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1、建筑节能设计随着人们生活、生产水平的提高，人们对建筑舒适性、功能性的要求也越来越高，但与此同时，和建筑使用有关的各种能耗也越来越大。在国家建设节约型社会的过程中，建筑节能已成为城市建筑水平和经济社会发展的重要标志。建筑节能是一项系统工程，它涉及到建筑群的规划布局，建筑空间体量，建筑围护结构等诸多方面。第一节 规划布局的节能设计规划布局的节能设计是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的结合，使建筑在冬季最大限度的利用自然能源来采暖，多获得热量和减少热量损失，夏季最大限度的减少得热和利用自然条件来降温冷却。规划布局节能设计应该从建筑选址、建筑组团布局及道路走向、建筑朝向、建筑间
2、距与日照关系、建筑自然通风等方面考虑，以优化建筑的微气候环境，利于节能，充分利用太阳能。1. 1建筑选址1.1.1 地形条件对建筑能耗的影响建筑的选址应根据气候分区进行选择。对于严寒或寒冷地区，选址时不宜布置在山谷、洼地等凹形地域。主要是考虑冬季冷气流在下凹地里形成对建筑物的“霜洞”效应，位于凹地的底层建筑需要保持所需室内温度会多消耗一部分采暖能量（图1-1）。图1-1 低洼地区对建筑物的“霜冻”效应对于夏季炎热的地区而言，建筑布置在下凹地却是相对有利的，这些地方往往容易实现自然通风，尤其是到了晚上，高处凉爽气流会流向凹地，把室内热量带走。在江河湖泊丰富的地区，易产生水陆风而形成气流运动，在进
3、行建筑设计时，充分利用水陆风以取得穿堂风的效果，对改善夏季热环境，节约空调能耗是非常有利的。在规划设计时还应充分考虑建筑物周围的微气候环境，应该有足够的绿地和水体，严格控制建筑密度，尽量减少硬化地面面积，并利用植被和水域减弱城市热岛效应，改善微气候环境。1.1.2 争取良好的朝向，宜向阳避风 （1）居住建筑的基地应选择在向阳避风的地段上冷空气对建筑物围护结构的风压和冷风渗透均对建筑物冬季防寒保温带来不利影响，尤其严寒地区和寒冷地区冬季室外气候对建筑物的影响很大，居住建筑影选择避风地段建造。（2）争取选择建筑物的最佳朝向对严寒和寒冷地区居住建筑朝向应以南北位置，这样可以使每户均有主要房间朝南，对
4、争取日照有利。同时，建筑朝向可以在不同地区的最佳建筑朝向范围内做一定的调整，以争取更多的太阳辐射。（3）选择满足日照要求，不受周围其他建筑严重遮挡的基地。1.2 建筑组团布局影响建筑规划布局的主要气候有日照、风向、气温等。在我国严寒地区及寒冷地区进行规划设计时，可利用建筑的布局，形成优化微气候的良好界面，建立气候防护单元，对节能很有利。建筑群的布局可以从平面和空间两个方面考虑，一般的建筑组团平面布局有行列式、错列式、周边式、混合式、自由式等，他们都有各自的特点（图1-2）：图1-2 建筑组团形式（a） 行列式 （b）周边式 （c） 自由式行列式建筑物成排成行的布置，能够争取最好的建筑朝向，使大
5、多数居住房间得到良好的日照，并有利于通风。错列式可以避免“风影效应”，同时利用山墙空间争取日照。周边式建筑沿街道周边布置，虽然可以使街道内空间集中，但是很多居住房间没有良好的日照，对自然通风也不利。这种布置仅适用于北方严寒地区。混合式行列式和周边式组合的形式，同时具有两者的优缺点，可以灵活组合。自由式当地形复杂时，密切结合地形构成自由变化的布置形式，这种方式可以充分利用地形特点，便于采用多种平面形式和体型的组合。可以避免互相遮挡阳光，对日照和自然通风有利。在规划布局中，应注意点、条组合布置，将点式住宅布置在好朝向的位置，条状住宅布置在其后，有利用利用空隙争取日照。1.3 建筑朝向建筑物的朝向对
6、建筑的采光与节能有很大的影响，朝向的选择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。由于在建筑朝向在规划设计中受多种因素的影响，要想兼顾夏季防热、冬季保温都很理想是有困难的，因此，在设计中应通过多方面的因素分析、优化建筑的规划设计，采用本地区最佳朝向或适宜的朝向，尽量避免东西向日晒。朝向选择需要考虑以下几个方面的因素：（1）冬季有适量的并有一定质量的阳光入射室内。（2）炎热夏季尽量减少太阳直射室内。（3）夏季有良好的通风，冬季避免冷风吹袭。（4）充分利用地形并注意节约用地，照顾居住建筑组合的需要。1.4 建筑间距 在确定好建筑朝向之后，还要注意建筑物之间应该有合
7、理的间距，以保证建筑能够获得充足的日照。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日照间距。 居住建筑的日照标准一般由日照时间和日照时间来衡量。 日照时间：我国地处北半球温带地区，居住建筑应该在夏季能够避免较强的日照，而冬季又能够获得充分的直接阳光直射，以满足建筑采光得热的要求。居住建筑的常规布置为行列式，考虑到前排建筑的遮挡，为了使居室能得到最低限度的日照，一般以底层居室获得的日照为标准。北半球太阳高度角在全年最小值是冬至日。因此，选择居住建筑日照标准时通常取冬至日正午前后有两小时日照为下限。日照质量：居住建筑的日照质量是通过日照时间内日照面积的累计而达到的。根
8、据各地的具体测定，在日照时间内居室内每小时地面上阳光投射面积的积累来计算。日照面积对于北方居住建筑冬季提供室温有显著作用。1.5风环境设计1.5.1 冬季防风的设计方法我国北方严寒、寒冷地区冬季主要受来自西伯利亚的寒冷空气影响，形成以西北风为主要风向的冬季寒流。从节能的需要出发，在规划设计时可以采取以下具体措施：（1）建筑主要朝向应注意避开不利风向。 建筑在规划设计时应避开不利风向，减轻寒冷气候产生的建筑热损失，对朝向冬季主导风向的立面应多选择封闭设计。在我国北方城市中，冬季主导风向为西北风，因此在建筑规划中，应封闭西北向，合理选择封闭或半封闭周边式布局的开口方向和位置，使建筑群的组合有利于避
9、风节能。（2）利用建筑的组团防御冷风。通过合理的布置建筑物，降低寒冷气流的风速，可以减少建筑物和周围场地外表面的热损失，节约能源。迎风建筑物的背后会产生一个背风涡流区(也称风影区)，这部分区域风力弱，风向也不稳定。实验表明，当风向投射角为30时建筑背后的风影区为3H（H为建筑高度），45投射角时，风影区为1.5H。所以在规划时，使建筑物布局紧凑，使建筑间距在2H以内，可以充分发挥风影的效果，使后排建筑避开冷风的侵袭。除此之外，还应利用建筑组合，将较高层建筑背向冬季主导风，减少寒风对中、低层建筑群的影响。（3）设置防风屏障阻隔冷风侵袭。可以通过设置防风墙、防风带等挡风措施来阻隔冷风。以实体墙作为
10、阻风措施时，应注意防止在背后形成涡流，这时应该在墙体上做引导气流向上穿透的百叶式孔洞，使小部分风由此流过，大部分的气流在墙顶以上的空间流过。（4）减少建筑物的冷风渗透耗能。建筑物的门窗缝隙是冬季寒冷气流的主要入侵部位，冷空气渗透量与风压有关，建筑在受风面上，由于建筑表面阻挡，会产生风的正压区，当气流从建筑上方或两侧绕过建筑时，在其背后会产生负压区。1.5.2 夏季通风的设计方法在炎热的夏季，不要设备和能源驱动的被动式通风降温是最主要的降温方法，夜间的通风使建筑物预先冷却，为第二天的酷热预先准备。所以，规划布局中良好的通风设计，对降低建筑物夏季空调能耗十分重要。（1）合理的建筑布局引导气流我国南
11、方特别是夏热冬暖地区地处沿海，4-9月大多盛行东南风和西南风，建筑物南北向或接近南北向布局，有利于自然通风，增加舒适度。在满足合理朝向的基础上，还应合理规划整个建筑群的布局和间距，才能获得较好的室内通风。如果一个建筑物处在前面建筑的涡流区内，是很难利用风压组织有效的通风。（2）建筑物尺寸和风向投射角的影响（ 图1-3、图1-4、图1-5）影响涡流区长度的主要因素是建筑物的尺寸和风向投射角，单个建筑物的三维尺度会对其周围的风环境带来较大的影响。建筑物越长、越高、进深越小，其背面产生的涡流区越大，流场越紊乱，建筑物的布局和间距应适当避开这些涡流区。图1-3不同入射角情况下的气流状况图1-4建筑物高
12、度对气流的影响 图1-5 建筑物进深对气流的影响 （3）利用绿化进行导风在规划设计中还可以利用建筑周围绿化进行导风的方法，可以沿来流方向在单体建筑两侧的前、后方设置绿化屏障，使得来流风受到阻挡后可以进入室内（图1-6-a）；也可以利用低矮灌木顶部较高空气温度盒高大乔木树荫下较低空气温度形成的热压差，将自然风导向室内的方法（图1-6-b）。但是对于寒冷地区的建筑，需要综合考虑夏季、过渡季及冬季通风的矛盾。 图1-6 绿化的导风作用（4）利用地理条件组织自然通风 利用地理条件组织通风也是非常有效的方法，位于山谷、海滨、沿河地区的建筑，就可以利用“水陆风”、“山谷风”提高建筑内的通风（图1-7）。图
13、1-7 水陆风、山谷风的形成水陆风在海滨等具有大水体的地区，因为水体温度的升降要比陆地上气温的升降变化慢，白天陆地上空气被加热后上升使海滨水面上的凉风吹向陆地，到晚上，陆地上的气温比海滨水面上的空气冷却的快，风又从陆地吹向海滨，形成水陆风。山谷风在山谷地区，当空气在白天变得温暖后，会沿着山坡往上流动；而在晚上，变凉了的空气又会顺着山坡往下吹，这就形成了山谷风。1.5.3 风环境的辅助优化设计在实际的规划设计中，建筑布局往往比较复杂，特别如果需要兼顾冬夏通风的特点，以及考虑地形的不规整、植物绿化等存在的时候，简单的传统经验做法，已经很难指导规划设计优化室外风环境。这时候需要采取风洞模型实验或者计
14、算机数值模拟的方法进行预测。但由于前者的运行周期比较长、成本比较高，通常采取计算机模拟的方法进行预测。计算机模拟是利用流体力学软件（CFD）对建筑物周围风流动所遵循的动力学方程进行数值求解，并可借助计算机图形学技术将模拟结果形象的表示出来，使模拟结果直观易理解。同时，由于计算机模拟不受实际条件限制，可以对多种形式的建筑布局，建筑物形状，不同边界条件的情况进行模拟分析，以便于优化设计。第二节 建筑空间体量的节能设计当建筑的位置、朝向、间距等总体布局确定后，就意味着建筑外部微气候环境已经基本确定。因此，在对建筑进行单体设计时，就要通过建筑内部空间和体量的合理设计更好的利用外部气候环境。合理的空间和
15、体量设计是在满足建筑功能要求下，对建筑内部空间进行合理的划分和设计以达到更高的节能要求，改善室内的保温、采光、通风等微气候条件，为人们创造舒适的室内环境。建筑的体型、平面和剖面都会对节能效果产生影响。2.1 建筑体型设计建筑的体型是基地形状、内部功能、气候条件等多种因素综合的结果，建筑体型控制主要是通过对体形系数的控制来进行的，体形系数是指建筑物与室外大气接触的外表面积F0（不包括地面）和其包围的体积V0之比。体型系数越大，表明单位建筑空间所分担的散热面积越大，能耗就越多。 对于建筑节能来讲，在同样体积的建筑内部空间，外表面面积越小，能量的流失途径越少，所以控制体型系数，对于减少夏季得热、冬季得热都是有利的。但并不是体形系数越小越好，例如夏热冬冷地区湿热的夏季，通风要求高，而体形系数小的建筑会造成通风和散热不利，反而会造成能源的浪费。例如，飘窗的应用是目前住宅建筑设计中十分流行的一个处理手法，一般突出外墙面0.5 m左右，而且卫生间、厨房均设置飘窗，作用并不很大。但飘窗至少有上、下2个面作为外墙面进入体形系数计算，毫无疑问，会使体形系数增大。设计中，应严格控制飘窗数量和飘出尺寸，减小体型系数，提高自身节能效果。研究资料表明：体型系数每增加0.01，耗热量指标增加2.5%。对于居住建筑体型系数宜控制在0.30以下。对公共建筑，根据公共
