建筑节能技术与绿色设计策略研究

2023-11-15徐龙瑞

工程建设与设计 2023年18期

徐龙瑞

（中南建筑设计院股份有限公司，武汉 430061）

1 寒冷地区建筑节能技术与绿色设计策略研究

1.1 建筑朝向布局

建筑朝向选择是人类生活适应自然规律的重要体现，对于室内采光、保温避寒具有重大作用。通过太阳照射获取尽可能多的热量，能够减少取暖设备的能耗。在我国北方寒冷地区，建筑朝向大多为坐北朝南，在朝向设计时，要根据气候环境及周边建筑布局进行调整，根据分析模拟结果，提出合适的设计策略。比如，延吉市的最佳建筑朝向为南偏东20°，长春市的最佳建筑朝向为南偏西27.5°。室外风环境也是影响建筑能耗的重要因素，当建筑群布局不同时，会影响气流走向，如果风环境状态恶劣，则无法形成优质的自然风，不仅会增加夏季空调负担，还会增加冬季采暖成本，所以，采用模拟软件对环境进行模拟，分析出最佳的建筑朝向和布局，灵活采用错列式、并列式、斜列式、自由式、周边式等多种布局方式。

1.2 围护结构优化

研究表明，建筑围护结构的传热损失占总耗热量的70%以上，所以，外墙和屋顶的节能设计至关重要，同时，围护结构中的圈梁、构造柱等周边热桥部分也要做针对性的处理。根据保温层位置划分，外墙保温构造可以分为单一保温外墙、夹心保温外墙、内保温外墙、外保温外墙等。相对而言，外墙外保温是最高效、最科学的保温节能技术，能够获得良好的建筑节能效果。外墙外保温主要由保温层、面层组成。常用的保温层材料有聚苯乙烯板、玻璃棉毡、岩棉板等，通过钉固或粘贴的方式加以固定。超轻保温浆料可以直接涂抹在外墙表面，面层主要是聚合物水泥砂浆，能够起到有效的保护固定作用。外墙外保温不会产生热桥，有利于保持室内温度的稳定，可以减少温度波动对墙体的破坏，延长建筑的使用寿命，而且方便施工，不会影响室内装修。在建筑设计中，时通常会采用外墙外保温系统，尤其是在老旧小区改造过程中，其应用更为方便[1]。

除了建筑外墙，屋顶也对建筑节能影响显著，必须要做好屋顶的保温隔热设计。现代建筑大多采用平屋顶的结构形式。平屋顶保温构造分为正置式和倒置式两种，应尽可能采用倒置式保温，这样能够有效减少温度变化和太阳辐射对防水层的不利影响。除了设置保温层，平屋顶的节能设计还可以通过屋顶绿化和架空通风实现。通过设置架空隔热层可以产生良好的通风效果，但不适宜在寒冷地区采用。屋顶绿化不但具有良好的保温隔热作用，而且能够提高城市绿化率。另外，直接与土壤、空气接触的地面也要做节能构造设计，在寒冷地区或对保温性能要求较高的建筑，可以对整个地面铺设聚苯板，以满足建筑节能要求。

1.3 门窗节能措施

门窗是建筑节能的薄弱环节，为了提高建筑门窗节能效果：（1）要控制窗墙比，严格遵循不同热工分布区不同朝向窗墙比限值，比如，在寒冷地区，北向窗墙比限值为0.3，南向窗墙比限值为0.5，东西向窗墙比限值为0.35，同时，还要考虑采光设计标准、开窗面积与建筑能耗比等其他要求，应基本满足较大进深房间的采光需求。（2）要提高窗户的气密性，严格控制空气渗透。一般情况下，居住型建筑7 层以下气密性不能小于3 级，7 层以上气密性不能小于4 级，公共建筑的气密性不能小于4 级。可以通过安装密封条等措施进行特殊密封处理。（3）选择合适的材料，减少传热能耗。为了减少窗框、窗扇型材传热能耗，应选择导热系数小的材料。现阶段，PVC 塑料型材导热系数最小，也可以采用断桥式窗户，阻断能量传递的热桥。为减少玻璃的传热耗能，采用真空玻璃、中空玻璃、LOW-E玻璃、热反射玻璃都可以降低窗户传热系数；采用隔热保温窗帘也有明显的节能效果。门的节能设计需要从入户门、阳台门两方面着手，应选择传热系数合适的入户门，对于落地玻璃阳台门可以作为外窗进行处理。

1.4 其他绿色设计

绿色建筑设计不仅包含节能设计，而且还需要从节水、节地、节材、环境保护等方面着手，提高建筑的绿色性和健康性。（1）充分利用清洁能源。太阳能是一种利用水平比较成熟的清洁能源，在屋面安装太阳能集热器，可以将太阳能转化为热能，为建筑提供热水。南向坡太阳能设计是北方寒冷地区采取的普遍策略，将屋面和集热器一体化设计，能够保证建筑的美观和节能效果。（2）在节材设计方面，尽可能选取适宜的本地材料，形成独特的建筑风格，既可以降低材料成本，又可以减少运输成本，所以，要加大对本地特有材料的研究，同时结合现代化处理工艺加以利用。（3）在节水设计方面，应充分重视超压出流问题，改善二次供水技术。通过设置减压阀等方式，将给排水管网各用水点供水压力控制在一定范围内。设计中水利用系统和雨水回收系统，实现分质供水的效果，提高水资源利用率。推广使用节水器具，在满足使用功能的同时，限制出水流量，缩短出水时间，有效减少跑冒滴漏问题[2]。

2 湿热地区建筑节能技术与绿色设计策略研究

湿热地区绿色建筑设计的核心就是降低建筑本体能耗，关键在于通过建筑空间设计减少建筑得热，增强自然通风。重新解构建筑空间与建筑环境的内在逻辑关系，采用建筑气候设计方法，能够与绿色建筑内涵本质高度契合，是实现绿色设计的有效途径。

2.1 建筑空间通风设计

2.1.1 外部空间自然通风

从气候特点、设计顺序等方面出发，自然通风都是应该优先考虑的问题。建筑空间自然通风设计需要将总体布局、建筑空间与形态、自然资源有机整合，创造出自然、舒适的建筑室内外风环境。从建筑内部空间上看，自然通风设计顺序应该从外到内依次进行。建筑与周边环境共同组成的空间作为外部空间，在保护好场地原有生态环境的基础上，将拟建建筑与场地条件作为一个有机整体，考量建筑的朝向位置、组合方式、体量形态，并结合景观绿化、雨水收集等方面进行设计，营造一个有利于建筑通风和室外活动的外部空间风环境。

在建筑位置、朝向、布局设计时，需要根据湿热气候的特点和设计机理，抓住两个关键问题：建筑主立面要尽可能迎向夏季主导风向；要有效避免建筑群落对自然风的阻挡干扰，按照风影形成规律，适当调整建筑主立面宽度及与主导风向的角度，通过建筑群落各种交错方式，有效减小风影区，为形成良好的自然通风条件奠定基础。对于独栋建筑，主立面尽量朝南或南偏西，建筑形态为板楼时，自然通风效果较好，但是在背立面和两侧会形成局部强风区，当有其他建筑相邻时，会导致局部区域风速过大，尤其是高层建筑设计需要控制其宽度和高度，可以在局部适当开孔，这样能有效缓解局部强风效果。由建筑产生的空气阻力也是必须要考虑的问题。建筑形态呈流线型时，风阻较小，特别是超大体量建筑。流线型设计能够避免建筑风压、风速过大，并且降低对周边环境的负面影响，因此，世界上许多知名建筑都会采用这种外形处理方式。自然通风具有随机多变的特点，应该充分结合设计经验、风洞试验、模拟分析等科学方法，提升建筑的绿色性能和形式美。结合自然环境，利用水体、植被等生态因素，能够人为地营造良好的外部风环境。植树绿化能够起到遮阳降温的作用，而且建筑与树林之间会形成温度差，有利于建筑通风。将水景设置在场地上风向，能够营造水陆风，同样可以达到增强通风的效果。当建筑空间与生态环境存在矛盾时，可以采用架空层的设计方法，尽可能避免工程建设对生态环境的破坏。在高密度居住区也可以采用立体绿化的方式，提升建筑外立面绿化效果，真正实现建筑与自然环境相融共生。

2.1.2 内部空间自然通风

在外部空间自然通风设计良好的情况下，建筑表面及内部空间自然通风设计主要解决自然风的“用”和“防”的问题，以及对风向和风速的调控。通过设计孔洞、内部空间调整可以把控自然风的流速和流向。在建筑表面的通风设计中，应优先考虑在迎风面和背风面合理设置门窗、洞口等孔洞，尽可能将风引进来，然后再根据需要，对风量、风向、风速、温度、湿度进行优化调整。由于风速会随着建筑高度的增加而增大，所以，高层建筑外窗设计要慎重考虑，以解决风压过大的问题[3]。

建筑内部空间自然通风设计除了表面设置孔洞，还与内部空间形态，以及空间之间的联动密切相关。通常情况下，流畅、贯通的空间自然通风良好，但是，空间的高效应用也是必须要考虑的问题。根据湿热地区的气候条件，建筑平面设计应尽可能以东西向为长轴布置，主立面朝向南北，或者采用分散式布局，每一个相对独立的子空间单独做通风设计。在空气流通的路径上，如何设置合理孔洞面积成为制约通风效果的关键。岭南广府民居中的竹筒屋内部房间之间采用隔断分隔，通过流畅贯通的空间营造良好的风场，达到改善室内热环境的目的。除了基于风压通风的自然通风设计，还可以充分利用热压通风原理。在风速微弱、气候闷热时，尤其是在大空间、大进深建筑中，仅仅依靠风压通风是不能满足室内风环境需求的，这时应结合热压通风共同改善，着重考虑气流出入口位置、水平空间和竖向空间形态及相关组合关系。实践表明，通过加大进出风口的高度差、温度差能够有效提升热压通风效果。

2.2 建筑空间防热设计

2.2.1 建筑表面防热设计

建筑受热主要来源于太阳辐射、温差传导、空气渗透等途径，其中，太阳辐射是最主要的方式，所以，建筑防热设计的关键并在于对太阳辐射的躲避。根据湿热地区的特点，减少建筑东西向的太阳辐射的热尤为重要。设计时，要尽可能减小建筑顶面以及东西墙面的面积，同时采用隔热性能较好的材质；减小窗墙比，通常情况下，夏热冬暖地区南北向窗墙比限值为0.4，东西向窗墙比限值为0.3；做好建筑遮阳设计，通过水平式遮阳、垂直式遮阳、挡板式遮阳、综合式遮阳等形式的灵活运用，发挥最佳的遮阳作用，屋面遮阳处理也同样重要；加强各界面的立体绿化处理，促使地面植被与屋顶绿化融为一体。

2.2.2 建筑外部防热设计

建筑外部空间防热设计与自然通风设计的目标是相同的，都是结合自然条件进行景观绿化设计，利用植被、水体的蒸腾作用实现吸热降温。根据相关研究，建筑区域的温度比绿化区域的温度高6～8℃，形成的温度差会促使局部空气流动，从而改善区域热环境。在用地紧张区域，使相邻建筑东西两侧墙尽量靠近，能够形成互相遮阳的效果。广州西关大屋中的冷巷就体现了这种防热设计思想。

2.2.3 建筑内部防热设计

与建筑表面防热设计相对应，内部空间防热设计需要进一步抑制和减少太阳辐射、温差传导、空气渗透，关键在于与建筑表面直接关联的过渡区域处理。在主要热源来路设置功能空间、缓冲空间，构成完整的防御空间体系。比如，一般住宅建筑的阳台设计时，公共建筑将交通、卫生等辅助空间布置在建筑温度较高的东西两侧等，也可以对过渡空间进行通风遮阳设计，著名建筑师巴卡设计的灯塔酒店内部有一条遮阳廊道，不仅创造了健康、舒适的热环境，而且给人一种纯净、自然、和谐的美感[4]。