超低能耗綠色建筑設計技術路徑探討及實踐

【摘要】文中旨在探明超低能耗綠色建筑設計技術之路徑，突顯了外觀形態(tài)與布局、圍護結構性能、通風與采光、智能化集成等措施對降低能耗的積極作用。借助創(chuàng)新的模擬與參數(shù)優(yōu)化工具，驗證了建筑降低能耗的多種可能性及經濟實用性，并通過可持續(xù)能源的有機整合，確保了建筑全生命周期評價與投資分析的可行性。研究結果闡釋了一套系統(tǒng)性策略，強調建筑設計全過程的優(yōu)化對實現(xiàn)建筑超低能耗的核心作用。

【關鍵詞】超低能耗建筑；建筑能耗；可持續(xù)性；綠色建筑

【中圖分類號】TU201 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）07-0040-03

0 引言

隨著可持續(xù)發(fā)展理念的深入人心，如何在建筑設計中實現(xiàn)能源最優(yōu)化已成為當代建筑業(yè)的重要議題。超低能耗綠色建筑代表了建筑設計與技術進步匯聚的前沿，旨在最小化建筑的能源需求，同時提供健康、舒適的居住環(huán)境。文中從現(xiàn)有研究和實踐出發(fā)，分析了實現(xiàn)超低能耗綠色建筑過程中的技術考量和挑戰(zhàn)，旨在為建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻全新見解與實際應用參考。

1 超低能耗綠色建筑設計技術路徑

1.1 建筑外觀形態(tài)與布局優(yōu)化

在探索超低能耗綠色建筑時，需要重點分析建筑形態(tài)朝向、建筑之間的間距、高度關系和排列方式，在形態(tài)方面應與周圍環(huán)境及建筑保持協(xié)調統(tǒng)一。運用專業(yè)軟件模擬分析場地的風環(huán)境、日照條件等進行建筑規(guī)劃布局。合理布置建筑位置，以在夏季減少太陽光直射，冬季盡量引入太陽光為目的。還可以經過采光分析來減少白天的照明能耗，改善建筑使用人員的感受，實現(xiàn)健康、舒適、環(huán)保、節(jié)能的設計目標[1]。

在低能耗綠色建筑室外景觀設計中，尊重和保護自然環(huán)境至關重要。在設計時需要巧妙地將人工元素融入自然景觀中，創(chuàng)造出一個既美觀又可持續(xù)的環(huán)境。為了盡可能保留原始地形地貌、山體、河湖水景等自然景觀，深入研究和理解場地的自然特征，然后制定出符合實際情況的設計方案。同時因地制宜的設計理念也要求設計師充分利用當?shù)氐臍夂颉⑼寥?、植被等自然資源，創(chuàng)造出一個生態(tài)平衡、低碳環(huán)保的室外空間。景觀水體、喬木灌木、草體、屋頂綠化和垂直綠化等元素的運用也是降低熱島效應、改善區(qū)域熱環(huán)境的重要手段。水體可以通過蒸發(fā)作用降低周圍溫度，喬木灌木和草體則可以通過遮陽和蒸騰作用調節(jié)氣溫，提高空氣質量。而屋頂綠化和垂直綠化則可以在建筑立面上形成綠色屏障，減少太陽輻射，改善建筑熱環(huán)境。

1.2 高效的圍護結構設計

建筑的圍護結構體系主要由外墻、屋面、地面及外門窗組成，加強圍護體系的保溫隔熱性能是超低能耗綠色建筑設計和建造中非常重要的技術措施。超低能耗綠色建筑透明外圍護結構的透明材料宜選用Low-E中空玻璃或鍍膜玻璃（太陽能熱反射玻璃），玻璃配置應考慮玻璃層數(shù)、Low-E膜層、邊部密封構造等加強玻璃保溫隔熱性能。

非透明外圍護結構熱工設計應符合下列要求：①外墻、屋面及地面的平均傳熱系數(shù)K應采用性能化設計方法，經計算分析后確定，其K值應滿足GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》的相關規(guī)定；②當某一非透明外圍護結構由不同構造組成時，應按GB 50176—2016《民用建筑熱工設計規(guī)范》的規(guī)定計算傳熱系數(shù)；③建筑熱工設計應進行內表面結露驗算，采取防潮措施[2]。

1.3 通風與采光

通風是建筑被動式設計的重要手法，自然通風不僅有利于營造舒適的環(huán)境，還有利于降低建筑能耗。自然通風是一個低成本的被動冷卻技術，有助于減少建筑冷負荷，改善室內舒適度。當室外溫度低時，可通過通風獲得室外冷空氣，降低室內溫度以及建筑物的結構溫度，尤其是蓄熱性好的建筑，夜間通風可使室內空氣溫度降低及溫度波峰延遲。但自然通風降溫受室外氣候和環(huán)境條件影響大，需要因地制宜地進行利用。

充分利用天然采光不但可節(jié)省大量照明用電，還能提供更為健康、高效、自然的光環(huán)境。對于大多數(shù)的建筑而言，照明能耗是電力能耗的重要部分。實際上，提供相同的照度，天然光帶來的熱量小于絕大多數(shù)人工光源[3]。因此，在建筑中提高天然采光，減少電力照明是提高建筑能效的重要策略。研究表明，在最大程度沒有人類行為影響的情況下，室內自然采光在20%～60%范圍內即可達到節(jié)約照明能源的作用。

1.4 智能建筑技術與系統(tǒng)集成

建筑能耗管理在智能建筑技術與系統(tǒng)集成方面蘊含著巨大潛力。智能控制系統(tǒng)通過細致監(jiān)控與主動調節(jié)建筑內部環(huán)境，提升能效并降低浪費，是實現(xiàn)超低能耗目標的核心工具。實時數(shù)據(jù)分析與反饋機制使系統(tǒng)能夠精確控制供暖、制冷、照明等設施的運行，以適應室內外環(huán)境變化及使用者需求，例如智能溫控技術可以依據(jù)天氣預報和屋內活動模式自動調節(jié)室溫，而光感應系統(tǒng)則在日間最大化利用自然光照，并隨著光線變化調節(jié)人工照明的亮度，從而避免過度的能源消耗。

智能系統(tǒng)如何與可再生能源及建筑設施實現(xiàn)有機整合，也是設計師們需要面對的挑戰(zhàn)。借助高級算法和人工智能，智能系統(tǒng)不僅可以管理傳統(tǒng)電力使用，還能協(xié)調太陽能、風能等可再生能源的收集、存儲與分配。這樣的系統(tǒng)需要動態(tài)平衡不同能源來源之間的負荷，并優(yōu)化設備效率，以確保連續(xù)且穩(wěn)定的功能輸出。設想中，太陽能光伏板生成的電力能夠在白天供應建筑的直接用電需求，多余的則存入電池組或反饋給電網，而到了晚上或陰天，這些儲存的能量可以被智能地調撥以滿足居住需求，形成閉環(huán)的能源循環(huán)。

2 超低能耗綠色建筑參數(shù)化設計實踐

2.1 建筑能耗模擬及參數(shù)優(yōu)化

在超低能耗綠色建筑參數(shù)化設計實踐領域，建筑能耗模擬與參數(shù)優(yōu)化方面的進展對于節(jié)能降耗具有較大貢獻?，F(xiàn)代計算機輔助設計工具的應用使建筑師在早期設計階段便能通過能耗模擬預測建筑的綜合表現(xiàn)。利用這些高級模擬工具，設計師可準確分析日照、風壓、溫度等環(huán)境因素對建筑能耗的影響。復雜的數(shù)據(jù)經處理后將直觀展現(xiàn)各種設計方案產生的能耗差異，為決策者提供量化的參考依據(jù)，從而在設計初期階段便可以優(yōu)化建筑形態(tài)、材料選擇及系統(tǒng)集成。

借助參數(shù)化建模技術，設計團隊能夠探究各種設計參數(shù)變化對建筑性能的具體影響，并進行快速迭代優(yōu)化以達到預設的能效目標，例如調整窗戶尺寸和位置、外墻材料的導熱系數(shù)或隔熱厚度，都是參數(shù)化設計中可以靈活調節(jié)的變量。以德國的一棟辦公建筑為例，設計團隊運用計算機模擬工具預測和評估各種設計方案的能效表現(xiàn)，其中包括窗戶的熱橋效應和建筑外殼的熱容，通過模擬不同的設計參數(shù)，最終選擇了最優(yōu)化的建筑材料和結構布局，實現(xiàn)了高能效及良好的室內舒適度。這種基于模擬的參數(shù)優(yōu)化方法提升了建筑的能源效率，還保證了經濟性與實用性的平衡，對比傳統(tǒng)建筑設計減少了約40%的能耗，有效避免了設計后期可能出現(xiàn)的高成本調整和能源浪費，充分說明建筑能耗模擬及參數(shù)優(yōu)化技術在現(xiàn)代綠色建筑領域中的實際應用價值和潛力。

2.2 可持續(xù)能源利用與管理

清潔能源技術的有效應用，如地熱能和太陽能利用是綠色建筑設計的一塊基石。將這些技術與現(xiàn)代建筑緊密結合，旨在達到高水平的能量自足和降低對傳統(tǒng)能源依賴的目標。就地熱能而言，采用地熱泵系統(tǒng)可以更好地利用地下恒溫特性來進行冷暖調節(jié)，但前提是必須精確地分析地質條件并制定詳盡的裝置布局方案。太陽能技術發(fā)展迅速，面臨的挑戰(zhàn)是如何將光伏板等捕獲設施以最佳方式嵌入建筑設計之中，以確保它們能夠接收最大限度的日照并轉換成電能。

關鍵的一步是要確保所設計的能源系統(tǒng)既高效又可靠。這就需要對居住空間的舒適度、能源攝取、存儲及消耗模式進行科學的計算與規(guī)劃。如室內外溫差帶來的影響，季節(jié)性變化對能源需求的影響等因素都需仔細考察。一個切實可行的能源管理策略，不僅涉及對建筑內外部溫度波動的監(jiān)測，還包括對能源使用高峰與低谷的平衡，以及對系統(tǒng)儲能設施的設計。如深圳某座辦公樓建筑采用了智能控制系統(tǒng)，通過實時監(jiān)控能源使用情況及環(huán)境的變化，自動調整能源分配和消耗模式。這種系統(tǒng)的運用優(yōu)化了能源的使用效率，為建筑的長期可持續(xù)發(fā)展提供了堅實的基礎。這樣的實踐展示了技術的前瞻性，驗證了在現(xiàn)代建筑設計中整合可持續(xù)能源技術的重要性和有效性。這種模式的成功證明了國內在綠色建筑和可持續(xù)發(fā)展領域中的技術創(chuàng)新能力。

2.3 室內環(huán)境質量與舒適性提升

熱環(huán)境的構建通過應用高性能隔熱材料，可以極大地降低冬季室內熱量的流失以及夏季外部熱量的滲透。此外，引入被動式設計理念，如合理利用地熱能源、光伏添加裝置帶來的輕微溫度調節(jié)，可以有效緩解傳統(tǒng)采暖冷卻系統(tǒng)對能源的消耗[4]。與此同時溫度自動控制系統(tǒng)通過精確監(jiān)測實時數(shù)據(jù)，自動調整室內環(huán)境，保持溫濕度舒適。提升光環(huán)境也是優(yōu)化室內環(huán)境不可忽視的方面?？剂看皯舻牟季帧⒊叽缈梢宰畲蠡匀还膺M入的同時減少眩光或冷熱過載的風險。配套的智能照明系統(tǒng)則可以根據(jù)天然照明狀況實時調整室內燈光強度，實現(xiàn)人性化照明的同時降低能耗。聲環(huán)境品質的保障需要從外噪聲控制和內聲環(huán)境處理兩個方面著手。有效的外噪隔離，比如采用隔音性能良好的雙層隔窗和設置隔音墻體，都是提升靜謐度的有效手段。在室內，考慮到回聲和雜音，須巧妙設計吸音材料的布局，以創(chuàng)造出宜人且安靜的氛圍。除此之外，室內空氣質量直接關系到使用者的健康。為此，安裝一套先進的通風與空氣過濾系統(tǒng)，能夠確保室內空氣循環(huán)流通，阻截外界污染物。

只有將上述室內環(huán)境因素完善整合，并結合使用者對舒適度的主觀需求，才能在追求極致能效的同時充分滿足人們對健康和舒適生活的向往，例如在上海的某一商業(yè)復合體項目中，設計師通過安裝智能燈光系統(tǒng)和自動窗簾，根據(jù)室內外光線變化自動調節(jié)室內照明強度和窗簾開閉，提高了自然光的使用效率，優(yōu)化了視覺舒適性。同時建筑中的聲學設計通過使用吸音材料和隔聲技術，有效控制了噪聲問題。這些措施使得此建筑不僅在節(jié)能效率上達到了前沿水平，也在為使用者提供高質量室內環(huán)境方面樹立了新標準。這一案例展示了在設計之初就綜合考慮各種環(huán)境因素對建筑舒適性和功能性的影響，是實現(xiàn)室內環(huán)境質量提升的有效途徑。

2.4 生命周期評價與經濟性分析

生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）是超低能耗綠色建筑設計的重要部分，不只著眼于短期效益，而是對全過程的綜合考量。建筑行業(yè)在利用LCA工具時，需要從建材的獲取、運輸、建筑施工、運營維護直至建筑結束和材料的回收再利用進行分析。從原材料的開采開始，每一步都會產生能耗和碳排放。精選環(huán)境負擔低的材料或具有高循環(huán)利用率的制品，能夠在源頭上減少環(huán)境損害[5]。在施工過程中，盡量減少機械設備的使用，通過優(yōu)化施工技術減少能耗及其引起的廢物產生，這樣可使構建階段的環(huán)境影響降至最低。

建筑物在運營階段是能耗的主戰(zhàn)場。超低能耗綠色建筑通過被動式和積極式的能源策略，如高效的隔熱和通風系統(tǒng)、可再生能源集成等，力求消減日常運營中的能量需求。隨著節(jié)能技術的應用，初期成本雖然升高，但由于運營期間能耗大幅下降，使得總體擁有成本在建筑生命周期內得到顯著壓縮。在建筑拆除后，建筑材料的再處理和資源回收也變得至關重要。評估建筑末期拆除與再利用策略，可預見回收材料在新項目中使用的可行性和環(huán)境負擔的降低。

進行經濟性分析時，首先要將前期投資、運營維護的花費、潛在的節(jié)能回報與碳信用結合起來考慮。這涉及折舊、維修、更新以及能源價格波動等復合變量的計算，要根據(jù)現(xiàn)值理論謹慎推算，確保投資決策具備經濟合理性?，F(xiàn)代建筑的設計思路越來越多地采納以LCA為指導的深入分析，以數(shù)據(jù)庫和仿真軟件為工具，逐漸建立起考慮長期收益和生態(tài)效益的綜合評價體系。能源效率的提高、操作成本的下降以及環(huán)境負擔的減少，都使超低能耗綠色建筑在可持續(xù)性路線圖上閃閃發(fā)光。

3 結語

綜上所述，超低能耗綠色建筑的設計不僅要考慮技術實現(xiàn)的可行性，更要確保經濟性和舒適性的長期有效。通過精細的參數(shù)化設計和能源系統(tǒng)集成，建筑出色地平衡了美學、功能和節(jié)能需求，成為創(chuàng)新低碳技術與應用的示范。正是這種對細節(jié)的精準把握和整體性的規(guī)劃思路，賦予了超低能耗建筑強大的生命力，使其成為打造可持續(xù)發(fā)展的重要一環(huán)。

參考文獻

[1] 沈蔚偉.公共建筑超低能耗和近零能耗參數(shù)化設計技術路徑探討[J].綠色建筑，2023，15（1）：40-44.

[2] 王佳樂，邸超星，劉凱，等.超低能耗綠色建筑施工技術分析[J].陶瓷，2022（11）：163-165.

[3] 魏燕麗，許錦峰，疏志勇，等.超低能耗技術在綠色建筑中的應用研究[J].建筑節(jié)能，2019，47（12）：10-14.

[4] 劉勇.綠色建筑技術在建筑設計中的優(yōu)化與結合路徑研究[J].建筑·建材·裝飾，2018（23）：197.

[5] 王煜成.建筑設計中超低能耗技術的運用研究[J].中文科技期刊數(shù)據(jù)庫（文摘版）工程技術，2022（12）：3.

[作者簡介]秦小璇（1990—），女，廣西桂林人，本科，建筑師，研究方向：綠色建筑與建筑技術研究。

[基金項目] 廣西科技計劃項目“廣西建筑高質量健康設計與綠色建造關鍵技術研究應用”（桂科AB22035051）