绿色建筑节能理念下的严寒地区公共建筑节能设计分析

2022-11-11宋杨王宇环

中国建筑金属结构 2022年4期

宋杨王宇环

0 引言

建筑节能问题在城市生活能量不足，土地资源日益紧缺和城市经济高速发展的重大背景下，已变得越来越关键。而目前发达国家地区的建筑能源，一般在世界总能源的三分之一以下。随着中国城镇化程度的日益提高、第三产业占我国GDP 比例而增长和我国工业结构的调整，我国建筑能源的比例也将不断提高，并最终逼近了发达国家目前的水平。

1 严寒地区住宅建筑设计主要方向

城市化水平在社会经济的推动下而得以提升，城市化建设水平迈入新台阶，在建筑行业发展阶段，绿色、节能、环保设计理念成为新的方向。

绿色建筑设计理念包括三个方面：

（1）设计建筑结构要充分保证其能源资源节约性，可对太阳能资源进行充分利用，降低人们对空调和各类采暖设备的使用频率。再者，合理化运用自然风通风原理完成风冷系统设置。

（2）设计建筑结构要始终坚持资源节约的原则，最大限度地实现资源循环利用，这种要求的提出，便加大了选择建筑材料的难度。在严寒地区的建筑工程，要综合考虑气候变化和自然灾害，保证自然条件变动不会影响建筑质量，尽量选择安全性和稳定性并存的材料。

（3）对建筑结构健康性和舒适性作出综合考量，确保建筑材料无害、无毒、健康。

2 建筑节能发展的能源与环境背景

2.1 建筑节能发展的背景

我国既是能源产出大国又是耗能大国，在能源消耗中，上升速度最大的是建筑物能耗，其中60%以上的建筑物能耗支出都来自城市燃气消耗，同时由于中国的城市化步伐日益推进，建筑物数量也在飞速增加，建筑物能耗也随之日益上升。特别是在我国严寒地区，城市大多实行燃煤供热，并因为建筑物的围护结构以及保温性能不好等工程设计问题，而直接造成城市冬季的供热能源消耗较大，并给城市冬季的空气质量带来了很大污染。由于社会经济发展大量的消耗煤炭和石油等化石能源，导致全球范围内的能源资源危机加剧，化石能源资源燃烧排放大量的污染性气体，已然成为污染环境的重要因素。虽然当前人们已经充分认识到化石能源对环境的危害，但是当前的技术手段不能完全脱离这部分资源而发展。伴随人们物质生活水平的改善，对人居与环保需求的增加也为建筑设计提出了更高的需求与挑战，在这样的时代机遇下，现代建筑设计的环保建筑设计理念就应运而生了，也普遍受到各界关注，在国家发展战略的要求下，更高效率的建筑节能设计是建筑行业必然趋势，同时也是未来的必然发展。

2.2 建筑能耗现状

在我国冬季的时候，建筑能耗面临的问题仍旧是采暖方面的问题，另外，在春秋过渡期间，采暖刚刚完成或者尚未开始，需要在较低的温度下维持一段时间的热量，进而采暖能源迁移至大量电力装置使用。而在夏季，则以空调消耗居多。尽管东北地区的城市建设规模在迅速增加，但就当前的常用建筑物及围护结构特性分析来看，能满足我国国家规定的节能标准的建筑物比例很少，而且外墙保温隔热体系和门窗的传热系数，也无法达到国家建筑节能设计规范的要求。在建筑物保温性能状况上，与同气候条件相似的国家相比差别甚远。

3 充分利用太阳能资源

3.1 建筑布局

天气严寒的地方在设计建筑构件时要充分运用太阳能，可减少在供暖阶段的原材料投入，从而节约资源并且有利于在室内保持恒定的温度。太阳辐射的强度和角度是随着时代而改变的，住宅建筑物会以群组的形式设计，这时要防止建筑物内部互相阻挡太阳照射，要确保住户能享受到太阳照射。太阳能产生的热能可以增加房间温度，符合绿色建筑的节能宗旨，所以要加强开发利用的力量。

3.2 建筑朝向

建筑门窗的朝向会影响到接收太阳辐射状况，建筑设计进行之前可对建筑区域的环境进行检查，确定各时期太阳辐射的方位以此为基础进行的建筑设计工作更富有科学性，要以严寒期间作为建筑设计优化对象，北方冬天天气严寒，太阳辐射强度较低，很难满足室内外气温的要求。太阳能作为新型能源，在供暖设计的时候可以对其进行合理应用，将光照时间阶段性分配好，并测算出在各个时段的强度。而楼体的设计方向要保证在窗户部位多数时段均能接受太阳的光照，并且是在光照强度较大的时段，能迅速提高整个房间的温度。而窗户的高度和宽度则要格外小心设计，细化小区内部的各建筑结构，并分别加以设计最大限度地使用太阳光，节省了供暖消耗的大量能源资源。

4 注重冬季防风，适当考虑夏季通风

冬季室内保温首先要解决好防风问题。由于我国北方区域的建筑结构在夏季要具备良好通风特性，而冬天又对建筑结构严密程度需求较高，因此冷风的进入将会大大降低室内外气温，并耗费大量燃气，为满足绿色建筑设计的理念，可对建筑结构的门窗部分进行优化，在封闭状况下提高密封性，并降低了冷风进入的可能性。可对门窗进行优化设计，将其中一些设计为可开关的活动形式，但多数仍采用固定式构造。对建设区域的夏季风向加以深入研究，并以此为基础重新设计门窗的打开朝向，可保证在夏季通风换气。封闭后又可构成坚固的整体结构，而不致有风从裂缝中进入。合理化设计阳台结构，也能够为室内保温提供支持。因设有双窗户设计，可于夏季同时开启，而冬天又能实现最简单的通气，在缓冲阶段的气温会超过室外，因此可以合理调节气温，给居室营造温馨的生活环境。提高自然通风能力的最有效办法：一是穿堂风，而另一个办法则是安装通风管道，居室中的通风管道可确保房间在静风或弱风的环境下顺利通气。

当前，不少居室中的厕所都由于有直接自然采光通风条件而关闭了通气道，这就很易将不良气体传入大厅以及居室，使空气质量显著降低。所以，必须在厕所中设置装有调节阀的通气道，以确保其持续定期性的负压。过去，室内外自然通风的实施或依赖于将窗户打开，或由于其窗户的密闭性差而产生巨大渗透风，在冬季耗费了大批电能。而通气管道则使室内外的自然通风量得到了限制。但目前，有些国家和地区的方法是在外墙或外窗设置小型通风道，每个房间内都有气流调节窗，冬天时室外的清新空气经通风道或地下室加温后再流入室内空气。

5 机电设备节能及节水策略

中央空调是当前建筑工程，尤其是公共建筑工程常见的结构之一，在设计要遵循因地制宜、分区调控、科学合理进行等设计原则，并充分考虑科学合理的选用中央空调控制系统，才能科学合理节省建筑物运用中的空调能源。在空调工程设计中，要充分考虑在转换季使用的天然通气和采光体系，并且可以在季节转换期间通过新型风全空调控制系统、热水控制系统、风机控制系统等通过变频技术等，提高能源使用效率。

在自然资源使用方面，政府进行合理规划建设用地内的给水、排放网络系统，并建立安全可靠的给排水体系、有效的排放、污泥处置、中水回用等服务体系，使自然资源能够被有效循环使用，以实现可持续经济发展的目的。雨水汇集与再利用，运用下凹式绿地、雨水管网分流方式汇集外墙、城市道路、广场雨水，成为城市水景用水和园林绿化、清洗等用途的城市储备用水。

在建筑电气设计中，注意选择分区调控方法，尽可能利用自然光照或通过与自然界光线的变换调节建筑电气照明的分区方式，在公用区域如廊道、电梯间、门厅等，尽可能采用分段、计时、感应等节电措施。地下室车库则在充分考虑天井设计和导光管等设施的基本上，实行了分区探测控制照明以及控制开关安装的工程设计。

6 功能分区兼顾热环境分区

6.1 空间布局科学合理、区分热环境

建筑物中各个房间的热使用条件和人在里面的热活动情况也各有不同，因此，人们对这些客、房室内热环境的要求也不尽相同。在建筑设计中，应该按照用户对热环保质量的要求而合理分组，将对热环保质量条件相同的主要房间按比较集成原则布局。如果如此做，即既可以对各个区域分别控制温度，也可以把对热环保质量条件相对较小的主要房间（如楼梯间、厕所、储藏间等）集中设置于同一平面中温度条件相对较小的区域，将对热环保质量条件更多的主要应用房间集中设置于温度条件更多的地方，以便达到对热量使用效果的最大化。

6.2 优化布局、减少冷空气的入侵

严寒地带的冬天，由于建筑物北向房间内没有日照，温度很低；而与此同样，南向房间内又因白昼中能得到大部分的阳光照射，使得在相同的供暖要求下，在同一建筑物内形成了两个程度不同的高温区域：北向区域和南向区域。在空间的布局中，显然应当将主体活动所用房间内布局在南向区域，并将主体阶段性所用的辅助房间内布局于北向区域，如此，才能让主体活动所用的房间内充分地得到日照。同样，又因为辅助客房利用时间比较短暂，对温度的需求也较少，位于北面空间并不影响其利用效益，所以可以说位于南北向的辅助空间构成了建筑物外部和主体使用客房之间的“缓冲区”，从而在空间布局上就形成了整个建筑物的防寒空间。

7 建筑外墙节能技术应用措施

7.1 应用可持续能源

建筑能耗属于能源消耗的重要范围，并不仅仅反映在建筑阶段中，而且也在建筑工程后期使用中有所反馈。通过对建筑既有的燃料类型加以改革，并积极使用可再生、可持续再生的能源，则无疑地可以减轻当前能源短缺与危机的状况。

在建筑当中，所使用的可持续再生能源类型主要分为如下三类：

（1）太阳能。太阳光也属于一类的可再生能源类型，其主要以利用太阳光热辐射能量而实现发电或者为热水器供应燃料，由于太阳光的使用优势除干净无污染之外，还拥有能量巨大的特点，所以，在建筑工程施工期间，就需要根据当地的环境特征以及天气原因合理选择并布置太阳光利用装置，一般而言，在当前中国建筑对太阳光的使用多半在热水器的应用方面，通过利用屋顶布置太阳光采集设备，既没有浪费过多空间，也可以在短时间增加热水器内热度，从而使得住户用水更加便利。

（2）水能。由于我国人均可用水资源量并不丰富，所以若要避免因自然资源的匮乏而对国家经济社会运转和人民生存带来的危害，则必须尽量地对自然资源加以集中处理再使用，例如在建筑物当中就设有专门的雨水净化设备、贮存设施、采集设备，而对于部分缺水的城市中，还能够安装海水净化设置，对海水加以净化使用，从而大大地提高了自然资源利用率。

（3）风能。风能是由空气流通而形成的动力，它也是能源的一个主要转换形式，就目前风电的实际使用状况而言，由于中国仍然处在发展中国家地位，对有关科技与设备的研究和创新并不完备，在风电使用领域尚有着巨大的发展潜力。

7.2 选用科学接缝技术

在严寒地区绿色建材墙体及节能技术的运用实践中，接缝的处理科学与否，也是十分重要的。如果在接缝处理中，由于运用方法错误或是在接缝间出现了很大的裂痕，将势必影响建筑物外墙的总体保温效果。所以，在建筑物外墙保温技术的采用过程中，必须注重于选用科学合理的接缝处理工艺。

现阶段在建筑物外墙保温的选用上，经常使用的建筑材料大多为挤塑聚苯板等板状建筑保温。而这些建筑材料在具体使用过程中，可能需要做出一定程度的拼装，以来实现整体保温的功效。而材料在拼装过程中极容易产生各式各样的裂纹，这就必须进行科学的焊接处理。在实际过程中，对这类建筑材料的接缝处理方法往往采取水平接缝的方法，以错缝搭接为主要表现形式。这些焊接的处理方法，可能在短时间内就可以发挥一定的保温效果，但并无法起到持久效果。

在实际使用过程中，在接缝处也极容易产生“热桥”效果，进而影响建筑物外立面的总体保温效果。所以，在气候严寒地方，科学解决与外墙保温材料的连接问题时，就必须优化对连接口的处理，并尽量选择使用最高效科学的连接方法。比如在建筑实践过程中，往往选择企口缝的瓷砖铺贴方法。而在建筑保温的铺贴方法过程中，通过科学合理地使用这一方法，不但可以整体改善建筑保温的特性与效果，同时还可以有效防止了雨水的渗入，从而整体优化了外墙材料的保温能力。

另外，也因为这种铺贴方法的整体密封性比较强，在实际的使用过程中还可以提高建筑保温材料的抗风力。