建筑节能设计存在问题的探讨

摘要：我国正大力倡导可持续发展的发展原则，节能型建筑已成为今后城市建设的发展方向。但从建筑节能设计的实际情况分析，仍存在一些容易被忽视的问题有待进一步深化认识。它们涉及到建筑规划、建筑通风、建筑外遮阳和建筑热桥四个方面，本文就此进行探讨，以加深共识、完善设计。
　　关键词：建筑节能； 规划节能； 单体通风； 外遮阳； 热桥
　　
　　abstract:while architecture tends to be more sustainable due to a growing awareness of sustainable strategies in urban construction; some practical issues, which have been ignored in energy-efficient design, need to be further considered. they are planning, building ventilation, exterior shadings and thermal bridge. the intention of this essay is to understand true sustainability and to improve design.
　　key words:energy efficiency； energy efficiency in planning； building ventilation； exterior shadings； thermal bridge
　　
　　
　　目前，我国正积极倡导节约能源，可持续发展。建设节能型建筑已被建设部纳入今后城市建设的重点发展方向，相关的指引、标准和法规也相继出台，建筑节能设计已成为今后建筑设计的重要组成部分。纵观当前的设计市场，结合自身以往设计的经验教训，笔者认为有一些问题与建筑节能有密切关系，但又容易在设计中被忽视。它们涉及到建筑规划、建筑通风、建筑外遮阳和建筑热桥四个方面，对这些问题进行深入探讨有着重要的现实意义，因此本文将就这四个方面逐一进行论述：
　　
　　1规划与节能设计
　　
　　
　　在以往的规划设计中，设计人考虑的往往是容积率、日照间距、空间形态、以及建筑与周边环境协调等问题，而很少从节能的角度来指导设计，节能设计只有在单体方案设计阶段才有所重视，从而产生了许多单体设计难以解决的问题。所以，提倡建筑节能首先应该重视规划节能。规划节能是指在规划设计当中充分考虑建筑与外部环境的关系，以节能作为指导规划设计的主要原则，充分利用自然资源，实现从总体上为建筑节能创造先决条件的设计方法。其中，规划节能对于居住建筑尤为重要。
　　影响居住区气候环境及建筑舒适性的最主要的两个因素是太阳辐射和空气流动（即风流）。因此，通过降低太阳辐射、增强建筑的自然通风效果是规划节能的主要方向。由此，建筑朝向、建筑间距以及建筑的相互组合关系将是规划节能设计的重点。首先，建筑的主要朝向应迎合当地夏季的主导风向（我国大部分地区以南北向或接近南北向布局为宜），利于自然通风，提高居住的舒适度。同时，南北朝向的建筑物在夏季所受到的太阳辐射也相对东西朝向建筑要少很多，可以节省夏季空调的用量；而在冬季时，建筑受到太阳辐射的情况刚好与夏季相反，从而节约了建筑保温所需的能耗。第二，居住建筑的间距应在满足当地规划部门的日照间距要求上适当加大。增加建筑物的间距有利于居住区内的空气流动——风量增大、风速提高，从而使建筑物与空气的热交换增加，有效降低建筑物的温度，从而降低建筑能耗。这需要规划师在节约土地与合理的建筑间距之间找到最佳的平衡点，优化节能设计。第三，居住建筑群的组合应充分考虑整体的节能效果，以有利于居住区内的自然通风。具体应注意以下几点：①居住区规划应确保“风道”的畅通，建筑群的入风口和出风口应结合主导风合理设置，使空气流通。②按照夏季盛行风向作为建筑的主要朝向，排列建筑物应遵循南小北大、南低北高的原则（见图1），确保居住区内建筑对自然风的共享性，同时也使北面高大的建筑成为人工的风障，这样的建筑群体在夏季能迎合南风、引导空气穿越，冬季又能阻挡寒冷北风的侵袭，较好地适应气候的变化[1]。③减少采用封闭式建筑组合，平面组合成“u”型的居住建筑组团，开口应尽可能朝向夏季主导风向，保证“u”型内部建筑的空气流通。④在规划阶段充分利用计算机进行三维模型的日照模拟运算，在满足采光、日照、防火等要求下，利用建筑物的自遮挡和建筑群间的相互遮挡，减少太阳辐射对居住建筑的影响。
　　
　　2建筑单体的通风与节能设计
　　
　　建筑市场中，住宅开发商为了达到土地最大利用率的目的，往往要求建筑师按容积率的最高值进行设计，甚至超值设计，这样导致许多新建住宅多为一梯六户、一梯八户，甚至一梯十户以上都有。这种住宅单体平面在实际使用中通风将十分不利，特别是在夏季，室内积聚的热量难以散失，必须采用人工通风或空调降温，大大增加了建筑使用的能耗。而且目前的许多住宅设计，建筑立面窗户的设计主要是从立面造型方面考虑——采光面积大，可开启窗户面积小，这样的设计不但对隔热不好，对通风就更加不利。这都是因为忽视建筑单体的通风设计所造成的。所以，一定要做好建筑单体的通风设计，而且要从平面和剖面两方面考虑。
　　平面的通风设计应注重以下几个问题：第一，平面设计尽可能按有利于空气的贯穿进行考虑。建筑的进深应有效控制，避免建筑体型过于臃肿。房间的门窗位置应合理安排，窗户的朝向应有利于形成穿堂风，从而增加房间内的空气流动，利于室内换气。第二，从通风的角度来讲，窗户可通风面积的大小是决定室内风速的关键，但前提是必须要保证进风口和出风口的同时存在，才能由于正负风压的作用而形成空气的流动。研究表明，空气流动的平均速度取决于较小尺寸的开口。因此，单方面增大进风口或出风口面积，并不能对室内气流平均速度有太大影响，而为了增强室内穿堂风的效果，必须同时增大进风口和出风口。这样也有利于室内保持较为稳定的风速和均匀的流场，提高人体舒适度。第三，窗户的开启形式对通风面积和气流的流场均产生较大的影响。如推拉窗与平开窗比较（相同窗户面积），平开窗的最大通风面积是推拉窗的两倍，通风效果明显优胜。上悬窗与平开窗对比，两者的最大通风面积相同，但由于两窗的窗叶开启形式不同，所引导空气产生不同的流场，造成的通风效果也明显不同。因此，从通风的角度考虑，对于有利于建筑通风的窗户应尽可能采用提高通风面积的形式，窗户开启的角度和位置要慎重考虑，科学设计，将室内空气主流场控制在房间剖面的主要使用高度。第四，当建筑内部不具备形成穿堂风的情况下，有必要通过导风板的设计尽可能增加形成空气流通的条件。如一个房间只能单侧墙开窗时，可考虑在此墙上相距一定距离开设两个窗户，两窗之间设置垂直挡风板（见图2）。当主导风在水平方向上与该挡风板夹角较大时（60o～90o），在挡板的两侧就会形成明显正负风压区，气流就会从第一个迎风窗进入而从另一窗户流出，实现单侧开窗的通风[2]。因此，此做法较为适合在房间朝向与当地主导风向夹角较大时采用。

　　除了平面设计时应对通风重点考虑之外，建筑剖面的通风设计其实也十分重要，一般应注意以下两点：其一，进出风口的高低决定了室内空气流动的方向，对人体的舒适度影响较大。因此，一般应结合房间的实际使用功能设计剖面的通风高度。如办公室，通风高度应设在人坐姿的头部位置；住宅内的通风高度控制可按不同功能要求确定，起居室、书房、餐厅应以坐姿为参考，厨房应以站姿为参考，卧室可以卧姿为参考。窗台的高度应按实际通风要求进行相应调整，才能获得较为理想的通风效果。其二，运用文丘里管原理，在建筑物剖面的上部设置出风口，使平面面积较大的建筑物也有良好的通风效果。具体做法可在大进深的建筑物中部设置若干贯通的垂直空间，此空间应高于建筑物屋面，并设置相应数量的出风口，由于太阳辐射的加热作用使该空间形成烟囱效应，促进气流上升，实现热压通风散热，这就是所谓的“太阳能烟囱”。建筑内部设置了“太阳能烟囱”，可实现无风状态的自然通风，室内温度得到了有效的降低，换气次数得到了明显的增加[3]，在节能方面有很好的成效（见图3）。该技术已被日本的文教建筑广泛采用，在我国积极倡导节能的大形势下，很值得我们借鉴。
　　
　　3建筑外遮阳的运用与节能设计
　　
　　随着节能技术的推广，业界对建筑外遮阳也越来越重视。建筑外遮阳能有效地阻隔部分太阳光直接照射到建筑物的外围结构，特别是防止太阳辐射穿过窗户直接进入室内，从而有效降低室内温度，达到节能的最终目标。在实际设计中，设计师经常会为了达到造型效果而刻意增加立面上的装饰构板，这些构件由于并非从遮阳方面考虑，所以形式作用大于实际功能。这并不符合设计的经济原则和节能原则。所以笔者认为，建筑立面设计应与建筑外遮阳设计相结合，并注意三方面的问题：一是要明确各种外遮阳的适用性。建筑外遮阳的设置与太阳的位置、建筑物的朝向都有着密切的关系。在窗户遮阳方面，实践证明：水平遮阳能遮挡高度角较大、从上方入射的太阳光，适用于南向的窗户；垂直遮阳能遮挡高度角较小、从侧面斜入射的太阳光，适用于东北向、西北向和正北向的窗户；综合遮阳（或称栅格遮阳）则综合了水平与垂直遮阳的优点，适用于东南向、西南向和正南向的窗户。此外，挡板式遮阳、帘式遮阳、百叶遮阳等方式对于窗户遮阳都有非常好的效果，但对建筑采光则有一定的影响。而对于建筑墙体和屋面的遮阳，目前较为有效的方法是通过栅格遮阳和绿化遮阳。随着社会经济水平的不断提高，建筑遮阳技术已越来越趋向智能化、自动化、高效化。二是要从构件的设计上合理处理好遮阳与隔热的问题。传统的实体构件——水平、垂直和综合遮阳与墙体相连，其吸收的热量会直接传递给外墙，而且容易构成半开放式空间，遮阳构件受太阳辐射后温度上升，其一部分热量通过表面传热由空气带走并向上传递，但由于其它遮阳构件的阻挡，反而容易产生积聚现象，在风的作用下通过窗户导入建筑室内，从而不利于隔热（见图4）。解决的方法是——在水平遮阳构件的选择上采用通透性的构件，如金属百叶、混凝土栅格板等，使上升的热空气能有效地散失，减少对室内的影响。目前较为先进的双层玻璃幕墙系统中，为了利于热空气的上升，其两层玻璃幕墙间的空气夹层往往是一个可连续的整体，即垂直方向上的间隔均为通透的金属构件，确保热空气能上升并带走热量。因此，在遮阳构件的选择上要细致研究，不断更新设计。三是要合理设置遮阳板，避免影响室内空气的流动速度。因为遮阳板的存在会对建筑物周围的风压产生影响，当其角度与风向不一致时，风速将会大大降低。实践证明，由于设置了遮阳板，室内风速会减弱22％～47％。而且，遮阳的设置方式也会对气流产生不同的影响。如实体水平遮阳板直接连接在窗顶，气流进入室内后会上升，不利于房间中下部的通风。若在实体板与墙体间增加空隙，或在遮阳板上部的墙体流出通风口，又或将遮阳板设在高于窗顶一段距离的位置，都能使得气流的方向得到有效的调节，使房间中部和下部均得到良好的通风，提高室内环境的舒适性。而对于垂直遮阳来说，由于风向是经常变化的，所以固定的垂直遮阳板应顺应所在地夏季的主导风来设置相应的角度，而更好的方法是采用可调节的垂直遮阳板，使建筑最大限度地适应气候的变化。目前较为先进的智能建筑，其外遮阳构件都是根据太阳辐射、风向等气候因素变化由电脑控制自动调节，具有相当高的气候适应能力。
　　
　　4热桥问题与节能设计
　　
　　建筑围护结构对建筑保温起到决定性的作用，但其中的热桥问题往往是人们所最容易忽略的。当代建筑由于追求造型的变化，立面上的凹凸进退增多，突出墙体、屋面的构件也越来越多，外飘窗得到了广泛的使用，这些设计手法丰富了建筑造型，却无形中增加了热桥的产生，对建筑节能带来不利的影响。产生热桥的原因主要有两个：一是因为该部位的传热系数比相邻部位的传热系数大得多，热阻小，保温性能较差；二是因为该部位的受热面积远小于其散热面积，从而失热过多，内表面温度较低。围护结构中钢筋混凝土梁、柱、板的相互交接处，外墙与外墙、内墙、以及窗户的连接处，保温门窗中的金属门框，以及突出屋面的女儿墙、排气孔与屋面交接部位等，都是围护结构中热桥形成的主要部位[4]。在寒冷的季节，室内的热能就会通过热桥大量地流失。不妥善处理好这个问题，对于建筑节能会造成很大的影响。因此，在需要考虑冬季保温的地区，必须要做好外墙、屋面以及门窗的保温，构件自身的物理性能应满足节能标准的要求。在防止热桥产生的构造处理方法上，墙体的外保温比内保温更为有效，可避免室内外温差加大，保持较为稳定的室温和舒适度，防止保温层受潮，避免热桥的产生。实践证明，在采暖期采用相同厚度保温材料的外保温要比内保温减少约1/5的热损失，而在夏季，墙体的外保温做法还能减少太阳辐射热和室外热空气与外墙的表面换热，隔热效果也优于内保温做法[5]。对于建筑中使用较多的铝合金门窗，解决热桥的方法是改采用新型的断热桥型铝合金门窗或铝塑复合门窗，且应同时配置三玻中空玻璃或low-e中空玻璃，这样就能保证门窗达到节能65％的要求[6]。其它的如屋面、外墙角、挑出构件与主墙体的连接位等热桥部位，应严格按照国家规范要求加强建筑局部的保温措施，防止热散失。从总体上讲，防止热桥的产生就要平衡建筑围护结构的传热，控制各组成部分的传热系数相接近，保证各部位的传热均匀。这就需要建筑师熟悉各种建筑材料的物理性能，在设计时对用材要仔细研究，合理配置，从根本上减少热桥的产生，最终达到节能的目的。
　　
　　5结语
　　
　　当然，建筑节能是一个复杂的系统工程，涉及方方面面的问题。上文所提及的四方面问题只是其中的一部分，它们往往不被重视甚至被忽视，这会造成许多的设计漏洞，使建筑物能耗增加。所以，笔者专门把它们选出来进行探讨，正是为了抛砖引玉，希望同行们能多加指正，集思广益，共同探讨建筑节能设计的新方法，在今后的设计中多研究、多尝试、多积累、多总结，在有限的条件下将建筑功能与艺术和技术更好地结合，使建筑设计的各个方面都能体现节能的原则，努力创造低成本、高效率的节能建筑。
　　
　　参考文献：
　　[1] 吕爱民.应变建筑——大陆性气候的生态策略[m].上海：同济大学出版社，2003.121－126.
　　[2] 刘念雄，秦佑国.建筑热环境[m].北京：清华大学出版社，2005.172－176.
　　[3] 株式会社建筑画报社编，韩兰灵等译.日本绿色校园建筑[m].大连：大连理工大学出版社，2005.72－77.
　　[4] 沈致和.住宅节能原理与设计[m].合肥：安徽科学技术出版社，2006.65－70.
　　[5] 李德英.建筑技能技术[m].北京：机械工业出版社，2006.55－60.
　　[6] 崔希骏，廖建峰.节能65％后建筑外窗的配置建议[j].建筑节能.2006，45.167－173.