节能低耗绿色建筑的设计与创新技术介绍

王 伟 张义忠 刘博宇

(1.河南五方合创建筑设计有限公司，河南 郑州 450000； 2.河南大学土木建筑学院，河南 开封 475000)

节能低耗绿色建筑的设计与创新技术介绍

王 伟1张义忠2刘博宇1

(1.河南五方合创建筑设计有限公司，河南 郑州 450000； 2.河南大学土木建筑学院，河南 开封 475000)

对低耗绿色建筑体型需求、室内外建筑材料、设备需求等方面进行了设计与创新，达到了低耗和被动式节能效果，具体数据规格可按不同需求及不同预算来进行调整，对发展低耗节能建筑具有重要意义。

节能，低能耗建筑，被动供暖

我国建筑节能初始于20世纪80年代初期，最初从北方采暖区开始，过渡到南方夏热冬冷地区，直至2003年夏热冬暖地区开始实行之后，我国才全面展开建筑节能。建筑节能历经了三个阶段：30%→50%→65%，迄今为止全国都已展开节能50%以上的强制性标准和要求。按照国家节能发展规划，到2020年全面实行节能75%的标准[1]。根据有关专家对2001年按终端用途划分的建筑能耗资料，城镇采暖消耗占37.4%，农村采暖占6.44%，空调制冷占11.5%[1]。由此得出的结论是采暖和空调占到建筑能耗的大部分。而低能耗建筑的设计与实施在整个建筑能耗系统将起到最大化的经济效益和环境效益。

由于河南省界于东经110°21′～116°39′，北纬31°23′～36°22′，海拔150左右[2]，在地理位置上属于温热带季风区，冬季寒冷，夏天炎热。如果全面开发完全的被动零耗建筑，会在昂贵的成本下带来较低的收益，综合各类建筑特点，在河南省客观情况下设计低耗绿色建筑则是本文的探讨目标。本文以下将在建筑内外方面对节能低耗各个要点进行设计创新介绍。

1 建筑低能耗供暖

1.1 建筑方位

合理选择建设地点、朝向和房间距能够提高冬日太阳能收集和夏日遮阳效果。地点方面，在建筑内背风向阳的地方设计太阳房、特隆布墙等集热部位，使热量在不被遮挡的建筑北侧更好的吸收。在朝向方面，由于本省平均在北纬31°～36°之间[3]，而更多的以建筑朝向北30°左右的太阳房可以最大化增加冬日日照时间，在夏日则可关闭特隆布墙以达到隔热效果。而在建筑南侧则应尽可能少的开窗以达到被动保温的要求。

1.2 气密性

由于建筑能源的消耗占绝大多数在空间制热上，所以在减少热量消耗和增强制热效果上，建筑的气密性扮演着至关重要的作用。为了提高建筑气密性，减少可控的漏风现象可以减少热量损失和不适的干冷，可以直接影响室内舒适程度和建筑损伤。在空气环境中，暖风从漏缝中流出，被外部冷空气替换，而导致中和室内已有暖气。常见存在建筑漏气的区域见图1。

1.3 节能机械通风和回暖系统MVHR(Mechanical Ventilation and Heat Recovery)

自然通风可以达到一般的通风效果，但如果在室内外温差较大情况下可以根据需求采用节能机械通风和回暖系统(MVHR)，如图2所示。

对于被动式绿色建筑来说，提高建筑保温效率主要通过温度隔离和提高建筑气密性，而高气密性则不利于空气循环。由于所有建筑必须保证新鲜空气，常规开窗可以保证通风但是建筑内部的温度和湿度也在此同时损失严重，在保证低耗的前提下，机械通风回暖装置(MVHR)是节能保温系统上一个较为重要的组成部分。

在高气密性的被动式保温结构中，人体健康离不开空气湿度和向外界排放二氧化碳。而通风回暖设备可以在低能耗的前提下保证室内舒适，并且用户可以自由开关门窗。

2 室内被动供暖

2.1 低耗区供暖设计

使用现有的技术通过建筑设计把高效隔热材料、透光材料、储能材料等有机地集成在一起，采暖主要利用南坡屋面的铁板吸收太阳能，加热从屋外引进的冷空气，当通过屋顶最高处的玻璃板时，空气温度被大幅度抬升，将通气层内的热空气吸收聚集到热气通道里，然后通过控制箱送到地板下面贮存起来，并通过靠墙的地板风口送出来，太阳下山后，风扇自动停止转动，控制箱内的风门会自动关闭，避免室外的冷空气流入室内，贮存在地板下的热量也慢慢释放出来，使室温下降速度减慢，使房屋尽可能多地吸收并保存太阳能，从而达到保温的效果。

2.2 门窗幕墙设计

根据资料显示，门窗的热损失占建筑的总热损失的40%以上[4]，所以门窗节能是建筑节能的关键，门窗既是能源得失的敏感部位，又关系到采光、通风、隔声、立面造型。这就对幕墙的节能提出了更高的要求，其节能处理主要是改善材料的保温隔热性能和提高窗框的密闭性能。窗和幕墙的设计规则如下：

1)东、西外朝向玻璃应减少玻璃窗设置。阳光不仅自东向西每天从不同角度直射入，屋檐的设计无法有效阻挡太阳上升、落下时水平方向的光线，而且热量还从不同角度透过地面反射到墙体。如需设玻璃窗，则需要玻璃窗具有高反射率、高温度隔离性，或选择隔离性较好的玻璃并装有可下拉式窗帘来阻挡夏日的暴晒。减少内外温度差将为整个节能系统做出不少贡献。

2)南朝向若有屋檐则应多设置为高太阳能得热系数(SHGC)的玻璃。布置在建筑南侧的高H的开窗，H/2长屋檐设计可以在5月～9月阻挡高纬度的太阳光并且不会阻挡低纬度的冬季阳光。而水平方向的窗檐不失为一种廉价并有效的办法。在窗檐的阻挡下，南侧玻璃应设置为高SHGC，有利于吸收冬季温度。

3)北朝向玻璃窗、幕墙采用Low-E玻璃。由于北侧更多处于阴凉面，采用Low-E低辐射中空玻璃可以达到隔热效果，从而保证稳定的室内温度。

2.3 被动供暖设计因素

2.3.1 热量来源

供暖季节，阳光每天9：00～15：00通过玻璃窗从南自东向西透过玻璃进入建筑,通常入射角应该在30°并不应该被其他建筑或障碍物遮蔽。日照角度见图3。

2.3.2 温度吸收

硬质黑色材料面层可以快速吸收太阳光热量，表面可以是砖石材料的墙壁、地板、隔墙,局部区域可以采用两倍吸收效果的蓄水墙。

温度吸收可以采用特隆布墙(Trombe Wall)，它是生态建筑中与阳光房合用的墙，上下分别各一个洞(见图4)。夏天阳光房上下洞开，特隆布墙关。冬天反之。特隆布墙主要功能为通过高热容材料被动吸收太阳光，根据需求为室内提供温度。其材料由砖石、混凝土或灰质粘土构成，墙体外部为高热容材料，内部为隔热层，并在建筑配有玻璃窗，取暖时段阳光透过玻璃，辐射由外侧高热容墙体吸收，暖风由玻璃窗与特隆布墙之间自然对流以及热空气上升的原理进入室内，冷风则自室内地板由特隆布墙底部排出。夜间，关闭特隆布墙阻止暖风流出，墙体内侧的隔热材料开始发挥作用，高热容量的墙体开始将热能释放保持室内温度舒适。同理在夏日，乘凉时段关闭特隆布墙以达到隔热效果。

2.3.3 热能分布传导

太阳热从收集和存储材料循环传向房子的不同区域。严格的被动式设计使用热传导，热对流和热辐射方式共同进行。局部区域可以通过高性能导热墙体帮助分布热量以及高效的热回收：利用主动通风(逆流空气/空气热交换)提供高质量的空气，同时利用排放废气余热的75%对抽进的新风加热，此时废气和新鲜空气并没有混合。因为被动屋密封得非常好，可以让空气变换最优化。

3 夏季过热

3.1 温度缓冲带

对夏季乘凉,建筑的环境设计应在南侧最大程度地减少夏季阳光直射面,防止周边地区的热量再辐射和反射。在干燥炎热的外部环境与室内舒适需求环境温度差较大时可以设置温度缓冲带。如利用落叶树和阔叶植被来阻挡低层的阳光，避免地面再次反射太阳辐射，从而使地面和建筑表面高温现象达到缓解，而在此之后设置较紧密的绿化带，如绿化草坪，水池等缓冲从地面至建筑传来的温度。而冬季已经落叶的树木并不会阻挡入射角较低的太阳光直接照射和地面反射。

3.2 自然对流降温

通过利用风压原理，在内部设计门窗，家具摆设等相对位置可以引导建筑内部的空气流动，在室内外部则可以利用天井，楼梯间和过道的开口面积来引导自然通风。加强对建筑迎风向进气口的构造从而引导气流挤压，使入室气流偏入生活区及人体高度范围。而相对在风压作用很小的位置则可以利用热压原理使建筑内部热源产生温室效应，来实现通风换气(见图5)。

其他利用对流的方案，如图5b)所示，通过在地面开口使用太阳能风扇将地面冷空气引入室内，由屋顶开口排出。

3.3 辐射降温

在建筑顶层可以设置装有水的特殊板材。辐射降温板下层有不锈钢/玻璃支撑板，中层为1 m深的水层，上层设导热遮挡板。在日照期间，遮挡板保持关闭阻止过量热辐射，水层在达到热隔离功能的同时以高比热容作为热辐射海绵吸收热量。夜间将上层遮挡板收起，将水层暴露于外部环境，水层以自身的较凉温度向四周释放长波辐射来达到降温效果。日夜间辐射降温示意图见图6。

3.4 蒸发降温

根据需要可以配置环保水冷式空调，利用水汽蒸发的过程中会吸收周围热量的这一物理特性，水冷式空调在进风口处安装上降温水帘(又称湿帘)。当空气经过湿帘时，热量被吸收，温度降低5 ℃～8 ℃。温度降低后的空气通过水冷式空调的送风管道送入室内来降低室内温度。由于经过水冷式空调的空气含有大量的水汽，因此会再次蒸发，进一步降低温度。水冷原理示意图见图7。

4 结语

本文针对性地对低耗绿色建筑体型需求、室内外建筑材料、设备需求等方面进行了设计与创新，达到低耗和被动式节能效果，具体数据规格可按不同需求及不同预算来进行调整。这对河南省未来低耗节能建筑发展，解决供暖耗费严重、环境污染加剧等问题具有重要的意义。

[1] DBJ 41/T109—2011，河南省绿色建筑评价标准[S].

[2] 地理概括[DB/OL].河南省人民政府网，2014.

[3] 浅谈被动式太阳房的设计和发展[Z].2008.

[4] 南京化院.太阳防技术与建筑节能应用[Z].2011.

This design and innovative technology introduction of low energy consumption green building

Wang Wei1Zhang Yizhong2Liu Boyu1

(1.HenanWufangHechuangArchitecturalDesignLimitedCompany,Zhengzhou450000,China;2.ArchitectureCollege,HenanUniversity,Kaifeng475000,China)

This paper made design and innovation from low energy consumption green building shape demand, indoor and outdoor building materials, equipment requirements and other aspects, achieved the low energy consumption and passive energy-saving effect, the specific data specifications could be adjusted according to the different needs and budgets, had important significance to the development of low energy consumption building.

energy saving, low energy consumption building, passive heating

2015-04-07

王 伟(1973- ),男，高级工程师； 张义忠(1968- ),男，教授，注册建筑师； 刘博宇(1990- ),男，助理工程师

1009-6825(2015)17-0187-03

TU201.5

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