綠色建筑理念下建筑規(guī)劃節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)用策略探究

韋成

摘 要：節(jié)能低碳設(shè)計(jì)是建筑綠色發(fā)展的重要內(nèi)容。為深入思考基于建筑本身的節(jié)能設(shè)計(jì)與規(guī)劃策略，本文從建筑綠色節(jié)能設(shè)計(jì)相關(guān)的概念、節(jié)能設(shè)計(jì)要求，以及建筑主體的制冷、制暖需求與節(jié)能間的關(guān)系等出發(fā)，探討在綠色理念下，建筑規(guī)劃中的節(jié)能設(shè)計(jì)基本途徑和矛盾平衡策略。從屋面隔熱、建筑制暖、建筑制冷、光照節(jié)能等角度探討節(jié)能路徑；從氣候變化與室內(nèi)環(huán)境的恒定需求、環(huán)境條件差異性與設(shè)計(jì)的獨(dú)一性特點(diǎn)、功能需求與結(jié)構(gòu)要求的匹配、建設(shè)成本與投資效益的平衡等方面，分析節(jié)能設(shè)計(jì)的矛盾與平衡，并提出系統(tǒng)化的思考、環(huán)境差異下的技術(shù)創(chuàng)新以及建筑結(jié)構(gòu)節(jié)能優(yōu)化等節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)用策略。

關(guān)鍵詞：綠色建筑；建筑規(guī)劃；節(jié)能設(shè)計(jì)；應(yīng)用策略

1 前言

綠色建筑要求在建筑建設(shè)、使用、報(bào)廢等全生命周期內(nèi)，通過(guò)資源節(jié)約、高效利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、污染防控與處理等手段，盡量降低建筑對(duì)自然環(huán)境、社會(huì)生產(chǎn)生活的負(fù)面影響。建筑綠色設(shè)計(jì)在為人們提供健康、實(shí)用、高效的建筑空間和使用功能的基礎(chǔ)上，最大限度地提升了建筑的綠色效益，促進(jìn)建筑生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，與自然生態(tài)環(huán)境達(dá)到和諧共生。

建筑建設(shè)與運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，其能耗主要表現(xiàn)在建設(shè)材料生產(chǎn)加工、建設(shè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)以及建筑使用過(guò)程中取暖、制冷、照明、樓宇智能化等功能性設(shè)備[1]。相關(guān)研究顯示，2020年，全國(guó)建筑全過(guò)程能耗總量為22.7億tce，占全國(guó)能源消耗總量的45.5%；其中，建筑運(yùn)行階段能耗為10.6億tce，占全國(guó)能源消耗總量的21.3%[2]。建筑建設(shè)與運(yùn)行過(guò)程中的大量能源消耗，要求從建筑設(shè)計(jì)與規(guī)劃開(kāi)始就需要充分而系統(tǒng)地考慮建筑節(jié)能問(wèn)題。按GB 55015-2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》要求，應(yīng)加強(qiáng)建筑在規(guī)模、布局、功能、性能和關(guān)鍵技術(shù)措施等要素上的節(jié)能與可再生能源利用。

2建筑規(guī)劃節(jié)能設(shè)計(jì)的基本途徑

建筑作為人類生產(chǎn)生活的重要空間建構(gòu)產(chǎn)物，本質(zhì)上是人類安全防護(hù)的重要產(chǎn)品，發(fā)揮著抵風(fēng)御寒、遮陰避陽(yáng)、阻擋各種風(fēng)險(xiǎn)的重要作用。在電氣技術(shù)之前，人們主要通過(guò)建筑結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與優(yōu)化等，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑的“制冷”、“制暖”、“調(diào)濕”等功能。在建筑節(jié)能化發(fā)展中，基于人類對(duì)環(huán)境條件變化的更深層認(rèn)知和了解，建筑節(jié)能可以通過(guò)更為科學(xué)的、優(yōu)化建筑自身的設(shè)計(jì)，且基于隔斷、引入等原理，采用屋面隔熱、建筑采暖、建筑制冷、光照節(jié)能等形式[3]，提升建筑的“制冷”“制暖”“調(diào)濕”等功能。

2.1房屋各部位的絕熱處理

在房屋各部位的絕熱處理方面，已經(jīng)有了較為成熟的絕熱技術(shù)。比如，在建筑屋頂絕熱方面，需要防止太陽(yáng)直接照射建筑屋頂所帶來(lái)的熱效應(yīng)，為此可以加強(qiáng)屋頂區(qū)域的通風(fēng)換氣效果，從而帶走熱量，或是選用隔熱材料，防止熱量傳遞到建筑內(nèi)部；在墻壁和地面絕熱方面，需要阻止建筑內(nèi)外熱流的相互傳導(dǎo)功能，為此可以在建筑物外側(cè)、屋內(nèi)側(cè)等位置增加絕熱層，進(jìn)行隔熱處理；在門窗絕熱方面，可以通過(guò)雙層或多層玻璃或是能夠反射紅外線的玻璃、貼反射膜的玻璃等提升門窗的絕熱性能。

2.2建筑制暖

制暖的原理主要是熱輻射的傳導(dǎo)和積聚作用，以阻止室內(nèi)熱流的流出和室外寒流的進(jìn)入，以及采取一定的蓄熱處理并提升室內(nèi)的陽(yáng)光照入量。在阻止對(duì)流方面，可以通過(guò)墻面、門窗的絕熱處理，減緩熱量的傳導(dǎo)；通過(guò)提升門窗的密封效果，防止空氣流動(dòng)帶走熱量；在引入熱流方面，可以選擇建筑朝向、擴(kuò)大透光面積等，以增加太陽(yáng)光照射的時(shí)長(zhǎng)與面積；在蓄熱處理方面，可以在建筑內(nèi)采用具有反射紅外線效能的材料以提升室內(nèi)的熱輻射，或是減小空間與外部的接觸面積，從而降低熱傳導(dǎo)，提升室內(nèi)的蓄熱速度。

2.3建筑制冷

在建筑制冷節(jié)能方面，主要通過(guò)規(guī)避陽(yáng)光、利用溫差和空氣流動(dòng)帶走熱量以及降低熱傳導(dǎo)等方式實(shí)現(xiàn)制冷[4]。比如，在建筑物外部，通過(guò)樹(shù)木、其它建筑物和構(gòu)筑物等遮擋陽(yáng)光，減少陽(yáng)光直射帶來(lái)持續(xù)積蓄的熱量；通過(guò)增加建筑周圍環(huán)境中的水景，利用水的蒸騰作用帶走熱量；通過(guò)調(diào)整建筑物的間距、高度、形態(tài)等，提升建筑環(huán)境的通風(fēng)效能，利用空氣流動(dòng)帶走建筑周圍的熱量。

在建筑物內(nèi)部，通過(guò)吸光材料降低反射到環(huán)境中的熱輻射，并通過(guò)熱傳導(dǎo)將吸收的熱量傳導(dǎo)到建筑物其它部分；通過(guò)絕熱材料，抑制熱量進(jìn)入室內(nèi)的速度，還可以通過(guò)自然通風(fēng)、在建筑物最高處設(shè)置排氣孔、采用人造風(fēng)等方式，促進(jìn)對(duì)流散熱。

2.4光照節(jié)能

在建筑照明節(jié)能方面，主要通過(guò)提高建筑物的采光率和透射率等，減少照明用電，進(jìn)而起到節(jié)能的效果。在建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，需充分考量建筑門窗的朝向、尺寸，利用天窗、豎井等結(jié)構(gòu)增加照明時(shí)長(zhǎng)和光照面積；通過(guò)提高建筑門窗的透光率及室內(nèi)物體的光反射系數(shù)等抑制光損失[5]。但是，在提高日照光的同時(shí)，還要考慮日照帶來(lái)的熱輻射以及擴(kuò)大門窗的日照面積對(duì)建筑保溫效果的影響，平衡光照帶來(lái)的制冷和制暖效應(yīng)。

3建筑節(jié)能規(guī)劃設(shè)計(jì)中的矛盾與平衡

3.1氣候變化與室內(nèi)環(huán)境的恒定需求

人們?cè)诮ㄖ镏?，一般需要相?duì)恒定的溫度、濕度和具有良好通風(fēng)條件的環(huán)境。但因氣候的變化，不得不進(jìn)行必要的制暖和制冷雙向措施。在非電氣功能性設(shè)施的助持下，很多制冷、制暖和節(jié)能措施之間是相互矛盾的。比如，增大開(kāi)窗面積會(huì)降低阻隔效果，而加強(qiáng)阻隔設(shè)計(jì)在提升了制暖功能的同時(shí)，又會(huì)影響散熱功能；引入太陽(yáng)直射光照明減少了照明電力供給，但也可能導(dǎo)致室內(nèi)環(huán)境溫度的升高，進(jìn)而提升了空調(diào)制冷帶來(lái)的耗電問(wèn)題。因此，單一方面的節(jié)能設(shè)計(jì)往往并不能發(fā)揮出節(jié)能作用，甚至?xí)绊懻w節(jié)能效果，為此需要更系統(tǒng)的分析和合理的模型建構(gòu)，從節(jié)能的整體效果進(jìn)行動(dòng)態(tài)考量。

3.2環(huán)境條件差異性與獨(dú)一性設(shè)計(jì)

在建筑節(jié)能規(guī)劃過(guò)程中，不同的建筑面臨的氣候條件存在較大差異，比如，我國(guó)北方氣候變化明顯，日照角度偏大，冬季寒冷；南方夏季炎熱，冬季濕冷，存在極為潮濕的時(shí)節(jié)。為此就需要依據(jù)地域氣候特征選擇適宜的節(jié)能技術(shù)。再比如，城市建筑中，由于周圍建筑遮擋和反射等，環(huán)境日照和氣流的變化具有獨(dú)一性，需要充分了解建筑環(huán)境特點(diǎn)才能有效利用環(huán)境進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)。因此，不同的建筑條件需要不同的節(jié)能技術(shù)，而相同的節(jié)能技術(shù)，也需要根據(jù)區(qū)域環(huán)境條件、氣候變化不同等因素進(jìn)行精準(zhǔn)的計(jì)量。

3.3功能需求與結(jié)構(gòu)要求

從功能上來(lái)講，建筑需要更大的使用面積，且便于建造和日常維修與維護(hù)。但保溫、制冷、通風(fēng)等節(jié)能措施，常常占用了建筑的使用空間，也使建筑結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜多變，從而帶來(lái)施工的復(fù)雜性，不利于建筑的日常維修與維護(hù)。而且，在建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃過(guò)程中，為達(dá)到建筑設(shè)計(jì)創(chuàng)意效果和使用功能，需要設(shè)計(jì)一定的造型風(fēng)格和空間布局，但從節(jié)能的角度來(lái)講，為達(dá)到一定氣流走向和阻隔效果，在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)對(duì)建筑的方向、形態(tài)結(jié)構(gòu)、空間布局等有一定的約束，可見(jiàn)設(shè)計(jì)效果與節(jié)能效果之間存在一定的取舍關(guān)系。因此，需要從設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，或是尋求更獨(dú)特的解決辦法。

3.4建設(shè)成本與投資效益

建筑建設(shè)過(guò)程中，無(wú)論從投資方還是建設(shè)方，都希望在確保工程質(zhì)量的前提下盡量降低建設(shè)成本。但節(jié)能設(shè)計(jì)由于技術(shù)的先進(jìn)性、施工的復(fù)雜性等，往往需要增加建設(shè)成本。比如結(jié)構(gòu)復(fù)雜性會(huì)導(dǎo)致工期加長(zhǎng)、施工難度提升，從而帶來(lái)成本的增加；隔熱保暖設(shè)計(jì)很可能增加建筑材料的用量，進(jìn)而提升建設(shè)成本；為改善日照條件，需要采用感光性能更好、價(jià)格更高的玻璃材料等。

節(jié)能設(shè)計(jì)與建設(shè)成本之間存在無(wú)法回避的成本矛盾問(wèn)題。一方面需要通過(guò)批量化、大規(guī)模的應(yīng)用，降低節(jié)能材料的研發(fā)和生產(chǎn)成本，或是通過(guò)提升建設(shè)效率降低建設(shè)成本；另一方面需要政策、補(bǔ)貼、宣傳等，從建筑的全生命周期來(lái)考量建筑的節(jié)能價(jià)值。

4綠色建筑理念下建筑規(guī)劃節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)用策略

4.1系統(tǒng)化思考

從建筑、人、環(huán)境這三者在節(jié)能上的復(fù)雜關(guān)系中可以看到，對(duì)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)不能采用線性或是單一的思考邏輯來(lái)解決節(jié)能問(wèn)題。節(jié)能設(shè)計(jì)需要充分考慮時(shí)間變化、抵御差異以及各要素之間的矛盾關(guān)系等。從理論上講，需要系統(tǒng)論的相關(guān)思想作為支撐。因此，需要在建筑規(guī)劃節(jié)能設(shè)計(jì)中，跳出環(huán)境要素、人的需求要素、節(jié)能技術(shù)要素等，將各個(gè)要素看成系統(tǒng)中的要素點(diǎn)，再上升到系統(tǒng)的層面。從點(diǎn)與點(diǎn)之間的關(guān)系建構(gòu)、多個(gè)要素間的關(guān)系處理等角度，進(jìn)行系統(tǒng)分析與規(guī)劃。接著，基于節(jié)能目標(biāo)，運(yùn)用定量的數(shù)學(xué)模型來(lái)表示各要素之間的復(fù)雜關(guān)系，充分運(yùn)用數(shù)理模型來(lái)分析條件約束，并通過(guò)改變條件參數(shù)提升節(jié)能效能，分析和解決各種節(jié)能問(wèn)題。

比如，在GB 55015-2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》中，全年供暖和供冷總耗電量應(yīng)按如下公式計(jì)算：

E= EH+ EC

式中，E為全年供暖和供冷總耗電量（kWh/m2）；

EC為全年供冷耗電量（kWh/m2）；

EC為全年供暖耗電量（kWh/m2）。

其運(yùn)算思想從能耗與節(jié)能的直接關(guān)系出發(fā)，計(jì)算建筑的能耗總量。運(yùn)用自上而下的層級(jí)化思想，將能耗分為供冷和供暖兩個(gè)部分?；诃h(huán)境差異，建構(gòu)起能耗與建筑主體結(jié)構(gòu)之間的復(fù)雜關(guān)系模型，并運(yùn)用關(guān)系系數(shù)調(diào)控不同特點(diǎn)區(qū)域的節(jié)能要求。其節(jié)能影響要素的確立、關(guān)系系數(shù)的設(shè)定等，需要大量系統(tǒng)而科學(xué)的分析、實(shí)驗(yàn)與研究，確保節(jié)能分析的科學(xué)性和質(zhì)量。

4.2技術(shù)創(chuàng)新

建筑節(jié)能規(guī)劃從根本而言是在尋找建筑內(nèi)、外環(huán)境差異在能耗最低要求下的解決辦法。建筑規(guī)劃節(jié)能設(shè)計(jì)中，不但需要充分考慮建筑周圍風(fēng)場(chǎng)、濕度、溫度等對(duì)建筑內(nèi)部的影響，還需在時(shí)間上動(dòng)態(tài)且充分地考量氣候變化帶來(lái)的各種影響。由于制冷和制熱的矛盾性，一方面需要平衡節(jié)能和制冷、制熱之間的變化關(guān)系，減少氣候差異對(duì)節(jié)能效能上的影響；另一方面需要積極發(fā)揮人的創(chuàng)造力，尋求能夠?qū)崿F(xiàn)制冷、制熱且達(dá)到節(jié)能要求的先進(jìn)技術(shù)來(lái)解決矛盾問(wèn)題，提升節(jié)能效能。比如，創(chuàng)新單向通風(fēng)的材料、創(chuàng)新可調(diào)節(jié)光照又兼具保溫隔熱效能的玻璃產(chǎn)品等。

4.3結(jié)構(gòu)節(jié)能優(yōu)化

建筑形態(tài)與結(jié)構(gòu)要素在建筑節(jié)能中具有重要意義。其中，建筑體形系數(shù)是影響建筑物耗熱量的重要指標(biāo)。節(jié)能設(shè)計(jì)中要求嚴(yán)格控制體形系數(shù)，充分考慮建筑整體外表面積的散熱能力，盡量減少與環(huán)境接觸的外表面積，通過(guò)規(guī)整的形態(tài)進(jìn)行約束。

建筑平面布局的形狀與自然通風(fēng)的關(guān)系較為密切，建筑平面形狀需充分考慮環(huán)境的風(fēng)場(chǎng)變化，通過(guò)通風(fēng)的引入、引出等調(diào)節(jié)建筑的制冷、制暖；在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，可通過(guò)保溫復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行保溫，通過(guò)材料性能提升建筑的保溫效果；在開(kāi)窗、開(kāi)門等建筑表面的孔洞設(shè)計(jì)上，充分考慮窗墻的面積比，保證建筑整體的保溫隔熱性能。

為平衡建筑機(jī)能與建設(shè)要素之間的矛盾，應(yīng)在建筑設(shè)計(jì)之初就明確節(jié)能設(shè)計(jì)要求。在建筑造型設(shè)計(jì)上，可以更多從節(jié)能的角度進(jìn)行形態(tài)構(gòu)思，避免增加能耗的形態(tài)設(shè)計(jì)，充分利用天然的太陽(yáng)能，考慮結(jié)構(gòu)布局、建筑朝向、建筑間距，注意形體表面積、開(kāi)窗量的設(shè)計(jì)等；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，外觀造型難以起到節(jié)能作用，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料優(yōu)化等內(nèi)部的節(jié)能優(yōu)化進(jìn)行彌補(bǔ)。比如，嚴(yán)寒地區(qū)建筑一般需要采用重量輕、熱導(dǎo)率小、輕質(zhì)高強(qiáng)的材料，以提升建筑的保溫性能。為盡量減少建筑物料增加帶來(lái)的承重壓力，應(yīng)減少對(duì)建筑空間的占用，提升材料的性能等。

5結(jié)論

綜上所述，節(jié)能減排是當(dāng)下我國(guó)建筑綠色發(fā)展的重要內(nèi)容。從建筑本身內(nèi)、外環(huán)境的關(guān)系角度來(lái)講，基于綠色建筑理念的建筑規(guī)劃節(jié)能設(shè)計(jì)，應(yīng)從人對(duì)建筑室內(nèi)環(huán)境的需求，建筑外圍日照、溫度、濕度和風(fēng)場(chǎng)等跟隨氣候變化的特征，去尋求基于建筑外部形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料技術(shù)等方面的節(jié)能可能性。因此，需要充分運(yùn)用系統(tǒng)化的思維、數(shù)理化的模型分析以及不斷的技術(shù)創(chuàng)新等手段，以提升建筑的節(jié)能效果。

參考文獻(xiàn)

[1]余曉平.建筑節(jié)能原理與實(shí)踐理論[M].北京：北京大學(xué)出版社.2018：3.

[2]中國(guó)建筑能耗與碳排放研究報(bào)告（2022年）[J].建筑，2023（2）：57-69.

[3]劉經(jīng)強(qiáng)，劉坤宇，劉崗. 綠色建筑節(jié)能工程設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2018：7.

[4]胡永東.綠色建筑理念下建筑規(guī)劃節(jié)能設(shè)計(jì)初探[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2015（32）：1480.

[5]任懷堂.綠色建筑理念下建筑規(guī)劃節(jié)能設(shè)計(jì)措施研究[J].中國(guó)建筑裝飾裝修，2022（3）：91-92.