基于超低能耗的寒冷地區(qū)建筑本體節(jié)能設(shè)計(jì)

崔佳亮

（建研科技股份有限公司，北京 100000）

我國北方地區(qū)季風(fēng)氣候明顯，建筑采暖與制冷能耗較高。為響應(yīng)節(jié)能減排的綠色建筑理念，基于超低能耗的設(shè)計(jì)要求，在滿足建筑基本的采暖與制冷需要的前提下，通過優(yōu)化建筑平面布局和改良內(nèi)部空間設(shè)計(jì)等措施，盡可能降低能耗。近年來，超低能耗建筑的相關(guān)理論和配套技術(shù)日益成熟，在具體設(shè)計(jì)時(shí)還要結(jié)合寒冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)，綜合考慮建筑的功能、形式和布局，在達(dá)到預(yù)期節(jié)能效益的基礎(chǔ)上，兼顧建筑的實(shí)用性。

1 建筑工程概況及平面布局設(shè)計(jì)

本文以某綜合性辦公建筑為例，該項(xiàng)目地處我國北方，占地位置地勢(shì)較低，其功能要求分為內(nèi)向型和外向型，其中內(nèi)向型功能有行政辦公、試驗(yàn)科研，外向型功能負(fù)責(zé)公共服務(wù)、會(huì)議接待培訓(xùn)及成果展示。在設(shè)計(jì)室內(nèi)熱環(huán)境時(shí)，根據(jù)辦公及活動(dòng)需求，可分為采暖房間與非采暖房間兩類，辦公及實(shí)驗(yàn)房間采用采暖房間，展會(huì)及會(huì)議室可采用非采暖房間。該建筑要求采暖房間的溫度維持在20-25℃的恒定水平。考慮到墻體之間的熱傳遞效應(yīng)，因此為避免采暖房間熱量過度散失，應(yīng)將采暖房間集中布置。在寒冷地區(qū)，采暖區(qū)應(yīng)靠近建筑的南面或東南面，這樣冬季可充分借助外部的太陽光為室內(nèi)升溫。而對(duì)于活動(dòng)較少的衛(wèi)生間、公共通道等，應(yīng)設(shè)置在背面。另外，通過合理的房間布局，將開敞式大空間更改為封閉式小房間，也能夠減少熱能損失，進(jìn)而達(dá)到超低能耗的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2 建筑形體設(shè)計(jì)

2.1 建筑平面形式的設(shè)計(jì)

對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行建模，基于建筑常見的四種平面形式：長方形、三角形、正方形和圓形。其他一些比較復(fù)雜的形式（如回形），也可以看作是由這4 種基本形式演化形成。在Designbuilder 軟件中分別建立4 個(gè)高度為10m、體積為1000m3的三維建筑模型。其中，長方形建筑的底面尺寸為20m×5m；正方向的底面尺寸為10m×10m，三角形的邊長為15.2m，圓形半徑為5.64m。4 個(gè)模型的窗墻比均設(shè)定為0.3，然后進(jìn)行全年能耗模擬，所得結(jié)果如表1 所示。

表1 不同平面形式下建筑能耗模擬結(jié)果（單位：Wh/m3）

結(jié)合表1 可知，在體積相同的情況下，圓柱體建筑的總能耗最低。所以該項(xiàng)目建筑平面形式的設(shè)計(jì)采用圓形，可以取得比較理想的節(jié)能效果。

2.2 建筑形體高寬比的設(shè)計(jì)

使用Designbuilder 軟件設(shè)計(jì)不同高寬比的圓柱體建筑模型。輸入該建筑總體積V=10862.69m3，并保持該數(shù)據(jù)不變，分別調(diào)整其高度的直徑，對(duì)比不同高寬比下建筑采暖能耗、制冷能耗，以及總能耗的變化情況。共設(shè)計(jì)了5 組模型，1#模型的高寬比為3:1，即高度225.63m，直徑75.21m；2#模型的高寬比為2:1，即高度173.40m，直徑86.7m；3#模型的高寬比為1:1，即高度為108.45m，直徑為108.45m；4#模型的高寬比為1:2，即高度為68.37m，直徑為136.74m；5# 模型的高寬比為1：3，即高度為52.13m，直徑為456.39m。具體能耗如表2 所示。

表2 不同高寬比下圓柱體建筑的能耗情況

結(jié)合表2 數(shù)據(jù)可知，采暖能耗隨著高寬比的增大而增加，制冷能耗在高寬比為1:1 時(shí)最低?？偰芎姆矫?，高寬比1:1 時(shí)最低，為94750.6Wh/m2；高寬比為1:2 時(shí)次之，為95542.6Wh/m2，兩者差異并不明顯。因此，對(duì)于圓柱體建筑，建筑形體的高寬比宜控制在1:1-1:2 之間，能夠達(dá)到超低能耗的目標(biāo)，結(jié)合周邊地勢(shì)較低，考慮通風(fēng)問題，因此需要對(duì)其進(jìn)行1:3的高寬比設(shè)計(jì)。

3 建筑內(nèi)部空間設(shè)計(jì)

針對(duì)該建筑，應(yīng)充分發(fā)揮優(yōu)化建筑內(nèi)部空間布局的作用，來達(dá)到節(jié)能降耗的目的。其主要設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：

3.1 中庭空間設(shè)計(jì)

中庭空間設(shè)計(jì)需利用熱壓通風(fēng)原理進(jìn)行優(yōu)化。夏季高溫?zé)釟馍仙?，能夠?qū)⒔ㄖ械臒峥諝馀懦?，而室外的涼爽空氣?huì)因?yàn)閴毫Σ疃胧覂?nèi)，實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)散熱的效果。要增加天窗或者有利于導(dǎo)風(fēng)的斜窗，提高熱壓通風(fēng)效率。天窗應(yīng)使用遮陽膜覆蓋，阻擋太陽輻射，避免室內(nèi)空氣過快升溫。在該項(xiàng)目設(shè)計(jì)中采用垂直型的剖面設(shè)計(jì)更能夠提升采光效果，中庭的高寬比設(shè)計(jì)也應(yīng)首先考慮采光需求，本文主要采用光井指數(shù)WI 代表中庭體量，并計(jì)算出在WI 不同的數(shù)值下中庭周邊各房間的平均采光率，具體如下圖1 所示。

圖1 平均滿足率與光井指數(shù)WI 關(guān)系圖

結(jié)合圖1的房間平均采光率來看，當(dāng)光井指數(shù)＞0.68 后，平均采光率下降的比較明顯，因此該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)應(yīng)將光井指數(shù)控制在0.68 以下，WI的計(jì)算公式為：

通過計(jì)算公式（1），其中庭的高度應(yīng)為4.2×3+1.8=14.4m，而其寬度應(yīng)大于21.5m，再結(jié)合整體建筑設(shè)計(jì)，該項(xiàng)目最終確定的中庭寬度為24m，能夠保證采光，又可以兼顧通風(fēng)散熱。

3.2 辦公室及會(huì)議室設(shè)計(jì)

主要利用風(fēng)壓通風(fēng)原理進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)室外自然風(fēng)吹向建筑時(shí)，受到建筑阻擋，自然風(fēng)從建筑兩側(cè)吹過，在建筑正后方形成“負(fù)壓區(qū)”，在壓力差的作用下將自然風(fēng)吸入室內(nèi)。通過優(yōu)化室內(nèi)布局，取消隔墻，形成南北通暢的通風(fēng)廊道，利用“穿堂風(fēng)”達(dá)到通風(fēng)散熱的效果，對(duì)于降低建筑能耗有明顯效果，室內(nèi)布局如圖2 所示。

圖2 基于風(fēng)壓通風(fēng)原理的建筑內(nèi)部空間設(shè)計(jì)

4 建筑窗墻比設(shè)計(jì)

窗戶是建筑中熱損失最為明顯的部分?，F(xiàn)代建筑通過使用中空low-e 玻璃在降低熱損失方面起到了一定作用，但是仍然達(dá)不到超低能耗的設(shè)計(jì)要求。通過優(yōu)化窗墻比，對(duì)提高建筑保溫隔熱效果有明顯作用。為了驗(yàn)證建筑不同方向上窗墻比對(duì)能耗的影響，使用Designbuilder 軟件進(jìn)行三維建模，得到總高度為10m、共兩層的長方體建筑模型。分別在東、西、南、北4 個(gè)建筑立面上，以0.1-0.7的窗墻比設(shè)計(jì)1 個(gè)窗戶。通過對(duì)全年建筑能耗進(jìn)行模擬，觀察4 個(gè)方位上不同窗墻比下的能耗情況。以建筑南部立面為例，在窗墻比從0.1-0.7的情況下，采暖能耗、制冷能耗以及“采暖+制冷”的總能耗如表3 所示。

結(jié)合表3 可知，對(duì)于長方體建筑，窗墻比越大，其能耗越高。窗墻比為0.1 和0.7 時(shí)，總能耗差距達(dá)到了2498.2 Wh/m3，差異明顯。為了進(jìn)一步驗(yàn)證各個(gè)立面采暖與制冷總能耗的變化速率，從而計(jì)算出超低能耗建筑的窗墻比限值，繪制了建筑4 個(gè)立面上總能耗與窗墻比的關(guān)系曲線，如圖3 所示。

表3 建筑南部立面不同窗墻比下采暖、制冷及總能耗變化（單位：Wh/m3）

圖3 建筑4 個(gè)立面總能耗與窗墻比的關(guān)系曲線

結(jié)合圖3，以建筑南向立面為例，在0.4-0.5的后半段以及0.5-0.6的前半段，能耗變化率有明顯的突增現(xiàn)象，即建筑總能耗突然增加。因此要想達(dá)到建筑超低能耗設(shè)計(jì)，必須要將窗墻比控制在0.4 以下；同樣的，建筑東向立面，窗墻比控制在0.3 以下能夠使總能耗維持在較低狀態(tài)。通過圖3 所示的變化曲線，得出長方體建筑4 個(gè)方向窗墻比的限值，為后續(xù)建筑節(jié)能施工提供了依據(jù)。其中建筑南向立面窗墻比采用系數(shù)0.4，其具體尺寸如圖4 所示。設(shè)立該建筑某一層樓板的距離為χ，單側(cè)采光系數(shù)最遠(yuǎn)距離為2.5χ，經(jīng)測(cè)量辦公室的進(jìn)深為8.8m，再減去1.1m的走廊距離，可得知最遠(yuǎn)的工作距離為7.7m，由此反向推出該辦公建筑樓的窗戶高度應(yīng)＞7.7÷2.5-0.9=2.18m。

圖4 窗墻比0.4 時(shí)窗戶尺寸（單位：mm）

5 結(jié)論

現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中，追求更低的能耗是一個(gè)核心目標(biāo)。影響建筑能耗的因素較多，除了保溫隔熱材料的性能外，建筑本體的節(jié)能設(shè)計(jì)也十分重要。結(jié)合建筑的功能需要和建造要求，在滿足實(shí)用性要求的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化建筑布局，選擇合適的高寬比、窗墻比，達(dá)到超低能耗的目標(biāo)，進(jìn)一步降低建筑投入使用后的能耗，推進(jìn)我國建筑行業(yè)的綠色、節(jié)能發(fā)展。