嚴寒地區(qū)近零能耗公共建筑設(shè)計方法研究

柳紅明 金圃升

吉林建筑大學(xué)（130000）

0 引言

近零能耗建筑起源于歐盟《建筑能效指令》（Energy Performance of Building Directive recast）是為了應(yīng)對在不同的氣候條件下，在滿足建筑功能性的同時盡可能的節(jié)約自然資源，減少能耗，提升能源的利用率，最大幅度減少建筑能源消耗，提高節(jié)能設(shè)備與技術(shù)手段，充分利用自然資源如太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿?，?yōu)化建筑內(nèi)部能源循環(huán)通道，以最少的能源消耗提供最佳的建筑室內(nèi)環(huán)境，通過利用被動式技術(shù)大幅度降低建筑各項能耗需求，以到達極低或者近零能的能耗，其建筑能耗水平應(yīng)比相關(guān)國家標準和行業(yè)標準低60%以上。這個標準是我國近零能耗建筑設(shè)計過程中的最高依據(jù)。隨著近零能耗建筑在節(jié)能和環(huán)保等方面表現(xiàn)突出，這類建筑已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)的熱門產(chǎn)業(yè)，而作為一個國內(nèi)建筑的新事物，盡管優(yōu)點眾多，可實施項目卻很少，文章以嚴寒地區(qū)公共建筑為例，對近零能耗建筑設(shè)計方法和技術(shù)難點進行闡述，供大家參考。

1 近零能耗建筑設(shè)計方法概述

近零能耗建筑設(shè)計方法是指在建筑設(shè)計時，根據(jù)近零能耗建筑設(shè)計標準進行的性能化設(shè)計，以求達到符合能耗指標的目的。其主要的手段就是根據(jù)不同的場地條件，結(jié)合周邊環(huán)境，利用主動式、被動式節(jié)能技術(shù)，結(jié)合可再生能源技術(shù)，優(yōu)化建筑設(shè)計方案，使用高效率建筑節(jié)能設(shè)備，對建筑外部圍護結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，這樣可以有效降低建筑在使用過程中所消耗的能源，實現(xiàn)最合理的設(shè)計方法。

在建筑被動式技術(shù)方面，重點要考慮的就是如何做好建筑形體設(shè)計，優(yōu)化建筑采光與通風(fēng)，采用合理的建筑外部圍護結(jié)構(gòu)，優(yōu)化圍護結(jié)構(gòu)、無熱橋設(shè)計和采用先進的保溫材料。在主動式技術(shù)方面，著重考慮的是低能耗高效率的新風(fēng)回收系統(tǒng)，搭配分體式空調(diào)系統(tǒng)，通過智能調(diào)控系統(tǒng)來進行統(tǒng)一管理，大大節(jié)省能源的消耗。在可再生能源的選擇上，采用當下技術(shù)成熟的太陽能和地?zé)崮苓M行合理利用，輔助建筑供能需求[1]。

1.1 嚴寒地區(qū)被動式建筑節(jié)能設(shè)計方法

被動式節(jié)能建筑設(shè)計要點就是根據(jù)建筑周邊環(huán)境和使用功能，通過合理的建筑單體設(shè)計、建筑形體、建筑采光與通風(fēng)和建筑外部圍護結(jié)構(gòu)等，結(jié)合建筑周邊環(huán)境和自然資源，創(chuàng)造出有利于節(jié)能的低能耗條件，這是實現(xiàn)被動式節(jié)能方案的先決條件。

在設(shè)計過程中，建筑形體的設(shè)計將會對建筑節(jié)能效果造成極大的影響，還會增加建筑運行中額外的能耗，而現(xiàn)如今的建筑設(shè)計中，大部分方案為了單純的追求視覺效果，將建筑整體造型復(fù)雜化、為了增加內(nèi)部空間不合理的增加建筑層高等，這些做法造成了建筑體型系數(shù)增加，導(dǎo)致建筑的散熱面變大，十分不利于節(jié)能，而合理的建筑形體設(shè)計是最簡單有效的節(jié)能方式，同時這也是建筑施工中最節(jié)省材料的方式。對于嚴寒地區(qū)來說極端天氣很常見，室外溫差較大，如果建筑保溫措施不到位，建筑失熱嚴重，會加重能源浪費，這就要求人們在嚴寒地區(qū)的建筑外形選擇上要盡量考慮到建筑形體對建筑能耗的影響，在建筑形體上應(yīng)該選擇緊湊的類型并且減少不合理的凹凸設(shè)計，在保證美觀實用的基礎(chǔ)上盡量減少建筑形體對能耗的影響，這對于嚴寒地區(qū)建筑來說尤為重要，合理的利用建筑形體形成的圍合空間，能夠有效的降低環(huán)境帶來的不利影響。因此應(yīng)該充分結(jié)合建筑形體、氣候條件、風(fēng)向、光照等方面因地制宜的進行設(shè)計工作。

建筑采光與通風(fēng)也是設(shè)計的重點方向，所以應(yīng)該合理選址，確定建筑正確朝向，使建筑開窗方向更容易減少熱量流失，但也要做好夏季遮陽措施，避免夏季太陽能所帶來的過量熱量，影響室內(nèi)溫度。而建筑通風(fēng)的合理性也是影響建筑能耗的重要因素之一，夏季可以依靠合理的穿堂風(fēng)帶走建筑室內(nèi)多余熱量，冬季則可以通過立面的設(shè)計錯開風(fēng)口，這就要求我們把握當?shù)馗骷竟?jié)主導(dǎo)風(fēng)向，減少通風(fēng)所帶來的損耗的同時利用風(fēng)能，達到節(jié)能效益的最大化。

還有建筑外部圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計也會直接影響建筑能耗，這其中主要包括外墻、門窗、屋面及地面。通過適宜的節(jié)能材料和先進的技術(shù)手段來有效的提升建筑外部圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能，這樣不但可以極大地的提升建筑室內(nèi)舒適度，還可以有效的降低建筑能耗。

被動式近零能耗建筑設(shè)計方法的核心就是通過先進的節(jié)能技術(shù)和建筑材料，使建筑具有高效的外部圍護結(jié)構(gòu)，再利用合理的建筑設(shè)計結(jié)合場地周邊環(huán)境降低能耗，然后搭配新風(fēng)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)自然采光和建筑通風(fēng)以及太陽輻射來達到最佳室內(nèi)環(huán)境，這樣可以在保留最大舒適度的前提下做到能耗最低。

1.2 嚴寒地區(qū)主動式節(jié)能技術(shù)措施

建筑節(jié)能不光可以利用被動式技術(shù)，在不犧牲室內(nèi)舒適度的前提下，主動式技術(shù)的利用也是有效手段。

在近零能耗建筑中，針對嚴寒地區(qū)氣候特點可以采用低能耗高效率的新風(fēng)回收系統(tǒng)，通過熱回收裝置為建筑內(nèi)部引入新風(fēng)，使新風(fēng)充分與建筑內(nèi)部風(fēng)進行熱交換，對熱量進行再利用。新風(fēng)系統(tǒng)熱回收裝置分兩種，一種是全熱回收，這種回收裝置的特點是熱交換單元使用特殊加工后的紙質(zhì)材料，能同時傳遞熱度和濕度，在工作過程中不易形成冷凝水，另一種是顯熱回收，通常由鋁制或者鋼制的金屬制成，這樣的熱交換單元容易在工作過程中產(chǎn)生冷凝水，所以還要配合安裝流管來回收，因此更合理的方式是選擇紙質(zhì)全熱新風(fēng)系統(tǒng)。在設(shè)置新風(fēng)系統(tǒng)時，也要設(shè)置空氣凈化裝置，減少空氣污染提高室內(nèi)空氣質(zhì)量。

建筑節(jié)能不光是單憑一種技術(shù)手段實現(xiàn)的，而是結(jié)合多種多個調(diào)節(jié)系統(tǒng)，才能達到最優(yōu)效果，這就需要可協(xié)調(diào)多設(shè)備的智能控制系統(tǒng)，現(xiàn)代社會科技發(fā)達，智能控制系統(tǒng)作為主流技術(shù)，可以更省力的調(diào)動多個系統(tǒng)，有效降低不必要的能量消耗。目前的智能控制系統(tǒng)是根據(jù)建筑內(nèi)部溫度、濕度、風(fēng)環(huán)境、光環(huán)境和空氣環(huán)境來判斷調(diào)節(jié)的，制定適宜的標準，由系統(tǒng)自動執(zhí)行和開關(guān)，在無人使用或者低需求時達到智能調(diào)控有效的降低能耗，還能延長設(shè)備使用壽命。公共建筑中空調(diào)是必不可少的控溫裝置但同時也是能耗大戶，且由于公共建筑通常室內(nèi)面積較大，因此在空調(diào)的選擇上更適合采用分體式空調(diào)，在大空間里可以采用集中式管理，而空間小的辦公室、會議室等房間可以采用獨立空調(diào)進行室溫控制。而公共建筑室內(nèi)照明一般都是在自然采光條件下，配合建筑主動照明以達到室內(nèi)照明標準，這就需要在自然光滿足室內(nèi)要求時，智能調(diào)控系統(tǒng)可以根據(jù)室內(nèi)光源強度進行開關(guān)控制，分區(qū)控制，輔助照明，使照明時間和強度都合理分布。采用這套智能照明設(shè)備可以有效的降低30%～50%的能耗，而且操作簡單，管理維護方便，是目前節(jié)能建筑中主流技術(shù)手段。還有就是對于公共建筑來說，建筑體量大，窗戶數(shù)量多，所以也可以設(shè)置一套智能通風(fēng)系統(tǒng)，根據(jù)當?shù)貧夂驐l件判斷是否開窗通風(fēng)，對室內(nèi)空氣進行智能置換，改善室內(nèi)濕熱環(huán)境，不僅提高了使用的便利性，也降低了換風(fēng)系統(tǒng)的能耗，這對于公共建筑是非常必要的技術(shù)手段，值得大力推廣[2]。

2 嚴寒地區(qū)可再生能源利用

在現(xiàn)代建筑技術(shù)背景下，先進的新能源技術(shù)更新迭代迅速，為了實現(xiàn)近零能耗建筑標準，降低對外部能源的依賴，在設(shè)計中引入可再生清潔能源來維持建筑日常消耗，比如在嚴寒地區(qū)比較適用的太陽能輻射能，地?zé)崮芎惋L(fēng)能等，雖然可再生能源種類較多，但是目前在建筑使用中比較成熟的還是太陽能和地?zé)崮堋?/p>

太陽能主要有兩種利用方式，一個是對熱能的利用，另一個就是對光能的利用。因為我國嚴寒地區(qū)大部分區(qū)域太陽能資源都比較豐富，善加利用就是最可靠的可用再生能源，有效降低一次能源的使用。

在嚴寒地區(qū)太陽能的利用已經(jīng)十分成熟了，不少建筑都設(shè)置了太陽能光伏板、太陽能熱水器等，不僅可以對建筑進行遮陽隔熱，還可以有效的將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為清潔能源使用。設(shè)置太陽能板的時候，不僅可以設(shè)置在樓頂，現(xiàn)代技術(shù)可以做到在墻面布置光伏板，除此之外，例如遮陽板、陽臺、雨棚等易受到光照的地方，也可以設(shè)置太陽能光伏板。但是因屋面受到垂直照射，太能輻射量最大，所以還是優(yōu)先在屋頂設(shè)置光伏板[3]。

對嚴寒地區(qū)來說太陽能是最經(jīng)濟也是最環(huán)保的可再生能源，將太陽多余熱量轉(zhuǎn)化為可利用清潔能源，是對自然資源的合理利用，也是對環(huán)境的保護，所以我們應(yīng)該大力推廣。

淺層地?zé)崮芤彩蔷哂袑嵱脙r值的清潔能源，這種熱能具有可再生、環(huán)保、分布較廣、儲量大、易于開發(fā)等優(yōu)點，十分適合在近零能耗建筑上使用，尤其適用于建筑的冷、熱交換和建筑供暖。地?zé)崮苁峭ㄟ^地源熱泵系統(tǒng)來對地下淺層存在的熱能進行收集利用，將地表、地下水或巖土中存在的天然熱源轉(zhuǎn)化為可以利用的建筑內(nèi)部熱源，實行的手段為通過地?zé)岜眉夹g(shù)進行熱量的交換。地?zé)嵩聪到y(tǒng)通常由建筑內(nèi)部系統(tǒng)、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)和水源熱泵機組構(gòu)成，這套系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)大多處于室內(nèi)或者地下，所以能有效預(yù)防惡劣天氣帶來的不利影響。而且地?zé)崮苡挚梢院吞柲芟到y(tǒng)進行搭配使用，由太陽能進行目的性供熱，而地?zé)崮苓M行集中供熱，可有效減少能源浪費[4]。

3 結(jié)語

綜上所述，關(guān)于嚴寒地區(qū)近零能耗公共建筑的設(shè)計方法中，由于我國近零能耗建筑技術(shù)發(fā)展較晚，在整個設(shè)計體系中存在很多不完善不合理的地方，而且各地區(qū)氣候環(huán)境差異較大，不但設(shè)計難度較大，而且在日常使用與維護中也存在缺乏管理的現(xiàn)象，這往往導(dǎo)致各地方都不愿意使用這項技術(shù)?，F(xiàn)階段我國為實現(xiàn)碳達峰、碳中和工作目標，號召各行各業(yè)節(jié)能減排，所以社會上對節(jié)能建筑越來越重視，這可以解決我國資源緊張，可再生能源利用率低，環(huán)境污染嚴重的問題。目前要做的正是通過因地制宜的設(shè)計方法制定一個可實行的近零能耗建筑體系，不斷的在實踐中加以改進和完善，這樣才能促進近零能耗建筑在嚴寒地區(qū)中的應(yīng)用。