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基于能耗模拟的建筑节能整合设计方法研究朱学艺

发表时间：2020/5/28 来源：《基层建设》2019年第35期作者：朱学艺

[导读] 摘要：近年来，能源与环境问题日益凸显，对建筑节能提出了更高的要求，当常规节能设计方法无法有效地提高建筑整体的节能减排效率，节能设计方法的优化转型刻不容缓。

        深圳建昌工程设计有限公司海南分公司
        摘要：近年来，能源与环境问题日益凸显，对建筑节能提出了更高的要求，当常规节能设计方法无法有效地提高建筑整体的节能减排效率，节能设计方法的优化转型刻不容缓。鉴于此，本文探索了一种应用于方案设计阶段，且综合考虑城市和建筑多层面设计因子的系统化整合设计方法——基于能耗模拟的建筑节能整合设计方法。基于能耗模拟的建筑节能整合设计方法的研究希望帮助设计师拓展思维，探索转变原有的设计思维模式，为最大限度的提高节能效率提供方法和技术支持，以合理控制和引导节能设计的具体展开。
        关键词：能耗模拟；建筑节能；整合设计
        一、生态背景下的建筑整合设计理论
        技术与设计，如同功能与形式，从来都是建筑设计理论讨论的两个重要元素。基于科学理性的技术规定了建筑的客观规则，而基于诗意感性的设计则创造性地制定了建筑的主观秩序。技术最初独立于设计之外，以独立、松散的形式出现在建筑师面前，诸如法规、规范、空间使用要求、结点构造等条文或数据形式。而设计的创造性则体现在建筑师凭借自身探索、并以诗意的表达来描绘客观形态之间的关系，诸如用地布置、空间连接、形式的调整等内容，这种诗意的安排不需要了解物理定律，只要关注设计元素之间的本能的、含蓄的关系。然而，诗意作品的最终实现需要综合主观秩序与客观规则，将设计落实在技术上。在资源有限与环境污染问题引发生态关注的大背景下，建筑整合设计揭示了技术与设计的这种调和关系，并指引着技术与设计的螺旋发展走向有机的系统整合。
        整合设计要素
        建筑整合的概念源于设计与技术的螺旋发展路线，随着专业分科的日趋精细化及学科交叉研究的不断展开，它涉及的面越来越广，研究的内容也愈加深入，逐步走向全球化的系统综合。建筑整合的设计要素包括要素构成和整合对象两方面内容，要素构成为整合的基本元素，整合对象则是指这些基本元素之间或这些基本元素构成的系统之间的联系。基本元素就好像原子，原子之间相互作用构成分子，分子再组成物质，整合对象就是研究由原子到分子，再由分子到物质，整个过程中要素间的作用关系。而建筑整合设计毫无疑问需要把建筑置于地方的、区域的，甚至全球的大背景下，研究影响建筑整体性能的因素及作用过程。

        1)要素构成
        建筑整合设计的基本要素包括：
        -外部环境，包括自然环境与人工环境，气候条件与场地特征。气候条件是指区域和地区的气候资源条件，包括土壤、空气、水等内容，主要采用室外气温、相对湿度、太阳辐射、风速与风向等因子进行衡量；场地特征研究影响局部微气候条件的地形、植被、水体、构筑物等自然与人工因素。建筑自身，指建筑自身的结构系统、维护系统、设备系统、空间系统等。
        结构系统由承重墙、梁、柱等构件组成，维护系统由外墙、外窗、地板和屋顶等构件组成，设备系统包括空调、采暖、照明等系统类型，空间系统则主要关注空间布局、功能流线等内容。
        2)整合对象
        建筑整合的设计对象主要包括：
        -建筑各组成部分，是指结构系统、围护系统、设备系统、内部空间系统内部以及各系统之间存在的相互制约、相互促进的关系。-建筑与外部环境，关注建筑与室外环境之间的相互作用关系，主要涉及自然采光、自然通风、室内太阳得热、维护结构传热、城市热岛效应、环境污染等方面内容。建筑与使用者，研究使用者行为对建筑运行的主观能动作用，及建筑系统对使用者行为的限制调整。此外，整合设计还应结合设计团体合作与设计过程控制，以保证整合设计的最终实施：
        设计团体，包括参与建筑设计的各相关团体，如建筑设计师、规划设计师、暖通设备工程师、承包商、开发商、政府等。建筑整合设计应该是一个多学科领域人士集体协作的过程，是集体智慧的结晶。
        设计过程，包含方案设计、初步设计和施工图设计三个阶段。建筑整合设计越早开始，机会越大。此外，调整各阶段设计内容和控制设计深度以实现优化对接，可以极大地提高设计效率。建筑整合设计提倡从整体出发，综合考虑建筑内部组成及建筑与人、建筑与环境之间的相互作用关系，以实现建筑物理功能、视觉形式，乃至建筑性能的有效整合。现代设计方法论则从设计哲学的角度研究了20世纪60年代以来的第一代设计方法与第二代设计方法。第一代设计方法主张按照“设计分析—设计综合—设计评价”的逻辑理性的线性模式来处理设计问题，然而设计状态的已知性及固有的应用缺陷使其遭到广泛的质疑。第二代设计方法则实现了建筑设计的科学理性与创造性思维的统一，它肯定了前期先验的设计构想，提倡在此基础上的动态渐进的循环求解过程，可以较为有效的解决实际的设计问题。总的来说，建筑整合设计理论所倡导的有机系统的设计思维模式，与第二代设计方法所提出的全面、开放的动态设计方法，为建筑节能整合设计方法的提出奠定了坚实的理论基础。
        二、建筑节能整合设计方法研究
        2.1常规节能设计
        往往伴随建筑工程设计的进行而展开。由于建筑工程设计一般包含方案设计——初步设计——施工图设计三个阶段，对于规模较小的项目也可直接由方案设计进入施工图设计阶段，常规节能设计也可分为三个或两个阶段。
        方案设计阶段关注建筑群规划和建筑本体的节能设计，主要由建筑师完成；初步设计与施工图设计阶段的节能设计则还包括设备系统的节能设计，一般由暖通空调及电气工程师完成。总的来说，常规节能设计主要包含两方面工作内容，即方案前期的设计推敲和方案基本确定后的节能评价与小范围的设计优化。
        设计推敲发生在方案设计阶段，又可分为规划设计和单体设计两个阶段。规划设计阶段，根据项目规模和使用性质，结合周边环境条件确定建筑物或建筑群的规划布局和朝向，以及绿化和水体的布置，等设计内容；单体设计阶段，根据相关的节能设计规范或标准选择合理的体形系数，确定外立面窗墙比，进行围护结构的保温隔热设计和外窗遮阳设计，等。设计推敲经常会用到各类专业分析工具，如使用采光、遮阳和通风等模拟软件预测规划和设计方案的室内外光环境和风环境，从而比较和筛选方案。比较和筛选的原则根据地区气候和环境条件，结合建筑或建筑群自身特征确定。以我国寒冷地区为例，建筑或建筑群的规划布局应有利于夏季自然通风同时避开冬季主导风向，建筑外窗的遮阳设计应避免夏季不利阳光入射，同时在冬季争取尽可能多的阳光入射。

        初步设计阶段的节能设计更多的是对方案内容和技术细节的深化和完善。该阶段的工作内容主要是处理因方案修改所带来的节能设计问题，同时进一步完善方案设计阶段的节能技术细节。
        综上可知，方案设计阶段的设计推敲虽然有助于把握节能设计的基本方向，但设计推敲只涉及影响建筑节能的部分因素，并未综合考虑其它影响建筑用能的隐性因子，如体形系数、窗墙比、建筑使用行为、等等，因而不能有效地指导设计优化；而施工图设计阶段的节能评价虽可用于指导设计优化，却只能是小规模或局部的方案调整。可见，使用常规方法进行节能设计并不能有效地提高建筑整体的节能效率。
        2.2建筑节能整合设计方法的提出
        面对建筑节能标准的不断提高，采用常规节能设计方法进行节能设计已经越来越难以满足要求，因此有必要转变思维模式、突破设计瓶颈，探索现有设计方法的优化升级。令人鼓舞的是，建筑整合设计理论的出现提供了一种有机系统的设计思维模式，而第二代设计方法的形成则倡导了一种系统、开放、动态的设计方法，两者为建筑节能整合设计方法的提出奠定了坚实的理论基础。设计方法的理论成果，建筑节能整合设计方法可以归纳为：目标拟定、设计分析、设计假设、综合评价、内部反馈五个部分。
        1)目标拟定
        综合考虑各种限制条件，包括国家或地方相关设计标准、政策、总体规划目标和甲方要求等，确定设计目标。
        2)设计分析
        尽可能的收集信息，集中处理为规范统一的信息源，同时对信息进行分类；然后在信息获取与分类的基础上挖掘知识规则，并据此搭建信息模型，为设计师提供一个综合部件属性、静态规则、动态规则于一体的系统模型。
        3)设计假设
        根据设计分析结果，在限制范围内提出一个或多个假设方案。这里主要是假设影响用能的建筑和环境因素，如周边建筑遮挡情况、建筑围护结构热工属性、遮阳情况、使用行为等等，这些因素可能对应的指标参数需要根据地区或国家标准确定取值。
        4)综合评价
        方案评价与筛选。可以采用清单列表法，或生命周期评价法，又或者基于建筑能耗模拟的评价方法，进行综合的方案评比，以筛选方案。另外，对于基于能耗模拟的评价方法，多方案的比较与综合还有利于辨析设计变量之间的相互作用关系，从而确定主要的设计变量，指导下一循环的设计优化。
        5)内部反馈
        根据设计综合阶段的评价结果进行内部反馈，若评价结果达到设计目标，则参评方案即为最终的优化方案；否则，需要根据评价结果修正信息模型中各变量间的联系，重新经历“设计分析——设计假设——综合评价”的过程，然后不断地循环优化，直到获得满意的方案。
        区别于常规的终端式线性工作路线，这是一个开放的、动态的循环求解过程，并且要求各学科专业人士在方案前期就参与进来。设计方法的开放性增加了设计优化的可能性，因而采用该方法进行节能设计可以获得远远高于常规方法的节能效率。
        需要注意的是，常规的节能设计方法贯穿方案设计——初步设计——施工图设计的整个工程设计流程，而建筑节能整合设计则致力于整合各个阶段的设计优势应用于方案设计阶段。这主要因为，在方案设计阶段，方案还未确定，设计优化的机会更多，通过有效的节能设计不仅可以最大限度的减少建筑用能，而且可以为后期节能设计创造良好环境。
        三、单体与局部设计层面的整合设计
        上节通过案例研究探索了节能整合设计方法在单体与局部设计层面的应用，本节将对该层面涉及的节能设计因子、整合契机和方法实施步骤进行较为全面的研究。单体与局部设计层面研究的对象包括单体建筑、单元楼、楼层、单元户型，并涵盖建筑维护结构、设备系统、使用行为、可再生能源利用等多方面的设计因子。
        3.1围护结构与建筑节能
        围护结构分隔室内与室外空间，是进行室内外热交换的主要途径，在建筑节能设计中扮演着非常重要的角色。围护结构由围合建筑与房间的门、窗和屋顶等构件组成，合理的围护结构设计可以抵御外部环境的不利影响。下面主要从建筑形式与朝向、建筑外立面、屋顶与地面三个方面分析和讨论了建筑维护结构与建筑节能之间的关系。
        3.2建筑形式与朝向设计与建筑形式
        建筑形式的复杂程度可使用体形系数衡量，即建筑表面积与体积的比值，它决定了建筑表皮与室外环境之间的热交换能力。例如，接近正方体的紧凑建筑的体形系数低于加长或带翼建筑的体形系数，因而围护结构的冷、热损失相对较低。对于有采暖需求的地区，建筑体形设计宜简单紧凑减少冬季热损失，同时考虑在东西向适当加长以获得更多冬季阳光入射。此外，建筑形式越凹凸延展，表面积越大，细节越多，热桥现象产生的可能性也越大。然而，大型建筑的体形设计若过于简单可能导致室内采光与通风不足，因此建筑师应结合室内布局与采光合理选择和调整建筑形式。需要注意的是，现有的居住建筑和公共建筑节能设计规范虽然提出了适用于不同气候区的体形系数要求，考虑到整合设计层面各设计要素间的动态关系，其合理性还有待进一步考证。
        建筑朝向设计合理，可便于有效利用现有光环境与风环境，减少建筑的采暖、制冷与照明方面的用能需求。建筑朝向结合外窗设计共同决定了建筑的采光、日照与太阳得热能力，并影响室内的自然通风组织。对我国大部地区而言，南向外窗获得的太阳辐射最多，北向外窗则最少（通常只在夏季的早晨与傍晚），而东西向外窗只在一天的某段时间获得阳光。建筑有利朝向一般由地方气候条件决定，我国大部分地区以朝向南北或接近南北（向东西偏30度范围内）为最佳。
        此外，朝向设计还应考虑对邻近建筑的影响，如可能造成的日照遮挡和风速风向的变化。
        3.3建筑外立面设计
        建筑外立面的窗墙比、外窗可开启面积、立面遮阳、外墙与外窗选材等设计因子是影响建筑室内采光、日照以及室内外热交换的主要因素。立面开窗设计（自然采光、自然通风）立面开窗设计一般要求控制窗墙比和外窗可开启面积，在满足自然采光和通风要求的同时，减少不利阳光的入射。我国现有的公共建筑节能设计标准（GB50189-2005）规定公共建筑各朝向窗墙比不应大于70%，外窗可开启面积不应小于窗面积的30%121；适用于各气候区的居住建筑节能设计标准也规定了不同朝向的窗墙比限值，及外窗可开启的面积比例，以夏热冬冷地区为例，外窗可开启面积（含阳台面积）不应小于外窗所在房间地面面积的5%122。
        3.4立面遮阳设计（百叶、阳台、雨篷等）
        有制冷需求的建筑，其外窗与幕墙系统宜进行遮阳设计，如采用百叶、窗帘、雨篷等辅助构件，或利用建筑自身结构构件如阳台和玻璃自身，以遮挡室外阳光、避免室内过热，从而降低建筑制冷负荷。
        立面遮阳按遮阳方式可分为垂直遮阳、水平遮阳、综合遮阳和挡板遮阳。水平遮阳用于遮挡高度角较大、自窗口上方投射下来的阳光；垂直遮阳用于遮挡高度角较小且自窗侧斜射进来的阳光，对于高度角较大、来自窗口上方的阳光，及平射窗口的阳光不起遮阳作用；综合遮阳用于遮挡自窗前斜射下来的中等入射高度角的阳光遮阳效果较均匀；挡板式遮阳一般用于遮挡高度角较小且正射窗口的阳光。外窗设计应根据地区气候条件、建筑朝向和房间使用功能等，选择适合的遮阳方式。一般来说，南向或接近南向外窗宜采用水平遮阳或活动式遮阳；东北或西北向外窗宜采用垂直遮阳；东南或西南向外窗宜采用水平与垂直遮阳结合的综合式遮阳；东西向或接近东西向外窗宜采用挡板式遮阳或可遮住窗户正面的活动式遮阳，对位于夏季炎热地区的建筑尤其如此。
        3.5屋顶与地板设计
        与外墙比较，屋顶较难被遮挡且与太阳辐射光线的夹角较大，因而接收到太阳辐射的可能性较大且强度较高。炎热地区，太阳辐射较强，可能导致屋面温度过高，从而影响室内热舒适度和增加制冷能耗。地板由于直接接触地面，温差所导致的土壤与构件传热对室内用能有一定影响。与屋顶和地板相关的节能设计主要涉及屋顶和地板的保温隔热性能、被动式制冷屋面、主动式制冷屋面以及地板架空设计等相关内容。
        屋顶和地板的保温隔热性能决定了屋顶在室内与室外之间、地板在室内与地面之间的导热能力。其中，屋顶用传热系数衡量，而地板则一般通过构件热阻来衡量。地板的保温隔热性能与其热阻正相关，即热阻越大，保温隔热性能越好。我国现行的节能设计标准规定了不同气候区居住和公共建筑围护结构传热系数和地板热阻的限值。
        该层面的节能整合设计除了综合考虑以上设计因子，还要求协调各因子间的相互作用关系，如，建筑朝向、窗墙比和外窗遮阳系数，自然通风与机械通风，自然采光与照明设计，外窗遮阳与自然采光，被动式设计与主动式系统，室内得热与建筑采暖和制冷，等设计内容的内在联系。
        室内环境层面的整合设计则要求在满足室内热舒适性要求的前提下，综合考虑室内房间布局、围合构件与家具、阳光间、设备系统布局等因素对建筑用能的影响。此外，它还要求协调室内房间布局与阳光间设置，以及围护结构材料性能与表面辐射制冷与采暖系统等因素间的相互作用关系。
        结束语
        建筑节能整合设计方法是一种系统的设计方法。它集成了建筑整合设计与第二代设计方法的相关理论成果，与常规节能设计方法相比，无论在设计内容、设计流程、设计目标、评价方法、成果形式、使用工具方面，还是设计团队协作方面都有很大的进步。由于它整体的、系统的、有机的考虑了影响建筑用能的相关因素，使用该方法进行节能设计，可获得高于常规节能设计方法的节能效率。
        参考文献
        [1]基于能耗监测数据的在线节能诊断技术研究[J].付彩峰.建筑技术开发.2018(10)
        [2]空调办公建筑能耗预测回归模型[J].杨平.西安建筑科技.2019(5)
        [3]中外公共建筑节能标准比对研究[J].张时聪,徐伟,袁闪闪,刘江.暖通空调.2019(1)
        [4]烟台某高级中学采用电采暖经济及节能性分析[J].王丽明.建筑节能.2019(01)
        [5]支持向量机在建筑能耗预测中的应用[J].李茅明.建筑节能.2019(2)
        [6]基于能耗诊断分析模型的建筑节能潜力研究[J].胡云.中国高新技术企业.2018(2)
        [7]夏热冬冷地区既有公共建筑围护结构节能改造策略洪双.建筑节能.2019(08)
        [8]既有公共建筑节能改造市场化途径研究[J].侯生.城市发展研究.2019(06)