基于生態(tài)優(yōu)化視角下的零能耗居住建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

張喆

在綠色建筑的發(fā)展進(jìn)程中，零能耗建筑成為非常重要的點(diǎn)，更是建筑節(jié)能方面研究最為重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也是建筑發(fā)展一種規(guī)律，在此方面的研究，很多國(guó)家都非常重視。本文從零能耗居住建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐問(wèn)題和意義出發(fā)，探討了此類建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)踐和策略，意在為相關(guān)研究積累經(jīng)驗(yàn)。

現(xiàn)今，人們對(duì)于環(huán)境產(chǎn)生的影響越來(lái)越大，所以，怎樣才可以將人們對(duì)于環(huán)境產(chǎn)生的影響降低到最小，成為了人們迫切需要解決的問(wèn)題。人們生活中最重要的部分就是居住建筑，其與能源有著密切的關(guān)系。在萬(wàn)物理論中，“能”為永恒，評(píng)價(jià)能源的是“?”，代表著能源效率模式。在解決環(huán)境與能源之間矛盾時(shí)，它成為了關(guān)鍵。為此，人們從生態(tài)優(yōu)化的角度出發(fā)，致力于進(jìn)行零能耗居住建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)，下面內(nèi)容就此進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。

一、零能耗居住建筑的設(shè)計(jì)實(shí)踐問(wèn)題

國(guó)內(nèi)在此方面的研究處在探索與論證的階段，還有非常多的問(wèn)題需要解決，行業(yè)內(nèi)對(duì)于此種類型建筑含義的理解以及認(rèn)識(shí)，并不是非常全面，有部分觀點(diǎn)顯得有一些偏頗。對(duì)于當(dāng)前已經(jīng)建筑完成的一些標(biāo)注著零能耗的建筑，并沒(méi)有得到廣泛地認(rèn)可，有一些設(shè)計(jì)師作品，被反應(yīng)存在造價(jià)過(guò)高、低碳并不低碳、不能滿足可持續(xù)發(fā)展要求的問(wèn)題。這些都反應(yīng)出，我國(guó)的零能耗居住建筑還需要很長(zhǎng)的一段路要走，需要加大研究力度。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)的零能耗建筑發(fā)展需要面對(duì)瓶頸問(wèn)題，建筑的理論標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際情況不符，也存在時(shí)效不足的問(wèn)題，對(duì)其的認(rèn)可度也不是非常理想，其中應(yīng)用的評(píng)估體系需要以海量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，也就不利于評(píng)價(jià)快速進(jìn)行。因此，對(duì)于已經(jīng)建成的相關(guān)理念的建筑所進(jìn)行的評(píng)價(jià)遲遲不能完成，也就不能體現(xiàn)出這些建筑的推廣意義。

社會(huì)處在了極大變化之后，能源、環(huán)境、人居質(zhì)量、互聯(lián)網(wǎng)、智能化等很多復(fù)雜化的問(wèn)題越來(lái)越多，這也要求建筑研究在新的方面有一定成果。并且建筑是一門復(fù)雜學(xué)科，因此想要實(shí)現(xiàn)零能耗居住建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)，還需要很多探索工作要做，最為主要的則是形成一套可行優(yōu)化設(shè)計(jì)和評(píng)估的方法，對(duì)此類建筑設(shè)計(jì)提供實(shí)踐指導(dǎo)。另外，對(duì)于不同的地區(qū)，其建筑屬性也不同，相關(guān)的物理邊界以及能量平衡邊界的具體方法依舊沒(méi)有確定，所以在今后發(fā)展還需要很多大量化工作需要進(jìn)行，才能真正實(shí)現(xiàn)零能耗居住建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

二、零能耗居住建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的積極意義

從理論上看，零能耗居住建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于我國(guó)生態(tài)城市的建設(shè)在全國(guó)范圍內(nèi)推廣以及城市能源規(guī)劃的推廣有著重要的理論意義。零能耗居住建筑的基準(zhǔn)模型設(shè)定以及其現(xiàn)實(shí)中的零能耗潛力和規(guī)模，在未來(lái)我國(guó)零能耗建筑、零能耗社區(qū)的相應(yīng)研究和建設(shè)方面，有著拋磚引玉的意義。

而就具體應(yīng)用層面進(jìn)行分析，此方面的研究，主要方向是城市住宅的單體建筑節(jié)能和再生能源應(yīng)用。以此對(duì)建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，利用現(xiàn)有技術(shù)條件，開展城市中居住建筑的零能耗可能性和潛力以及規(guī)模的研究，從而可以總結(jié)和完善并補(bǔ)充零能耗居住建筑方面優(yōu)化的技術(shù)手段和設(shè)計(jì)策略。除此之外，在零能耗居住建筑的研究中，技術(shù)和設(shè)計(jì)脫離實(shí)際問(wèn)題還是比較常見(jiàn)，并且在設(shè)計(jì)后期運(yùn)用技術(shù)性手段也不能達(dá)到良好的契合效果，因此將此類建筑付諸實(shí)踐，就可以為相關(guān)的研究者提供參考數(shù)據(jù)，從而能更好地改正和完善設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而達(dá)到零能耗的目的。

三、零能耗居住建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)實(shí)踐

優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可以從兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，一個(gè)是熱力學(xué)優(yōu)化，另一個(gè)是生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化。熱力學(xué)優(yōu)化又分成是三個(gè)層次，其一則是純熱力學(xué)的優(yōu)化，其二則是熱力學(xué)同經(jīng)濟(jì)因素的結(jié)合，也就是熱經(jīng)濟(jì)學(xué)的優(yōu)化，其三則是全面性優(yōu)化，包括生態(tài)方面的優(yōu)化。

對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化非常關(guān)鍵的一面則是生態(tài)評(píng)估，也就是計(jì)算節(jié)能廢料。對(duì)于此，研究人員提出從建筑物理系統(tǒng)熱力學(xué)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)的可行性角度進(jìn)行突破，運(yùn)用相應(yīng)生態(tài)學(xué)物理表達(dá)方法，對(duì)優(yōu)化后的項(xiàng)目可行性進(jìn)行綜合的評(píng)價(jià)。為此，需要把居住建筑放置在生系統(tǒng)之中進(jìn)行思考，打破單一熱力學(xué)和熱經(jīng)濟(jì)學(xué)的優(yōu)化束縛，也就形成了更全面的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法，從熱力學(xué)到經(jīng)濟(jì)學(xué)再到生態(tài)學(xué)，形成統(tǒng)一論域生態(tài)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法。

想要形成這樣統(tǒng)一論域優(yōu)化的研究，必須應(yīng)用到的技術(shù)手段為“低碳可持續(xù)”“熱力學(xué)能量平衡分析原理”，結(jié)合壽命期動(dòng)態(tài)分析模式，與多目標(biāo)的優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，這樣才是更全面的零能耗居住建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。其中需要設(shè)計(jì)多個(gè)相互影響的機(jī)制，包括經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境友好性、碳排放、能耗、主動(dòng)技術(shù)、被動(dòng)技術(shù)、典型建筑空間形態(tài)等，并且有三個(gè)非常重要論域的指標(biāo)，包括生態(tài)性、經(jīng)濟(jì)性、能源性，從而形成科學(xué)有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

比如，NSGAII 遺傳智能的優(yōu)化方法，構(gòu)建出多維度的數(shù)學(xué)模型，然后就其中典型例子做多目標(biāo)的優(yōu)化求解，接著探究每種組合Pareto 空間的解集，設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)的調(diào)用庫(kù)，以為最后決策人員從不同偏好性和不同需要進(jìn)行考慮，調(diào)用出最優(yōu)的數(shù)據(jù)，以解決優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。

四、零能耗居住建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)的策略

零能耗的居住建筑設(shè)計(jì)時(shí)，采用的普遍方法是盡量減少建筑體形系數(shù)，運(yùn)用回廊或者中庭的形式，構(gòu)成自然的通風(fēng)和采光，并增強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱性能；將能耗模擬方法運(yùn)用在設(shè)計(jì)階段，通過(guò)建筑能耗模擬軟件模擬出建筑耗能表現(xiàn)和熱工性能，并適時(shí)地進(jìn)行調(diào)整，從而滿足預(yù)定能耗的目標(biāo)。在減少熱量方面，以建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)為主，也就是合理設(shè)計(jì)門窗和屋面，避免熱量傳出；另外，利用了再生能源，以實(shí)現(xiàn)零能耗和零碳排放，具體有地?zé)岷吞?yáng)能源，這類高品位的能源。

1.一體化的太陽(yáng)能建筑

此類型的零能源居住建筑，一定要有著緊湊高效空間布局，這也是零能耗的基礎(chǔ)，并且與當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境進(jìn)行主動(dòng)的響應(yīng)。這種優(yōu)化方法，前期工作主要是針對(duì)建筑當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境信息進(jìn)行收集和分析，這是必要的條件。其中最為重要的則是正確評(píng)估出本地的太陽(yáng)能資源，還有濕度、場(chǎng)地生物條件、風(fēng)環(huán)境、當(dāng)?shù)乜衫觅Y源等。但是緊湊空間布局并不需要犧牲空間品質(zhì)，而是充分發(fā)揮出空間可變性以及精神寄托，這也是此優(yōu)化方法的艱巨挑戰(zhàn)。

2.利用模擬能耗的軟件

近些年，計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展水平更高，尤其是輔助計(jì)算技術(shù)發(fā)展水平已經(jīng)非常高，利用此技術(shù)可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑的設(shè)計(jì)、光、通風(fēng)、熱情況的模擬，特別是建筑熱環(huán)境的模擬。現(xiàn)今，可以應(yīng)用的軟件比較多，包括EnergyPlus、DeST、Ecotect 等，其中Ecotect 軟 件 可以很直觀對(duì)建筑光熱環(huán)境進(jìn)行模擬，并可以與Autodesk軟件進(jìn)行合并應(yīng)用，有著很清晰的操作界面，對(duì)于設(shè)計(jì)方案是不是節(jié)能有著很好的判斷，也能對(duì)方案進(jìn)行調(diào)整。EnergyPlus 軟件和DeST 軟件則能非常準(zhǔn)確地模擬出建筑通風(fēng)情況，這就能讓自然通風(fēng)和建筑熱環(huán)境的耦合實(shí)現(xiàn)，能夠非?？煽康啬M出建筑外部風(fēng)熱環(huán)節(jié)和內(nèi)部通風(fēng)條件。

3.合理利用自然通風(fēng)采光

在建筑中占有非常大比重能耗的是制冷、通風(fēng)、供熱設(shè)備。針對(duì)此，零能耗居住建筑采用中庭設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)自然的通風(fēng)和采光，這是不能忽略的一點(diǎn)。特別是那種高層建筑，可運(yùn)用中庭拔風(fēng)效應(yīng)，也能讓室內(nèi)有均勻采光。另外，在很多綠色建筑中，應(yīng)用雙層幕墻的方法，借助熱壓原理把室內(nèi)熱量帶出，運(yùn)用此方法的典型建筑則是倫佐·皮亞若的提巴歐文化中心。

4.主動(dòng)式能源的設(shè)計(jì)

在建筑設(shè)計(jì)中，建筑表皮設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)以有效對(duì)太陽(yáng)能輻射進(jìn)行控制為目的，讓建筑在一年之內(nèi)可以最大限度地增加太陽(yáng)輻射，并減少夏季中的太陽(yáng)輻射。一體化太陽(yáng)能設(shè)計(jì)理念已經(jīng)應(yīng)用，可是并不能對(duì)建筑的各個(gè)面均安裝太陽(yáng)能板，而應(yīng)當(dāng)從多個(gè)角度出發(fā)，綜合地考量建筑屋面傾角、建筑朝向、用電負(fù)荷等，嚴(yán)格控制建筑經(jīng)濟(jì)成本。在建筑中，考慮到系統(tǒng)效率提升和成本降低，一般在制冷用能、采暖、熱水等方面可以優(yōu)先采用光熱系統(tǒng)，當(dāng)在轉(zhuǎn)換率低、負(fù)荷比較大的時(shí)候，可以轉(zhuǎn)化使用電能，這樣才進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)零能耗。

五、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)在能源消耗方面非常大量，特別是最近幾年，人口增長(zhǎng)、城市化進(jìn)程加快，建筑面積也就越來(lái)越大，建筑所消耗的能源是社會(huì)總能源消耗中的重要部分。并且，我國(guó)的建筑領(lǐng)域中，建筑設(shè)計(jì)理念呈現(xiàn)為綠色建筑和節(jié)能建筑的思想，并已經(jīng)逐漸成為主流。零能耗的建筑也是節(jié)能的一種必然趨勢(shì)，在未來(lái)的建筑中會(huì)成為一種普遍存在的形式。因此，必須要強(qiáng)化此類建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。