基于TRIZ理論的城市住宅外窗節(jié)能設計研究

摘要：建筑的產(chǎn)生的原本就是人類為了抵御自然氣候的嚴酷，從而改善生存條件的“遮蔽所”，使其間的微氣候適合人的生存。作為全世界都在關注的熱點問題，建筑節(jié)能是建筑技術進步的一個重要體現(xiàn)。

本文運用發(fā)明問題解決理論，對建筑外窗存在的物理矛盾進行了分析，提出了建筑節(jié)能外窗優(yōu)化設計的方法以及創(chuàng)新性方案。

關鍵詞：建筑節(jié)能；TRIZ理論；發(fā)明原理；建筑外窗節(jié)能設計

1.建筑外窗的物理矛盾分析

阿奇舒勒對物理矛盾的定義是：在一個技術系統(tǒng)中，對表述系統(tǒng)性能的同一個參數(shù)具有相互排斥（相反的或不同）需求所構成的矛盾，即當矛盾中的“改善的通用工程參數(shù)”和“惡化的通用工程參數(shù)”是同一個參數(shù)時，就屬于物理矛盾。物理矛盾又可以表述為，技術系統(tǒng)要求某一參數(shù)性質為A+，同時又要求這一參數(shù)性質為A-。解決物理矛盾的核心思想是實現(xiàn)矛盾雙方的分離。

1.1物理矛盾描述：

在冬季，希望建筑外窗具有吸熱保溫的功能，實現(xiàn)室內溫暖的效果，但是到了夏季，又希望建筑外窗具有阻擋熱量進入的功能，讓室內涼爽。

1.2運用分離原理：

現(xiàn)代TRIZ理論除了總結解決物理矛盾的辦法，還在此基礎上，提煉出了四個“分離原理”，分別是空間分離、時間分離、條件分離和整體與部分分離。

根據(jù)對建筑外窗的物理矛盾分析，可以得出適用的分離原理為空間分離與時間分離。空間分離是指矛盾雙方（同一參數(shù)的兩個相反需求）在空間上處于不同的地點，可以讓系統(tǒng)在不同的地點具備相應的特性一滿足不同的需求；時間分離原理是把矛盾雙方在不同的時間段上分離，以解決問題或降低解決問題的難度。確定了使用時間分離解決物理矛盾。

經(jīng)過以上分析過程，可以得出對解決問題有效的發(fā)明原理有7種，分別是：NO.35物理或化學參數(shù)改變原理，NO.22變害為利原理，NO.39惰性環(huán)境原理，NO.1分割原理，NO.4增加不對稱性原理，NO.13反向作用原理，NO.15動態(tài)特性原理。

2.基于TRIZ發(fā)明原理的節(jié)能窗設計方法

在對建筑外窗的TRIZ分析與熱工性能原理結合分析的基礎上，得出了一系列可用的發(fā)明原理，在這些發(fā)明原理中，可提煉出有用的設計原則，為建筑外窗的節(jié)能設計提出新的思路。

2.1體現(xiàn)“動態(tài)特性原理”設計方法

根據(jù)動態(tài)特性原理，可改變或調整建筑外窗的組件的各部分性能，使其在不同季節(jié)不同時間，都能實現(xiàn)節(jié)能目標。通過動態(tài)設計原則，我們可以從多角度思考。

（1） 改變窗框打開方式策略

（2） 增加遮陽系統(tǒng)動態(tài)特性策略

2.2體現(xiàn)“物理或化學參數(shù)改變原理”設計方法

根據(jù)物理或化學參數(shù)改變原理，可改變建筑外窗各組件的物理或化學性能，從而提升節(jié)能效率。通過改變物理或化學參數(shù)原則，作為設計師能做到的就是盡可能多的了解不同材料的物理與化學特性，在實際設計中，將這些有利于設計目標的物理與化學特性“借”來使用，進而提升整體建筑外窗的節(jié)能性能，使節(jié)約能源做到最大化。

（1） 改變窗框系統(tǒng)材料策略

（2） 改變玻璃系統(tǒng)材料策略

（3） 增加玻璃覆膜策略

（4） 玻璃系統(tǒng)的重新整合策略

（5） 改變遮陽部件策略

（6） 增加遮陽部件覆膜策略

2.3體現(xiàn)“變害為利原理”設計方法

建筑外窗在不同季節(jié)不同時間其傳熱與得熱的形式是不同的，太陽輻射所帶來的豐富的熱能在冬季就是十分有利的因素，但是到了夏季，就成為了有害因素。在建筑外窗的節(jié)能設計中，應充分利用各種條件，進而得到有益的設計結果。不同氣候不同地區(qū)都有著不同的環(huán)境因素，有些因素是需要放大的，有些是需要削弱甚至阻隔的，在實際的設計過程中，我們需要酌情考慮，判斷有利有害的因素，通過設計的手段提升建筑外窗的節(jié)約能耗的性能。

2.3體現(xiàn)“惰性環(huán)境原理”設計方法

惰性環(huán)境原理中提到使用惰性環(huán)境代替通常的環(huán)境，甚至是使用真空環(huán)境，在外窗的設計中，我們不可能將整個外窗至于惰性環(huán)境中，但是，我們可以嘗試將外窗構件至于惰性環(huán)境甚至是真空環(huán)境中。

（1） 增加窗框系統(tǒng)的惰性環(huán)境策略。

（2） 增加玻璃系統(tǒng)的惰性環(huán)境策略。

2.4體現(xiàn)“反向作用原理”設計方法

基于反向作用原理中提到的內容，可以提出以下設計策略。

（1） 改變外窗的上下位置策略。

（2） 改變外窗的內外位置策略。

2.5體現(xiàn)“分割原理”設計方法

完整的建筑節(jié)能外窗系統(tǒng)由各個不同的組件組成，包括窗框系統(tǒng)、玻璃系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、通風系統(tǒng)與遮陽系統(tǒng)等。當面對不同的能耗問題時，建筑外窗的不同組件所擔任的指責不同，從設計角度出發(fā)，可將不同的組件的功能分開看待，每個問題分開解決，最終整合成一個完整的設計。

（1） 分割窗框系統(tǒng)策略。

（2） 分割玻璃系統(tǒng)策略。

2.6體現(xiàn)“增加不對稱性原理”設計方法

現(xiàn)在的建筑外窗大都是結構對稱的，基于增加不對稱性原理，可以增加建筑外窗整體的不對稱性，進而提升性能。

（1） 增加窗框系統(tǒng)的不對稱程度策略。

（2） 增加玻璃系統(tǒng)的不對稱程度策略。

參考文獻：

【1】趙鋒，創(chuàng)新思維與發(fā)明問題解決方法，西北工業(yè)大學出版社，2017.

【2】趙鋒，《TRIZ理論及應用教程》[M]，西安：西北工業(yè)大學出版社，2010.

作者簡介：劉靜（1994.12.30～）性別：女，籍貫：陜西省西安市，單位：西安建筑科技大學，學歷：碩士研究生，研究方向：工業(yè)設計工程