建筑节能设计的基本知识

1.建筑节能设计的两种方法

建筑节能设计可以采用规定性设计与性能性设计。在两种设计方法的具体步骤如图2-2所示。

图2-2　两种设计方法的具体步骤

（1）规定性设计方法（查表法）：如果建筑设计符合节能标准中对窗墙面积比、体形系数等参数的规定，可以方便地按所设计建筑的所在城市（或靠近城市）查取标准中的相关表格得到围护结构节能设计参数值。

1）优点：直接按照规范条文执行，设计简单易行，使设计人员摆脱了复杂高深的计算分析，节省了大量时间。

2）缺点：按规定性指标很难进行优化设计，规定性指标阻碍新技术的应用，压抑设计人员的创造性。

（2）性能性设计方法（计算法）：如果建筑设计不能满足对窗墙面积比等参数的规定，必须使用权衡判断法来判定围护结构的总体热工性能是否符合节能要求，权衡判断法需要进行全年采暖和空调能耗的计算。

1）优点：

①直接联系工程设计的根本目标。

②有很大的灵活性和创造空间。

③综合工程各方面具体条件优化方案。

④有利于科学技术的发展和新成果的应用。

2）缺点：分析计算复杂，需要计算机数字模拟，利用节能设计软件进行辅助设计。

2.影响建筑节能的主要因素

（1）外部条件：以气象为主的外部环境，它不以人们的意志而改变，如温度、湿度、风速、日照等的变化。

（2）建筑本体及设备：建筑外围护结构不同其建筑能耗也不同，可以人为改变，如隔热性能、气密性能、遮日照性能、热容量、空调能效等。

（3）室内条件：根据在室内生活或行为目的的不同而变化。

建筑的节能设计必须与当地气候特点相适应。我国幅员辽阔，地形复杂。由于当地纬度、地势和地理条件等不同，因此，各地气候差异很大。不同的气候条件会对节能建筑的设计提出不同的设计要求，例如，炎热地区的节能建筑需要考虑建筑防热综合措施，以防夏季室内过热；严寒、寒冷和部分气候温和地区的节能建筑则需要考虑建筑保温的综合措施，以防冬季室内过冷；夏热冬冷地区和部分寒冷地区的夏季较为炎热，冬季又较为寒冷，此时，节能建筑不但要考虑夏季隔热，还需要兼顾冬季保温。为了体现节能建筑和地区气候之间的科学联系，做到因地制宜，节能设计应根据地区气候特点不同进行分区考虑，以使各类节能建筑能充分利用和适应当地的气候条件，同时防止和削弱不利气候条件的影响。

从建筑热工设计的角度出发，用累年最冷月（1月）和最热月（7月）平均温度作为分区主要指标，用累年日平均温度≤5℃和≥25℃的天数作为辅助指标，将全国划分为严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖和温和5个气候区。主要城市所处气候分区见表2-1。

（1）严寒地区：累年最冷月平均温度低于或等于－10℃的地区，主要包括内蒙古和东北北部、新疆北部地区，西藏和青海北部地区。这一地区的建筑必须充分满足冬季保温要求，一般可不考虑夏季防热。

（2）寒冷地区：累年最冷月平均温度为－10℃～0℃，主要包括华北、新疆和西藏南部地区及东北南部地区。这一地区的建筑应满足冬季保温要求，部分地区兼顾夏季防热。

（3）夏热冬冷地区：累年最冷月平均温度为0℃～10℃，最热月平均温度为25℃～30℃的地区，主要包括长江中下游地区以及岭南以北、黄河以南地区。这一地区的建筑必须满足夏季防热要求，适当兼顾冬季保温。

（4）夏热冬暖地区：累年最冷月平均温度高于10℃，最热月平均温度为25℃～29℃的地区，包括南岭以南及南方沿海地区。这一地区的建筑必须充分满足夏季防热要求，一般可不考虑冬季保温。

（5）温和地区：累年最冷平均温度为0℃～13℃，最热月平均温度为18℃～25℃的地区，主要包括云南、贵州西部及四川南部地区。这一地区中，部分地区的建筑应考虑冬季保温，一般可不考虑夏季防热。

表2-1　主要城市所处气候分区

3.中国建筑节能的任务

（1）通过全面推进建筑节能工作，要求全国新建建筑全部严格执行节能50％的设计标准，其中，各特大城市和部分大城市率先实施节能65％的标准。

（2）开展城市既有居住和公共建筑的节能改造，大城市完成改造面积25％，中等城市完成15％，小城市完成10％。

（3）在上述基础上，到2020年实现大部分既有建筑的节能改造，新建建筑东部地区要实现节能75％；中部和西部也要争取实现节能65％，建筑节能效果总体上接近发达国家21世纪初的一般水平。

4.建筑节能的设计思路

（1）对典型区域、典型平面、典型技术、典型材料建立数据库，掌握宏观判断能力，为方案构思创造条件。

（2）具有丰富的节能设计知识和简单热工计算的能力。

（3）利用专业分工，善于在节能专项上分析结果，进行建筑创作。

合理的建筑节能设计应按图2-3所示的步骤进行。

5.建筑规划设计阶段的节能设计

建筑规划设计阶段应重视建筑节能设计。建筑规划节能应从分析地区的气候条件出发，将设计与建筑技术和能源利用有效结合，使建筑在冬季最大限度地利用自然能采暖，多获得热量和减少热损失，夏季最大限度地减少得热和利用自然条件来降温冷却。

图2-3　建筑节能设计步骤

（1）在规划设计方案阶段应满以下要求：

1）建筑的主体朝向宜采用南北向或接近南北向，主要房间宜避开夏季最大日射朝向。建筑平面布置时，不宜将主要办公室、客房等设置在正东和正西、西北方向。不宜在建筑的正东、正西和西偏北、东偏北方向设置大面积的玻璃门窗或玻璃幕墙。(www.xing528.com)

2）办公建筑、宾馆饭店等建筑的平面布置宜结合外门窗洞口位置、门、通道等组织好自然通风。

3）在进行设备房和冷热源布置时，建筑总平面布置和建筑物内部的平面设计，应合理确定冷热源和风机机房的位置，尽可能缩短冷、热水系统和风系统的输送距离。确定建筑所在地的气候分区，根据气候分区和规范规定的其他条件确定建筑围护结构的要求。

（2）建筑规划阶段节能设计的内容包括建筑选址、建筑组团布局设计、建筑朝向、建筑间距、建筑与风环境、自然通风设计。

1）建筑选址。建筑选址应注意地形条件对建筑能耗的影响、争取使建筑向阳、避风建造。

①选址时，建筑不宜布置在山谷、洼地、沟底等凹形地域，主要是考虑冬季冷空气流在凹地里形成对建筑物的“霜洞”效应。

②江河湖泊丰富的地区，易产生水陆风而形成气流运动，可充分利用水陆风以取得穿堂风的效果，改善夏季热环境，节约空调能耗。

③节能居住小区规划设计时，应有足够的绿地和水面，严格控制建筑密度，尽量减少水泥地面，并应利用植被和水域减弱城市热岛效应，改善居住环境。

④居住建筑的基地应选择在向阳、避风的地段上。

⑤注意选择建筑的最佳朝向，以南北向为主。

⑥选择满足日照要求、不受周围建筑严重遮挡的基地。

⑦利用住宅建筑楼群合理布局，争取获得足够日照。

2）建筑组团布局方式。建筑组团布局的方式有行列式、错列式、周边式、混合式、自由式等。

3）建筑朝向。建筑朝向选择的原则是冬季能获得足够的日照并避开主导风向，夏季能利用自然通风并防止太阳辐射。然而对建筑的朝向、方位及建筑总平面设计应考虑多方面的因素，尤其是公共建筑受到社会历史文化、地形、城市规划、道路、环境等条件的制约，使建筑物的朝向对夏季防热、冬季保温都很理想是有困难的，因此，只能权衡各个因素之间的得失轻重，选出这一地区建筑的最佳朝向和较好的朝向。通过多方面的因素分析、优化建筑的规划设计，采用本地区建筑最佳朝向或适宜的朝向，尽量避免东西向日晒。

建筑朝向选择需要考虑的因素：冬季有适量并具有一定质量的阳光射入室内；炎热季节尽量减少太阳直射室内和居室外墙面；夏季有良好的通风，冬季避免冷风吹袭；充分利用地形并注意节约用地；兼顾居住建筑组合的需要。

4）建筑间距。建筑设计时，应结合建筑日照标准、建筑节能、节地原则，综合考虑各种因素来确定建筑间距。居住建筑的日照间距应按现行《住宅设计规范》（GB 50096—2011）执行，冬至日底层南向房间应保证日照时数不少于1h。

5）建筑与风环境。建筑与风环境设计需要考虑的因素：建筑主要朝向注意避开不利风向；利用建筑的组团阻隔冷风；减少建筑物冷风渗透引起的耗能。

6）自然通风设计。建筑群的布局对自然通风的影响效果很大。考虑单体建筑得热与防止太阳过度辐射的同时，应该尽量使建筑的法线与夏季主导风向一致。根据风向投射角（风向与房屋外墙面法线的夹角）对室内风速的影响来决定合理的建筑间距。同时，也可以结合建筑群体布局的改变以达到缩小间距的目的。

①围护结构开口的设计。建筑物开口的优化配置及开口的尺寸、窗户的形式和开启方式，窗墙面积比等的合理设计，直接影响着建筑物内部的空气流动及通风效果。根据测定，当开口宽度为开间宽度的1/3～2/3时，开口大小为地板总面积的15％～25％时，通风效果最佳。开口的相对位置对气流路线起着决定作用。进风口与出风口宜相对错开布置，这样可以使气流在室内改变方向，使室内气流更均匀，通风效果更好。

②注重“穿堂风”的组织。“穿堂风”可以取得很好的自然通风效果。所谓“穿堂风”，是指风从建筑迎风面的进风口吹入室内，穿过房间，从背风面的出风口流出。显然，进风口和出风口之间的风压差越大，房屋内部空气流动阻力越小，通风越流畅。

③在建筑设计中形成竖井空间，来加速气流流动，实现自然通风。在建筑设计中竖井空间主要形式有以下几种：

a.纯开放空间。目前，大量的建筑中设计有中庭，主要是因为建筑平面过大，出于采光的考虑。另外，可利用建筑中庭内的热压形成自然通风。

b.“烟囱”空间。“烟囱”空间又称风塔，由垂直竖井和几个风口组成，在房间的排风口末端安装太阳能空气加热器以对从风塔顶部进入的空气产生抽吸作用。该系统类似于风管供风系统。风塔由垂直竖井和风斗组成。在通风不畅的地区，可以利用高出屋面的风斗，将上部的气流引入建筑内部，来加速建筑内部的空气流通。风斗的开口应该朝向主导风向，主导风向不固定的地区，则可以设计多个朝向的风斗或者设计成可以随风向转动。图2-4所示为英国诺丁汉大学朱比丽分校的楼梯间拔风井。

图2-4　英国诺丁汉大学朱比丽分校的楼梯间拔风井

④屋顶的自然通风。通风隔热屋面通常有以下两种方式：

a.在结构层上部设置架空隔热层。这种做法将通风层设置在屋面结构层上，可利用中间的空气间层带走热量，达到屋面降温的目的，另外，架空板还保护了屋面防水层。

b.利用坡屋顶自身结构，在结构层中间设置通风隔热层，可得到较好的隔热效果，如图2-5所示。

图2-5　屋面自然通风方式

（a）结构层上面设置架空通风层；（b）结构层中间设置通风层

⑤通风墙体。通风墙体即将需要隔热的外墙做成带有空气间层的空心夹层墙，并在下部和上部分别开有进风口和出风口。通风空气间层厚度一般为30～100mm。夹层内的空气受热后上升，在内部形成压力差，带动内部气流运动，从而可以带走内部的热量和潮气。外墙加通风空气间层后，其内表面温度可大幅度降低，而且日辐射照度越大，通风空气间层的隔热效果越显著，故对东西向墙更为明显。通风墙体的示意和典型构造做法如图2-6所示。

图2-6　通风墙体示意和典型构造做法

（a）通风墙体示意；（b）通风墙体典型构造做法

⑥双层玻璃幕墙围护结构。双层（或三层）幕墙是当今生态建筑中所普遍采用的一项先进技术，被誉为“会呼吸的皮肤”。其由内、外两道幕墙组成。其通风原理是在两层玻璃幕墙之间留一个空腔，空腔的两端有可以控制的进风口和出风口。在冬季，关闭进出风口，双层玻璃之间形成一个“阳光温室”，可以提高围护结构表面的温度；在夏季，打开进出风口，利用“烟囱效应”在空腔内部实现自然通风，使玻璃之间的热空气不断地被排走，达到降温的目的；在节能上，双层通风幕墙由于换气层的作用，比单层幕墙在采暖时节约能源42％～52％，在制冷时节约能源38％～60％，是解决建筑节能的一个新的方向。

⑦利用太阳能强化自然通风。充分利用了太阳能这一可持续能源转化为动力进行通风。其利用太阳的热量，加热采热构件，并使建筑内部的空气上升，形成热压，引起空气流动。如图2-7所示，方案在西侧设置了太阳能通风井。通风井受太阳辐射温度升高，内部空气上升并从上部开口排出，在井内形成负压，迫使各层走道的空气流向通风井，形成自然通风，同时带走过道内的热量。

太阳能强化自然通风（图2-8）在建筑的实现上常见的有屋面太阳能烟囱、Trombe墙和太阳能空气集热器三种方式。

图2-7　太阳能办公楼的太阳能通风井

图2-8　太阳能强化自然通风的方式

（a）太阳能烟囱；（b）太阳能空气集热器