生態(tài)優(yōu)化視角下的零能耗居住建筑優(yōu)化設計初探

杜洋

（南京長江都市建筑設計股份有限公司 江蘇南京 210000）

0 引言

建筑行業(yè)的零能耗要求，是這一行業(yè)發(fā)展中所追求的一個重要目標。為了取得更好的建筑設計效果，需要結合零能耗的標準以及生態(tài)優(yōu)化的基本原則的要求，從建筑設計環(huán)節(jié)進行優(yōu)化和完善。

1 零能耗的總體概述

零能耗的概念，具體的來說就是在房屋的建筑中不消耗常規(guī)的基礎能源，而依靠可再生的自然能源維持房屋的運行和人們的日常生活。其中，太陽能就屬于可再生自然資源中比較有代表性的一種類型[1]。如果從宏觀的角度上來說，零能耗的概念并不是非常先進且具有新式特點的，歐美國家中有部分國家已經(jīng)發(fā)展并將零能耗建筑進行落實。而在我國，零能耗建筑的起步最早可以追溯到2000年，這一階段，科技成為房地產(chǎn)行業(yè)發(fā)展的方向和主題。可持續(xù)發(fā)展成為了建筑行業(yè)建設和發(fā)展的根本性原則，而從技術層面上來說，零能耗建筑效果的實現(xiàn)，主要通過針對建筑技術的開發(fā)。這種情況實際上也是我國高能耗建筑開始像零能耗方向發(fā)展的一個典型代表。從未來的發(fā)展趨勢來說，在有限的資源儲備和大量的資源消耗背景下，零能耗必然成為建筑行業(yè)發(fā)展和建設中所追求的一個重要目標。從建筑設計的角度上來說。零能耗建筑主要通過先進的科技手段的運用達到減低能源消耗的目的，一些進口的制冷系統(tǒng)和通風系統(tǒng)目前可進行引進的設備。另外，潔凈能源科技項目的研發(fā)，也是實現(xiàn)建筑行業(yè)零能耗建筑設計和建設的一個有效手段。從有限能源的節(jié)約角度分析，零能耗建筑的產(chǎn)生，也是基于石油資源、水資源以及電力資源的供應成本和總儲備量不斷減少的情況而提出的。

2 目前建筑能耗的現(xiàn)狀分析

建筑節(jié)能問題已經(jīng)是世界范圍內(nèi)都迫在眉睫需要解決的問題。這主要是由于建筑行業(yè)的發(fā)展，伴隨著最大化的能源消耗。根據(jù)IEA的專業(yè)預測數(shù)據(jù)分析，截至2035年，全球范圍內(nèi)的能源消耗比例將增長到30%的水平。建筑能源的需求量也會增加到800Mte以上[2]。若無法采取有效的措施提高建筑效率，則建筑本身的能量消耗量會持續(xù)增長，相應的供應壓力也必然會大幅度增加。城市化建設的進程在我國在不斷加快，城市污染的問題呈現(xiàn)出日益加重的狀態(tài)。這不僅會影響城市本身的自然環(huán)境，污染物的排放也會危害人們的身體健康。從建筑行業(yè)的發(fā)展來講，這種情況也會大幅度降低人們在城市中的居住舒適度，這也不利于建筑行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。研究造成這種現(xiàn)象的根本原因，與建筑行業(yè)管理的粗放性有直接的關系。從建筑設計的角度上來說，目前已經(jīng)制定并實施的建筑設計標準是《民用建筑節(jié)能設計標準（采暖居住建設部分）》。標準中的節(jié)能層次包括四個方面，目前的實施程度已經(jīng)達到了第三步，部分區(qū)域正在向第四步節(jié)能層次邁進。但這與零耗能額要求相比還存在一段差距。

3 現(xiàn)階段零能耗建筑設計存在的實際問題

零能耗建筑設計由于其先進性和專業(yè)性，在建筑設計環(huán)節(jié)的落實中也會遇到一些困難和問題。

3.1 設計實踐存在困難

具體的來講，這種困難存在于我國社會現(xiàn)階段發(fā)展特征和狀態(tài)有直接的關系，環(huán)境、能源利用和科學技術發(fā)展三方面的問題無論在復雜性還是重要性上都有非常顯著地提升。另外，建筑學科本身也具有較高的復雜性。而回到零能耗建筑設計的工作開展角度上來說，由于現(xiàn)實環(huán)境條件的因素以及技術支持因素的影響，無論是從零能耗建筑設計的理論知識還是從實踐經(jīng)驗的角度上來說，在實施中都存在一些現(xiàn)實問題和困難。且建筑設計工作本身在不同的地區(qū)和自然環(huán)境條件下要想達到零能耗的效果，設計思路和設計技術也需要做出相應的變更。這種高難度性和高復雜性使得零能耗的建筑設計本身就是一項難度非常大的工作。

3.2 設計資源和經(jīng)費存在困難

雖然零能耗建筑從實際應用的角度上來講能夠保持能量消耗的相對零支出，但在這種建筑設計的前期實現(xiàn)階段，是需要大量的資源和和技術成本投入的。這就意味著成本和技術會成為制約零能耗建筑設計的因素，這不利于零能耗建筑高效率的普及和運用[3]。從生態(tài)優(yōu)化的視角上來看，也使得零能耗建筑的設計和運用不能適應現(xiàn)階段生態(tài)平衡以及環(huán)境保護要求的問題凸顯出來。ZEB建筑優(yōu)化問題是在2010年后開始受到重視并要求加緊落實的。從專業(yè)角度上來講，優(yōu)化設計的方法有以下幾種，第一，基于壽命周期成本的LCC優(yōu)化模式。第二，通過運用計算機系統(tǒng)和數(shù)學計算模型的創(chuàng)立，聯(lián)合形成一套系統(tǒng)的生態(tài)優(yōu)化方案。這些方案目前在西方國家中已經(jīng)逐步開展了實踐性討論和落實。

4 基于零能耗的建筑優(yōu)化設計技術

目前的零能耗建筑優(yōu)化設計包括了三個基本層次，這三個層次的劃分，是基于熱力學層面進行的。即第一層，單純熱力學優(yōu)化。第二層，熱力學融合經(jīng)濟因素優(yōu)化。第三，熱力學、經(jīng)濟成本因素與生態(tài)環(huán)境因素聯(lián)合實現(xiàn)優(yōu)化。從層次的全面性上來講，可知第三個層次是本文討論所要達到的根本目標。關于設計優(yōu)化技術方面，目前可找到的技術突破口為單純的熱力學優(yōu)化，三者聯(lián)合的優(yōu)化設計方案，從技術理論支持的角度上來說，需要依托于熱力學能量平衡原理，將低碳和可持續(xù)發(fā)展作為設計技術確認的原則，以常規(guī)的典型建筑空間為基礎，通過主動技術、被動技術以及能量排放監(jiān)測技術的綜合運用達到優(yōu)化設計的目的[4]。另外，還需要綜合考慮環(huán)境的友好性和經(jīng)濟成本支出的合理性。緊密的將經(jīng)濟成本、能源應用和生態(tài)平衡三個方面的因素進行綜合考慮，從而建立起一個體系化的技術系統(tǒng)。在具體觀察技術實施的效果時，可通過建立模型的方式進行，注意模型本身的綜合性。通過針對一個典型例子的多目標優(yōu)化求解，獲取系列數(shù)據(jù)，最終形成一個有完備數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。在實際應用中結合不同的零能耗建筑要求調(diào)用相關參數(shù)，通過結合實際的進一步優(yōu)化調(diào)整，為零能耗優(yōu)化設計的實踐提供支持。

5 結束語

綜合來說，我國的零能耗建筑設計工作中，生態(tài)優(yōu)化設計的背景和原則不僅是現(xiàn)代建筑設計的要求，也是實現(xiàn)零能耗的一個有效方法。設計人員只有通過綜合分析現(xiàn)有的設計和優(yōu)化經(jīng)驗，并運用適當?shù)膶I(yè)方法做好數(shù)據(jù)的計算和分析，才能最終獲取具有實踐可行性的設計方案。