建筑低能耗设计方法在严寒地区的适用性研究

建筑低能耗设计方法在严寒地区的适用性研究

田琪,[1] ,刘丽[2]

基准方中建筑设计股份有限公司沈阳分公司  110016

摘要：建筑部门节能减碳工作对我国2060 年实现碳中和的目标的实现至关重要，同时加快了建筑行业近零能耗的发展，超低能耗建筑、近零能耗建筑是实现碳中和目标的途径之一，并且其发展正大力受到当中央和地方政府关注与支持。然而目前超低能耗建筑从前期设计、建造、使用、到后期监管等各个环节，技术难度较高，后期监管较难，造价相对昂贵，距离大量普遍性建筑执行超低能耗建筑的高标准设计仍然有一定距离，但由于其高效节能的特点对建筑节能尤为重要。因此可以借鉴其较为普适性的节能设计方法应用在日常设计中，本文即探讨以低能耗为目标，探讨严寒地区气候条件下，适宜采用的普适性节能设计。

关键词：低能耗设计、严寒地区、适用性

1低能耗设计对节能减排的意义与进展

数据显示，建筑碳排放量在全国碳排放量的一半以上，这对我国生态环境发展2060年实现碳中和目标具有深远的影响，也意味着必须尽快实现建筑领域节能减排。超低能耗建筑、近零能耗建筑是国际上公认的最节能的建筑，是建筑今后发展的方向。超低能耗建筑是近零能耗建筑的初级表现，可以很好适应当地气候和场地特性，主要以被动式设计大幅降低建筑供暖、空调、照明所需的能源需求，再辅以主动式技术提高能源设备与系统效率，优先利用可再生能源，保证舒适度下使用最少的不可再生能源。但其设计方法和建造及建成后管理等过程中成本和技术相对较高，目前仅在政府的大力推广下进行试点示范建设，还不能被广泛的使用于目前大量建设的建筑。但这些大量性建设的建筑尽管不能达到超低能耗标准，可采取依托于以大幅降低能耗为目标，以超低能耗建筑的设计方式进行参考和实施，优先考虑较为容易推广的被动式设计。以低能耗为目标，探讨严寒地区气候条件下，建筑适合采用的普适性节能设计尤其重要。

2严寒地区低能耗设计方法

建筑能耗主要有制冷采暖能耗、照明以及电器能耗，制冷采暖上的能耗最大，约占总建筑能耗的60%，尤其严寒地区冬季较长，室内外温差.较大，因此大幅降低采暖制冷空调是建筑低能耗设计的重要问题。下文也主要针对严寒地区能耗影响较大的技术进行分析。

2.1被动式设计

（1）朝向、采光、通风与体型系数

建筑的朝向、采光与通风是结合设计的，要考虑用地的地理纬度、地域环境、主导风向、冬夏季的太阳高度角和辐射量、周边建筑的布局和高度等。原则是在夏季能够有效利用自然通风进行降温，并避免太阳光直射；冬季确保室内采光情况下，让主立面避开冬季主导风向，在单体以及群体布置时尽量避开风场涡流区，保证合理的风速风量。在体型系数上严寒地区节能标准要求是居住建筑体型系数0.30，公共建筑体型系数0.40，尽管目前未对严寒地区超低能耗建筑的体型系数提出相应要求，但很多示范建筑体型系数均在0.25~0.28之间。体型系数越大，建筑热损失就越大，越不利于建筑节能，尤其严寒地区冬季室内外温差较大的情况，更应该严格控制建筑体形系数。因此要因地制宜结合建筑物本地的气候条件、主导风向、太阳能光照量等各方面的因素，使围护结构、凹凸面尽量少，体形不太过复杂，尽可能低的控制体形系数，以达到建筑节能的效果。

（2）高效保温隔热围护结构系统

围护结构一般由屋顶、墙、门窗以及隔热密封材料和构件等构成。围护结构节能处理一般是通过外墙外保温材料或铺贴方式优化、采用中空Low-E玻璃等高效节能窗等设施，最大限度的降低自然气象对建筑室内舒适度的不利影响，使建筑在消耗较小能耗下，使人体感觉较为舒适。数据显示一般情况下，超低能耗建筑在围护结构上的增量成本仅占总投资额的5%左右，却能达到20%~35%的节能率。严寒地区主要靠围护结构的保温来减少冬季耗能，这对严寒地区建筑普遍性使用有良好的借鉴意义。

（3）气密性及热桥处理

严寒地区冬季室内外温差较大，气密性差的部位空气容易渗透使热量流失，也易产生热桥、冷凝发霉等现象，从而影响主体结构的使用与安全。空气渗透一般有两种路径：一种通过围护结构中较大缝隙整体渗透，像门窗与墙体之间缝隙、设备管道口、突出主体部分和楼板墙体交接等部位；另一种是通过外围护结构中的多孔材料，分散式向外渗透。建筑外围护结构符合气密性要求，首先要保证建筑水平竖直两个方向上是连续密封的系统。目前严寒地区外墙多采用空心砌块，外墙的气密性主要由连续无断点的抹灰抹面和气密薄膜组成。然而实际施工时，砂浆抹面通常分段处理，以至于整体密封性较差，为了减少断裂，气密层完整，抹面需一气呵成。通常采用15~20 mm厚度的砂浆，但有些施工单位采用薄涂方式，导致气密性大幅降低，一旦出现这种情况，我们可在墙体内侧采用防水气密膜做法进行加强，因此除设计外，在施工阶段和验收阶段更要加强管理和监督。

门窗优先选择保温隔热良好的断桥铝窗框，既有铝合金材料良好的耐久性能和抗风压性，又使用了断桥技术弥补了铝合金导热性较高的缺点。外窗玻璃通常采用Low-E玻璃内充氩气等惰性气体或真空玻璃。门窗气密性上的重点是处理好玻璃与框、门窗与外墙的缝隙。玻璃与框间用多层密封条和密封胶进行密封，以免玻璃内部惰性气体泄露。安装时可窗台找坡加厚水平处抹灰厚度，使窗框与墙体的交缝处被抹灰包裹，并粘贴高性能防水隔汽膜与防水透汽膜等材质进行密封，以此保障整体气密性。

2.2主动式设计

主动式设计是在仅靠被动式设计不能使室内达到令人舒适的情况下进行辅助设计的。但目前超低能耗试点建筑中为了实现“超低能耗”，往往会采用先进技术和高尖设备，这意味着较高的成本和还未大量普及的技术支持。考虑实际情况，对大量的普通建筑应用较为困难，因此建筑师在主动式设计选择上，更适合选择一些增量成本相对较低和较容易实现的技术。

新风换热系统是在密闭的室内一侧用专用设备向室内送新风，再从另一侧由专用设备向室外排出，在室内会形成“新风流动场”的原理，从而满足室内新风换气的需要。建筑满足较高的气密性时采用新风换热系统，单位建筑面积空气渗透耗热量会有很大幅度的降低。考虑严寒地区冬季室外温度低不常开窗换气、雾霾等情况，新风换热系统的推行在该地区至关重要。

太阳能利用也是较为常见的主动式技术。考虑设计地点光照强度，相比冬季容易被冻裂的太阳能热水，可选择光伏发电系统，考虑严寒地区整体光照较小，可以采用新型感知型定向太阳能汇集器光伏发电系统，随光照方向旋转接受面。严寒地区在太阳能设计要以一体化为原则，把建筑设计时就考虑与太阳能技术有机融合的方式，预留太阳能设备安装位置，避免二次施工造成破坏。

3严寒地区普适性建筑低能耗设计的策略

在选用适合严寒地区大量建筑普遍可以使用的低能耗设计时，要以更低目标和更少的增量成本出发，进行选择合适的材料和先进技术设施。现阶段我们在设计模拟阶段的节能效果和实际建成后的节能效果仍然有较大出入，主要是由于在选材和施工阶段没有重视节能的重要性。像德国被动房建造过程重视细节，有经过专门培训的施工队伍，对施工质量要求很高，但我国目前施工人员大部分我民工，对节能理念认识缺乏，针对目前施工过程中可能出现的纰漏，作为建筑师我们也可以在图纸上明确注明建筑边缘，转角，连接和缝隙等部位的设计详图，减小可渗透部位的能耗损失。

我国建筑节能目标十分明确，在未来建筑节能一定会逐步过度到低能耗、超低能耗、近零能耗的阶段，通过对当下建筑设计建造中问题的不断修正，以及未来使用的新材料新技术，一定会对2060年我国碳中和提供强大的助力。

参考文献

[1]  被动式超低能耗绿色建筑技术导则（试行）（居住建筑）

[2] 徐伟. 中国被动式超低能耗建筑技术体系研究[J].建设科技，2015(23):15-16.

[3] 《中国建筑能耗研究报告(2017年)》发布[J].建筑设计管理，2017，34(12):41-42.