超低能耗建筑设计方法与典型案例研究 周梓深

超低能耗建筑设计方法与典型案例研究周梓深

发表时间：2018-05-15T10:18:08.337Z 来源：《基层建设》2017年第35期作者：周梓深[导读] 摘要：近几年，许多发达国家积极开展关于超低能耗、近零能耗、零能耗建筑的相关研究并建设典型示范工程，国内也逐步研究开展相关工作。

广东博意建筑设计院有限公司

摘要：近几年，许多发达国家积极开展关于超低能耗、近零能耗、零能耗建筑的相关研究并建设典型示范工程，国内也逐步研究开展相关工作。超低能耗建筑大范围推广的关键之一是从传统建筑设计方法到基于能耗指标控制的性能化设计方法的转变。本文围绕超低能耗建筑的通用设计方法、超低能耗建筑的典型案例研究两个方面展开讨论，对超低能耗建筑设计方法与典型案例进行了研究$并提出了一些笔者自己的见解，希望能够对及今后超低能耗建筑的设计工作提供一些理论建议。关键词：超低能耗建筑；设计方法；经典案例在2000年之后，全球建筑领域开始掀起一波超低能耗潮，在前不久所召开的巴黎气候大会上全球各国也一一针对节能减排提出了自己的观点，同时制定了适合于自己国家的目标。然而纵观现阶段全球各国在超低能耗建筑的研究内容，基本都停留在某一具体的设计方案上，很少针对超低能耗建筑进行全面、系统地研究。在本文中，笔者试图对超低能耗建筑的设计方法以及典型案例进行了简要地分析。

一、超低能耗建筑设计与传统设计（一）传统建筑

目前，我国绝大多数设计沿用传统设计方法，即依照现行建筑设计规范和建筑设计方法进行设计，以我国现行的JB50189-2015《公共建筑节能设计标准》和各气候区《居住建筑节能设计标准》为例，规范详细规定了建筑、暖通及电气专业的节能性能指标，包括热工参数限值，空调系统形式及设备能效限值等。传统设计方法以相关设计标准为原则，满足业主对建筑各项功能需求为核心，各专业分别实现自身职责，此种设计方法特点是分工明确，设计人员只需根据相关规范标准，“照方抓药”，做出合规的设计，保证满足建筑功能。然而，应用传统设计方法来达到超低能耗建筑目标存在一些局限性，主要表现为: 满足功能和安全性要求的同时传统设计经常出现设计偏大，造成设备闲置、系统庞大、能源浪费、成本过高等问题；现有设计标准大多分散在各专业标准体系中，多数节能条款嵌入分专业的技术标准，导致众多孤立节能技术的堆砌，并不能实现预期节能效果；对建筑围护结构传热系数限值的要求不能最小化建筑能量需求和促进高标准建筑材料的研发使用；不利于设计人员发挥主观能动性灵活设计、最大化提高能效。

（二）超低能耗建筑

目前，作为超低能耗建筑的一种形式，德国被动房被广泛接受，通常其最大供热负荷不超过10W每平方米，供热、制冷能耗需求量均不超过15kW•h平方米每年、年一次能源总消耗( 包括生活热水、供热制冷和烹饪) 不超过120kW•h平方米每年。由此可见，超低能耗建筑设计与传统建筑设计的不同在于从仅仅实现建筑功能到最优化建筑性能的提升，即实现满足能耗指标的性能化设计。以能耗为控制指标的性能化设计方法可以理解为: 各分支专业均以优化建筑性能以及达到终极能耗指标为中心，通过充分利用建筑周围自然条件，各专业交互配合提出满足建筑功能及能耗指标的建筑体形系数、围护结构热工参数以及高效设备及系统方案，对其最终运行能耗进行预测评估，从而得出每一栋建筑最优化合理的设计方案。相对于传统建筑设计方法，基于能耗指标的性能化设计有以下特点:以能耗指标为导向，协调各专业充分发挥设计师主观能动性；初设阶段严格把控建筑形体和围护结构热工参数，最小化建筑能源需求，以能耗指标为导向，被动优先主动优化相结合，同时对场地周围可再生能源应用潜力储能技术和能量回收技术潜力进行研究；不规定整个建筑设计过程的具体节能措施，以建筑能耗表现为终极目标优化整合适用节能技术和设计方案。

一、超低能耗建筑的通用设计方法（一）关键参数限额法

这一方法是将小建筑耗能作为导向，对气候条件进行充分运用，对建筑过程中涉及的各项关键元素指标进行控制，同时与高效新风热回收技术相结合，能够满足用户基本需求的一种设计方法。这一设计方法的使用并不会过高地依赖再生能源，因此也不需要实施太多模拟计算，实际上是在现有的节能标准上进一步改善而形成的一种方法，在对这一方法进行利用后期望能够挖掘出更多的超低能耗建筑潜力。（二）双向交叉平衡法

在这一设计方法中，主要将能耗以及舒适度等一系列指标作为导向，不仅考虑到建筑围护结构的优化，同时也将再生能源的运用纳入目标中，试图将再生能源应用到建筑消耗当中，从而实现能量供应以及需求之间的良好平衡作用$在这一设计方法当中，主要是通过对建筑方向、窗户墙体比例等内容的改变来实现节能建好的目的。这种依靠再生能源实现建筑能源供需平衡，从而提升用户舒适度的设计方法是十分值得推广与借鉴的。（三）经济环境决策法

这一设计方法主要将能耗、用户舒适度以及经济性三大指标作为导向，对建筑的围护结构进行改善同时对周围的各种可利用再生资源进行运用，将各种经济相关的可行性因素考虑在内，从而形成的一种设计方法$在这一方法当中，将三大指标放在一起进行了均衡地考虑，在运用过程当中需要使用到循环迭代计算以及各种定量分析，在确保目标函数得到最优化处理的情况下使业主以及用户的需求得到进一步满足。

（四）几种超低能耗建筑设计方法的总结在上面所介绍的几种设计方法当中，关键参数限额法、双向交叉平衡法、经济环境决策法都能够促进超级能耗建筑模板的实现，并在各种场合下通用，基本不会受到建筑种类以及其它因素的限制作用，可以应用在住宅、学校、工业用房等多个领域当中，此外各种既有建筑也能够通过这些设计方法来进行改造，从而达到节能的目的。其中，关键参数限额法是这三种方法当中使用最简单的方法，此外它也是建筑超低能耗设计中最基本的一个步骤，主要应用在一些对舒适度要求并不是太高的小型公共建筑当中，这样能够尽可能使用更少的资金来实现更高的效益。

二、超低能耗建筑的典型案例研究

（一）新疆“幸福堡”项目

幸福堡地处于我国新疆省自治区，整个建筑面积共达7669.9平方米，包括地下两层以及地上六层，有4361平方米区域为被动式建筑。这一建筑的建成标志着中亚严寒干热地区出现了一栋基本上达到零能耗目标的标志性建筑，下面笔者就对这一超低能耗建筑的设计方法进行简要介绍。首先，规定围护结构热工参数的限值，以及预防热桥加强隔热的基本措施。其次，在自然通风因采光的设计过程中尽可能应用自然冷源以及光源，这样可以有效降低空调能耗以及点灯能耗。最后，在对建筑能源系统进行设计时，必须结合建筑需求来最大程度降低系统能耗。

（二）美国国家可再生能源实验室办公大楼

这一建筑地处于科罗拉多州格尔登，以下将其简称为RSF总占地面积达2万平方米，最多能够同时容纳800人办公。这一项目的最初建筑宗旨就在于创造一个有效的超低能耗建筑模式的推广环境，这一建筑是史上LEED得分最高的一大建筑，并在2011年被正式评选为LEED 白金级建筑。一体化设计的RSF建筑设计过程中的最根本理念，并采用双向交叉平衡设计法，具体包括以下四个步骤。第一，对建筑附近的环境进行分析，使用AUTODESK ECOTECT ANALYSIS软件对建筑物各个方向上的辐射情况、风向情况以及建筑物朝向等内容进行分析，为后续的照明设计以及通风设计提供参考依据。第二，对建筑进行被动设计，通过采光窗的利用来实现最佳自然采光，采光窗主要目的在于吸收自然光，观光窗则是用来对阳光以及炫目进行遮蔽。第三，对建筑进行主动优化，将每一个系统都与智能化控制系统有效地结合在一起，结合二氧化碳浓度传感器来管理通风的开启以及停止。第四，对可再生能源的应用进行设计，将太阳能完全取代石能源，并利用NREL PV WALL软件来实现光伏系统的优化。

结语：

在本文中，笔者主要针对几种通用的超低能耗建筑设计方法进行了介绍，同时列举说明了国际上几个较为经典的超低能耗建筑设计案例，通过理论与实践结合的方式进一步对超低能耗建筑设计方法进行了研究，希望能够对今后的超低能耗建筑设计提供一些帮助与建议。

参考文献：

[1]杨柳,杨晶晶,宋冰,朱新荣.被动式超低能耗建筑设计基础与应用[J].科学通报,2015,（18）:1698-1710.

[2]王学宛,张时聪,徐伟,孙育英,王伟.超低能耗建筑设计方法与典型案例研究[J].建筑科学,2016,（04）:44-53.

[3]韩小霞,韦古强,胡丛川,范天刚,林波.超低能耗被动式建筑设计方法探讨[J].建设科技,2016,（05）:49-51.