浅谈建筑设计中的节能设计

冯靖恺

摘要：针对建筑节能的设计问题，从建筑规划设计、结构围护设计等四个方面，论述建筑设计中对建筑节能的影响

关键词：建筑；节能；设计

前言

节能、低碳是世界经济发展的主旋律，建筑节能是建筑行业发展的新方向，为提高建筑用过程中的能源效率，在建筑设计中加入节能设计就成了当前建筑设计的重要理念之一。

1合理的规划布局

影响居住环境的最主要两个因素是太阳的辐射和空气的流通，因此建筑规划的节能设计，主要解决的问题就是一方面合理利用太阳辐射；另一方面增强建筑的自然通风效果。

1.1气候地理环境条件与节能设计

进行建筑规划节能设计应对建筑所在地的气候条件、地形地貌、地质水文资料进行调查分析，根据分析结果，决定节能设计的基本方案。节能设计首先应该考虑如何充分利用建筑所在地的自然环境资源，在减少常规能源的前提下按照节能的设计方法和要求，结合建筑技术措施，创造出有利于人们生活和工作的居住环境。

（1）气候条件。由于建筑所在地理环境的特殊性，建筑具有一定的地域性特征，而其中气候条件起着重要的作用，要制定出科学的节能建设计方案，就必须了解当地太阳辐射强度，冬季日照率、降水、冬夏两季主导风向频率，及建筑所在地小区域环境的微气候条件，通过对这些气候条件的了解掌握，设计出和当地气候相符合的节能建筑。

（2）地形条件。建筑所在地区的地形地貌，会直接影响建筑室内外热环境和空调能耗的大小，因此，对不同的地形地貌的建筑要区分对待，设计出合理的节能方案。如果在湿地环境下水陆风比较大，那么在设计时就要充分考虑水陆风的影响。以建筑自然通风为设计的重要环节之一，就可以改善夏季热环境对建筑的影响，节约空调的能耗；如果在山区地带就要充分考虑该地区的山谷风的现象，在设计时重点考虑夏季防热通风，冬季获取较好的太阳辐射热。

（3）地表环境。建筑所在地的表面覆盖的植被或硬化地面都直接影响到建筑采暖和空调能耗的大小，由于建筑物和铺砌的坚实路面大多为不透水层，或降雨后雨水流失快，雨水蒸发到空气中形成高温、高湿闷热气候，或由于太阳辐射到建筑物及硬化地面，造成环境温度升高，建筑物为降温，就会大量使用常规能源，造成能源的大量消耗，因此节能规划设计应有足够的绿地和水面，严格控制建筑密度，减少硬化地面，利用植被和水域减弱热岛效应。如适当安排树木花草，既起美化作用，也是建筑节能的一项技术措施，所种植被的树木应该选择长的较高，枝叶伸展较宽，夏日茂盛，冬季落叶的乔木，以便夏季利用树木爬藤遮挡阳光直晒，降低环境温度，节约空调能耗，冬天树木落叶后又可让阳光照进室内，最大限度利用太阳辐射。适当设计水景，利用水来平衡环境温度，净化空气、收集雨水，减少能源消耗量。

1.2日照环境

利用太阳能是建筑节能的重要途径，日照环境设计主要是来确定建筑物的日照间距与建筑物的朝向。

（1）日照间距。日照间距是保证阳光不受遮挡可以直接照射到建筑室内的距离。影响日照间距的因素很多，包括当地的日照标准、地理纬度、建筑朝向、建筑物的高度、长度以及建筑用地的地形等。因此，建筑节能设计时，在节约用地的前提下，应该综合考虑各种因素来确定日照间距。居住区平面规划中在日照间距范围内，合理布置建筑群体，错落排列，能有效利用日照时间，如将一般的小体量的低层、多层、独立式住宅放在南面，大体量的高层住宅放在北面，可以最大限度满足日照要求，节省用地，又有利于居住小区内的空气流通，从而使建筑物与空气热交换加快，有效降低建筑的温度，降低建筑能耗。

（2）在建筑的平面布局上朝向的选择很重要。

2控制建筑物的体形系数

合理控制建筑物的体形系数，即建筑物与室外大气接触的外表面积和其所包围的体积之比值，也就是说单位建筑空间的外表面积越大体形系数就越大，其耗热量随体型系数的增长而增长，建筑设计中从以下几点着手：

建筑体型系数与建筑单元连列有关，如一幢住宅，每增加一个联列单元，建筑物就减少一面山墙，外表面积缩小，体型系数就小，所以多单元的住宅，对节能有利，低层的小单元的住宅对节能不利。

适当增加建筑层数，建筑层数的增加，外围面积的递增比不上所包围体积的增加。也就是说体积大于外表面积的增率，高层建筑的体型系数偏低，一般在0.15～0.25之间就是这个原因，因此在满足功能经济允许的条件下，适当增加建筑层数对节能有利。当面积相同时，增大建筑物的进深，体型系数相应减少，即相对直角而言，正方形的体型系数最小，因此建筑平面接近正方形对建筑节能是有利的。选择合适的平面形状，为满足可比性，我们假设各平面的四周表面积相同，高度一致对五种形状进行了分析评价，三角形、正方形、1：2长方形、正六边形、圆，所得體型系数数据由小到大，圆形3.13——正六边形3.45——正方形4——1：2长方形4.44——三角形5.13。由此可见，圆和多边形对节能有利，三角形对节能最不利，蒙古族所居住蒙古包的圆形平面，圆锥形房顶就能有效地适应草原的恶劣气候，起到减少散热面积，抵抗风沙的效果。

3合理控制窗墙比

窗墙比就是建筑窗户洞口面积与房间立面单元面积之比值，由于外围护墙体的热工性能比玻璃窗户要好，尽管外窗面积比外墙面积要小的多，但通过外窗得失热能却占围护结构得失热量50%，因此需根据不同地区气候特征，合理控制窗墙比。如内蒙古地区西部气候干燥太阳辐射强，风沙大，建筑外墙面积就要增大，窗墙比小，可以减少白天透过窗户的太阳辐射热，同时保持室内空气的湿度；东部地区由于空气湿润冬季气候寒冷，建筑的窗墙比就要增大，夏季利用较大的南向窗户进行自然通风，冬季则可获得较多的太阳辐射热；再由于内蒙古地区年主导风向主要是西北风，建筑物窗墙比北向要比南向小，以抵抗冬季冷风侵入，减少室内热量的散失。

4加强围护结构的节能设计

建筑物的能耗是由其围护结构的热传导和冷风渗透两方面造成的，在其能耗所占份额中，外墙约占23%～34%，窗户约占23%～25%，楼梯间隔墙约占69%～11%，屋顶约占7%～8%，阳台门下部约占2%～3%，户门约占2%～3%，地面约占2%，窗户传热耗热量与空气渗透耗热量相加约占全部耗热量的50%，显然如果建筑围护结构具有良好的保温性能，便可减少冬季室内传室外的热量，和夏季室外传人室内的热量，从而减少了保持室内舒适热环境所需提供的采暖和制冷能量。为降低能耗，设计均从单项如墙、屋面、门、窗等围护结构着手，重视热工性能找出其经济热阻。

4.1墙体设计

墙体是建筑外围护结构的主体，其功能主要是：

承重、防水、防潮、保温、隔热，是节能建筑设计的关键。墙体的节能设计除了适应气候条件做好保温、防潮、隔热等外，还应体现在能够改善微气候环境条件的特殊构造上。如寒冷地区的外墙外保温墙体构造，这种保温墙体的主墙体，可采用各种混凝土的空心砌块、粘土空心砖，以及现浇钢筋混凝土墙体等，外侧可采用轻质高效保温隔热层和耐候饰面层，保温材料要选岩棉板、玻璃棉、模塑聚苯板（EPS）、挤塑聚苯板（XPS）、聚氨酯等，这种墙体基本消除热桥影响。再就是从建筑设计本身解决改善微气候环境条件，如杨经文设计的槟榔屿州Menara Umno大厦外墙外加了一种“捕风墙”的特殊构造设计，在建筑两侧阳台开口，开口两侧外墙上布置两片挡风墙，使两道风墙形成喇叭状的口袋，将风捕捉到阳台内，然后通过阳台门的开口大小控制进风量，形成“空气锁”可以有效地控制室内通风。

4.2屋顶的节能设计

屋顶是建筑物与室外大气接触的一个重要部分，主要的节能措施应有：（1）屋面保温层不宜选用吸水率大的保温材料如岩棉，以防屋面湿作业时因保湿层大量吸水而降低保温效果；（2）屋面不宜选用密度大导热系数较高的保温材料，以免厚度重量过大，不经济；（3）根据功能要求可设计蓄水屋面，种植屋面等。

4.3外门窗、玻璃幕墙的节能设计

外门窗是建筑外围护结构的开口部位，是人们满足对采光、通风、日照、视野等方面的基本要求，应具备良好的保温、隔热、隔声性能，有足够的气密性、水密性、抗风压强度，才能为住户提供安全、健康、宁静的室内环境，提高生活质量。与围护墙体相比较，外门窗是阻挡夏季太阳辐射热的进入，室内和冬季室内热量散失的最薄弱环节，其能耗约占围护结构50%，所以外门窗是节能设计的关键部位，是节能技术的重点所在。门窗的节能措施，除控制各个朝向的窗墙比，还需增加玻璃门窗的热工性能，其措施有以下几方面：（1）合理选择窗体型材，采用传热系数小的窗体材料，如经热断桥处理的门窗型材，彩色涂层镀锌节能型门窗型材，塑钢门窗。（2）建筑玻璃的选用，必须考虑遮阳系数、传热系数，玻璃的传热系数越低，玻璃阻隔热传导性能越好，真空低辐射（Low-E）玻璃为首选，低辐射（Low-E）玻璃是一种表面镀膜玻璃，它能够减少热透射，进一步降低建筑外窗玻璃的热损失，其他还有中空玻璃，真空玻璃也广泛用于不同地区建筑节能设计中。（3）加强窗墙间、框扇间的接缝气密性设计，窗墙间的缝隙封闭可采用强性松软型材料如毛毡、聚氨酯泡沫等封堵，框扇间的接缝要符合气密性的设计等级。（4）增加外玻璃门窗的遮阳设计，防止夏季太阳辐射热透过玻璃门窗直接进入室内而耗能，由于遮阳的位置方式不同，水平式遮阳适用于南向外窗遮挡高度角大，从窗口上方射来的阳光。垂直式外遮阳适用于东北向、西北向外窗，遮挡高度角小，从窗口斜射过来的阳光。为克服传统固定式遮阳在采光、自然通风、视野等方面的矛盾，上述两种遮阳方式在节能建筑中较多采用活动百叶遮阳，可根据光线变化自动调节百页角度遮阳，不影响自然采光和通风。如内蒙古北方电力办公楼遮阳百页与建筑有机结合，体现现代风格的办公建筑。（5）玻璃幕墙，现代建筑大面积使用玻璃幕墙，给节能设计带来了新的课题。一种“可呼吸”的玻璃幕墙，解决了传统玻璃幕墙的节能问题，“可呼吸”的玻璃幕墙是由内外两层玻璃幕墙组成，外层幕墙一般采用隐框、明框点式玻璃幕墙，内层幕墙一般采用明框中空玻璃幕墙组成，内外幕墙之间形成一个相对封闭的空间一通风间层，空气可以从下部进风口进入，从上部排风口排出，空间内经常处于空气流动状态，热量在其间流动，形成热量缓冲层，冬季关闭通风层两端的进排风口，换气层内的空气在太阳光辐射下温度升高形成温室，有较提高内层玻璃热能的散失，夏季打开换气层进排风口，利用烟囱效应带走通风间层的热量，减少太阳的辐射热，节省空调耗能。

4.4建筑热桥的控制和其他部位的节能构造设计

在外围护构件中，经常较大的嵌入构件，如外墙中的钢筋混凝土粱、柱、板、过梁、圈梁、阳光板、挑檐板等，这部分与主体材料传熱方向平行的材料导热系数高于主体材料，起到局部加速传热的用，形成热桥，这些热桥必然增加传热热损失。建筑节能设计要根据每个热桥所在部位的结构形式，选择最佳的节能设计以保证节能效果的良好，如钢筋混凝土过梁常做成L形，使外露部分面积减少，或采用外保温形式全部包起来，切断热桥，悬挑阳台板、遮阳板、屋顶女儿墙，室外空调机隔板，屋面上人孔，屋顶廊柱、出屋面水箱间、楼梯间、坡屋顶上老虎窗及其侧墙面，外墙各种管道穿孔处、外墙墙垛等容易出现热桥部位都应在节点设计时增加适合的隔热材料，提传热阻。

5结束语

总之，建筑节能需要通过节能的技术和方法来实现，是建筑功能和各种节能技术应用的综合，涉及建筑行业的方方面面，随着建筑节能实施的不断深入，建筑设计的方法和理念也需要深化和变革以适应建筑业发展的需要，建筑节能作为国家可持续发展的目标是长期的。建设设计在源头上保证建筑节能的实施起着首要的作用，通过与建筑科学技术各学科的通力协作配合，一定能创作即符合建筑学原理又符合节能发展的优秀建筑。