双碳目标下近零能耗建筑设计影响因素分析

双碳目标下近零能耗建筑设计影响因素分析

欧阳明根

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摘要：本文分析了在“双碳”目标背景下，近零能耗建筑设计的主要影响因素。通过对被动式节能设计中的建筑朝向、窗墙比及外围护构件，主动式高效用能系统中的空调系统、智能照明系统，以及可再生能源利用系统的探讨，揭示实现近零能耗建筑目标的关键路径。研究表明，合理的建筑朝向、优化的窗墙比和高效的外围护结构能显著降低建筑能耗。采用地源热泵技术、智能照明系统及可再生能源的应用是实现近零能耗建筑的重要措施。本文希望为实现我国建筑领域的节能减排目标提供一定的支持。

关键词：双碳目标；近零能耗建筑；被动式节能设计

引言

中国建筑节能协会《2022中国建筑能耗与碳排放研究报告》指出，2020年全国能耗为49.8亿tce，其中建筑与建造能耗占比45.5%。为实现“2030年前碳达峰、2060年前碳中和”的目标，建筑领域确立了“零能耗建筑”目标，但由于技术和资金限制，完全实现零能耗建筑并不易。因此，我国将“近零能耗建筑”作为阶段性目标，并于2019年发布了《近零能耗建筑技术标准》（GB/T 51350-2019）。

1 被动式节能设计影响因素

1.1 建筑朝向

建筑朝向是建筑设计中重要的一环，对建筑的节能性能和居住舒适度有着显著影响。在进行建筑设计时，应遵循节能原则，充分考虑当地的气候特点和太阳辐射规律，以确定建筑的最佳朝向。一般而言，建筑应尽量朝向太阳辐射最强的方向，以充分利用太阳能，减少采暖和制冷能耗。对于位于寒冷地区的建筑，坐北朝南是较为普遍的设计方式，但具体朝向应根据当地的地理位置和气候特征进行微调。例如，在北京地区，建筑的合理朝向为正南至南偏东30°，最佳朝向为南偏东20°；而在太原地区，合理朝向为南偏西30°至南偏东15°，最佳朝向为南偏西10°。还应综合考虑建筑的功能、结构和周边环境等因素，以实现建筑的整体优化设计。

1.2 建筑窗户

建筑外窗是建筑节能的重要环节，对建筑的采光、通风和保温性能有着显著影响。在进行建筑节能设计时，应综合考虑窗墙比例、窗户材料和窗户形式等因素，以实现建筑的整体节能效果。窗墙比例是建筑节能设计中重要的参数之一，对建筑的采光、通风、保温和全年能耗有着显著影响。我国建筑节能标准对不同地区和建筑类型的窗墙比例做出了相应规定，旨在降低建筑的能耗水平。然而，过低的窗墙比例会导致室内采光不足、通风不良，影响居住舒适度。因此，在进行建筑设计时，应综合考虑节能要求、采光通风需求和居住舒适度等因素，科学确定窗墙比例，以实现建筑的整体优化设计。随着建筑节能理念的普及，玻璃幕墙在公共建筑中的应用日益广泛，但高窗墙比例也带来了建筑能耗上升的风险。因此，降低建筑窗户的传热系数成为建筑节能的重要途径之一。目前，建筑窗户常用的玻璃材料主要包括普通单层玻璃、热反射玻璃、Low-e玻璃和中空玻璃，其热工性能存在显著差异。其中，中空玻璃凭借其独特的双层或多层结构，有效阻隔了热量传递，显著降低了窗户的传热系数。尤其是在结合Low-e玻璃使用时，中空玻璃的传热系数可低至1.5W/（m²·K）以下，满足近零能耗建筑对外窗传热系数的严格要求，为建筑节能提供有效解决方案。

1.3 建筑外围护构件

建筑外围护结构，包括外墙、屋顶等，是建筑节能的关键环节。这些结构直接暴露于外部环境，其热工性能对建筑的整体能耗影响显著。在外围护结构中加入保温层是常用的节能措施。建筑设计过程中，应根据当地的气候条件、建筑类型和节能要求，通过严谨的热工计算，确定保温层的材料、厚度和具体位置，确保外围护结构的传热系数满足近零能耗建筑标准的要求，实现建筑的节能目标。随着建筑节能要求的不断提升，建筑外墙保温材料的选择和厚度确定成为影响建筑能耗水平的重要因素。常见的保温材料主要包括岩棉板、聚苯板和聚氨酯板，各具优缺点。聚苯板凭借其经济实惠、保温性能优异和施工便捷等优势，在建筑外墙保温领域得到了广泛应用。然而，保温层厚度的选择必须综合考虑节能效果、成本控制、施工难度、安全性和维护便利等因素，以实现建筑外墙保温系统的整体优化。建筑外墙保温是建筑节能的重要技术措施，外墙保温方式主要包括外墙外保温和外墙内保温两种。外墙外保温是指将保温层设置在外墙体外侧，具有保温效果好、减少热桥、保护墙体等优点；而外墙内保温是指将保温层设置在墙体内侧，施工方便但存在热桥问题，容易导致墙体冷凝、霉变和开裂。因此，外墙外保温是目前应用最为广泛的外墙保温方式。

2 主动式高效用能系统

2.1 空调系统

建筑空调系统能耗对建筑整体运营能耗影响显著，通常占比超过50%。近年来，地源热泵技术凭借其节能环保、运行高效等优势，在建筑节能领域得到了广泛应用，节能效率可达40%以上，成为暖通空调领域的绿色技术典范。然而，地源热泵技术的适用性存在一定局限性，并非适用于所有气候条件。因此，在设计建筑空调系统时，应综合考虑气候条件、建筑类型、能耗要求等因素，科学选用空调技术方案，实现建筑节能目标的有效达成。

例如，地源热泵技术因其高效节能和环保可靠，广泛应用于建筑采暖制冷领域。然而，其适用性存在区域差异。在寒冷地区，地源热泵利用地下恒温特性实现高效采暖，节能效果显著。而在严寒或夏热冬冷地区，冷热负荷不平衡导致效率低下，此时可结合太阳能技术，构建地源热泵－太阳能复合系统，提升整体能效。选择地源热泵设备时，应综合考虑气候、地质、水资源等因素，科学选用大地耦合热泵、地下水热泵或污水源热泵，确保系统高效稳定运行。

2.2 智能照明系统

随着建筑节能减排要求的不断提升，建筑照明系统的设计理念也发生了重大转变，智能照明系统以其节能高效、健康舒适等优势逐渐成为主流。根据《2022中国建筑能耗与碳排放研究报告》，建筑电力碳排放呈逐年增长趋势，而自然光作为一种绿色可持续的光源，具有获取成本低、光频稳定、无光污染等优点，在建筑照明系统中发挥着重要作用。因此，在设计智能照明系统时，应充分考虑自然光的利用，并结合建筑设计，合理配置遮阳设施和光敏传感器，实现自然光与人工照明的光谱匹配和无缝衔接，最大限度地降低照明能耗，提升建筑整体的节能减排水平和居住舒适度。而物联网技术赋予智能照明系统以感知、互联和智能控制的能力，成为其核心技术之一。通过各类传感器采集人员信息，包括人员存在、人员密度和人员位置等，并将其传输至控制系统，实现对照明系统的智能调控，以满足个性化照明需求和节能减排目标。

2.3 可再生能源利用系统

近零能耗建筑的设计理念并非一味追求“零”，而是通过“节流”和“开源”双管齐下，最大限度地减少建筑能耗，实现可持续发展。

节流方面，被动式节能设计和主动式高效用能系统是两大重要手段。被动式节能设计通过建筑本体的优化，减少对外部能源的依赖，包括建筑朝向、外围护结构、遮阳设计和自然通风等措施。主动式高效用能系统则采用先进的技术和设备，提高能源利用效率，包括高效照明系统、高效空调系统和智能控制系统等。

开源方面，充分利用可再生能源是实现近零能耗建筑的关键。太阳能、风能、水能和地热能等可再生能源，清洁环保、可持续利用，是替代传统化石能源的重要途径。在建筑设计过程中，应综合考虑气候特征、地理环境和建筑类型等因素，科学选用可再生能源技术，并根据具体情况采取集中式或分布式应用模式。此外，联合利用多种可再生能源也是一种有效策略，例如太阳能与地热能的结合，可以互为补充、优势互补，进一步提升能源利用效率。

3 结束语

综上所述，在双碳目标背景下，我国出台相关政策，推动近零能耗建筑的发展。要实现这一目标，必须“节流”和“开源”。在建筑设计时，应重点考虑建筑朝向、门窗及外围护构件等节能因素。利用地源热泵等新技术的空调系统及物联网智能照明系统，可大大降低后期运行能耗，这些都是节流措施。同时，近零能耗建筑可以利用可再生能源，替代石油、煤炭等不可再生能源。建筑设计决定了施工和运行阶段的能耗，因此必须重视设计环节的节能。

参考文献

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