李上賓
（中信建筑設(shè)計研究總院有限公司，武漢 430014）
節(jié)能建筑的設(shè)計原理內(nèi)容廣泛，在滿足功能布局合理、結(jié)構(gòu)技術(shù)安全、形象美觀的基礎(chǔ)上，其節(jié)能概念的貫徹首先反映于方案設(shè)計階段。如建筑的形體、平面空間布局、窗的面積和位置等，都會影響建筑的得熱和熱損失。因此，節(jié)能建筑設(shè)計首先應(yīng)從方案中要“能量”，力求按建筑節(jié)能概念的一般規(guī)律進(jìn)行設(shè)計。節(jié)能建筑方案階段的內(nèi)部空間設(shè)計，主要是通過組織自然通風(fēng)與合理的平面布局等技術(shù)手段實現(xiàn)的。這些技術(shù)手段的應(yīng)用不只是水平方向的設(shè)計，也包括垂直方向的設(shè)計。完美地把這些技術(shù)與建筑藝術(shù)及功能要求相結(jié)合，需要建筑師對相關(guān)技術(shù)知識的正確掌握與理解，並具備較強的空間組織能力。在建筑設(shè)計中還涉及許多節(jié)能問題，如采用何種結(jié)構(gòu)體系、外墻與屋頂構(gòu)造的厚度及保溫做法、窗的大小和氣密性等，都是十分重要的。當(dāng)然，空調(diào)能耗在建筑能耗中所占有的比例，也是設(shè)計中應(yīng)考慮的問題。任何設(shè)計中節(jié)能概念的偏差，如平面和空間不合理、體形復(fù)雜、開窗過大等，都會給建筑的節(jié)能設(shè)計帶來困難，使建筑節(jié)能造價劇增，空調(diào)負(fù)荷加大等。所有這些問題，都要求設(shè)計人有節(jié)能意識並融入到自己的設(shè)計之中，通過各種節(jié)能手段，使建筑本身具備節(jié)能的條件，從而達(dá)到節(jié)能目的。
一 建筑節(jié)能的發(fā)展與應(yīng)對策略
建筑節(jié)能的發(fā)展大體經(jīng)歷了四個階段：第一階段是能源的節(jié)約，即減少能源消耗，盡可能少用能源。第二階段是能源守恒，即盡可能在建筑中保持能源，減少能源的流失，如西北的掩土建筑就具有極佳的節(jié)能效果（圖1）。第三階段是提高能源利用效率；第四階段是減少各種有害氣體對環(huán)境的負(fù)面影響，使建筑節(jié)能具有了保護(hù)地球環(huán)境的更高層次的意義。
圖1 掩土建筑
要實現(xiàn)建筑節(jié)能，必須要有應(yīng)對策略。就我國居住建筑節(jié)能策略而言，主要有以下幾個方面：通過有效的組團(tuán)規(guī)劃及單體設(shè)計，從朝向、間距、體形上保證建筑物有足夠的日照時間；組織有利的自然通風(fēng)，減小建筑物的體形系數(shù)及外表面積，加強外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能；提高外門窗本身的保溫性能，提高門窗氣密性，減少冷風(fēng)滲透，減少能量損失；改善采暖和空調(diào)系統(tǒng)的運行效率和管理手段，減少設(shè)備能耗等?？傊?，一棟合格的節(jié)能建筑是從方案階段開始的，它是由合理的規(guī)劃和單體設(shè)計、科學(xué)的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫體系、高效率的設(shè)備和管理手段，集合而成的。
二 建筑節(jié)能設(shè)計的技術(shù)手段
1 自然通風(fēng)與空間設(shè)計
自然通風(fēng)是當(dāng)今節(jié)能建筑所普遍采用的一項比較成熟而廉價的技術(shù)措施。采用自然通風(fēng)方式的根本目的就是取代或部分取代傳統(tǒng)空調(diào)制冷系統(tǒng)。這有兩方面有著至關(guān)重要的意義：一是實現(xiàn)有效被動式制冷．可以在不消耗能源的情況下降低室內(nèi)溫度；二是可以提供自然空氣(新風(fēng))，帶走潮濕氣體，有利于人的生理和心理健康。在建筑中,自然通風(fēng)由于空氣流動導(dǎo)致對流傳熱的產(chǎn)生，而空氣流動是因為在建筑物的門、窗處存有空氣壓力差。造成空氣壓力差的原因有兩個：一個是風(fēng)壓作用，一個是熱壓作用。熱壓取決于室內(nèi)外空氣溫度差和進(jìn)出口位置的高度差。所以建筑設(shè)計可通過空間布局、門窗洞口的合理設(shè)計，如設(shè)置一定數(shù)量的低窗與高窗,增加了氣流進(jìn)出口的高差，熱空氣上升，經(jīng)由高窗排出，涼爽的空氣由低矮的洞口進(jìn)入室內(nèi)，這就是常見的煙囪效應(yīng)（圖2）。
另外一種自然通風(fēng)的方式是，通過室內(nèi)房間的合理布局而有利于穿堂風(fēng)的形成。
穿堂風(fēng)是夏熱冬冷地區(qū)傳統(tǒng)建筑解決潮濕悶熱和通風(fēng)換氣的主要風(fēng)環(huán)境形式，不論是在住宅群體的布局上，還是在單個住宅的平面與空間構(gòu)成上，都要注重穿堂風(fēng)的形成。在節(jié)能建筑單體平面布局設(shè)計中，從利于穿堂風(fēng)的形成角度,應(yīng)考慮以下因素：
（1）布置住宅建筑的房間時，由于不同房間因使用性質(zhì)、重要性和使用時間的不同而存在對室內(nèi)熱舒適要求的不同，有必要確立優(yōu)先的順序，即先是起居室和主臥室，然后是次臥室和工作室，最后是廚房和衛(wèi)生間。適量的通風(fēng)換氣是室內(nèi)空氣質(zhì)量的必要保證，室內(nèi)換氣宜采用有利于主要房間的有組織換氣(有組織換氣可以提高換氣效率,減少室內(nèi)外換氣熱交換),即新鮮空氣從起居室、臥室等主要房間進(jìn)入，經(jīng)過過廳、餐廳等空間，最后由廚房、衛(wèi)生間排到室外,同時避免廚房、衛(wèi)生間內(nèi)的空氣進(jìn)入其它房間。
（2）房間的面積以滿足使用要求為宜，不宜過大。特別是起居室，它是整套居室采暖通風(fēng)的中心地段，更不宜過大。
（3)門窗洞口的開啟位置除有利于提高居室的面積利用率與合理布置家具外，還應(yīng)有利于組織穿堂風(fēng)，避免“口袋屋”式的平面布局。
（4)廚房和衛(wèi)生間進(jìn)出排風(fēng)口的設(shè)置要考慮主導(dǎo)風(fēng)向和對鄰室的不利影響，避免強風(fēng)時的倒灌現(xiàn)象和油煙等對周圍環(huán)境的污染。特別是廚房和衛(wèi)生間，它們是有害氣體的產(chǎn)生源，合理的通風(fēng)換氣更為重要。
2 有利于日照的空間設(shè)計
室內(nèi)房間布局應(yīng)有利于室內(nèi)采光和自然通風(fēng)。由于體形系數(shù)、建筑面寬和建筑節(jié)地的限制，并不是所有房間均可獲得理想的采光和通風(fēng)條件。雖然我國建筑節(jié)能計算是以建筑作為研究對象的，但不同房間因使用性質(zhì)、重要性和使用時間的不同而存在對熱舒適要求的不同，所以有必要確立優(yōu)先的順序，即先是起居室和主臥室，然后是次臥室和工作室，最后是廚房和衛(wèi)生間(門廳、過廳和餐廳一般與起居室相通，可以獲得一定的采光和通風(fēng))。
雖然北向房間在夏季受到太陽直接熱輻射的影響較小，但起居室和主臥室等主要房間還是應(yīng)優(yōu)先考慮布置在南向（圖3），其原因有三：
（1)夏季南向太陽高度角較高，南向圍護(hù)結(jié)構(gòu)接受到的太陽輻射總量與北向相差不多。
（2)此地區(qū)冬季室內(nèi)如果沒有陽光，會使人感到異常陰冷，可利用豎向反射板把陽光引入室內(nèi)（圖4）。
圖3 陽光引入 圖4 利用豎向陽光反射板把陽光反射到室內(nèi)
（3)夏季南向太陽高度角較高，通過比較簡易的遮陽措施即可處理。東西向為房間開窗的最不利朝向，但在某些情況下，尤其是由于景觀的原因，必須在起居室或臥室的東、西向開面積較大的窗，以獲得理想的景觀視野。在東、西向開面積較大的窗，不但冬季太陽輻射得熱量較少，而且在夏季還會有大量高度角較低的東、西向太陽熱輻射進(jìn)入室內(nèi)，這當(dāng)然非常不利于節(jié)能。為了緩解這一矛盾，可以采用如下方法：
①在窗戶外面設(shè)置出挑較大的陽臺，這樣不但可以獲得理想的戶外觀景條件，也可以利用出挑的剛臺遮擋較多的夏季太陽熱輻射。
②在窗外或陽臺外沿采用可調(diào)節(jié)的外遮陽百葉，遮擋東、西向太陽熱輻射（圖5）。
③選用低輻射鍍膜玻璃，這樣既可以減少中長波的太陽熱輻射進(jìn)入室內(nèi)，又不會過多地影響可見光的進(jìn)入，仍可以獲得較好的景觀視野。
總之，節(jié)能住宅平面設(shè)計應(yīng)盡量緊湊，減少外墻長度，平、立面不宜出現(xiàn)過多的凹凸，凸出房間遮擋凹進(jìn)房間的日照，凹進(jìn)越深，凹進(jìn)房間的外墻寬度越小，日照遮擋就越嚴(yán)重。凸出房間與室外有兩個直接接觸面，外表面積遠(yuǎn)大于不凸出房間，與室外通過外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱交換量相對較大。所以，凹進(jìn)房間和凸出房間均不宜作為起居室和主臥室等主要空間。由于起居室和主臥室多在南向，那么住宅平面必要的凹凸更宜選在北面。主要房間與室外的直接接觸面不但不宜過大，而且宜把幾個主要房間集中布置，因為主要房間大多有主動設(shè)備間歇制冷或采暖，集中布置可以減少空調(diào)房間的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積。
附加陽光間屬一種多功能的房間，除了可作為一種集熱設(shè)施外，還可作為休息、娛樂、養(yǎng)花、養(yǎng)魚等空間，是冬季讓人們置身于大自然中的一種室內(nèi)環(huán)境，也是為其毗連的房間供熱的一種有效設(shè)施（圖6）。附加陽光間除最好能在南向墻面全部設(shè)置玻璃外，還應(yīng)在毗連的二主房坡頂部分加設(shè)傾斜玻璃。這樣做可大大增加得熱量，但傾斜部分的玻璃擦洗比較困難。
另外，夏季時，如無適當(dāng)?shù)母魺岽胧?，陽光間的氣溫往往變得過高。冬季時，由于玻璃的保溫能力非常差，如無適當(dāng)?shù)母郊颖卮胧?，則日落后室內(nèi)氣溫將會大幅度地下降。
圖5 活動外遮陽構(gòu)造
圖6 附加陽光房
3 新型節(jié)能保溫材料和新技術(shù)的應(yīng)用
（1) 墻體節(jié)能技術(shù)
主要做承重用途的單一材料墻體，往往較難滿足日益提高的保溫隔熱要求，因此在節(jié)能的前提下，出現(xiàn)了蒸壓加氣混凝土砌塊、砂加氣混凝土砌塊、空心陶粒磚砌塊、以及輕質(zhì)復(fù)合墻體等，逐漸成為市場的主流。復(fù)合墻體一般用磚或者混凝土作為承重結(jié)構(gòu)，并與絕熱材料復(fù)合；或者用鋼或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，用薄壁材料夾絕熱材料作為墻體。 按復(fù)合材料的不同處理手法可分為內(nèi)保溫、外保溫以及中間保溫等。
（2) 門窗節(jié)能技術(shù)
在建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，門窗的保溫隔熱效果較差，門窗縫隙也是冷風(fēng)滲入的一個重要通道，改善門窗的絕熱性能，是節(jié)能工作的重點。傳統(tǒng)的辦法是控制窗墻比，即窗戶面積與窗戶面積加外墻面積之比值，提高門窗制作質(zhì)量，如加密封條，減少冷風(fēng)滲透等，注意隔熱條的選用，隔熱條對隔熱門窗的整體穩(wěn)定性起到關(guān)鍵作用；。
在門窗節(jié)能中，改善窗戶保溫效果是比較有效的手段之一。市場上中高檔的住宅產(chǎn)品多采用中空玻璃、隔熱玻璃、反熱玻璃等，隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，象低輻射鍍膜玻璃(Low-E玻璃)等節(jié)能玻璃，在應(yīng)用中也逐步在得到加強。
（3) 屋頂節(jié)能技術(shù)
平頂屋頂和尖頂屋頂都可以采用設(shè)置保溫層的辦法到達(dá)節(jié)能的目的，提高頂層住戶的居住質(zhì)量?，F(xiàn)在新的趨勢是眾多樓盤出現(xiàn)了屋頂花園?！拔蓓斁G化”作為一種不占用地面土地的綠化形式，不僅能為城市增添綠色，而且能減少建筑物屋頂?shù)妮椛錈幔瑴p弱城市的熱島效應(yīng)。在如今大部分小區(qū)內(nèi)用于綠化的規(guī)劃用地所剩不多的狀況下，發(fā)展“屋頂綠化”便成了住宅添綠的重點（圖7）。
圖7 屋頂花園
屋頂綠化將會成為流行趨勢，但要注意夏熱冬冷地區(qū)特殊氣候的影響，避免冬季形成“敗景”；應(yīng)在技術(shù)上考慮樓體的承受力，頂層的排水和遇到大風(fēng)天氣等問題，提高工程質(zhì)量。
（4) 設(shè)備系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)
平衡供暖、熱量按戶計量及室溫控制調(diào)節(jié)、管道保溫都是節(jié)能工作發(fā)展的方向。平衡供暖是指利用計算機對供暖系統(tǒng)進(jìn)行全面的水利平衡調(diào)試，改善供暖質(zhì)量，同時節(jié)約能源；管道保溫可加強對輸暖管道的保溫處理，減小熱損失。
同時需要注意的是，隨著人們住房條件的改善和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的取暖方式已被燃?xì)?、電熱、地板取暖等多種方式所替代。尤其是地板取暖以其節(jié)省空間、熱力分布均勻、符合人健康生理特點更為人們所喜愛。
地板取暖是通過埋設(shè)于地板下的加熱管——鋁塑復(fù)合管或?qū)щ姽?，把地板加熱到表面溫?8至32攝氏度，均勻地向室內(nèi)輻射熱量而達(dá)到取暖效果。地板取暖相對于傳統(tǒng)取暖優(yōu)勢明顯，房間溫度分布均勻，有利于營造健康的室內(nèi)環(huán)境，可杜絕灰塵團(tuán)和渾濁空氣的對流，高效節(jié)能，節(jié)省空間（圖8）。
圖8 地板采暖結(jié)構(gòu)
三 建筑節(jié)能技術(shù)展望
夏熱冬冷地區(qū)屬非采暖地區(qū)，每年都有一個難熬的冬季，這是該地區(qū)建筑節(jié)能技術(shù)的難點。如何將白天日照過剩的熱量貯存在相應(yīng)的“物體”之中，待夜間室外氣溫下降，室內(nèi)無補充熱源時，通過輻射釋放貯存起來的熱量，是十分關(guān)鍵的技術(shù)?！百A存熱量”的物體必須滿足高熱容和極佳的保溫層，需要時能順利散熱。這可能是建筑物中的某個組成部件或是建筑本身，它涉及到復(fù)雜的高新科技。當(dāng)然，我們希望利用最常規(guī)的手法達(dá)到相同的目的。
室內(nèi)蓄熱，利用建筑室內(nèi)構(gòu)配件進(jìn)行熱量貯存，通過合理選用高熱容材料，正確設(shè)定其相應(yīng)達(dá)到蓄熱的目的；
通過物相變化達(dá)到蓄熱目的，是建筑熱量儲存方法的發(fā)展方向，其高效率的熱量輻射可以大大改善室內(nèi)熱環(huán)境；
利用貯熱水箱貯存熱能不失為一種簡單有效的方法，將白天多余的太陽熱能通過水網(wǎng)盤管吸熱成溫水，不斷貯存于有良好保溫措施的熱水箱中，夜間再通過管網(wǎng)輸送回室內(nèi)空間。這種釋放熱量要恰到好處，過早或過遲或過強或過弱均會造成室內(nèi)溫度不適。熱釋放是以輻射方式進(jìn)行，應(yīng)保證輻射對室內(nèi)相對穩(wěn)定地傳熱，必須使貯熱單元的溫度達(dá)到均勻，并對其輻射方向作好組織，以使“能盡其用”；
比較理想的辦法是，高熱容的貯熱體不一定是室內(nèi)所有墻面，可以是南立面一部分面積，經(jīng)設(shè)計選材，達(dá)到熱滯后散熱目的。
輻射源應(yīng)選擇在建筑幾何中心位置，并與室內(nèi)空間無任何遮擋，應(yīng)用地面層以下的卵石貯熱，其樓板要做薄板，以保證輻射指向室內(nèi)，提高采暖效率。以冬季采暖為目的，輻射源數(shù)量越多越好；
總之，解決夏熱冬冷地區(qū)冬季的取暖問題，是該地區(qū)建筑節(jié)能技術(shù)的一大難題，建筑師與設(shè)備專業(yè)的設(shè)計師們?nèi)沃囟肋h(yuǎn)，解決難題、攻克難關(guān)，指日可待。一位經(jīng)濟學(xué)大師說過，夏熱冬冷地區(qū)的居民如果都能享受到冬季取暖的條件，那就是小康的標(biāo)志。