严寒地区近零能耗公共建筑设计方法研究

柳红明 金圃升

吉林建筑大学（130000）

0 引言

近零能耗建筑起源于欧盟《建筑能效指令》（Energy Performance of Building Directive recast）是为了应对在不同的气候条件下，在满足建筑功能性的同时尽可能的节约自然资源，减少能耗，提升能源的利用率，最大幅度减少建筑能源消耗，提高节能设备与技术手段，充分利用自然资源如太阳能、风能、地热能等，优化建筑内部能源循环通道，以最少的能源消耗提供最佳的建筑室内环境，通过利用被动式技术大幅度降低建筑各项能耗需求，以到达极低或者近零能的能耗，其建筑能耗水平应比相关国家标准和行业标准低60%以上。这个标准是我国近零能耗建筑设计过程中的最高依据。随着近零能耗建筑在节能和环保等方面表现突出，这类建筑已经成为行业内的热门产业，而作为一个国内建筑的新事物，尽管优点众多，可实施项目却很少，文章以严寒地区公共建筑为例，对近零能耗建筑设计方法和技术难点进行阐述，供大家参考。

1 近零能耗建筑设计方法概述

近零能耗建筑设计方法是指在建筑设计时，根据近零能耗建筑设计标准进行的性能化设计，以求达到符合能耗指标的目的。其主要的手段就是根据不同的场地条件，结合周边环境，利用主动式、被动式节能技术，结合可再生能源技术，优化建筑设计方案，使用高效率建筑节能设备，对建筑外部围护结构进行优化设计，这样可以有效降低建筑在使用过程中所消耗的能源，实现最合理的设计方法。

在建筑被动式技术方面，重点要考虑的就是如何做好建筑形体设计，优化建筑采光与通风，采用合理的建筑外部围护结构，优化围护结构、无热桥设计和采用先进的保温材料。在主动式技术方面，着重考虑的是低能耗高效率的新风回收系统，搭配分体式空调系统，通过智能调控系统来进行统一管理，大大节省能源的消耗。在可再生能源的选择上，采用当下技术成熟的太阳能和地热能进行合理利用，辅助建筑供能需求[1]。

1.1 严寒地区被动式建筑节能设计方法

被动式节能建筑设计要点就是根据建筑周边环境和使用功能，通过合理的建筑单体设计、建筑形体、建筑采光与通风和建筑外部围护结构等，结合建筑周边环境和自然资源，创造出有利于节能的低能耗条件，这是实现被动式节能方案的先决条件。

在设计过程中，建筑形体的设计将会对建筑节能效果造成极大的影响，还会增加建筑运行中额外的能耗，而现如今的建筑设计中，大部分方案为了单纯的追求视觉效果，将建筑整体造型复杂化、为了增加内部空间不合理的增加建筑层高等，这些做法造成了建筑体型系数增加，导致建筑的散热面变大，十分不利于节能，而合理的建筑形体设计是最简单有效的节能方式，同时这也是建筑施工中最节省材料的方式。对于严寒地区来说极端天气很常见，室外温差较大，如果建筑保温措施不到位，建筑失热严重，会加重能源浪费，这就要求人们在严寒地区的建筑外形选择上要尽量考虑到建筑形体对建筑能耗的影响，在建筑形体上应该选择紧凑的类型并且减少不合理的凹凸设计，在保证美观实用的基础上尽量减少建筑形体对能耗的影响，这对于严寒地区建筑来说尤为重要，合理的利用建筑形体形成的围合空间，能够有效的降低环境带来的不利影响。因此应该充分结合建筑形体、气候条件、风向、光照等方面因地制宜的进行设计工作。

建筑采光与通风也是设计的重点方向，所以应该合理选址，确定建筑正确朝向，使建筑开窗方向更容易减少热量流失，但也要做好夏季遮阳措施，避免夏季太阳能所带来的过量热量，影响室内温度。而建筑通风的合理性也是影响建筑能耗的重要因素之一，夏季可以依靠合理的穿堂风带走建筑室内多余热量，冬季则可以通过立面的设计错开风口，这就要求我们把握当地各季节主导风向，减少通风所带来的损耗的同时利用风能，达到节能效益的最大化。

还有建筑外部围护结构设计也会直接影响建筑能耗，这其中主要包括外墙、门窗、屋面及地面。通过适宜的节能材料和先进的技术手段来有效的提升建筑外部围护结构的保温性能，这样不但可以极大地的提升建筑室内舒适度，还可以有效的降低建筑能耗。

被动式近零能耗建筑设计方法的核心就是通过先进的节能技术和建筑材料，使建筑具有高效的外部围护结构，再利用合理的建筑设计结合场地周边环境降低能耗，然后搭配新风系统，通过调节自然采光和建筑通风以及太阳辐射来达到最佳室内环境，这样可以在保留最大舒适度的前提下做到能耗最低。

1.2 严寒地区主动式节能技术措施

建筑节能不光可以利用被动式技术，在不牺牲室内舒适度的前提下，主动式技术的利用也是有效手段。

在近零能耗建筑中，针对严寒地区气候特点可以采用低能耗高效率的新风回收系统，通过热回收装置为建筑内部引入新风，使新风充分与建筑内部风进行热交换，对热量进行再利用。新风系统热回收装置分两种，一种是全热回收，这种回收装置的特点是热交换单元使用特殊加工后的纸质材料，能同时传递热度和湿度，在工作过程中不易形成冷凝水，另一种是显热回收，通常由铝制或者钢制的金属制成，这样的热交换单元容易在工作过程中产生冷凝水，所以还要配合安装流管来回收，因此更合理的方式是选择纸质全热新风系统。在设置新风系统时，也要设置空气净化装置，减少空气污染提高室内空气质量。

建筑节能不光是单凭一种技术手段实现的，而是结合多种多个调节系统，才能达到最优效果，这就需要可协调多设备的智能控制系统，现代社会科技发达，智能控制系统作为主流技术，可以更省力的调动多个系统，有效降低不必要的能量消耗。目前的智能控制系统是根据建筑内部温度、湿度、风环境、光环境和空气环境来判断调节的，制定适宜的标准，由系统自动执行和开关，在无人使用或者低需求时达到智能调控有效的降低能耗，还能延长设备使用寿命。公共建筑中空调是必不可少的控温装置但同时也是能耗大户，且由于公共建筑通常室内面积较大，因此在空调的选择上更适合采用分体式空调，在大空间里可以采用集中式管理，而空间小的办公室、会议室等房间可以采用独立空调进行室温控制。而公共建筑室内照明一般都是在自然采光条件下，配合建筑主动照明以达到室内照明标准，这就需要在自然光满足室内要求时，智能调控系统可以根据室内光源强度进行开关控制，分区控制，辅助照明，使照明时间和强度都合理分布。采用这套智能照明设备可以有效的降低30%～50%的能耗，而且操作简单，管理维护方便，是目前节能建筑中主流技术手段。还有就是对于公共建筑来说，建筑体量大，窗户数量多，所以也可以设置一套智能通风系统，根据当地气候条件判断是否开窗通风，对室内空气进行智能置换，改善室内湿热环境，不仅提高了使用的便利性，也降低了换风系统的能耗，这对于公共建筑是非常必要的技术手段，值得大力推广[2]。

2 严寒地区可再生能源利用

在现代建筑技术背景下，先进的新能源技术更新迭代迅速，为了实现近零能耗建筑标准，降低对外部能源的依赖，在设计中引入可再生清洁能源来维持建筑日常消耗，比如在严寒地区比较适用的太阳能辐射能，地热能和风能等，虽然可再生能源种类较多，但是目前在建筑使用中比较成熟的还是太阳能和地热能。

太阳能主要有两种利用方式，一个是对热能的利用，另一个就是对光能的利用。因为我国严寒地区大部分区域太阳能资源都比较丰富，善加利用就是最可靠的可用再生能源，有效降低一次能源的使用。

在严寒地区太阳能的利用已经十分成熟了，不少建筑都设置了太阳能光伏板、太阳能热水器等，不仅可以对建筑进行遮阳隔热，还可以有效的将太阳辐射能转化为清洁能源使用。设置太阳能板的时候，不仅可以设置在楼顶，现代技术可以做到在墙面布置光伏板，除此之外，例如遮阳板、阳台、雨棚等易受到光照的地方，也可以设置太阳能光伏板。但是因屋面受到垂直照射，太能辐射量最大，所以还是优先在屋顶设置光伏板[3]。

对严寒地区来说太阳能是最经济也是最环保的可再生能源，将太阳多余热量转化为可利用清洁能源，是对自然资源的合理利用，也是对环境的保护，所以我们应该大力推广。

浅层地热能也是具有实用价值的清洁能源，这种热能具有可再生、环保、分布较广、储量大、易于开发等优点，十分适合在近零能耗建筑上使用，尤其适用于建筑的冷、热交换和建筑供暖。地热能是通过地源热泵系统来对地下浅层存在的热能进行收集利用，将地表、地下水或岩土中存在的天然热源转化为可以利用的建筑内部热源，实行的手段为通过地热泵技术进行热量的交换。地热源系统通常由建筑内部系统、地热能交换系统和水源热泵机组构成，这套系统由于结构大多处于室内或者地下，所以能有效预防恶劣天气带来的不利影响。而且地热能又可以和太阳能系统进行搭配使用，由太阳能进行目的性供热，而地热能进行集中供热，可有效减少能源浪费[4]。

3 结语

综上所述，关于严寒地区近零能耗公共建筑的设计方法中，由于我国近零能耗建筑技术发展较晚，在整个设计体系中存在很多不完善不合理的地方，而且各地区气候环境差异较大，不但设计难度较大，而且在日常使用与维护中也存在缺乏管理的现象，这往往导致各地方都不愿意使用这项技术。现阶段我国为实现碳达峰、碳中和工作目标，号召各行各业节能减排，所以社会上对节能建筑越来越重视，这可以解决我国资源紧张，可再生能源利用率低，环境污染严重的问题。目前要做的正是通过因地制宜的设计方法制定一个可实行的近零能耗建筑体系，不断的在实践中加以改进和完善，这样才能促进近零能耗建筑在严寒地区中的应用。