超低能耗建筑如何设计?

发布时间:

2024-04-28 10:48

一、超低能耗建筑设计的特点

 

超低能耗建筑设计过程中需要详细地统计以及计算建筑物当中各个分支能耗项目,结合建筑能耗当中针对不同能耗分支,实现优化设计目标,通过系统性的优化来减少建筑的总体能耗。设计过程中要紧紧结合建筑项目的特征,依靠周围自然条件,经过不同分支专业之间的紧密配合,建立起更加合理、更加完善的建筑设计方案。

 

对比传统的建筑设计方法,超低能耗建筑设计具备下面几个方面的特点:

 

第一,将建筑能耗指标当作终极目标,针对不同专业之间展开协调以及优化。

 

第二,建筑的初期设计环节当中,要严格控制好建筑物形体、围护结构的热工参数情况,并且需要计算以及优化建筑物的能源需求,将能耗指标当作设计目标,采用被动、主动优化的方法,实现建筑设计优化,在设计过程中还需要详细分析以及计算建筑周边可再生能源,看是否可以被运用到建筑设计过程中来。

 

第三,超低能耗建筑设计属于总体性优化,经过统计各个部门的能量消耗,展开系统化的优化,有效降低建筑物的总体能耗,从而科学合理确定建筑设计方案。

 

 

二、超低能耗建筑设计方法

 

分析超低能耗建筑设计的方法,无需采用较为呆板的理论研究,运用哪一种方法都需要严格按照超低能耗建筑指标的性能来展开设计,之后运用通用、引导性的方式。

 

(一)关键参数限额方法

 

关键参数限额方法属于超低能耗建筑设计当中较为常用的一种方式,目的是降低建筑物能耗,之后科学合理规划建筑物的空间布局、资源利用、各项建设,在严格按照专业、经济、综合性原则的基础上,严格对外墙、屋面、窗户传热系数等建筑元素指标展开控制,从而充分满足居住者的生活条件。

 

关键参数限额方法科学合理运用建筑所在地的自然条件以及气候特点,采用新风热回收技术,整体上布局与设计建筑物,此种方法的最大优点就是不需要展开过多的模拟计算,运用到的建筑材料都是可再生的资源,运用节能标准控制指标技术,能够给居住者提供更加舒服、更加健康的生活条件,增加建筑物的使用寿命。

 

 

(二)双向交叉平衡法

 

建筑物设计过程中采用双向交叉平衡法,不仅需要充分考虑到建筑物的维护结构的优化程度、高效热回收装置的设计情况,还要充分考虑到对可再生能源的运用。这样一来,在进行设计当中就可以经过转变建筑物的朝向、窗墙比例,把建筑物的维护结构、系统设备、可再生能源、高效能源进行组合。可再生能源的运用能够对建筑物消耗的能量实施平衡,从而更好地满足建筑物的设计需求。

 

主要的技术特征如下:第一,运用被动设计的方式,对建筑物的自然通风、采光状态实施调节,设定建筑物维护结构的热工参数值,降低建筑物对化石燃料的需求。第二,经过主动优化的方式,采用节能设备,比如变频风机、节能灯具等有效提高系统性能。另外,建筑物对能源需求方面,尽可能让这部分能源供应来自于自然光、风能等可再生的能源当中,从而减少对不可再生能源的使用量。

 

 

(三)经济环境决策法

 

此种方法属于一种比较常用的超低能耗建筑设计方法,此种方法在具体运用当中表现出来的效果比较理想。在超低能耗建筑设计当中运用此种方法,能够有效减少建筑能耗,还能满足人们对建筑物的其他需求。

 

由于此种方法不但会考虑建筑能耗指标,而且还会考虑建筑舒适度、经济性指标,换句话来说,即考虑到能耗、经济性、舒适性这三个指标的基础上,展开建筑设计。对比上述两种设计方式,经济环境决策的方法属于一种可以在最后获取最佳设计效果的超低能耗建筑设计方法。

 

三、超低能耗建筑碳排放及影响因素分析

 

建筑碳排放量的主要因素是建筑保温材料的类型、建筑保温材料的厚度、建筑窗户的框架结构、建筑窗户和墙的面积比例、建筑的供暖形式、建筑的使用年限。

 

(一)建筑保温材料的类型

 

建筑保温材料主要是用在建筑的外部构建当中,不会影响建筑内部照明器具的使用情况,但是会对建筑系统的热力性能产生一定的影响,从而影响建筑冬季取暖和夏季制冷的效果。针对建筑保温材料的选择,主要包括PUR、EPS、XPS和岩棉等多种材料。根据科学实验研究表明,在建筑材料厚度相等的情况下,岩棉保温材料的建筑碳排放量最小。正因如此,在不考虑建筑保温材料厚度的情况下,为降低建筑碳排放量,应当选用岩棉作为建筑的保温材料。

 

 

(二)建筑保温材料的厚度

 

当选用统一材质作为建筑材料时,随着建筑保温材料厚度的逐渐增加,建筑碳排放量随之下降。然而,当建筑材料厚度达到一定程度时,建筑碳排放量稳定不变。与此同时,当建筑材料厚度较高时,即使增加建筑保温材料的厚度,建筑碳排放的减排效果也并不显著。不仅如此,建筑保温材料过厚将会影响建筑外表的美观性并增加建筑施工的成本。正因如此,出于成本、建筑美观等多方面的考虑,若建筑材料为EPS保温材料,建筑保温层的厚度在160mm-260mm之间较为适宜。

 

(三)建筑窗户的框架结构

 

建筑可选择不同的窗户结构,如木框窗户、铝框窗户、PVC材质窗户和各种窗户玻璃类型。在同一玻璃材质下,测算不同窗户框架结构的建筑碳排放。其中铝框的建筑碳排放量最多,木框的建筑碳排放量最少。综合考虑建筑外观、窗框耐用性和窗户的隔热保温功能性,建筑窗户应选择铝制框架。与此同时,综合考虑玻璃的层数和性能对建筑碳排放造成的影响,不管玻璃类型如何,玻璃制造过程中产生的碳排放远高于玻璃在建筑中使用所产生的碳排放量。基于此,为实现近零能耗建筑碳排放的目标,建筑窗户玻璃的层数和窗户的层数不宜过多。

 

图片

 

(四)建筑窗户和墙的面积比例

 

建筑窗户所造成的碳排放主要分为两部分:一方面可能是窗户的保温性能较差,建筑夏季制冷和冬季取暖所造成的碳排放增加。另一方面是窗户透光功能能够接受太阳光照辐射造成夏季制冷的碳排放增加,除此之外建筑窗户所造成的碳排放还和窗户所在位置的朝向相关,南向窗户所接受的光照辐射更强,夏季空调制冷所造成的碳排量更多。经实验表明,在同一条件下,随着窗户和墙的比例的增加,建筑碳排放量先降低再升高。基于此,建筑窗户和墙的比例应当控制在合理范围内,建筑围护结构设计中应当关注窗户的隔热性能,选择适宜的墙窗面积比例。

 

(五)建筑的供暖形式

 

建筑的空调制冷和冬季取暖是建筑碳排放的主要部分之一。例如,建筑冬季取暖方式主要分为太阳能制热、地源热能、太阳能+地源热能等多种供暖形式。其中太阳能供热系统建设过程中的能耗最大,地源热运行中建筑碳排放最多。除此之外,基于成本考虑,太阳能的供暖技术和供暖成本较高,建筑供暖设备应当选择太阳能和地源热能综合的方式。

 

(六)建筑的使用年限

 

我国建筑的正常使用寿命普遍在40年、50年、70年不等年限。通过研究表明,随着建筑使用年限的增加,建筑运行中碳排放量逐渐增大。然而,建筑外围材料运输阶段的碳排放耗能逐渐减少。综合来看,随着建筑使用年限的增加,建筑每年的碳排放量逐渐减少。

 

 

三、超低能耗建筑碳排放工作的措施建议

 

(一)根据建筑环境进行节能设计

 

近零耗能建筑碳排放节能设计应当充分考虑建筑所在环境的外界条件。第一,充分检验建筑环境的气候,包括建筑环境平均气温、建筑日照的平均时长、内外温差比、风向和频率、年均降雨量、年均夏季制冷和冬季取暖的天数等数据信息。建筑设计师可以采用相关软件对气候数据进行分析,从而实现调整建筑设计中的布局、绿化环境、方位等方面的规划,最大化地利用外界环境条件,降低建筑能量损耗,以实现建筑碳排放量的最小化,实现绿色低碳环保的环境发展理念。

 

(二)根据建筑墙体机构进行节能设计

 

根据建筑实地勘测所收集的气候数据,建筑外围结构也应充分考虑气候条件的影响作用,进行节能减排的相关设计工作。例如,若是建筑所在地区常年较为炎热,建筑墙体等外围结构应当主要采用隔热材料,进行外部遮阳设计,窗户和内部建筑的气流流动通风设计,避免因室内温度降温所造成的碳排放。

 

若是建筑所在地区常年较为寒冷,建筑墙体和窗户应当选择隔热性能较好、导热系数较低的材质,提高建筑内部的密封性,保证建筑室内的光照时间和光照强度。根据上述分析,建筑墙体结构应当根据不同气候条件进行不同设计,实现节能减排的建筑低耗能效果,进一步降低建筑碳排放量。

 

 

(三)建筑系统节能设备的升级创新

 

建筑碳排放量的主要来源为室内的空调制冷和冬季取暖设备的使用,其中传统的如天然气、煤炭等能源取暖方式能耗较大,对环境造成巨大影响。基于此,近零能耗建筑的碳排放应当结合建筑特点对耗能设备进行优化升级和创新驱动。例如,若是建筑所在地区常年较为炎热,建筑内部可采用风扇和空调组合使用的方式,提高室内空气流动的速度,扩大空调制冷效果和制冷范围,降低空调能耗,作为补充作用来弥补客观条件的不足之处。

 

 

四、建筑系统设备可再生能源的使用

 

可再生能源能够降低其他不可再生能源的损耗,能够降低建筑碳排放量,减轻生态环境循环的压力。例如,若是建筑所在地区常年较为寒冷,建筑可以采用太阳能和地源热泵综合供暖的方式,尤其是在纬度较高地区,日均取暖时间较长,一年中有1/2的时间处于供暖状态,建筑供暖压力较大。基于此,建筑可在楼顶铺置太阳能设备,利用光照条件进行建筑电能供应,最大限度地转化太阳能源。不仅如此,在未来碳循环和碳达峰的发展规划下,科技创新驱动将更多关注于太阳能等新型清洁能源的转化和使用效率,降低建筑开发和使用的成本支出,实现建筑的近零能耗。

 

 

五、超低能耗建筑设计具体应用案例

 

在浙江省的某一建筑工程中,建筑面积6228㎡,此建筑项目的建设完成标志着我国的建筑设计技术接近零能耗的水平。这一建筑工程当中采用了双向交叉平衡的方法,以节能、舒适为中心,分析能耗、环境以及经济等指标,综合对建筑物周围环境、维护结构、经济性展开分析。

 

现如今,人们生活水平的不断提高,审美意识不断增强,运用双向交叉平衡的方法能够让建筑物与周边环境实现融合。为了可以更好地展开建筑设计,实现降低建筑能耗的目标,设置维护结构热工参数限制,在屋顶当中加入适当的绿色设计,将防护热桥以及加热隔热的工作做到位,加强建筑物保温性能。在建筑能源系统设计当中,在建筑物的宽度、高度、支撑建筑的柱子运用双向交叉平衡法,采用自然光、自然冷源,降低照明能源消耗,与此同时确保建筑物的良好通风采光性能。

 

 

这一建筑物建设在亚热带季风气候区当中,夏季炎热干燥,冬季气候温暖,制冷空调要选择高温水,地面运用供冷辐射方法。供热空调系统运用落地式冷凝模块。高低温燃气锅炉,要按照气候条件变化,随时对室内温度实施调节。

 

超低能耗建筑设计在进行规划当中,还会运用到经济、美学、自然等多方面的知识,要求多学科之间协调配合,科学合理展开规划,在充分满足多方需求的前提条件下,让城市整体规划变得更加完美。

 

来源 |《城镇建设》2022年第6期;《工程管理前沿》2022年第16期