建筑節能及其在建筑設計中的應用研究

徐娟 江西省建筑設計研究總院集團有限公司

1 前言

建筑設計理念和內容直接影響建筑節能效果，因此，想要提高節能效果，應控制調整建筑設計。在設計階段將節能理念融入建筑結構和不同單體中，選擇具有高度節能降耗的建筑材料，使建筑結構保持正常功能的同時，能夠有效節約對能源的利用，從而實現有效的節能設計和建設。

2 建筑節能設計要求

建筑節能指的是在建筑設計、構建和使用過程中，減少對能源的消耗并保障建筑質量。建筑設計不僅影響建筑施工過程中的能耗，對后續建筑使用時的能耗也有較大影響。因此應提高對建筑設計階段的重視，通過節能設計，提高建筑節能效果。在進行建筑節能設計時，應滿足以下幾點要求。

其一，保持室內環境宜居。建筑建設的目的是為人們提供生活和工作環境，因此應保障建筑室內環境的舒適度，避免因節能造成環境惡劣的情況。

其二，確保能源的合理利用。想要提高節能效果，應從提高能源利用效率的方向發展，通過合理利用能源，提升能源利用效率，進而減少對能源的需求，實現能源的節約使用。

其三，堅持建筑能源可持續發展。在進行設計的過程中，應堅持綠色可持續發展理念，通過恰當的設計，循環使用能源，進一步提升能源的利用效率，減少能源耗費。

其四，堅持節能設計與成本相協調。由于部分建筑節能設計的成本較高，并不適用于所有建筑中，因此在設計過程中，應根據建筑的預估成本展開設計，使建筑經濟效益與節能相契合，從而使建筑節能設計保持長遠發展。

3 建筑能耗特點

建筑能耗是指在建筑施工和使用時產生的能源耗費，在建設施工過程中，建筑能耗主要包括：建材構件、運輸施工、人員管理等；主要能耗包括：建筑空調、取暖、照明、供給水以及建筑結構能耗（如門、窗、圍護結構等產生的能源消耗）。

建筑能耗特點主要體現在不同功能建筑上的能耗差異較大，如公共建筑和住宅建筑，以及城鄉不同類型的建筑等。公共建筑中的能源消耗一般大于住宅建筑，城市中的能源利用效率一般高于鄉村建筑。因此在進行建筑節能設計的過程中，應結合實際的建筑特點進行合理設計，才能有效提高建筑的節能效果。

4 建筑設計中節能技術的應用

4.1 建筑設計中BEM建模耗能預測

BEM又稱建筑能耗模型，其能夠通過建模方式合理預測建筑能耗，從而幫助設計人員了解建筑設計的實際情況，并結合建筑能耗的實際情況，調整和修改建筑設計，提高能源使用效率，避免過度耗能的情況。

在構建BEM模型的過程中，首先，應進行參數化建模。該階段需要利用建筑模型數據庫，構建相應的標準化參照模型。通過分析和轉化基礎的通用模型，在標準化設計和數據下進行轉化，成為標準節能參照模型。

其次，自動化仿真。在模型的基礎上，加載自動化仿真能源耗費程序，從而提供對工程的建設效果。使用EnergyPlus軟件對模型能耗進行模擬和計算。在運行過程中，通過模擬管理器控制整體模擬計算過程，借助數據生成建筑模型，全面能耗模擬建筑在自然條件下的室溫控制、光照調整以及空調運行等情況，導出模擬結果進行計算。在模擬過程中需要人工輸入氣候變化情況，在不同氣候條件下，分析建筑能耗模擬情況，從而得到相應的耗能結果。

最后，預測建筑能耗情況。使用神經網絡對建筑能耗結果展開分析計算，從而提高能耗預測的準確性。通過構建神經網絡結構，全面分析相關數據，使用公式：

其中ω為不同神經元之間連接的權值，m為神經元，其收到的信號為Am[]1，θ為神經網絡傳輸的閾值，通過計算對不同神經元結構承重的魯棒性和可靠性進行分析，從而提高對問題的了解情況，幫助信息的有效傳遞，不斷提高計算建筑設計中的相關能耗。

結合實際應用情況進行分析，選擇不同建筑案例中的相關數據，將建筑使用時間規定為2500h，建筑全年進行采暖和制冷，其負荷為（Eh，Ec），并分析其數據，了解不同因素影響下的建筑能耗情況。設置影響因素，以建筑幾何影響為例：建筑立面、門窗比、室內面積、層高等，分別選擇相應的建筑參數進行分析和計算，如表1所示。

表1 建筑幾何參數取值范圍

根據參數進行計算，借助EnergyPlus方法計算該數據下的能耗情況，并分析模型仿真能耗的情況。通過計算能夠了解到，不同區域如南方和北方對建筑供暖和制冷方面能耗的需求存在差異。在此基礎上，建筑的幾何形狀對建筑能源消耗存在較大影響。通過使用BEM模型的方式，能夠合理計算建筑能耗情況，進一步預測和分析工程的建設效果，便于建筑設計的調整和優化。

4.2 節能建筑場地布局設計

在建筑節能設計的過程中，應考慮不同的影響因素，如建筑場地、平面布局等方面，均會對建筑使用過程中的能耗產生影響，因此在實際的設計過程中，需要借助恰當的節能布局設計，降低建筑能耗。

4.2.1 場地區域設計

在場地設計的過程中，影響建筑能耗的主要因素為場地區域的氣候因素，具體包括：光照情況和溫度變化情況。在建筑選址時，環境的地形地貌不同，直接影響建筑室內的熱環境，如表2所示。

表2 不同地形地貌的熱環境情況

在分析場地朝向時，應盡量結合實際區域和需求來選擇，優化建筑朝向設計，從而減少能耗。以寒冷區域為例，在對該區域開展建筑設計時，由于寒冷區域的供暖消耗為最大的能耗項目，降低能耗的主要方式是提高建筑自然供暖效果，減少供熱過程中的能量消耗。因此，通過調整建筑朝向，使更多太陽輻射進入建筑中，能夠有效增加室內的熱量，降低對采暖的需求。一般情況下，對于北方寒冷城市來說，房屋朝南效果最佳，但由于地理位置和陽光射入方向等影響，不同區域存在一定差異。設計人員可以使用Weather Tool軟件和EnergyPlus數據庫，計算不同區域的建筑最佳朝向。例如，北京市建筑最佳朝向為南偏東17.5°，而大連市的最佳朝向為南偏西20°。

4.2.2 建筑平面布局設計

在對建筑平面布局優化設計的過程中，應對比和分析不同平面形狀的耗能情況，常見建筑平面為正方形、長方形、圓形和三角形。在分析時應控制不同形狀的建筑體積，保持建筑體積相同的情況下進行能耗對比。假設將不同形狀的建筑物底面積和高度進行控制，如正方形邊長為10m，將建筑的窗墻比控制為0.3后，利用EnergyPlus和BEM模型全年能耗模擬計算，并對結果加以分析。對建筑采暖和制冷時消耗的能量計算和對比，計算二者之和并對比。其中長方形建筑的整體能耗量最高為12651.19kW·h，圓形建筑的能耗最小為9289.96kW·h，正方形建筑能耗小于三角形建筑。因此，在對建筑平面開展設計的過程中，在條件允許的情況下應選擇圓形和正方形建筑。

4.3 建筑單體節能設計

建筑單體節能設計過程中，應考慮建筑室內能耗情況及建筑圍護結構，通過恰當的設計優化，減少制冷和供暖過程中能量的逸散情況，提升能量的使用效率，進而優化建筑節能效果。

4.3.1 門窗節能設計

門窗節能設計時，需要分析窗墻比及其材料和隔熱保溫情況。在分析窗墻比時，建筑窗戶面積增大時，其能夠吸收更多太陽能，且通風效果得到提升，但同時也在一定程度上造成大量的能量逸散，因此應結合實際情況調整窗墻比，使舒適度和耗能情況達到相對平衡狀態。在南方溫度較高的環境中，對窗墻比的要求不高，但在較為寒冷的北方區域，窗戶接收太陽能有限，但由于室內外溫差較大，窗戶對能量逸散的影響相對較大，需要控制窗墻比。一般按照朝向不同，給出相應的標準。如朝南建筑應小于0.5，朝北建筑應小于0.23。

4.3.2 墻體節能設計

在墻體節能設計時，主要方式是增加外墻保溫和設置墻體內保溫設施，降低室內外溫度差帶來的影響，減少能量逸散情況，通過保溫層設置，不僅便于北方區域減少室外寒冷溫度的影響，同時在南方炎熱環境同樣適用，其能夠有效減緩外界熱空氣的影響，實現冬暖夏涼，起到良好的節能效果。外墻保溫設計時，應結合不同位置的情況，選擇相應的保溫材料類型。常見類型包括：硅酸鹽保溫材料、鋼絲網水泥泡沫板、硬泡聚氨酯保溫板等。墻體內保溫是在室內進行設計應用，以達到保溫節能的效果。常見技術為：安裝保溫板、涂抹保溫砂漿等。目前隨著節能需求的不斷提升，墻體自保溫技術同樣得到有效應用，通過在墻體施工構建的過程中，優化圍護結構設計性能，使其自帶較強的保溫性能，從而能夠有效提高保溫節能效果，同時減少建筑成本消耗。

4.3.3 屋頂節能設計

屋頂厚度有限，并且高度較高，受太陽能輻射較為嚴重，并且高度的風力較大，冬季較為寒冷，對建筑能量消耗相對較大。在對屋頂進行節能設計的過程中，主要通過兩方面進行控制。

其一，提高屋頂隔熱能力。以南方地區為例，其在夏季受到溫度影響較為嚴重，為控制熱量影響，可以設計架空隔熱屋面，在屋面防水層上方設置一層混凝土結構，使該層不直接與實際的屋頂結構接觸，從而減少陽光輻射對頂層室內的影響，并且架空結構不影響通風，從而避免高樓大風影響，在風流過時還會將架空層的熱空氣帶走，起到良好的隔熱效果，降低室內制冷消耗。

其二，提高屋頂保溫能力。在建筑屋頂設置種植屋面或蓄水屋面，一方面能夠充分利用屋面的空間，提高對空間和太陽能的利用；另一方面，在設置種植區域和蓄水設施時，有利于增加屋頂的厚度，使其保溫能力得到提升，從而減少能量逸散，提高保溫效果。

4.4 建筑節能系統設計

除上文中的相關節能設計，在建筑的相關設備系統應用過程中，仍存在一定的能耗情況。如空調系統、照明系統等，在長時間的使用過程中消耗大量的電能。在進行建筑節能設計時，應優化調整此類系統，減少能源浪費情況。

在設計照明系統時，主要應控制公共空間光源，如使用LED節能燈代替傳統光源，減少電能消耗。在公共區域設置智能控制系統控制照明設備，使用紅外感應設備代替傳統的光感和聲控照明設備，提高對生物識別的精準度，從而真正實現人來燈亮、人走燈滅，有效提高光源控制靈活度，從而降低照明過程中的能源消耗。此外，針對不同區域設置不同照明標準，如室內和辦公室，設置300lux，走廊等區域設置50lux~70lux的照明標準，滿足用戶需求的同時減少能源耗費。

設計建筑用水系統時，通過構建屋頂綠化或屋頂蓄水等方式，提高對水資源的利用，同時在建筑內部設置循環用水系統，如調整衛生間便器水箱或設置簡易凈水裝置，重復使用雨水等，減少水資源浪費現象。

5 結束語

綜上所述，為提高建筑節能效果，應在建筑設計階段樹立節能意識，將節能理念充分體現在不同的設計環境，提高整體建筑的節能效果。設計人員應分析建筑能耗影響因素，從不同影響方面進行調整，充分發揮出建筑節能效果，提高能源使用效率，構建綠色節能建筑。