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、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，促進建筑生產(chǎn)運營，與自然生態(tài)環(huán)境達到和諧共生。

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行精準的計量。

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。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。而且，在建筑設(shè)計規(guī)劃過程中，為達到建筑設(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，進行系統(tǒng)分析與規(guī)劃。接著，基于節(jié)能目標，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、制熱且達到節(jié)能要求的先進技術(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。節(jié)能設(shè)計中要求嚴格控制體形系數(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；在圍護結(jié)構(gòu)上，可通過保溫復(fù)合結(jié)構(gòu)進行保溫，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)化進行彌補。比如，嚴寒地區(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。

參考文獻

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