)能效果之間存在一定的取舍關(guān)系。因此，需要從設(shè)計和結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，或是尋求更獨特的解決辦法。

3.4建設(shè)成本與投資效益

建筑建設(shè)過程中，無論從投資方還是建設(shè)方，都希望在確保工程質(zhì)量的前提下盡量降低建設(shè)成本。但節(jié)能設(shè)計由于技術(shù)的先進(jìn)性、施工的復(fù)雜性等，往往需要增加建設(shè)成本。比如結(jié)構(gòu)復(fù)雜性會導(dǎo)致工期加長、施工難度提升，從而帶來成本的增加；隔熱保暖設(shè)計很可能增加建筑材料的用量，進(jìn)而提升建設(shè)成本；為改善日照條件，需要采用感光性能更好、價格更高的玻璃材料等。

節(jié)能設(shè)計與建設(shè)成本之間存在無法回避的成本矛盾問題。一方面需要通過批量化、大規(guī)模的應(yīng)用，降低節(jié)能材料的研發(fā)和生產(chǎn)成本，或是通過提升建設(shè)效率降低建設(shè)成本；另一方面需要政策、補(bǔ)貼、宣傳等，從建筑的全生命周期來考量建筑的節(jié)能價值。

4綠色建筑理念下建筑規(guī)劃節(jié)能設(shè)計應(yīng)用策略

4.1系統(tǒng)化思考

從建筑、人、環(huán)境這三者在節(jié)能上的復(fù)雜關(guān)系中可以看到，對建筑節(jié)能設(shè)計不能采用線性或是單一的思考邏輯來解決節(jié)能問題。節(jié)能設(shè)計需要充分考慮時間變化、抵御差異以及各要素之間的矛盾關(guān)系等。從理論上講，需要系統(tǒng)論的相關(guān)思想作為支撐。因此，需要在建筑規(guī)劃節(jié)能設(shè)計中，跳出環(huán)境要素、人的需求要素、節(jié)能技術(shù)要素等，將各個要素看成系統(tǒng)中的要素點，再上升到系統(tǒng)的層面。從點與點之間的關(guān)系建構(gòu)、多個要素間的關(guān)系處理等角度，進(jìn)行系統(tǒng)分析與規(guī)劃。接著，基于節(jié)能目標(biāo)，運用定量的數(shù)學(xué)模型來表示各要素之間的復(fù)雜關(guān)系，充分運用數(shù)理模型來分析條件約束，并通過改變條件參數(shù)提升節(jié)能效能，分析和解決各種節(jié)能問題。

比如，在GB 55015-2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》中，全年供暖和供冷總耗電量應(yīng)按如下公式計算：

E= EH+ EC

式中，E為全年供暖和供冷總耗電量（kWh/m2）；

EC為全年供冷耗電量（kWh/m2）；

EC為全年供暖耗電量（kWh/m2）。

其運算思想從能耗與節(jié)能的直接關(guān)系出發(fā)，計算建筑的能耗總量。運用自上而下的層級化思想，將能耗分為供冷和供暖兩個部分?；诃h(huán)境差異，建構(gòu)起能耗與建筑主體結(jié)構(gòu)之間的復(fù)雜關(guān)系模型，并運用關(guān)系系數(shù)調(diào)控不同特點區(qū)域的節(jié)能要求。其節(jié)能影響要素的確立、關(guān)系系數(shù)的設(shè)定等，需要大量系統(tǒng)而科學(xué)的分析、實驗與研究，確保節(jié)能分析的科學(xué)性和質(zhì)量。

4.2技術(shù)創(chuàng)新

建筑節(jié)能規(guī)劃從根本而言是在尋找建筑內(nèi)、外環(huán)境差異在能耗最低要求下的解決辦法。建筑規(guī)劃節(jié)能設(shè)計中，不但需要充分考慮建筑周圍風(fēng)場、濕度、溫度等對建筑內(nèi)部的影響，還需在時間上動態(tài)且充分地考量氣候變化帶來的各種影響。由于制冷和制熱的矛盾性，一方面需要平衡節(jié)能和制冷、制熱之間的變化關(guān)系，減少氣候差異對節(jié)能效能上的影響；另一方面需要積極發(fā)揮人的創(chuàng)造力，尋求能夠?qū)崿F(xiàn)制冷、制熱且達(dá)到節(jié)能要求的先進(jìn)技術(shù)來解決矛盾問題，提升節(jié)能效能。比如，創(chuàng)新單向通風(fēng)的材料、創(chuàng)新可調(diào)節(jié)光照又兼具保溫隔熱效能的玻璃產(chǎn)品等。

4.3結(jié)構(gòu)節(jié)能優(yōu)化

建筑形態(tài)與結(jié)構(gòu)要素在建筑節(jié)能中具有重要意義。其中，建筑體形系數(shù)是影響建筑物耗熱量的重要指標(biāo)。節(jié)能設(shè)計中要求嚴(yán)格控制體形系數(shù)，充分考慮建筑整體外表面積的散熱能力，盡量減少與環(huán)境接觸的外表面積，通過規(guī)整的形態(tài)進(jìn)行約束。

建筑平面布局的形狀與自然通風(fēng)的關(guān)系較為密切，建筑平面形狀需充分考慮環(huán)境的風(fēng)場變化，通過通風(fēng)的引入、引出等調(diào)節(jié)建筑的制冷、制暖；在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，可通過保溫復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行保溫，通過材料性能提升建筑的保溫效果；在開窗、開門等建筑表面的孔洞設(shè)計上，充分考慮窗墻的面積比，保證建筑整體的保溫隔熱性能。

為平衡建筑機(jī)能與建設(shè)要素之間的矛盾，應(yīng)在建筑設(shè)計之初就明確節(jié)能設(shè)計要求。在建筑造型設(shè)計上，可以更多從節(jié)能的角度進(jìn)行形態(tài)構(gòu)思，避免增加能耗的形態(tài)設(shè)計，充分利用天然的太陽能，考慮結(jié)構(gòu)布局、建筑朝向、建筑間距，注意形體表面積、開窗量的設(shè)計等；在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，外觀造型難以起到節(jié)能作用，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料優(yōu)化等內(nèi)部的節(jié)能優(yōu)化進(jìn)行彌補(bǔ)。比如，嚴(yán)寒地區(qū)建筑一般需要采用重量輕、熱導(dǎo)率小、輕質(zhì)高強(qiáng)的材料，以提升建筑的保溫性能。為盡量減少建筑物料增加帶來的承重壓力，應(yīng)減少對建筑空間的占用，提升材料的性能等。

5結(jié)論

綜上所述，節(jié)能減排是當(dāng)下我國建筑綠色發(fā)展的重要內(nèi)容。從建筑本身內(nèi)、外環(huán)境的關(guān)系角度來講，基于綠色建筑理念的建筑規(guī)劃節(jié)能設(shè)計，應(yīng)從人對建筑室內(nèi)環(huán)境的需求，建筑外圍日照、溫度、濕度和風(fēng)場等跟隨氣候變化的特征，去尋求基于建筑外部形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料技術(shù)等方面的節(jié)能可能性。因此，需要充分運用系統(tǒng)化的思維、數(shù)理化的模型分析以及不斷的技術(shù)創(chuàng)新等手段，以提升建筑的節(jié)能效果。

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