面向全寿命周期的节能建筑设计方法分析

2015-01-10霍子益

建材与装饰 2015年24期

关键词：寿命能耗太阳能

霍子益

（贵州省建筑设计研究院贵州贵阳 550001）

面向全寿命周期的节能建筑设计方法分析

霍子益

（贵州省建筑设计研究院贵州贵阳 550001）

主要讨论了面向全寿命周期的节能建筑设计方法，以求为未来建筑设计提供理论支撑。先简单分析了面向全寿命周期节能设计的基本理论，并对面向全寿命周期设计评价的相关内容进行讨论；再分析了面向全寿命周期的节能建筑设计的基本原则，包括能源消耗控制，资源最佳使用控制等，由原则引申出节能建筑设计方法。从应用效果来看，开展面向全寿命周期的节能建筑设计讨论，能有效提高建筑整体质量，具有良好的操作价值。对相关工作人员而言，为进一步提高建筑节能设计质量，需要加深自身对全寿命周期节能设计的理解，为提高建筑整体质量奠定基础。

全寿命周期；节能建筑设计

节能建筑是未来建筑发展的主要形式，体现我国经济发展中可持续发展的基本内容，具有较高的经济价值与社会价值。但从当前我国建筑行业的发展现状来看，节能建筑设计虽然已经得到了社会的广泛认可，但相关措施在节能处理上的效果依然不足。因此，需要引进一种先进、合理的建筑设计理念，推动节能建筑设计的优化与升级。本文将以此为背景，对面向全寿命周期的节能建筑设计方法进行讨论。

1 寿命周期评价分析

1.1 寿命周期评价定义

寿命周期评价（LCA）的概念众多，其中，国际标准化组织（ISO）对其的定义最具权威性。其认为，所谓寿命周期评价，就是有效的汇总一个产品（或服务的）的基本资料，并评估该产品（服务）在体系生命周期中的所有投入与产出，最终确定相关活动对环境造成的直接影响与潜在影响。

1.2 寿命周期评价的基本内容

就建筑设计过程来看，其实质是一个系统分析的过程，主张通过合理的分析与处理，实现建筑设计的最优化。因此，在建筑节能设计中，为保证相关设计内容具有良好的操作性，就需要对其设计内容进行评价。而寿命周期评价是解决上述问题的有效方式，具有良好的操作性，其工作主要体现为以下几方面：

1.2.1 界定目标与范围

在一般的建筑节能设计中，为避免所涉及的内容较为复杂，可以优选一些具有代表性的变量，包括窗户类型、墙体类型、屋顶类型等。

在全寿命分析中，需要充分考虑到经济因素与环境因素对设计结果的影响，假设设计过程中的变量值为X，则建筑寿命周期总评价的F可利用下列公式表示：

式中：LCEI代表寿命周期环境影响；LCC代表寿命周期费用；w1代表寿命周期环境影响在总评价中所占权重；w2代表寿命周期费用在总评价中所占权重。

1.2.2 清单分析

一般在清单分析过程中，需要深刻剖析某项设计中的相关影响因素，通过各种因素控制，达到节能质量控制的目的。

设某建筑的窗户类型为12.7mm空气间层双层玻璃，则在墙体类型选择中，可选择钢结构填充墙与石质空心墙两种形式。其中，钢结构填充墙组成由外到内主要为：面层-空气间层-空气隔离层-覆材-保温层-防水层-装饰层；石质空心墙内外到内的组成为：面层-空气间层-刚性保温层-防水层-装饰层。而在清单分析中，就需要在充分认识到两种施工工艺的特点，从多途径入手，分析相关措施的质量控制方法，保证节能措施的有效性。

2 节能建筑设计原则与方法

在面向全寿命周期的节能建筑设计中，为保证节能措施科学有效，需要尊重以下几方面原则，以确保其设计措施具有可行性：

2.1 能源消耗最少原则

根据台湾地区某钢筋混凝土结构建筑耗能计算案例可知，假设建筑物的全寿命周期为40年，则建筑耗能最大的为日常使用阶段，其耗能约为总能耗的71%，建材的生产、运输所产生的能耗约为22%。因此，在面向全寿命周期的建筑节能设计中，需要将工作的重点放在日常使用阶段与建材生产运输阶段。其主要方法为：

2.1.1 使用生产能耗低的建筑材料

我国在《奥运绿色建筑评估体系及标准的研究》中，开始了建筑材料对建筑性能的研究，结合全寿命周期的相关概念，可将其划分为4个评估标准，分别为：建筑所用资源的消耗、不可再生能源的消耗、对环境的影响、对人体健康的影响等。

一般在计算单位建筑面积所需要的能源时，可依照下列公式展开计算：

式中：E代表单位面积内建设过程所需要的能源量，单位为GJ/m2；Xi代表第i种建筑材料使用过程中的单位耗能指标，单位为GJ/t；Bi代表建筑所使用的第i种材料总重量，单位为t；S代表建筑面积的，单位为m2；a代表建筑第i种材料回收系数，单位为%；Xr代表第i种材料在回收过程中的生产能耗指标，单位为GJ/t；n代表建筑施工过程中所需要的材料种类。

由上述公式可知，建筑材料能耗与建筑总能耗之间呈正比例关系，因此在建筑生产过程中要尽量使用能耗低的建筑材料，包括回收率高的铝合金、型钢等。考虑到建筑材料全寿命周期的相关内容，建议在施工中选择处事能耗高但综合能耗低的材料，以满足建筑施工质量控制要求。统计建筑设计中重要材料的消耗指标，以求为相关工程开展节能质量控制提供数据支撑，具体资料如表1所示。

表1 重要建筑材料生产过程中的能耗指标

2.1.2 合理规划建筑体形

总所周知，建筑体形对其室内舒适度与建筑能耗产生重要影响，为提高建筑节能设计效果，可以合理规划建筑体形。

受到气候条件、地域等因素影响，我国地区间建筑体形规划表现出明显差异。例如北方地区在建筑体形设计中，尽量提高向南的面积，以增大建筑受光面，且建筑基本呈南北布置，东西朝向的较少，北方很难得到充足的阳光。因此北方地区在建筑体形设计中，不宜在东西北三房巷设置采光区，避免冬季时热量大量流出；而南方地区在体形设计中，更重视通风与隔热问题，重视门窗洞口布置，尽量迎合夏季主导风向，以提高建筑整体通风效果。

除建筑房屋朝向外，建筑的进深也会对节能效果产生影响。一般的单栋住宅，其进深越大，建筑的传热耗热指标越低。例如，当建筑进深为9m，耗热指标为41.20；当建筑进深为12m时，建筑耗热指标为36.85。

2.2 清洁能源利用原则

太阳能属于一种普遍的清洁能源表现形式，在我国工程院第七次原始大会学术报告上，工程院原始张耀明先生指出，我国属于太阳能资源丰富国家，陆地每年接收的太阳能辐射约为2.4万亿t标准煤，是上万个三峡工程发电量总和，由此可见，在开展太阳能清洁能源的讨论具有较高的实用价值。

在当前的太阳能利用中，其主要的应用形式分为：

2.2.1 太阳能光电屋顶

太阳能光电屋顶是由空气间隔层、太阳能瓦板等组成，以安全玻璃或不锈钢薄板为基底层，并通过有机聚合物充分包裹太阳能电池。经过上述处理，太阳能瓦板具有良好的防水性能。设置太阳能光电屋顶不仅能获得电能，也能产生热量，充分体现了绿色、节能的相关内容。美国等发达国家早已经开始了对太阳能光电屋顶的研究，并收到良好效果，太阳能瓦板所产生的电量，不仅能满足住户自身的要求，也能将多余电量送入电网。

2.2.2 太阳能电力墙

太阳能电力墙属于建筑材料与太阳能光电池的结合体，通过在墙面上张贴发电层，在装饰建筑物的同时，也能提供丰富的电力资源。该方法已经得到应用，例如，瑞士斯特克伯恩有一座钟塔，其两侧覆盖了光电池组件，所发出的电力用来维持钟塔运转，其余被送入电网。

采取太阳能节能处理措施，在初期会增加投资成本。因此在设计过程中，需要根据建筑的具体情况开展经济可行性分析，在综合考虑成本、投资、运行费用的基础上，做出科学的判断。