基于TRIZ理论的城市住宅外窗节能设计研究

摘要：建筑的产生的原本就是人类为了抵御自然气候的严酷，从而改善生存条件的“遮蔽所”，使其间的微气候适合人的生存。作为全世界都在关注的热点问题，建筑节能是建筑技术进步的一个重要体现。

本文运用发明问题解决理论，对建筑外窗存在的物理矛盾进行了分析，提出了建筑节能外窗优化设计的方法以及创新性方案。

关键词：建筑节能；TRIZ理论；发明原理；建筑外窗节能设计

1.建筑外窗的物理矛盾分析

阿奇舒勒对物理矛盾的定义是：在一个技术系统中，对表述系统性能的同一个参数具有相互排斥（相反的或不同）需求所构成的矛盾，即当矛盾中的“改善的通用工程参数”和“恶化的通用工程参数”是同一个参数时，就属于物理矛盾。物理矛盾又可以表述为，技术系统要求某一参数性质为A+，同时又要求这一参数性质为A-。解决物理矛盾的核心思想是实现矛盾双方的分离。

1.1物理矛盾描述：

在冬季，希望建筑外窗具有吸热保温的功能，实现室内温暖的效果，但是到了夏季，又希望建筑外窗具有阻挡热量进入的功能，让室内凉爽。

1.2运用分离原理：

现代TRIZ理论除了总结解决物理矛盾的办法，还在此基础上，提炼出了四个“分离原理”，分别是空间分离、时间分离、条件分离和整体与部分分离。

根据对建筑外窗的物理矛盾分析，可以得出适用的分离原理为空间分离与时间分离。空间分离是指矛盾双方（同一参数的两个相反需求）在空间上处于不同的地点，可以让系统在不同的地点具备相应的特性一满足不同的需求；时间分离原理是把矛盾双方在不同的时间段上分离，以解决问题或降低解决问题的难度。确定了使用时间分离解决物理矛盾。

经过以上分析过程，可以得出对解决问题有效的发明原理有7种，分别是：NO.35物理或化学参数改变原理，NO.22变害为利原理，NO.39惰性环境原理，NO.1分割原理，NO.4增加不对称性原理，NO.13反向作用原理，NO.15动态特性原理。

2.基于TRIZ发明原理的节能窗设计方法

在对建筑外窗的TRIZ分析与热工性能原理结合分析的基础上，得出了一系列可用的发明原理，在这些发明原理中，可提炼出有用的设计原则，为建筑外窗的节能设计提出新的思路。

2.1体现“动态特性原理”设计方法

根据动态特性原理，可改变或调整建筑外窗的组件的各部分性能，使其在不同季节不同时间，都能实现节能目标。通过动态设计原则，我们可以从多角度思考。

（1） 改变窗框打开方式策略

（2） 增加遮阳系统动态特性策略

2.2体现“物理或化学参数改变原理”设计方法

根据物理或化学参数改变原理，可改变建筑外窗各组件的物理或化学性能，从而提升节能效率。通过改变物理或化学参数原则，作为设计师能做到的就是尽可能多的了解不同材料的物理与化学特性，在实际设计中，将这些有利于设计目标的物理与化学特性“借”来使用，进而提升整体建筑外窗的节能性能，使节约能源做到最大化。

（1） 改变窗框系统材料策略

（2） 改变玻璃系统材料策略

（3） 增加玻璃覆膜策略

（4） 玻璃系统的重新整合策略

（5） 改变遮阳部件策略

（6） 增加遮阳部件覆膜策略

2.3体现“变害为利原理”设计方法

建筑外窗在不同季节不同时间其传热与得热的形式是不同的，太阳辐射所带来的丰富的热能在冬季就是十分有利的因素，但是到了夏季，就成为了有害因素。在建筑外窗的节能设计中，应充分利用各种条件，进而得到有益的设计结果。不同气候不同地区都有着不同的环境因素，有些因素是需要放大的，有些是需要削弱甚至阻隔的，在实际的设计过程中，我们需要酌情考虑，判断有利有害的因素，通过设计的手段提升建筑外窗的节约能耗的性能。

2.3体现“惰性环境原理”设计方法

惰性环境原理中提到使用惰性环境代替通常的环境，甚至是使用真空环境，在外窗的设计中，我们不可能将整个外窗至于惰性环境中，但是，我们可以尝试将外窗构件至于惰性环境甚至是真空环境中。

（1） 增加窗框系统的惰性环境策略。

（2） 增加玻璃系统的惰性环境策略。

2.4体现“反向作用原理”设计方法

基于反向作用原理中提到的内容，可以提出以下设计策略。

（1） 改变外窗的上下位置策略。

（2） 改变外窗的内外位置策略。

2.5体现“分割原理”设计方法

完整的建筑节能外窗系统由各个不同的组件组成，包括窗框系统、玻璃系统、密封系统、通风系统与遮阳系统等。当面对不同的能耗问题时，建筑外窗的不同组件所担任的指责不同，从设计角度出发，可将不同的组件的功能分开看待，每个问题分开解决，最终整合成一个完整的设计。

（1） 分割窗框系统策略。

（2） 分割玻璃系统策略。

2.6体现“增加不对称性原理”设计方法

现在的建筑外窗大都是结构对称的，基于增加不对称性原理，可以增加建筑外窗整体的不对称性，进而提升性能。

（1） 增加窗框系统的不对称程度策略。

（2） 增加玻璃系统的不对称程度策略。

参考文献：

【1】赵锋，创新思维与发明问题解决方法，西北工業大学出版社，2017.

【2】赵锋，《TRIZ理论及应用教程》[M]，西安：西北工业大学出版社，2010.

作者简介：刘静（1994.12.30～）性别：女，籍贯：陕西省西安市，单位：西安建筑科技大学，学历：硕士研究生，研究方向：工业设计工程