节能设计在建筑设计中的有效应用探讨

晏晓波

(武汉中合元创建筑设计股份有限公司)

1 引言

低碳环保、绿色节能，是当今世界经济建设活动必须遵循的可持续发展准则。建筑能耗大，必须认真贯彻执行国家法律法规以及方针政策，积极推动可再生能源在建筑中的应用，重视节能设计，加大节能技术的研究和投入。首先分析BIM技术作为建筑节能设计工具的重要意义，并分别从建筑通风、维护结构设计、新能源利用、中央空调系统优化（搭载冰蓄冷技术）等几个方面，对建筑的节能设计应用展开探讨。

2 BIM在建筑节能设计中的应用

建筑要实现低碳、节能的目标，首先在于设计，而先进的设计理念更需要高效的设计工具来呈现和早期验证。BIM建筑模型技术对于施工环境的气象、地貌以及建筑物的内部环境等多种因素的研究论证提供了很大的技术支持。根据建筑物的节能思想和指标，在Revit、Ecotect工具的仿真模拟下，对建筑物的节能设计进行早期验证，把建筑的遮挡、气候日照以及制冷设备等数据情况进行显示，模拟出建筑物的环境，对气候、光照、日照情况进行分析，把光、热情况下的能耗影响关键和非关键因素提前明确，并对设计方案和建筑施工步骤进行优化。

3 自然通风设计

3.1 自然通风设计原理

在建筑设计中，一定要重视自然风的通风设计，和人工通风模式相比较，他不仅有利于用户的人体健康，而且在建筑节能上也有很好的表现。实现建筑物自然通风，主要是借助风压和热压两种原理。风压通风是依托建筑物的地理位置优势，结合建筑物的设计格局，利用建筑物室内和室外的温差来达到自然通风的效果；自然通风需要借助室内外的压强来作为通风的动力，如果建筑物的室内外都具有一定的温度，热压亦可借助空气差推动空气流动，促进室内外空气循环。具体采取什么方法，需要根据建筑物的地理位置和气候特点而定，比如在我国北方地区，季节气候变化明显，夏季适宜热压通风，但其他季节室内外温度较低，热压通风很难实现，所以在设计中通常采用热压与风压相结合的方式。

3.2 建筑物自然通风的整体设计思路

建筑物的自然通风的整体设计，需要综合考虑到气候、环境和建筑物自身三个重要因素。

①首先要考虑建筑物当地的气候，收集并分析当地的气象参数之后再决定采用什么方式；

②其次要观察建筑物的微环境，包括周边植被、临边建筑物、城市地形等要素，找出周边微环境对建筑物自然通风的影响，然后对建筑物的整体高度、内部结构进行合理的设计，制定最佳通风方案；

③做好建筑物的朝向以及间距、通风通道、户型的设计。门窗是建筑物的的主要通风通道，设计者要结合当地的气候因素设计好门窗的参数（包括位置、形状、朝向等）。室内设计要尽量保持进出口的对应，减小风道阻力；

④选择通风设备，确定通风设备的型号和安装位置，设计控制系统，增强人对自然通风效果的控制能力。

4 建筑围护结构热工参数设计

在建筑物的低能耗设计中，维护结构热工参数选择是十分重要的一个环节。应根据不同地区的气候环境特征，研究出维护结构影响空调能耗的规律，从而选择不同的热工参数，要重点关注建筑外窗以及外墙的传热系数，以达到降低建筑能耗的最终目的。

①在诸如哈尔滨这样的寒冷及严寒地区，设计上要把外墙、外窗传热系数减小，把太阳得热系数放大，优化的结果可节能40%左右；

②在以南京地区为例，南京地区属于冬冷夏热的温和地区，在缩小外窗、外墙传热系数的同时，太阳得热系数也应适当降低，可实现30%以上的节能效果；

③而对于向三亚这样的夏热冬暖地区，太阳的得热系数是影响建筑物全年能耗的关键因素，所以在设计上要尽量把太阳得热系数减小，根据实际分析得出的结论，3.2W/（m2·K）是最理想的外窗传热系数，而外墙的最佳传热系数是0.3W/（m2·K）。所以说，建筑节能设计要因地制宜，尤其是建筑围护结构热工参数的选择，只要遵循这一基本原则，将有利于超低能耗的实现。

5 光伏新能源技术在建筑电气节能中的运用

建筑电气在建筑物中电能消耗巨大，光伏新能源技术的融合应用，能大大降低传统电能的消耗。目前，光伏新能源技术在建建筑设计中的运用，主要有两种方式：

①光伏系统与建筑结构相结合，比如在建筑外墙或者是屋顶设置光伏发电设备，实现供电、蓄电的目的；

②将光伏发电设备组件制作成特殊的建筑施工材料，作为屋顶或者是窗户建筑结构的组成部分。这种设计理念实现了建筑材料的双重功能，不仅便于施工，节约工程造价，而且蓄能效果更好，已成为主流发展趋势。

6 冰蓄冷技术在空调系统中的应用

目前大部分的公用建筑里面都有中央空调系统设计，建筑一般都存在冷负荷大，且使用时间集中的现象，而空调冷负荷高峰恰恰与城市用电的高峰重合，这也加剧了城市电力峰谷供电的不平衡，如果该地区实施峰谷电价，势必会加大建筑的能耗成本，“移峰填谷”是解决电网平衡和建筑能耗成本最有效的办法，冰蓄冷技术的运行，很好的解决了这个矛盾，是建筑用电“移峰填谷”的典型设计。冰蓄冷技术抓住夜间城市电网的空置率比较高、电负荷少（电价低）的特点，在夜间电网低谷的时候，使用低价电进行制冰蓄冷并保存起来，待白天用电高峰期，空调高峰负荷时再将蓄冰冷量供给空调系统。从实践中得知，冰蓄冷技术不但可以减少40%左右的空调系统运行费用，而且还可以降低30%左右的空调装机容量，节约了建设资金，经济效益和社会效益都十分明显。以某办公大楼建设为例，该项目总建筑面积54000余m2，地下3层，地上建筑层高为15层。此建筑设计有中央空调系统配置。每年从5月开始，到9月结束，共计150天的供冷时间，每天的供冷时间段为上午8点到下午5点，夜间无冷负荷，空调冷负荷5550kW。该地区实行峰谷电价，尖峰时期电单价高达1.3003 元 /（kW·h）（具体分布在 7、8、9月的中午11：00～13：00以及夜间的20：00～21：00两个时段），而白天的其他大部分时段都属于高峰期时段，电单价 1.1933元 /（kW·h）。以此相对，夜间23：00到早晨7：00，均为用电低谷，电单价仅为 0.3369元 /（kW·h），大大低于尖峰期和高峰期的电价。基于节能降耗理念设计，该建筑在中央空调系统设计中采用了冰蓄冷技术，供冷能力4220kW,白天总蓄冷量16037kW·h,夜间11点到早晨7点的用电低谷时间为冰蓄冷蓄冰时间，无基载主机设置，冷机房配置3台1336kW/904kW双工况螺杆机组，并设计出蛇形的钢制蓄冰盘管在机房的混凝土水槽里，并做好保温设计。系统内设有3台2200kW的供冷板式换热器，使用25%浓度乙二醇溶液为冷侧介质，温度11℃/3.5℃；用水作为热侧介质，温度7℃/12℃。水泵采用端吸泵，工况效率在75%以上，其中二次冷却水的循环泵和乙二醇泵设计为变频泵，运行频率按实际工况调整。设置3台310m3/h的冷却塔，材质为方形玻璃钢。整个系统搭载了PLC可编程自动控制系统，设计集散式的系统结构，包括现场传感器执行器、现场控制器与远程I/O分站、以及中央控制单元三级构成，达到集中管理分散控制的目的。目前该建筑已落成使用5a时间，经过统计，大厦空调系统的运行能耗费用大约为80万元/a，此项目建设成本投入800余万元。而和此座大楼具有同等规模以及类似功能的另一座建筑，采用常规制冷技术，虽然初期的设备投入仅有450万元，但是运行能耗费用却高达130万/a，足足多出50万/a，照这样计算，冰蓄冷设计初期投资多出的350万元仅需7a时间就可以全部收回，在建筑整个生命周期内节约了高达几千万的能耗费用。

7 结语

建筑节能设计是一项综合性的系统工程，概括来讲，建筑节能包括建筑与建筑热工、供暖通风与空气调节、给水排水、电气、可再生资源利用等几大板块的内容，节能设计要以此为方向和突破口，充分利用太阳能、地热能、中水回用、智能控制、绿色环保建材等新技术、新材料，不断的对比优化，推动建筑行业走向绿色、节能发展的快车道。