嚴寒地區近零能耗公共建筑設計方法研究

柳紅明 金圃升

吉林建筑大學（130000）

0 引言

近零能耗建筑起源于歐盟《建筑能效指令》（Energy Performance of Building Directive recast）是為了應對在不同的氣候條件下，在滿足建筑功能性的同時盡可能的節約自然資源，減少能耗，提升能源的利用率，最大幅度減少建筑能源消耗，提高節能設備與技術手段，充分利用自然資源如太陽能、風能、地熱能等，優化建筑內部能源循環通道，以最少的能源消耗提供最佳的建筑室內環境，通過利用被動式技術大幅度降低建筑各項能耗需求，以到達極低或者近零能的能耗，其建筑能耗水平應比相關國家標準和行業標準低60%以上。這個標準是我國近零能耗建筑設計過程中的最高依據。隨著近零能耗建筑在節能和環保等方面表現突出，這類建筑已經成為行業內的熱門產業，而作為一個國內建筑的新事物，盡管優點眾多，可實施項目卻很少，文章以嚴寒地區公共建筑為例，對近零能耗建筑設計方法和技術難點進行闡述，供大家參考。

1 近零能耗建筑設計方法概述

近零能耗建筑設計方法是指在建筑設計時，根據近零能耗建筑設計標準進行的性能化設計，以求達到符合能耗指標的目的。其主要的手段就是根據不同的場地條件，結合周邊環境，利用主動式、被動式節能技術，結合可再生能源技術，優化建筑設計方案，使用高效率建筑節能設備，對建筑外部圍護結構進行優化設計，這樣可以有效降低建筑在使用過程中所消耗的能源，實現最合理的設計方法。

在建筑被動式技術方面，重點要考慮的就是如何做好建筑形體設計，優化建筑采光與通風，采用合理的建筑外部圍護結構，優化圍護結構、無熱橋設計和采用先進的保溫材料。在主動式技術方面，著重考慮的是低能耗高效率的新風回收系統，搭配分體式空調系統，通過智能調控系統來進行統一管理，大大節省能源的消耗。在可再生能源的選擇上，采用當下技術成熟的太陽能和地熱能進行合理利用，輔助建筑供能需求[1]。

1.1 嚴寒地區被動式建筑節能設計方法

被動式節能建筑設計要點就是根據建筑周邊環境和使用功能，通過合理的建筑單體設計、建筑形體、建筑采光與通風和建筑外部圍護結構等，結合建筑周邊環境和自然資源，創造出有利于節能的低能耗條件，這是實現被動式節能方案的先決條件。

在設計過程中，建筑形體的設計將會對建筑節能效果造成極大的影響，還會增加建筑運行中額外的能耗，而現如今的建筑設計中，大部分方案為了單純的追求視覺效果，將建筑整體造型復雜化、為了增加內部空間不合理的增加建筑層高等，這些做法造成了建筑體型系數增加，導致建筑的散熱面變大，十分不利于節能，而合理的建筑形體設計是最簡單有效的節能方式，同時這也是建筑施工中最節省材料的方式。對于嚴寒地區來說極端天氣很常見，室外溫差較大，如果建筑保溫措施不到位，建筑失熱嚴重，會加重能源浪費，這就要求人們在嚴寒地區的建筑外形選擇上要盡量考慮到建筑形體對建筑能耗的影響，在建筑形體上應該選擇緊湊的類型并且減少不合理的凹凸設計，在保證美觀實用的基礎上盡量減少建筑形體對能耗的影響，這對于嚴寒地區建筑來說尤為重要，合理的利用建筑形體形成的圍合空間，能夠有效的降低環境帶來的不利影響。因此應該充分結合建筑形體、氣候條件、風向、光照等方面因地制宜的進行設計工作。

建筑采光與通風也是設計的重點方向，所以應該合理選址，確定建筑正確朝向，使建筑開窗方向更容易減少熱量流失，但也要做好夏季遮陽措施，避免夏季太陽能所帶來的過量熱量，影響室內溫度。而建筑通風的合理性也是影響建筑能耗的重要因素之一，夏季可以依靠合理的穿堂風帶走建筑室內多余熱量，冬季則可以通過立面的設計錯開風口，這就要求我們把握當地各季節主導風向，減少通風所帶來的損耗的同時利用風能，達到節能效益的最大化。

還有建筑外部圍護結構設計也會直接影響建筑能耗，這其中主要包括外墻、門窗、屋面及地面。通過適宜的節能材料和先進的技術手段來有效的提升建筑外部圍護結構的保溫性能，這樣不但可以極大地的提升建筑室內舒適度，還可以有效的降低建筑能耗。

被動式近零能耗建筑設計方法的核心就是通過先進的節能技術和建筑材料，使建筑具有高效的外部圍護結構，再利用合理的建筑設計結合場地周邊環境降低能耗，然后搭配新風系統，通過調節自然采光和建筑通風以及太陽輻射來達到最佳室內環境，這樣可以在保留最大舒適度的前提下做到能耗最低。

1.2 嚴寒地區主動式節能技術措施

建筑節能不光可以利用被動式技術，在不犧牲室內舒適度的前提下，主動式技術的利用也是有效手段。

在近零能耗建筑中，針對嚴寒地區氣候特點可以采用低能耗高效率的新風回收系統，通過熱回收裝置為建筑內部引入新風，使新風充分與建筑內部風進行熱交換，對熱量進行再利用。新風系統熱回收裝置分兩種，一種是全熱回收，這種回收裝置的特點是熱交換單元使用特殊加工后的紙質材料，能同時傳遞熱度和濕度，在工作過程中不易形成冷凝水，另一種是顯熱回收，通常由鋁制或者鋼制的金屬制成，這樣的熱交換單元容易在工作過程中產生冷凝水，所以還要配合安裝流管來回收，因此更合理的方式是選擇紙質全熱新風系統。在設置新風系統時，也要設置空氣凈化裝置，減少空氣污染提高室內空氣質量。

建筑節能不光是單憑一種技術手段實現的，而是結合多種多個調節系統，才能達到最優效果，這就需要可協調多設備的智能控制系統，現代社會科技發達，智能控制系統作為主流技術，可以更省力的調動多個系統，有效降低不必要的能量消耗。目前的智能控制系統是根據建筑內部溫度、濕度、風環境、光環境和空氣環境來判斷調節的，制定適宜的標準，由系統自動執行和開關，在無人使用或者低需求時達到智能調控有效的降低能耗，還能延長設備使用壽命。公共建筑中空調是必不可少的控溫裝置但同時也是能耗大戶，且由于公共建筑通常室內面積較大，因此在空調的選擇上更適合采用分體式空調，在大空間里可以采用集中式管理，而空間小的辦公室、會議室等房間可以采用獨立空調進行室溫控制。而公共建筑室內照明一般都是在自然采光條件下，配合建筑主動照明以達到室內照明標準，這就需要在自然光滿足室內要求時，智能調控系統可以根據室內光源強度進行開關控制，分區控制，輔助照明，使照明時間和強度都合理分布。采用這套智能照明設備可以有效的降低30%～50%的能耗，而且操作簡單，管理維護方便，是目前節能建筑中主流技術手段。還有就是對于公共建筑來說，建筑體量大，窗戶數量多，所以也可以設置一套智能通風系統，根據當地氣候條件判斷是否開窗通風，對室內空氣進行智能置換，改善室內濕熱環境，不僅提高了使用的便利性，也降低了換風系統的能耗，這對于公共建筑是非常必要的技術手段，值得大力推廣[2]。

2 嚴寒地區可再生能源利用

在現代建筑技術背景下，先進的新能源技術更新迭代迅速，為了實現近零能耗建筑標準，降低對外部能源的依賴，在設計中引入可再生清潔能源來維持建筑日常消耗，比如在嚴寒地區比較適用的太陽能輻射能，地熱能和風能等，雖然可再生能源種類較多，但是目前在建筑使用中比較成熟的還是太陽能和地熱能。

太陽能主要有兩種利用方式，一個是對熱能的利用，另一個就是對光能的利用。因為我國嚴寒地區大部分區域太陽能資源都比較豐富，善加利用就是最可靠的可用再生能源，有效降低一次能源的使用。

在嚴寒地區太陽能的利用已經十分成熟了，不少建筑都設置了太陽能光伏板、太陽能熱水器等，不僅可以對建筑進行遮陽隔熱，還可以有效的將太陽輻射能轉化為清潔能源使用。設置太陽能板的時候，不僅可以設置在樓頂，現代技術可以做到在墻面布置光伏板，除此之外，例如遮陽板、陽臺、雨棚等易受到光照的地方，也可以設置太陽能光伏板。但是因屋面受到垂直照射，太能輻射量最大，所以還是優先在屋頂設置光伏板[3]。

對嚴寒地區來說太陽能是最經濟也是最環保的可再生能源，將太陽多余熱量轉化為可利用清潔能源，是對自然資源的合理利用，也是對環境的保護，所以我們應該大力推廣。

淺層地熱能也是具有實用價值的清潔能源，這種熱能具有可再生、環保、分布較廣、儲量大、易于開發等優點，十分適合在近零能耗建筑上使用，尤其適用于建筑的冷、熱交換和建筑供暖。地熱能是通過地源熱泵系統來對地下淺層存在的熱能進行收集利用，將地表、地下水或巖土中存在的天然熱源轉化為可以利用的建筑內部熱源，實行的手段為通過地熱泵技術進行熱量的交換。地熱源系統通常由建筑內部系統、地熱能交換系統和水源熱泵機組構成，這套系統由于結構大多處于室內或者地下，所以能有效預防惡劣天氣帶來的不利影響。而且地熱能又可以和太陽能系統進行搭配使用，由太陽能進行目的性供熱，而地熱能進行集中供熱，可有效減少能源浪費[4]。

3 結語

綜上所述，關于嚴寒地區近零能耗公共建筑的設計方法中，由于我國近零能耗建筑技術發展較晚，在整個設計體系中存在很多不完善不合理的地方，而且各地區氣候環境差異較大，不但設計難度較大，而且在日常使用與維護中也存在缺乏管理的現象，這往往導致各地方都不愿意使用這項技術。現階段我國為實現碳達峰、碳中和工作目標，號召各行各業節能減排，所以社會上對節能建筑越來越重視，這可以解決我國資源緊張，可再生能源利用率低，環境污染嚴重的問題。目前要做的正是通過因地制宜的設計方法制定一個可實行的近零能耗建筑體系，不斷的在實踐中加以改進和完善，這樣才能促進近零能耗建筑在嚴寒地區中的應用。