節(jié)能設(shè)計(jì)在建筑設(shè)計(jì)中的有效應(yīng)用探討

晏曉波

(武漢中合元?jiǎng)?chuàng)建筑設(shè)計(jì)股份有限公司)

1 引言

低碳環(huán)保、綠色節(jié)能，是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)建設(shè)活動(dòng)必須遵循的可持續(xù)發(fā)展準(zhǔn)則。建筑能耗大，必須認(rèn)真貫徹執(zhí)行國家法律法規(guī)以及方針政策，積極推動(dòng)可再生能源在建筑中的應(yīng)用，重視節(jié)能設(shè)計(jì)，加大節(jié)能技術(shù)的研究和投入。首先分析BIM技術(shù)作為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)工具的重要意義，并分別從建筑通風(fēng)、維護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新能源利用、中央空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化（搭載冰蓄冷技術(shù)）等幾個(gè)方面，對建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)用展開探討。

2 BIM在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

建筑要實(shí)現(xiàn)低碳、節(jié)能的目標(biāo)，首先在于設(shè)計(jì)，而先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念更需要高效的設(shè)計(jì)工具來呈現(xiàn)和早期驗(yàn)證。BIM建筑模型技術(shù)對于施工環(huán)境的氣象、地貌以及建筑物的內(nèi)部環(huán)境等多種因素的研究論證提供了很大的技術(shù)支持。根據(jù)建筑物的節(jié)能思想和指標(biāo)，在Revit、Ecotect工具的仿真模擬下，對建筑物的節(jié)能設(shè)計(jì)進(jìn)行早期驗(yàn)證，把建筑的遮擋、氣候日照以及制冷設(shè)備等數(shù)據(jù)情況進(jìn)行顯示，模擬出建筑物的環(huán)境，對氣候、光照、日照情況進(jìn)行分析，把光、熱情況下的能耗影響關(guān)鍵和非關(guān)鍵因素提前明確，并對設(shè)計(jì)方案和建筑施工步驟進(jìn)行優(yōu)化。

3 自然通風(fēng)設(shè)計(jì)

3.1 自然通風(fēng)設(shè)計(jì)原理

在建筑設(shè)計(jì)中，一定要重視自然風(fēng)的通風(fēng)設(shè)計(jì)，和人工通風(fēng)模式相比較，他不僅有利于用戶的人體健康，而且在建筑節(jié)能上也有很好的表現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)建筑物自然通風(fēng)，主要是借助風(fēng)壓和熱壓兩種原理。風(fēng)壓通風(fēng)是依托建筑物的地理位置優(yōu)勢，結(jié)合建筑物的設(shè)計(jì)格局，利用建筑物室內(nèi)和室外的溫差來達(dá)到自然通風(fēng)的效果；自然通風(fēng)需要借助室內(nèi)外的壓強(qiáng)來作為通風(fēng)的動(dòng)力，如果建筑物的室內(nèi)外都具有一定的溫度，熱壓亦可借助空氣差推動(dòng)空氣流動(dòng)，促進(jìn)室內(nèi)外空氣循環(huán)。具體采取什么方法，需要根據(jù)建筑物的地理位置和氣候特點(diǎn)而定，比如在我國北方地區(qū)，季節(jié)氣候變化明顯，夏季適宜熱壓通風(fēng)，但其他季節(jié)室內(nèi)外溫度較低，熱壓通風(fēng)很難實(shí)現(xiàn)，所以在設(shè)計(jì)中通常采用熱壓與風(fēng)壓相結(jié)合的方式。

3.2 建筑物自然通風(fēng)的整體設(shè)計(jì)思路

建筑物的自然通風(fēng)的整體設(shè)計(jì)，需要綜合考慮到氣候、環(huán)境和建筑物自身三個(gè)重要因素。

①首先要考慮建筑物當(dāng)?shù)氐臍夂?，收集并分析?dāng)?shù)氐臍庀髤?shù)之后再?zèng)Q定采用什么方式；

②其次要觀察建筑物的微環(huán)境，包括周邊植被、臨邊建筑物、城市地形等要素，找出周邊微環(huán)境對建筑物自然通風(fēng)的影響，然后對建筑物的整體高度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，制定最佳通風(fēng)方案；

③做好建筑物的朝向以及間距、通風(fēng)通道、戶型的設(shè)計(jì)。門窗是建筑物的的主要通風(fēng)通道，設(shè)計(jì)者要結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂蛞蛩卦O(shè)計(jì)好門窗的參數(shù)（包括位置、形狀、朝向等）。室內(nèi)設(shè)計(jì)要盡量保持進(jìn)出口的對應(yīng)，減小風(fēng)道阻力；

④選擇通風(fēng)設(shè)備，確定通風(fēng)設(shè)備的型號(hào)和安裝位置，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，增強(qiáng)人對自然通風(fēng)效果的控制能力。

4 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)設(shè)計(jì)

在建筑物的低能耗設(shè)計(jì)中，維護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)選擇是十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的氣候環(huán)境特征，研究出維護(hù)結(jié)構(gòu)影響空調(diào)能耗的規(guī)律，從而選擇不同的熱工參數(shù)，要重點(diǎn)關(guān)注建筑外窗以及外墻的傳熱系數(shù)，以達(dá)到降低建筑能耗的最終目的。

①在諸如哈爾濱這樣的寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)，設(shè)計(jì)上要把外墻、外窗傳熱系數(shù)減小，把太陽得熱系數(shù)放大，優(yōu)化的結(jié)果可節(jié)能40%左右；

②在以南京地區(qū)為例，南京地區(qū)屬于冬冷夏熱的溫和地區(qū)，在縮小外窗、外墻傳熱系數(shù)的同時(shí)，太陽得熱系數(shù)也應(yīng)適當(dāng)降低，可實(shí)現(xiàn)30%以上的節(jié)能效果；

③而對于向三亞這樣的夏熱冬暖地區(qū)，太陽的得熱系數(shù)是影響建筑物全年能耗的關(guān)鍵因素，所以在設(shè)計(jì)上要盡量把太陽得熱系數(shù)減小，根據(jù)實(shí)際分析得出的結(jié)論，3.2W/（m2·K）是最理想的外窗傳熱系數(shù)，而外墻的最佳傳熱系數(shù)是0.3W/（m2·K）。所以說，建筑節(jié)能設(shè)計(jì)要因地制宜，尤其是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)的選擇，只要遵循這一基本原則，將有利于超低能耗的實(shí)現(xiàn)。

5 光伏新能源技術(shù)在建筑電氣節(jié)能中的運(yùn)用

建筑電氣在建筑物中電能消耗巨大，光伏新能源技術(shù)的融合應(yīng)用，能大大降低傳統(tǒng)電能的消耗。目前，光伏新能源技術(shù)在建建筑設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，主要有兩種方式：

①光伏系統(tǒng)與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，比如在建筑外墻或者是屋頂設(shè)置光伏發(fā)電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)供電、蓄電的目的；

②將光伏發(fā)電設(shè)備組件制作成特殊的建筑施工材料，作為屋頂或者是窗戶建筑結(jié)構(gòu)的組成部分。這種設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)了建筑材料的雙重功能，不僅便于施工，節(jié)約工程造價(jià)，而且蓄能效果更好，已成為主流發(fā)展趨勢。

6 冰蓄冷技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前大部分的公用建筑里面都有中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，建筑一般都存在冷負(fù)荷大，且使用時(shí)間集中的現(xiàn)象，而空調(diào)冷負(fù)荷高峰恰恰與城市用電的高峰重合，這也加劇了城市電力峰谷供電的不平衡，如果該地區(qū)實(shí)施峰谷電價(jià)，勢必會(huì)加大建筑的能耗成本，“移峰填谷”是解決電網(wǎng)平衡和建筑能耗成本最有效的辦法，冰蓄冷技術(shù)的運(yùn)行，很好的解決了這個(gè)矛盾，是建筑用電“移峰填谷”的典型設(shè)計(jì)。冰蓄冷技術(shù)抓住夜間城市電網(wǎng)的空置率比較高、電負(fù)荷少（電價(jià)低）的特點(diǎn)，在夜間電網(wǎng)低谷的時(shí)候，使用低價(jià)電進(jìn)行制冰蓄冷并保存起來，待白天用電高峰期，空調(diào)高峰負(fù)荷時(shí)再將蓄冰冷量供給空調(diào)系統(tǒng)。從實(shí)踐中得知，冰蓄冷技術(shù)不但可以減少40%左右的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，而且還可以降低30%左右的空調(diào)裝機(jī)容量，節(jié)約了建設(shè)資金，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都十分明顯。以某辦公大樓建設(shè)為例，該項(xiàng)目總建筑面積54000余m2，地下3層，地上建筑層高為15層。此建筑設(shè)計(jì)有中央空調(diào)系統(tǒng)配置。每年從5月開始，到9月結(jié)束，共計(jì)150天的供冷時(shí)間，每天的供冷時(shí)間段為上午8點(diǎn)到下午5點(diǎn)，夜間無冷負(fù)荷，空調(diào)冷負(fù)荷5550kW。該地區(qū)實(shí)行峰谷電價(jià)，尖峰時(shí)期電單價(jià)高達(dá)1.3003 元 /（kW·h）（具體分布在 7、8、9月的中午11：00～13：00以及夜間的20：00～21：00兩個(gè)時(shí)段），而白天的其他大部分時(shí)段都屬于高峰期時(shí)段，電單價(jià) 1.1933元 /（kW·h）。以此相對，夜間23：00到早晨7：00，均為用電低谷，電單價(jià)僅為 0.3369元 /（kW·h），大大低于尖峰期和高峰期的電價(jià)?；诠?jié)能降耗理念設(shè)計(jì)，該建筑在中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了冰蓄冷技術(shù)，供冷能力4220kW,白天總蓄冷量16037kW·h,夜間11點(diǎn)到早晨7點(diǎn)的用電低谷時(shí)間為冰蓄冷蓄冰時(shí)間，無基載主機(jī)設(shè)置，冷機(jī)房配置3臺(tái)1336kW/904kW雙工況螺桿機(jī)組，并設(shè)計(jì)出蛇形的鋼制蓄冰盤管在機(jī)房的混凝土水槽里，并做好保溫設(shè)計(jì)。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有3臺(tái)2200kW的供冷板式換熱器，使用25%濃度乙二醇溶液為冷側(cè)介質(zhì)，溫度11℃/3.5℃；用水作為熱側(cè)介質(zhì)，溫度7℃/12℃。水泵采用端吸泵，工況效率在75%以上，其中二次冷卻水的循環(huán)泵和乙二醇泵設(shè)計(jì)為變頻泵，運(yùn)行頻率按實(shí)際工況調(diào)整。設(shè)置3臺(tái)310m3/h的冷卻塔，材質(zhì)為方形玻璃鋼。整個(gè)系統(tǒng)搭載了PLC可編程自動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)集散式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括現(xiàn)場傳感器執(zhí)行器、現(xiàn)場控制器與遠(yuǎn)程I/O分站、以及中央控制單元三級(jí)構(gòu)成，達(dá)到集中管理分散控制的目的。目前該建筑已落成使用5a時(shí)間，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，大廈空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗費(fèi)用大約為80萬元/a，此項(xiàng)目建設(shè)成本投入800余萬元。而和此座大樓具有同等規(guī)模以及類似功能的另一座建筑，采用常規(guī)制冷技術(shù)，雖然初期的設(shè)備投入僅有450萬元，但是運(yùn)行能耗費(fèi)用卻高達(dá)130萬/a，足足多出50萬/a，照這樣計(jì)算，冰蓄冷設(shè)計(jì)初期投資多出的350萬元僅需7a時(shí)間就可以全部收回，在建筑整個(gè)生命周期內(nèi)節(jié)約了高達(dá)幾千萬的能耗費(fèi)用。

7 結(jié)語

建筑節(jié)能設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性的系統(tǒng)工程，概括來講，建筑節(jié)能包括建筑與建筑熱工、供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)、給水排水、電氣、可再生資源利用等幾大板塊的內(nèi)容，節(jié)能設(shè)計(jì)要以此為方向和突破口，充分利用太陽能、地?zé)崮?、中水回用、智能控制、綠色環(huán)保建材等新技術(shù)、新材料，不斷的對比優(yōu)化，推動(dòng)建筑行業(yè)走向綠色、節(jié)能發(fā)展的快車道。