基于生态优化视角下的零能耗居住建筑优化设计分析

张喆

在绿色建筑的发展进程中，零能耗建筑成为非常重要的点，更是建筑节能方面研究最为重要的转折点，也是建筑发展一种规律，在此方面的研究，很多国家都非常重视。本文从零能耗居住建筑设计实践问题和意义出发，探讨了此类建筑优化设计技术实践和策略，意在为相关研究积累经验。

现今，人们对于环境产生的影响越来越大，所以，怎样才可以将人们对于环境产生的影响降低到最小，成为了人们迫切需要解决的问题。人们生活中最重要的部分就是居住建筑，其与能源有着密切的关系。在万物理论中，“能”为永恒，评价能源的是“㶲”，代表着能源效率模式。在解决环境与能源之间矛盾时，它成为了关键。为此，人们从生态优化的角度出发，致力于进行零能耗居住建筑的优化设计，下面内容就此进行简要的分析。

一、零能耗居住建筑的设计实践问题

国内在此方面的研究处在探索与论证的阶段，还有非常多的问题需要解决，行业内对于此种类型建筑含义的理解以及认识，并不是非常全面，有部分观点显得有一些偏颇。对于当前已经建筑完成的一些标注着零能耗的建筑，并没有得到广泛地认可，有一些设计师作品，被反应存在造价过高、低碳并不低碳、不能满足可持续发展要求的问题。这些都反应出，我国的零能耗居住建筑还需要很长的一段路要走，需要加大研究力度。

当前，国内的零能耗建筑发展需要面对瓶颈问题，建筑的理论标准与实际情况不符，也存在时效不足的问题，对其的认可度也不是非常理想，其中应用的评估体系需要以海量的评价标准为基础，也就不利于评价快速进行。因此，对于已经建成的相关理念的建筑所进行的评价迟迟不能完成，也就不能体现出这些建筑的推广意义。

社会处在了极大变化之后，能源、环境、人居质量、互联网、智能化等很多复杂化的问题越来越多，这也要求建筑研究在新的方面有一定成果。并且建筑是一门复杂学科，因此想要实现零能耗居住建筑的优化设计，还需要很多探索工作要做，最为主要的则是形成一套可行优化设计和评估的方法，对此类建筑设计提供实践指导。另外，对于不同的地区，其建筑属性也不同，相关的物理边界以及能量平衡边界的具体方法依旧没有确定，所以在今后发展还需要很多大量化工作需要进行，才能真正实现零能耗居住建筑的优化设计。

二、零能耗居住建筑优化设计实现的积极意义

从理论上看，零能耗居住建筑的优化设计，对于我国生态城市的建设在全国范围内推广以及城市能源规划的推广有着重要的理论意义。零能耗居住建筑的基准模型设定以及其现实中的零能耗潜力和规模，在未来我国零能耗建筑、零能耗社区的相应研究和建设方面，有着抛砖引玉的意义。

而就具体应用层面进行分析，此方面的研究，主要方向是城市住宅的单体建筑节能和再生能源应用。以此对建筑设计进行优化，利用现有技术条件，开展城市中居住建筑的零能耗可能性和潜力以及规模的研究，从而可以总结和完善并补充零能耗居住建筑方面优化的技术手段和设计策略。除此之外，在零能耗居住建筑的研究中，技术和设计脱离实际问题还是比较常见，并且在设计后期运用技术性手段也不能达到良好的契合效果，因此将此类建筑付诸实践，就可以为相关的研究者提供参考数据，从而能更好地改正和完善设计方案，进而达到零能耗的目的。

三、零能耗居住建筑的优化设计的技术实践

优化设计实现可以从两个方面进行考虑，一个是热力学优化，另一个是生态系统优化。热力学优化又分成是三个层次，其一则是纯热力学的优化，其二则是热力学同经济因素的结合，也就是热经济学的优化，其三则是全面性优化，包括生态方面的优化。

对于生态系统优化非常关键的一面则是生态评估，也就是计算节能废料。对于此，研究人员提出从建筑物理系统热力学和技术经济的可行性角度进行突破，运用相应生态学物理表达方法，对优化后的项目可行性进行综合的评价。为此，需要把居住建筑放置在生系统之中进行思考，打破单一热力学和热经济学的优化束缚，也就形成了更全面的优化设计理论和方法，从热力学到经济学再到生态学，形成统一论域生态的优化设计理论和方法。

想要形成这样统一论域优化的研究，必须应用到的技术手段为“低碳可持续”“热力学能量平衡分析原理”，结合寿命期动态分析模式，与多目标的优化技术相结合，这样才是更全面的零能耗居住建筑的优化设计研究。其中需要设计多个相互影响的机制，包括经济性、环境友好性、碳排放、能耗、主动技术、被动技术、典型建筑空间形态等，并且有三个非常重要论域的指标，包括生态性、经济性、能源性，从而形成科学有效的优化设计系统。

比如，NSGAII 遗传智能的优化方法，构建出多维度的数学模型，然后就其中典型例子做多目标的优化求解，接着探究每种组合Pareto 空间的解集，设计出数据的调用库，以为最后决策人员从不同偏好性和不同需要进行考虑，调用出最优的数据，以解决优化设计问题。

四、零能耗居住建筑优化设计的策略

零能耗的居住建筑设计时，采用的普遍方法是尽量减少建筑体形系数，运用回廊或者中庭的形式，构成自然的通风和采光，并增强围护结构隔热性能；将能耗模拟方法运用在设计阶段，通过建筑能耗模拟软件模拟出建筑耗能表现和热工性能，并适时地进行调整，从而满足预定能耗的目标。在减少热量方面，以建筑围护结构方面的设计为主，也就是合理设计门窗和屋面，避免热量传出；另外，利用了再生能源，以实现零能耗和零碳排放，具体有地热和太阳能源，这类高品位的能源。

1.一体化的太阳能建筑

此类型的零能源居住建筑，一定要有着紧凑高效空间布局，这也是零能耗的基础，并且与当地的气候环境进行主动的响应。这种优化方法，前期工作主要是针对建筑当地的环境信息进行收集和分析，这是必要的条件。其中最为重要的则是正确评估出本地的太阳能资源，还有湿度、场地生物条件、风环境、当地可利用资源等。但是紧凑空间布局并不需要牺牲空间品质，而是充分发挥出空间可变性以及精神寄托，这也是此优化方法的艰巨挑战。

2.利用模拟能耗的软件

近些年，计算机技术发展水平更高，尤其是辅助计算技术发展水平已经非常高，利用此技术可以有效地实现对建筑的设计、光、通风、热情况的模拟，特别是建筑热环境的模拟。现今，可以应用的软件比较多，包括EnergyPlus、DeST、Ecotect 等，其中Ecotect 软 件 可以很直观对建筑光热环境进行模拟，并可以与Autodesk软件进行合并应用，有着很清晰的操作界面，对于设计方案是不是节能有着很好的判断，也能对方案进行调整。EnergyPlus 软件和DeST 软件则能非常准确地模拟出建筑通风情况，这就能让自然通风和建筑热环境的耦合实现，能够非常可靠地模拟出建筑外部风热环节和内部通风条件。

3.合理利用自然通风采光

在建筑中占有非常大比重能耗的是制冷、通风、供热设备。针对此，零能耗居住建筑采用中庭设计，以实现自然的通风和采光，这是不能忽略的一点。特别是那种高层建筑，可运用中庭拔风效应，也能让室内有均匀采光。另外，在很多绿色建筑中，应用双层幕墙的方法，借助热压原理把室内热量带出，运用此方法的典型建筑则是伦佐·皮亚若的提巴欧文化中心。

4.主动式能源的设计

在建筑设计中，建筑表皮设计应当以有效对太阳能辐射进行控制为目的，让建筑在一年之内可以最大限度地增加太阳辐射，并减少夏季中的太阳辐射。一体化太阳能设计理念已经应用，可是并不能对建筑的各个面均安装太阳能板，而应当从多个角度出发，综合地考量建筑屋面倾角、建筑朝向、用电负荷等，严格控制建筑经济成本。在建筑中，考虑到系统效率提升和成本降低，一般在制冷用能、采暖、热水等方面可以优先采用光热系统，当在转换率低、负荷比较大的时候，可以转化使用电能，这样才进一步实现零能耗。

五、结语

综上所述，我国在能源消耗方面非常大量，特别是最近几年，人口增长、城市化进程加快，建筑面积也就越来越大，建筑所消耗的能源是社会总能源消耗中的重要部分。并且，我国的建筑领域中，建筑设计理念呈现为绿色建筑和节能建筑的思想，并已经逐渐成为主流。零能耗的建筑也是节能的一种必然趋势，在未来的建筑中会成为一种普遍存在的形式。因此，必须要强化此类建筑的优化设计研究。