基于TRIZ理論的城市住宅外窗節(jié)能設(shè)計(jì)研究

摘要：建筑的產(chǎn)生的原本就是人類為了抵御自然氣候的嚴(yán)酷，從而改善生存條件的“遮蔽所”，使其間的微氣候適合人的生存。作為全世界都在關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，建筑節(jié)能是建筑技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)重要體現(xiàn)。

本文運(yùn)用發(fā)明問(wèn)題解決理論，對(duì)建筑外窗存在的物理矛盾進(jìn)行了分析，提出了建筑節(jié)能外窗優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法以及創(chuàng)新性方案。

關(guān)鍵詞：建筑節(jié)能；TRIZ理論；發(fā)明原理；建筑外窗節(jié)能設(shè)計(jì)

1.建筑外窗的物理矛盾分析

阿奇舒勒對(duì)物理矛盾的定義是：在一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)中，對(duì)表述系統(tǒng)性能的同一個(gè)參數(shù)具有相互排斥（相反的或不同）需求所構(gòu)成的矛盾，即當(dāng)矛盾中的“改善的通用工程參數(shù)”和“惡化的通用工程參數(shù)”是同一個(gè)參數(shù)時(shí)，就屬于物理矛盾。物理矛盾又可以表述為，技術(shù)系統(tǒng)要求某一參數(shù)性質(zhì)為A+，同時(shí)又要求這一參數(shù)性質(zhì)為A-。解決物理矛盾的核心思想是實(shí)現(xiàn)矛盾雙方的分離。

1.1物理矛盾描述：

在冬季，希望建筑外窗具有吸熱保溫的功能，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫暖的效果，但是到了夏季，又希望建筑外窗具有阻擋熱量進(jìn)入的功能，讓室內(nèi)涼爽。

1.2運(yùn)用分離原理：

現(xiàn)代TRIZ理論除了總結(jié)解決物理矛盾的辦法，還在此基礎(chǔ)上，提煉出了四個(gè)“分離原理”，分別是空間分離、時(shí)間分離、條件分離和整體與部分分離。

根據(jù)對(duì)建筑外窗的物理矛盾分析，可以得出適用的分離原理為空間分離與時(shí)間分離。空間分離是指矛盾雙方（同一參數(shù)的兩個(gè)相反需求）在空間上處于不同的地點(diǎn)，可以讓系統(tǒng)在不同的地點(diǎn)具備相應(yīng)的特性一滿足不同的需求；時(shí)間分離原理是把矛盾雙方在不同的時(shí)間段上分離，以解決問(wèn)題或降低解決問(wèn)題的難度。確定了使用時(shí)間分離解決物理矛盾。

經(jīng)過(guò)以上分析過(guò)程，可以得出對(duì)解決問(wèn)題有效的發(fā)明原理有7種，分別是：NO.35物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)恚琋O.22變害為利原理，NO.39惰性環(huán)境原理，NO.1分割原理，NO.4增加不對(duì)稱性原理，NO.13反向作用原理，NO.15動(dòng)態(tài)特性原理。

2.基于TRIZ發(fā)明原理的節(jié)能窗設(shè)計(jì)方法

在對(duì)建筑外窗的TRIZ分析與熱工性能原理結(jié)合分析的基礎(chǔ)上，得出了一系列可用的發(fā)明原理，在這些發(fā)明原理中，可提煉出有用的設(shè)計(jì)原則，為建筑外窗的節(jié)能設(shè)計(jì)提出新的思路。

2.1體現(xiàn)“動(dòng)態(tài)特性原理”設(shè)計(jì)方法

根據(jù)動(dòng)態(tài)特性原理，可改變或調(diào)整建筑外窗的組件的各部分性能，使其在不同季節(jié)不同時(shí)間，都能實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。通過(guò)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)原則，我們可以從多角度思考。

（1） 改變窗框打開(kāi)方式策略

（2） 增加遮陽(yáng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性策略

2.2體現(xiàn)“物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)怼痹O(shè)計(jì)方法

根據(jù)物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)?，可改變建筑外窗各組件的物理或化學(xué)性能，從而提升節(jié)能效率。通過(guò)改變物理或化學(xué)參數(shù)原則，作為設(shè)計(jì)師能做到的就是盡可能多的了解不同材料的物理與化學(xué)特性，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，將這些有利于設(shè)計(jì)目標(biāo)的物理與化學(xué)特性“借”來(lái)使用，進(jìn)而提升整體建筑外窗的節(jié)能性能，使節(jié)約能源做到最大化。

（1） 改變窗框系統(tǒng)材料策略

（2） 改變玻璃系統(tǒng)材料策略

（3） 增加玻璃覆膜策略

（4） 玻璃系統(tǒng)的重新整合策略

（5） 改變遮陽(yáng)部件策略

（6） 增加遮陽(yáng)部件覆膜策略

2.3體現(xiàn)“變害為利原理”設(shè)計(jì)方法

建筑外窗在不同季節(jié)不同時(shí)間其傳熱與得熱的形式是不同的，太陽(yáng)輻射所帶來(lái)的豐富的熱能在冬季就是十分有利的因素，但是到了夏季，就成為了有害因素。在建筑外窗的節(jié)能設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分利用各種條件，進(jìn)而得到有益的設(shè)計(jì)結(jié)果。不同氣候不同地區(qū)都有著不同的環(huán)境因素，有些因素是需要放大的，有些是需要削弱甚至阻隔的，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要酌情考慮，判斷有利有害的因素，通過(guò)設(shè)計(jì)的手段提升建筑外窗的節(jié)約能耗的性能。

2.3體現(xiàn)“惰性環(huán)境原理”設(shè)計(jì)方法

惰性環(huán)境原理中提到使用惰性環(huán)境代替通常的環(huán)境，甚至是使用真空環(huán)境，在外窗的設(shè)計(jì)中，我們不可能將整個(gè)外窗至于惰性環(huán)境中，但是，我們可以嘗試將外窗構(gòu)件至于惰性環(huán)境甚至是真空環(huán)境中。

（1） 增加窗框系統(tǒng)的惰性環(huán)境策略。

（2） 增加玻璃系統(tǒng)的惰性環(huán)境策略。

2.4體現(xiàn)“反向作用原理”設(shè)計(jì)方法

基于反向作用原理中提到的內(nèi)容，可以提出以下設(shè)計(jì)策略。

（1） 改變外窗的上下位置策略。

（2） 改變外窗的內(nèi)外位置策略。

2.5體現(xiàn)“分割原理”設(shè)計(jì)方法

完整的建筑節(jié)能外窗系統(tǒng)由各個(gè)不同的組件組成，包括窗框系統(tǒng)、玻璃系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)與遮陽(yáng)系統(tǒng)等。當(dāng)面對(duì)不同的能耗問(wèn)題時(shí)，建筑外窗的不同組件所擔(dān)任的指責(zé)不同，從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，可將不同的組件的功能分開(kāi)看待，每個(gè)問(wèn)題分開(kāi)解決，最終整合成一個(gè)完整的設(shè)計(jì)。

（1） 分割窗框系統(tǒng)策略。

（2） 分割玻璃系統(tǒng)策略。

2.6體現(xiàn)“增加不對(duì)稱性原理”設(shè)計(jì)方法

現(xiàn)在的建筑外窗大都是結(jié)構(gòu)對(duì)稱的，基于增加不對(duì)稱性原理，可以增加建筑外窗整體的不對(duì)稱性，進(jìn)而提升性能。

（1） 增加窗框系統(tǒng)的不對(duì)稱程度策略。

（2） 增加玻璃系統(tǒng)的不對(duì)稱程度策略。

參考文獻(xiàn)：

【1】趙鋒，創(chuàng)新思維與發(fā)明問(wèn)題解決方法，西北工業(yè)大學(xué)出版社，2017.

【2】趙鋒，《TRIZ理論及應(yīng)用教程》[M]，西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2010.

作者簡(jiǎn)介：劉靜（1994.12.30～）性別：女，籍貫：陜西省西安市，單位：西安建筑科技大學(xué)，學(xué)歷：碩士研究生，研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)工程