寒地建筑圍護體系設計策略探析

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建筑設計是一個復雜的、基于多目標平衡優化的設計過程，其中地域性的氣候特征是影響建筑設計的一個重要因素。我國寒冷地區四季分明、冬季漫長、晝夜溫差大、極端氣溫較低，低溫、寒風、積雪等嚴酷的氣候環境是寒地建筑設計的制約條件[1]。建筑的圍護體系是界定建筑內外部空間的媒介構件，圍護體系的性能直接影響建筑內外部空間環境的營建。隨著科技發展和設計方法的進步，寒地人居環境質量不斷優化，建筑圍護體系低能耗發展是提高寒地建筑能效、促進節能減排的主要訴求。

1.寒地建筑維圍護體系設計低能耗目標

評價建筑環境是否綠色舒適，除了單純著眼于標準熱工能耗外，建筑環境的濕度、光環境、通風換氣、舒適度、防水性等也是直接影響使用者感受的因素；此外，而建筑立面造型的功能性與美觀性、夏季遮陽、私密性以及建筑能源的環保性、建筑運行的可持續發展等等都是綜合評價考量的因素。從碳排放的角度來講，寒地建筑建造圍護體系構造復雜、耗材量大、熱力輸送過程中市政管網能耗損失大等原因導致建筑低碳要求提升；從環境舒適度角度來講，建筑運行時室內外溫差造成巨大的采暖需求，高緯度氣候造成照明時間長，保溫隔熱的需求又造成室內空氣質量差、通風要求高等現象，所以良好的寒地建筑空間環境一方面要做到環境舒適要求，同時也要最大限度地減少碳排放，力求綠色持續發展，因此，低能耗是寒地建筑圍護體系設計的綜合目標。

2.寒地建筑圍護體系低能耗發展愿景解析

以低能耗作為寒地建筑圍護體系設計目標，把建筑環境的評價指標通過能耗的形式進行比對，能夠直接而有效地評價圍護體系性能，便于圍護體系的改進。

2.1推廣清潔能源

隨著全社會推廣使用清潔能源的意識的普及推廣，在寒地建筑圍護體系設計中應建立對能源清潔、高效、系統化應用的技術體系。清潔能源在建筑方面的應用主要包含太陽能、風能、生物能、水能、地熱能以及低污染的天然氣等能源的利用，合理利用這些資源，可以部分替代化石能源，減輕環境污染，不僅有助于寒地建筑綠色產業發展，也起到節省投資的效果。寒地建筑運行能耗的主要部分就是冬季采暖，它也是我國建筑產業能耗的主要組成部分之一。參考國家發改委的各類能源算成標煤的系數，消耗每噸標煤的碳排放系數為:K=α×1.026+β×0.3902+γ×0.2486+δ×0.0式中,α、β、γ和δ分別為煤炭、石油、天然氣和無碳可再生能源占總能源消費的比例,α+β+γ+δ=1[2]。我國寒地采暖能源多為煤炭，不僅造成大量碳排放、污染環境，也耗費極大經濟成本。推廣清潔能源的使用，可以從源頭減少化石能源的使用，不僅是對寒地建筑綠色建設水平的提升，對我國建筑節能發展、社會低碳減排都有重要支撐作用。這一趨勢已經在歐盟的一些同樣屬于寒地地域的國家中逐漸推廣并逐步強制實施，例如德國要求根據可再生能源種類和建筑的不同，可再生能源提供15%-50%的采暖需求；在集中供熱范圍外，新建建筑日熱水用量超過1000升，則需要安裝太陽能熱水系統，且滿足實際需求的95%以上[3]。

2.2減少能耗需求

促進寒地建筑圍護體系低能耗發展，減少能耗需求，就是應對我國寒地建筑發展的趨勢、圍護體系性能提升的有力的減少能耗“節流”措施。我國寒冷地區基本上屬于經濟欠發達地區，隨著經濟的發展，城鄉建設力度將會在未來持續增大，因此，無論是建設量還是建筑面積都將大幅提高。在過去的幾年間，我們已經采取既有建筑圍護體系改造、圍護體系節能建設標準體系等措施，目的就是從根本上降低能耗需求，并取得一定成效。2001年-2012年，北方城鎮建筑采暖面積從50億平方米增長到106億平方米，增加了一倍，而能耗總量增加了約50%，低于建筑面積的增長[4]。然而，與歐美發達國家相比，我國的寒地建筑圍護體系設計水平還有待提高，例如，德國墻體傳熱系數要求為0.30W/（m2•K），瑞典墻體傳熱系數最高為0.18W/（m2•K），而我國處于嚴寒地區的黑龍江地區外墻傳熱系數為0.55-0.60W/（m2•K），即使按照《綠色建筑評價標準》，圍護結構熱工性能也僅比現有標準要求提高5%-10%。可見我國建筑圍護體系性能提高潛力巨大，而建筑單位面積能耗需求的降低是寒地建筑產業發展的必然趨勢。

2.3提高能耗效率

“節流”的另一個措施即提高建筑能耗的利用效率。寒地建筑一般建筑內外部環境溫差大、采暖及通風的能耗需求較大，建筑體型圍護體系的體型系數、傳熱系數都需要嚴格規范以達到能耗效率要求。隨著新材料、新技術的應用及建筑節能技術的發展，寒地建筑的能耗效率還將不斷提高。例如，在位于哈爾濱的溪樹庭院住宅小區的建設中，通過新風系統采用集中處理、設置熱回收裝置以提高系統能耗利用率，熱回收效率達到75%以上，大大提高了能耗效率，降低能耗損失，實現了良好的節能效果。

3.寒地建筑圍護體系低能耗設計策略

3.1建筑設計被動式技術整合化

被動節能技術一般是指在保證室內環境舒適度前提下，通過對建筑的布局、朝向、形體、遮陽、保溫、氣密性、自然通風等方面進行合理的節能優化設計，從而降低建筑總體能耗[5]。在我國寒地建筑設計中，建筑的布局、朝向都有規范標準進行界定，圍護體系的材料選取與設計直接決定建筑的遮陽、保溫、氣密、通風等性能。可采用的被動式技術包括圍護體系密閉性、圍護體系隔熱性、太陽能、風能、通風控制等。例如，通過建筑朝向、組團位置以及建筑立面開窗、遮陽等設計，控制太陽能的利用；通過加強建筑圍護體系密閉性能、嚴格控制室內外新風換氣頻率等措施以減少室內外熱損失；通過空間設計，加強室內環境熱循環，以提高室內熱能的利用效率，優化空間環境等。在設計中，通過針對項目具體情況的分析，把可能利用的被動式技術整合利用，是寒地建筑圍護體系低能耗設計的一個必要策略。基于對于寒地建筑的理論及實踐的研究，提煉總結出一些常用的被動式技術。

3.2圍護體系形體設計集約化

寒地建筑形態設計應結合氣候環境特點形成因勢利導的建筑形體，利用建筑組團及建筑自身的體量達到對于寒冷氣候的阻御效果。寒地建筑形態設計重要原則之一就是減少圍護體系熱交換，因此建筑形體采用自身集約化的體量，達到降低能耗的目的；同時，在內部空間組織上，對于建筑中易形成強對流的功能節點，例如建筑入口、大面積屋頂采光的部分等，設置例如門廳、中庭等空間形式的熱緩沖空間，能夠有效地減少建筑熱損失，提高建筑能耗效率，達到降低寒地建筑能耗的目的。

（1）建筑形體集約整體——寒地建筑圍護體系表面積越小，熱交換的界面就會越少，損失的熱能也越少。寒地建筑設計中，建筑形體設計已經形成了采取較為完整的體型結構、厚重的圍護結構的共識，這是因為這種越為經濟的體型系數對于建筑適應寒冷氣候適寒、適風、適雪性能越好，并且有利于降低能源損失的薄弱環節發生的可能性。

（2）設置熱緩沖空間——在寒地建筑運行使用中，冷橋是建筑圍護體系中存在的普遍問題，尤其是在室內外溫差巨大的寒冷季節，由于寒地建筑圍護體系包含結構體系、保溫層、防水層、防潮層、空氣層等復雜的構造材料，發生冷橋的地方不僅是熱能損失極大的地方，同時也危害圍護體系的性能安全性的節點。節約、完整的體型結構有利于建筑圍護體系構造的整體性，減少易產生冷橋現象的薄弱環節；而熱緩沖空間的設置，也有利于營建節約化的外部形態。

3.3圍護體系材料選擇地域化

寒地建筑應有如生命體般扎根本土環境[6]。寒地建筑圍護體系地域化材料的選擇，應結合建筑類型及所處寒冷地區的地域性特征，綜合考慮圍護體系材料選擇的經濟性與節能性，無論是建筑能耗方面還是建筑文化表達都能夠達到理想效果。圍護體系材料選擇地域化策略具體體現在：

（1）挖掘傳統地域化材料的優質潛力——對于低能耗的追求是寒地建筑內在的天然屬性，在我國寒冷地區的傳統建筑中大多采用地域化的本土建筑材料，在當代，我們也應該挖掘傳統地域化材料的優質潛力，例如木材、石材、羊毛等等，尋找適宜的技術應用于建筑中。

（2）研發新型復合節能材料——選取具有適宜特性的地域化材料與現代材料整體復合，發揮各自性能優勢達到協同效應，也是適合我國寒地建筑圍護體系材料選擇的策略。近年來，一些保溫結構一體化的新型材料以及利于熱存儲釋放的相變材料的研究中，都應用了這種策略，并且逐漸取得效果。

3.4圍護體系運行管理智能化

現代的建筑科學技術應用研究不僅僅是針對靜態的建筑構件進行研究，同時動態的建筑運行期間的智能管理技術也有極大發展。寒地建筑的設計中重點考慮的建筑的適寒性；但是建筑運行能耗是基于全年全季候的統計基礎上的，我國寒冷地區大多四季分明，集約型的建筑形態和建筑保溫材料的復雜構造造成建筑圍護體系厚重、封閉；而另一方面，對于許多公共建筑類型來說，使用情況時間及人群都有周期性，所以，針對不同情況下氣候的特點及建筑功能的特征，采取科學的智能化圍護體系運行控制是促進低能耗發展的有效手段。

（1）新風系統智能控制——夏季可以利用被動式技術的自然通風，而在冬季或開窗不便的情況下，通過智能新風系統調控，可以靈活控制室內空氣質量，提升空間環境質量，達到最大限度的節能效果。

（2）采光系統智能控制——建筑的自然采光量可以通過圍護體系的開合位置調整而進行調節，采光系統的智能化控制與建筑圍護體系設計協同作用，能控制室內光環境質量，也能利用自然光調整室內的太陽能使用。

（3）溫控系統智能控制——對于一些公共建筑，使用的時間及使用人群都具有明顯的階段性和差別性，例如體育館、音樂廳、辦公建筑等等。在使用期間與閑置期間室內環境的標準會產生差異，通過對于圍護體系智能控制，可以有效地根據實際需要調節室內環境，提高能耗效率，達到低能耗的目標。

4.結語

作為寒地建筑理論研究的一部分，本研究希望通過寒冷地區建筑圍護體系的設計研究，實現寒冷地區順利實現減耗節能、集約高效的生態目標，促進整個寒地建筑業的優化升級；推動綠色建筑材料等相關產業的發展，取得顯著的社會效益和經濟效益；促進寒地建筑圍護體系的低能耗技術升級，推進寒地建筑設計方法與設計技術的重大變革和進步，對經濟性節能建筑材料與產品應用起到指導作用。

參考文獻：

[1].梅洪元，張向寧.東北寒地建筑設計的適應性技術策略[J].建筑學報，2011(9):10-12.

[2].龍惟定,白瑋,梁浩,范蕊,張改景.低碳城市的城市形態和能源愿景[J].建筑科學，2010（02）：13-18，23.

[3].陳洪波，王新春，儲誠山.歐盟近零能耗和近零碳建筑進展及對我國的啟示[J].中國建材.2015（01）：108-111.

[4].清華大學建筑節能研究中心.中國建筑節能年度發展研究報告2014[M].北京：中國建筑工業出版社.2013.

[5].戴旭.被動式節能建筑中的主動節能技術應用[J].中國住宅設施.2014（05）：26-33.

[6].梅洪元，張向寧.回歸當代中國地域建筑創作的本原[J].建筑學報，2010(11):106-109.

作者：陳子光 張宇 單位：黑龍江大學工程學院 哈爾濱工業大學建筑學院