超低能耗建筑设计方法研究

超低能耗建筑设计方法研究

邓红敏

九江市宏夏建筑工程有限公司

摘要：近几年，许多发达国家积极开展关于超低能耗、近零能耗、零能耗建筑，国内也逐步研究开展相关工作。超低能耗建筑大范围推广的关键之一是从传统建筑设计方法到基于能耗指标控制的性能化设计方法的转变。本文通过分析超低能耗建筑设计方法相关研究，并系统分析了设计流程、设计要点及适用性进行了研究。

关键词：超低能耗建筑；性能化设计方法；能耗指标；设计流程

1.超低能耗建筑设计与传统设计

1.1传统建筑

目前，我国绝大多数设计沿用传统设计方法，即依照现行建筑设计规范和建筑设计方法进行设计，以我国现行的GB50189—2015《公共建筑节能设计标准》和各气候区《居住建筑节能设计标准》为例，规范详细规定了建筑、暖通及电气专业的节能性能指标，包括热工参数限值，空调系统形式及设备能效限值等。

传统设计方法以相关设计标准为原则，满足业主对建筑各项功能需求为核心，各专业分别实现自身职责。此种设计方法特点是分工明确，设计人员只需根据相关规范标准“照方抓药”，做出“合规”的设计，保证满足建筑功能。然而，应用传统设计方法来达到超低能耗建筑目标存在一些局限性，主要表现为：

1）满足功能和安全性要求的同时传统设计经常出现设计偏大，造成设备闲置、系统庞大、能源浪费、成本过高等问题。

2）现有设计标准大多分散在各专业标准体系中，多数节能条款嵌入分专业的技术标准，导致众多孤立节能技术的堆砌，并不能实现预期节能效果。

3）对建筑围护结构传热系数限值的要求不能最小化建筑能量需求和促进高标准建筑材料的研发使用。

4）不利于设计人员发挥主观能动性灵活设计。

1.2超低能耗建筑

目前，作为超低能耗建筑的一种形式，德国被动房被广泛接受，通常其最大供热负荷不超过10W/m2、供热、制冷能耗需求量均不超过15kW·h/（m2·a）、年一次能源总消耗（包括生活热水、供热制冷和烹饪）不超过120kW·h/（m2·a），由此可见，超低能耗建筑设计与传统建筑设计的不同在于从仅仅实现建筑功能到最优化建筑性能的提升，即实现满足能耗指标的性能化设计。以能耗为控制指标的性能化设计方法可以理解相对于传统建筑设计方法，基于能耗指标的性能化设计有以下特点：

1）以能耗指标为导向，协调各专业充分发挥设计师主观能动性。

2）初设阶段严格把控建筑形体和围护结构热工参数，最小化建筑能源需求，以能耗指标为导向，被动优先主动优化相结合，同时对场地周围可再生能源应用潜力储能技术和能量回收技术潜力进行研究。

3）不规定整个建筑设计过程的具体节能措施，以建筑能耗表现为终极目标优化整合适用节能技术和设计方案。

2超低能耗建筑的通用设计方法

为推进建筑节能，协助指导超低能耗建筑设计，本文分析总结国内外现有相关文献与典型案例，依据目标函数的不同，加以考虑建筑所在地气候特点差异，提炼出适用于超低能耗建筑通用的3种设计方法：关键参数限额法、双向交叉平衡法以及经济环境决策法。对各种建筑及不同气候类型下设计超低能耗建筑的要点、流程及步骤给出指导。

2.1关键参数限额法

关键参数限额法即以减小建筑耗能为导向，充分利用气候特征和自然条件，严格控制建筑关键元素（外墙、屋面、外窗的传热系数、气密性）指标，结合高效新风热回收技术，基本满足用户舒适条件的设计方法。这种方法对可再生能源资源的依赖性不强，无需过多模拟计算，实质上是对现有节能标准控制指标的提升，应用此种方法旨在使建筑具备达到超低能耗建筑的潜力。

应用关键参数限额法达到超低能耗有3个主要技术特征：

1）围护结构热工性能的提高和建筑整体气密性的提高。外墙、屋面、外窗、楼板这些围护结构的传热系数需达规定数值，由此极大限度提高建筑保温隔热性能以及气密性；

2）充分利用被动式技术节能。如自然通风、自然采光、太阳能辐射和室内非供暖热源的利用，显著降低建筑能源需求和对机械系统的依赖；

3）高效新风热回收系统。有效保障室内空气质量和热环境。

2.2双向交叉平衡法

双向交叉平衡法即以能耗指标、舒适度指标为导向，在优化建筑围护结构和高效新风热回收的同时，考虑可再生能源的应用，建筑消耗的能量由可再生能源来提供，从而达到能量供需的平衡的设计方法。设计过程中通过改变建筑朝向、窗墙比，将建筑本身围护结构与系统设备、可再生能源与高效能源有效组合。通过可再生能源达到建筑能源供需的平衡，可以充分满足用户的舒适要求。

应用双向交叉平衡法达到超低能耗有3个主要技术特征：

1）充分优化被动设计手段。调节建筑体形系数、内外遮阳、自然通风和自然采光等，严格把控建筑围护结构参数限值，最大限度减小建筑对化石燃料的需求；

2）主动优化提高系统性能。利用新型技术和设备提高能效，如节能灯具、变频风机或水泵等的应用；

3）合理利用可再生能源。建筑需求的能量尽可能多的来源于太阳能、风能、浅层地热能、生物质能等可再生能源。

2.3经济环境决策法

经济环境决策法即以能耗、舒适度和经济性3个指标为导向，通过对建筑本身围护结构的优化，以及有效利用周围环境以及可再生能源，考虑经济可行性因素，不断优化建筑设计方法，直到找出使建筑物各项指标满足的设计条件的设计方法。该方法将3个指标平行考虑，需要循环迭代的计算和定量的分析，在最优化目标函数的同时满足业主和用户的需求。

应用经济环境决策法达到超低能耗有3个主要技术特征：

1）同时满足3项设计指标。建筑设计初期要同时设定能耗指标、经济性指标和环境优化指标，围绕这3项指标进行设计；

2）充分主动优化设计。循环迭代优化，得到单个参数的最优取值，系统设计方案及运行方案；

3）经济可行性分析。决策节能与投资的关系，选择合适方案。

3.小结

关键参数限额法、双向交叉平衡法以及经济环境决策法是可以实现超低能耗目标的3种通用设计方法，并且都不受建筑类型限制，应用领域包括办公、住宅、学校、体育馆及工业用房，并且既有建筑也可依照3种方法提升节能效果。

关键参数限额法是3种方法中相对简单基础的方法。对关键元素进行限额也是设计超低能耗建筑最基础的一步。推荐使用在对舒适度要求不高的小型公建、住宅的设计上，用相对较少的资金投入来降低运行费用，获得基本舒适的室内环境。

推行超低能耗建筑是实现可持续发展的必由之路，基于本文的讨论并结合我国的实际情况，笔者认为超低能耗建筑形式在国内的推行有以下几个问题需要关注：

1）我国地域辽阔，各地建筑风格迥异、资源不同、经济水平发展不均。当前不同气候区域都已有超低能耗建筑示范项目，在此基础上结合地区环境特色、因地制宜，探索分析适用于我国5个气候区域的超低能耗建筑设计方法势在必行。

2）相对发达国家，我国目前实现超低能耗建筑还在学习阶段。目前示范建筑多使用德国被动房能耗指标。但我国建筑形式以及居民生活习惯多与德国不同，对K值的测试条件、室内舒适度要求、超温频率及计算面积方法与德国均有差异，因此制定适合于各地区的科学的各项能耗指标工作亟待开展。

参考文献

［1］张神树．德国低/零能耗建筑实例解析［M］．北京：中国建筑工业出版社，2007

［2］被动式超低能耗建筑在严寒地区的实践———我国严寒地区首个被动式建筑示范项目“辰能·溪树庭院”［J］．建设科技，2014，（21）：51-52

［3］威卢克斯中国有限公司．哥本哈根大学的绿色灯塔［J］．可持续建筑，2010，3（12）：61-64