建筑節(jié)能及其在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

徐娟 江西省建筑設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)有限公司

1 前言

建筑設(shè)計(jì)理念和內(nèi)容直接影響建筑節(jié)能效果，因此，想要提高節(jié)能效果，應(yīng)控制調(diào)整建筑設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)階段將節(jié)能理念融入建筑結(jié)構(gòu)和不同單體中，選擇具有高度節(jié)能降耗的建筑材料，使建筑結(jié)構(gòu)保持正常功能的同時(shí)，能夠有效節(jié)約對(duì)能源的利用，從而實(shí)現(xiàn)有效的節(jié)能設(shè)計(jì)和建設(shè)。

2 建筑節(jié)能設(shè)計(jì)要求

建筑節(jié)能指的是在建筑設(shè)計(jì)、構(gòu)建和使用過(guò)程中，減少對(duì)能源的消耗并保障建筑質(zhì)量。建筑設(shè)計(jì)不僅影響建筑施工過(guò)程中的能耗，對(duì)后續(xù)建筑使用時(shí)的能耗也有較大影響。因此應(yīng)提高對(duì)建筑設(shè)計(jì)階段的重視，通過(guò)節(jié)能設(shè)計(jì)，提高建筑節(jié)能效果。在進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求。

其一，保持室內(nèi)環(huán)境宜居。建筑建設(shè)的目的是為人們提供生活和工作環(huán)境，因此應(yīng)保障建筑室內(nèi)環(huán)境的舒適度，避免因節(jié)能造成環(huán)境惡劣的情況。

其二，確保能源的合理利用。想要提高節(jié)能效果，應(yīng)從提高能源利用效率的方向發(fā)展，通過(guò)合理利用能源，提升能源利用效率，進(jìn)而減少對(duì)能源的需求，實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約使用。

其三，堅(jiān)持建筑能源可持續(xù)發(fā)展。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)堅(jiān)持綠色可持續(xù)發(fā)展理念，通過(guò)恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，循環(huán)使用能源，進(jìn)一步提升能源的利用效率，減少能源耗費(fèi)。

其四，堅(jiān)持節(jié)能設(shè)計(jì)與成本相協(xié)調(diào)。由于部分建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的成本較高，并不適用于所有建筑中，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)建筑的預(yù)估成本展開(kāi)設(shè)計(jì)，使建筑經(jīng)濟(jì)效益與節(jié)能相契合，從而使建筑節(jié)能設(shè)計(jì)保持長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

3 建筑能耗特點(diǎn)

建筑能耗是指在建筑施工和使用時(shí)產(chǎn)生的能源耗費(fèi)，在建設(shè)施工過(guò)程中，建筑能耗主要包括：建材構(gòu)件、運(yùn)輸施工、人員管理等；主要能耗包括：建筑空調(diào)、取暖、照明、供給水以及建筑結(jié)構(gòu)能耗（如門(mén)、窗、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生的能源消耗）。

建筑能耗特點(diǎn)主要體現(xiàn)在不同功能建筑上的能耗差異較大，如公共建筑和住宅建筑，以及城鄉(xiāng)不同類型的建筑等。公共建筑中的能源消耗一般大于住宅建筑，城市中的能源利用效率一般高于鄉(xiāng)村建筑。因此在進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際的建筑特點(diǎn)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，才能有效提高建筑的節(jié)能效果。

4 建筑設(shè)計(jì)中節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

4.1 建筑設(shè)計(jì)中BEM建模耗能預(yù)測(cè)

BEM又稱建筑能耗模型，其能夠通過(guò)建模方式合理預(yù)測(cè)建筑能耗，從而幫助設(shè)計(jì)人員了解建筑設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，并結(jié)合建筑能耗的實(shí)際情況，調(diào)整和修改建筑設(shè)計(jì)，提高能源使用效率，避免過(guò)度耗能的情況。

在構(gòu)建BEM模型的過(guò)程中，首先，應(yīng)進(jìn)行參數(shù)化建模。該階段需要利用建筑模型數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化參照模型。通過(guò)分析和轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)的通用模型，在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)下進(jìn)行轉(zhuǎn)化，成為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能參照模型。

其次，自動(dòng)化仿真。在模型的基礎(chǔ)上，加載自動(dòng)化仿真能源耗費(fèi)程序，從而提供對(duì)工程的建設(shè)效果。使用EnergyPlus軟件對(duì)模型能耗進(jìn)行模擬和計(jì)算。在運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)模擬管理器控制整體模擬計(jì)算過(guò)程，借助數(shù)據(jù)生成建筑模型，全面能耗模擬建筑在自然條件下的室溫控制、光照調(diào)整以及空調(diào)運(yùn)行等情況，導(dǎo)出模擬結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。在模擬過(guò)程中需要人工輸入氣候變化情況，在不同氣候條件下，分析建筑能耗模擬情況，從而得到相應(yīng)的耗能結(jié)果。

最后，預(yù)測(cè)建筑能耗情況。使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)建筑能耗結(jié)果展開(kāi)分析計(jì)算，從而提高能耗預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。通過(guò)構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，全面分析相關(guān)數(shù)據(jù)，使用公式：

其中ω為不同神經(jīng)元之間連接的權(quán)值，m為神經(jīng)元，其收到的信號(hào)為Am[]1，θ為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拈撝?，通過(guò)計(jì)算對(duì)不同神經(jīng)元結(jié)構(gòu)承重的魯棒性和可靠性進(jìn)行分析，從而提高對(duì)問(wèn)題的了解情況，幫助信息的有效傳遞，不斷提高計(jì)算建筑設(shè)計(jì)中的相關(guān)能耗。

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行分析，選擇不同建筑案例中的相關(guān)數(shù)據(jù)，將建筑使用時(shí)間規(guī)定為2500h，建筑全年進(jìn)行采暖和制冷，其負(fù)荷為（Eh，Ec），并分析其數(shù)據(jù)，了解不同因素影響下的建筑能耗情況。設(shè)置影響因素，以建筑幾何影響為例：建筑立面、門(mén)窗比、室內(nèi)面積、層高等，分別選擇相應(yīng)的建筑參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，如表1所示。

表1 建筑幾何參數(shù)取值范圍

根據(jù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，借助EnergyPlus方法計(jì)算該數(shù)據(jù)下的能耗情況，并分析模型仿真能耗的情況。通過(guò)計(jì)算能夠了解到，不同區(qū)域如南方和北方對(duì)建筑供暖和制冷方面能耗的需求存在差異。在此基礎(chǔ)上，建筑的幾何形狀對(duì)建筑能源消耗存在較大影響。通過(guò)使用BEM模型的方式，能夠合理計(jì)算建筑能耗情況，進(jìn)一步預(yù)測(cè)和分析工程的建設(shè)效果，便于建筑設(shè)計(jì)的調(diào)整和優(yōu)化。

4.2 節(jié)能建筑場(chǎng)地布局設(shè)計(jì)

在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)考慮不同的影響因素，如建筑場(chǎng)地、平面布局等方面，均會(huì)對(duì)建筑使用過(guò)程中的能耗產(chǎn)生影響，因此在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要借助恰當(dāng)?shù)墓?jié)能布局設(shè)計(jì)，降低建筑能耗。

4.2.1 場(chǎng)地區(qū)域設(shè)計(jì)

在場(chǎng)地設(shè)計(jì)的過(guò)程中，影響建筑能耗的主要因素為場(chǎng)地區(qū)域的氣候因素，具體包括：光照情況和溫度變化情況。在建筑選址時(shí)，環(huán)境的地形地貌不同，直接影響建筑室內(nèi)的熱環(huán)境，如表2所示。

表2 不同地形地貌的熱環(huán)境情況

在分析場(chǎng)地朝向時(shí)，應(yīng)盡量結(jié)合實(shí)際區(qū)域和需求來(lái)選擇，優(yōu)化建筑朝向設(shè)計(jì)，從而減少能耗。以寒冷區(qū)域?yàn)槔?，在?duì)該區(qū)域開(kāi)展建筑設(shè)計(jì)時(shí)，由于寒冷區(qū)域的供暖消耗為最大的能耗項(xiàng)目，降低能耗的主要方式是提高建筑自然供暖效果，減少供熱過(guò)程中的能量消耗。因此，通過(guò)調(diào)整建筑朝向，使更多太陽(yáng)輻射進(jìn)入建筑中，能夠有效增加室內(nèi)的熱量，降低對(duì)采暖的需求。一般情況下，對(duì)于北方寒冷城市來(lái)說(shuō)，房屋朝南效果最佳，但由于地理位置和陽(yáng)光射入方向等影響，不同區(qū)域存在一定差異。設(shè)計(jì)人員可以使用Weather Tool軟件和EnergyPlus數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)算不同區(qū)域的建筑最佳朝向。例如，北京市建筑最佳朝向?yàn)槟掀珫|17.5°，而大連市的最佳朝向?yàn)槟掀?0°。

4.2.2 建筑平面布局設(shè)計(jì)

在對(duì)建筑平面布局優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)對(duì)比和分析不同平面形狀的耗能情況，常見(jiàn)建筑平面為正方形、長(zhǎng)方形、圓形和三角形。在分析時(shí)應(yīng)控制不同形狀的建筑體積，保持建筑體積相同的情況下進(jìn)行能耗對(duì)比。假設(shè)將不同形狀的建筑物底面積和高度進(jìn)行控制，如正方形邊長(zhǎng)為10m，將建筑的窗墻比控制為0.3后，利用EnergyPlus和BEM模型全年能耗模擬計(jì)算，并對(duì)結(jié)果加以分析。對(duì)建筑采暖和制冷時(shí)消耗的能量計(jì)算和對(duì)比，計(jì)算二者之和并對(duì)比。其中長(zhǎng)方形建筑的整體能耗量最高為12651.19kW·h，圓形建筑的能耗最小為9289.96kW·h，正方形建筑能耗小于三角形建筑。因此，在對(duì)建筑平面開(kāi)展設(shè)計(jì)的過(guò)程中，在條件允許的情況下應(yīng)選擇圓形和正方形建筑。

4.3 建筑單體節(jié)能設(shè)計(jì)

建筑單體節(jié)能設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)考慮建筑室內(nèi)能耗情況及建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)優(yōu)化，減少制冷和供暖過(guò)程中能量的逸散情況，提升能量的使用效率，進(jìn)而優(yōu)化建筑節(jié)能效果。

4.3.1 門(mén)窗節(jié)能設(shè)計(jì)

門(mén)窗節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，需要分析窗墻比及其材料和隔熱保溫情況。在分析窗墻比時(shí)，建筑窗戶面積增大時(shí)，其能夠吸收更多太陽(yáng)能，且通風(fēng)效果得到提升，但同時(shí)也在一定程度上造成大量的能量逸散，因此應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況調(diào)整窗墻比，使舒適度和耗能情況達(dá)到相對(duì)平衡狀態(tài)。在南方溫度較高的環(huán)境中，對(duì)窗墻比的要求不高，但在較為寒冷的北方區(qū)域，窗戶接收太陽(yáng)能有限，但由于室內(nèi)外溫差較大，窗戶對(duì)能量逸散的影響相對(duì)較大，需要控制窗墻比。一般按照朝向不同，給出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。如朝南建筑應(yīng)小于0.5，朝北建筑應(yīng)小于0.23。

4.3.2 墻體節(jié)能設(shè)計(jì)

在墻體節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，主要方式是增加外墻保溫和設(shè)置墻體內(nèi)保溫設(shè)施，降低室內(nèi)外溫度差帶來(lái)的影響，減少能量逸散情況，通過(guò)保溫層設(shè)置，不僅便于北方區(qū)域減少室外寒冷溫度的影響，同時(shí)在南方炎熱環(huán)境同樣適用，其能夠有效減緩?fù)饨鐭峥諝獾挠绊懀瑢?shí)現(xiàn)冬暖夏涼，起到良好的節(jié)能效果。外墻保溫設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合不同位置的情況，選擇相應(yīng)的保溫材料類型。常見(jiàn)類型包括：硅酸鹽保溫材料、鋼絲網(wǎng)水泥泡沫板、硬泡聚氨酯保溫板等。墻體內(nèi)保溫是在室內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用，以達(dá)到保溫節(jié)能的效果。常見(jiàn)技術(shù)為：安裝保溫板、涂抹保溫砂漿等。目前隨著節(jié)能需求的不斷提升，墻體自保溫技術(shù)同樣得到有效應(yīng)用，通過(guò)在墻體施工構(gòu)建的過(guò)程中，優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性能，使其自帶較強(qiáng)的保溫性能，從而能夠有效提高保溫節(jié)能效果，同時(shí)減少建筑成本消耗。

4.3.3 屋頂節(jié)能設(shè)計(jì)

屋頂厚度有限，并且高度較高，受太陽(yáng)能輻射較為嚴(yán)重，并且高度的風(fēng)力較大，冬季較為寒冷，對(duì)建筑能量消耗相對(duì)較大。在對(duì)屋頂進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要通過(guò)兩方面進(jìn)行控制。

其一，提高屋頂隔熱能力。以南方地區(qū)為例，其在夏季受到溫度影響較為嚴(yán)重，為控制熱量影響，可以設(shè)計(jì)架空隔熱屋面，在屋面防水層上方設(shè)置一層混凝土結(jié)構(gòu)，使該層不直接與實(shí)際的屋頂結(jié)構(gòu)接觸，從而減少陽(yáng)光輻射對(duì)頂層室內(nèi)的影響，并且架空結(jié)構(gòu)不影響通風(fēng)，從而避免高樓大風(fēng)影響，在風(fēng)流過(guò)時(shí)還會(huì)將架空層的熱空氣帶走，起到良好的隔熱效果，降低室內(nèi)制冷消耗。

其二，提高屋頂保溫能力。在建筑屋頂設(shè)置種植屋面或蓄水屋面，一方面能夠充分利用屋面的空間，提高對(duì)空間和太陽(yáng)能的利用；另一方面，在設(shè)置種植區(qū)域和蓄水設(shè)施時(shí)，有利于增加屋頂?shù)暮穸?，使其保溫能力得到提升，從而減少能量逸散，提高保溫效果。

4.4 建筑節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

除上文中的相關(guān)節(jié)能設(shè)計(jì)，在建筑的相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，仍存在一定的能耗情況。如空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等，在長(zhǎng)時(shí)間的使用過(guò)程中消耗大量的電能。在進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)化調(diào)整此類系統(tǒng)，減少能源浪費(fèi)情況。

在設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)時(shí)，主要應(yīng)控制公共空間光源，如使用LED節(jié)能燈代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源，減少電能消耗。在公共區(qū)域設(shè)置智能控制系統(tǒng)控制照明設(shè)備，使用紅外感應(yīng)設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光感和聲控照明設(shè)備，提高對(duì)生物識(shí)別的精準(zhǔn)度，從而真正實(shí)現(xiàn)人來(lái)燈亮、人走燈滅，有效提高光源控制靈活度，從而降低照明過(guò)程中的能源消耗。此外，針對(duì)不同區(qū)域設(shè)置不同照明標(biāo)準(zhǔn)，如室內(nèi)和辦公室，設(shè)置300lux，走廊等區(qū)域設(shè)置50lux~70lux的照明標(biāo)準(zhǔn)，滿足用戶需求的同時(shí)減少能源耗費(fèi)。

設(shè)計(jì)建筑用水系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)構(gòu)建屋頂綠化或屋頂蓄水等方式，提高對(duì)水資源的利用，同時(shí)在建筑內(nèi)部設(shè)置循環(huán)用水系統(tǒng)，如調(diào)整衛(wèi)生間便器水箱或設(shè)置簡(jiǎn)易凈水裝置，重復(fù)使用雨水等，減少水資源浪費(fèi)現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，為提高建筑節(jié)能效果，應(yīng)在建筑設(shè)計(jì)階段樹(shù)立節(jié)能意識(shí)，將節(jié)能理念充分體現(xiàn)在不同的設(shè)計(jì)環(huán)境，提高整體建筑的節(jié)能效果。設(shè)計(jì)人員應(yīng)分析建筑能耗影響因素，從不同影響方面進(jìn)行調(diào)整，充分發(fā)揮出建筑節(jié)能效果，提高能源使用效率，構(gòu)建綠色節(jié)能建筑。