我国住宅建筑零能耗设计方案研究

文/张喆 上海视觉艺术学院 上海 201620

随着社会的快速发展，人类对能源的需求越来越大。在能源消费总量中，建筑能源消费占很大比重。在其他某些工业化国家当中，这项比例可以达到30%以上，但是在我国，建筑能耗的比例大致在25-30%。从 这些数据表明，在未来的经济建设中，关于建筑的使用舒适度和功能性，人们会有更高的要求和标准。建筑能耗所在社会总能耗中占据的比例也是逐年上涨。在节能大环境背景下，零能耗的建筑需求出现在人们的视野中。正是由于采用先进的节能技术大大降低了建筑本身的能耗，并依靠可再生能源利用技术为其提供能源供应，才有可能实现建筑的零能耗。所以，人们普遍认为发展零能耗建筑是降低能源消耗和碳排放的主要手段。

1、零能耗的概念与分类

零可再生能耗建筑是一种运用保温隔热性能较好的外围护结构来完成的，其运用的方式是采用各种有效能源来进行能源的开发和利用，通过这些能源的开发利用来达到最后的建筑能源零消耗的目的，这是一项比较系统和繁琐的工程项目，它不但与外围护结构的热工性能相关联，而且还与各项可再生能源利用的相关技术有联系。

1.1 零能耗建筑的概念

从研究发展至今，有关零能耗建筑的概念尚没有一个特定的标准，但是在学术研究领域很多学者认为有关零能耗建筑的概念应该是较为灵活的。现在常用的国际定义零耗能建筑是建筑本身并不意味着它不消耗能量，所指的是建筑最大可能的使用太阳能、地热能和生物质能等作为可再生能源的基础，通过以上的能源降低建筑物的能源总消耗，减少对煤炭、石油等不可再生能源的损耗。它通过使用最先进的技术和最优化的建筑材料以及最先进的节能设备，运用自身所产生的能量来满足住宅对能源或电力的需求。本文对零能耗建筑的定义是指通过优化周边结构最大范围的达到接近零能耗，最后达到建设零能耗建筑的目的。因为我国现在缺乏零能耗建筑的一些相关标准，所以我们借鉴了德国的零能耗建筑技术规范，这项近零能耗建筑需要满足以下两个标准。

（1）采用精细并且具有创造性地设计和施工方式，单位居住/使用面积的年采暖耗能量不大于15KWh/㎡。

（2）单位居住/使用面积的年制冷耗能量不大于15KWh/㎡。

1.2 零能耗建筑的分类

零能耗建筑根据其功能的不同可分为住宅零能耗建筑和商业零能耗建筑。根据能源供应方式的不同，可分为以下三类：

一是独立的零能耗建筑：采用可再生能源利用的相关技术，建筑自身产生的能源可以维持正常运行所需的能源消耗，不需要通过外部能源进行供给。

二是零能耗建筑与能源平衡：建筑内部的低碳发电设备与城市电网相连。当使用可再生能源产生的电力大于建筑物的实际需求时，多余的电力可以转移到电网。

三是零耗能建筑包括社区基础设施等：不但能够在单一建筑中采用太阳能、风能和其他可再生能源提供能量，在单体的建筑以外，但也可以使用风能和生物质能源为建筑物的正常运行提供能源通过社区设施。

在全部的零能耗建筑设计中都需要考虑两个主要方面：一是尽可能的降低建筑的能耗，采用最好的建筑设计，高效节能的建筑材料和保温性能良好的外部防护结构；二是采用更加先进的可再生能源技术为零能耗建筑提供基础理论保障。有关在围护结构的优化设计方面节省了大量的能源消耗，这也是完成建筑零能耗目标的主要依据。

2、影响住宅能耗的因素分析

当前能够影响住宅能源消耗的原因有很多种，通常可以划分为外部因素和内部因素，外部因素的概念所指的是影响住宅室内热环境的一些干扰因素，可以分为外部干扰和内部干扰两种。外部干扰的概念指的是气候因素，包括室外气温、湿度、太阳辐射强度、居住区的风速、风向等；内部扰动主要是指人员活动和设备运行在住宅内所产生的热量和湿度。它通常以辐射和对流两种方式向室内散发热量和散发湿度。内部扰动对住宅室内环境负荷的影响根据不同的环境而有差别。内部因素主要指住宅建筑本身，包括建筑朝向、形状系数、外部防护结构形式和保温性能、窗墙比等建筑节能设计参数。

2.1 住宅朝向对采暖制冷能耗的影响

建筑朝向通常所说的是建筑物的主立面方位角。目前我国北方很多居住类型的建筑物中，通常采用房屋的南立面作为主要立面。此立面的窗墙面积相对较大，立面形象比其他三个立面更为多样化。依据不同朝向的不同太阳辐射强度，有关住宅的能耗会根据不同朝向产生不同的影响。在房屋与外界环境接触的五个外表面(东、西、南、北、屋面)中，东、西、南、屋面主要为太阳辐射接收面，接收到的太阳辐射量直接影响室内热环境的改变。

2.2 外围护结构非透明部分热工性能对采暖制冷能耗的影响

建筑围护结构的热性能直接影响建筑物的加热和冷却负荷和能耗，包括结构的传热系数提出了在当前国内建筑节能设计标准严格设计的指数，因为我们的国家土地广阔，全国的气候分为许多种类型，为了使建筑适应不同的气候类型，同时也为了满足节能的需要，我国有关部门制定了相应的在不同气候区围护结构传热的系数阈值。针对于寒冷的地区，冬季室内外温差较大，采暖周期相对较长。因此，改善周围防护结构的保温性能可以显著降低建筑采暖能耗。一般对于住宅来说，外墙占住宅总热量消耗的73%-77%。考虑我国当前的建筑能耗标准和特性，建筑四周的外墙结构、屋顶推荐使用的材料和结构形式是不透明的材料与特定的蓄热器性能，墙壁和屋顶的外表面也长期受到室外空气温度、太阳辐射、天空散射辐射和其他外部干扰因素的影响。

2.3 外窗对采暖制冷能耗的影响

室外窗户(包括阳台部分的透明门窗)它是构成建筑围护结构的一个重要组成部分，室外窗户与外墙和屋顶同时具有阻挡外部气候影响的功能，是外部防护结构中的一个开放部分，它的主要作用是调节室内外温度、通风换气。它基本除了满足住宅采光、通风、立面造型以及居住者的视觉需求等基本功能外，外窗作为外围防护结构也是其重要的组成部分，在节能方面仍具有非常重要的作用。由于外窗为薄壁轻质构件，所以也是围护结构保温环节中最薄弱的部分。在我国严寒地区，虽然外窗只占总面积的1/3-1/5外防护结构，但其所造成的冷热量损失占比超过外防护结构建筑的一半以上，因此，外窗(包括透明的阳台的门窗)是解决整体节能住宅的关键一环。

2.4 窗墙比对采暖制冷能耗的影响

窗墙面积比是指外窗开窗面积与外立面单位面积的百分比，立面单元面积是指建筑高度和开口定位线围成的面积。在不同功能的建筑物中窗墙比所呈现的数值会有不同，另外在同一座建筑物中，源于不同的朝向也会有不同的窗墙比数值，窗墙比数值的增大能够提高室内的自然光线，会有更好的视觉效果，所以在现代的民用建筑和公共建筑设计中，窗墙比已经开始被广泛的应用于建筑设计中。根据不同的外墙朝向，我们在不同季节、不同时间段里，所吸收的太阳辐射也不同，所以不同的朝向外墙窗墙比是有差异的，这么做的用意在于减少建筑的整体能源消耗。

2.5 外窗遮阳形式对制冷能耗的影响

当前，人们较为广泛的关注建筑的外窗遮阳效果，在建筑节能方面，外窗的遮阳设计能够大大增强建筑的节能效果，同时还能够降低夏季室内的高温环境。另外，窗外遮阳也成为建筑立面设计的高效方式之一，建筑师通过遮阳设计可以让建筑更加的美观、生动，具有层次感。外窗遮阳组件主要通过反射和吸收太阳直射辐射来进行减少通过外窗进入室内的太阳辐射，从而降低室内空调等制冷设备的电量能耗。

3、零能耗建筑设计方案研究

3.1 优化住宅朝向

在住宅设计的阶段里依据能源使用季节和时段，计算不同接收面接收到的太阳辐射量，总结其总量和变化的方向，确定选择建筑的基本朝向范围。在由不同朝向的太阳总辐射量时空分布特征确定的朝向范围里，最佳朝向与最差朝向的净能耗差为1346.92 kWh，能耗增加15.13%。通过有效数据得出，朝向对住宅冷暖能耗有至关重要的影响。在0°正南至10°正南偏东范围内，制冷季能耗最低，说明制冷季能耗随方向变化不大。

3.2 改善外围护结构非透明部分热工性能

屋顶和外墙影响室内环境温度是一个非常复杂的传热过程，以一年为研究周期，可以划分为以下两个方面：一是传热过程，包括吸热、导热和热释放外围防护结构，此三个过程里包括辐射、对流和热传导。二是大气温度和太阳辐射强度受外界干扰因素的影响随季节和昼夜波动较大。室外防护结构的室内侧表面的热状况和室内空气温度受室内采暖、制冷、烹调、家用电器等设备的影响较大。通过增加保温层的厚度，能够减少热量损失。特别是当保温层厚度从60mm增加到200mm时，每年的供暖能耗将减少约1000kWh，超过200mm后，加热能耗不会显著降低。

3.3 改善外窗结构

室外气候对室内温度会产生影响，而这样的影响主要通过建筑物外窗作为途径。在因外窗而导致室内温度发生变化的因素中会在两个方面得以体现：1.室内温度高于室外温度而出现热量通过外窗传导至室外。2.太阳照射后，由于外窗玻璃受到辐射而产生热量，进而变热。在我国东北大部分高寒地区，冬季如果日光照射时间充足，而这样产生的太阳能可以适度因此而产生的供暖能耗。但是在夏季，却可能会增加空调因制冷需求而产生的能耗。外窗作为建筑物与外界唯一可以相通的部分，其组成也相对简单。在窗框的材料选择上主要以木质、钢制、热处理、铝合金和塑料为主。在玻璃的选择上则以吸热、镀膜、中空和真空为主。但是随着玻璃加工技术的不断创新和发展，可选择性也越来越多。窗框和玻璃就构成了外窗。从窗外窗框材料主要是由塑料和铝合金、玻璃主要是普通透明玻璃和发射率为0.25或更低辐射的中空玻璃，中空玻璃层以填充空气为主，只有少数中空玻璃会填充氩气，窗外的整体传热系数在6.4 - 1.7之间，遮阳系数在0.90-0.40之间，遮阳系数增加和玻璃涂层减少玻璃层。

3.4 科学设计窗墙比例

从太阳辐射热量的角度来看，窗墙比的增加在冬季可以增加室内温度，减少能源消耗，吸收更多的太阳热量，但是同时它也可以在夏天因为接受太多的太阳辐射热量增加空调制冷而消耗的能量。当前我国住宅建筑外窗与遮阳一体化产品主要分为三类：一是铝合金遮阳构件的一体化卷帘窗；一种是铝合金百叶中空伸缩窗，它具有调节角度的功能。还有一种室外窗安装在室内一侧的高强度复合布帘窗，布帘朝向室外一侧涂有反光涂料。根据对我国北方地区住宅小区的验证，得出我国寒冷地区零能耗住宅设计的最佳外窗类型和窗墙比为中南向三层3mmlow-e双层中空玻璃窗。当太阳得热系数约为0.474时，传热系数应小于0.8 0.8W/（㎡·K），和玻璃墙比例在0.7-0.8之间。

3.5 改变外窗遮阳形式

随着我国目前建筑领域的大力发展和推进，建筑领域中所涉及的构件组成开始向一体化的方式演变，其中外窗与遮阳构件的一体化设计已经为我国的外窗创新带来了更新的概念。遮阳与外窗一体化的概念所指的是建筑可调的遮阳构件与外窗的涉及和加工、安装进行了统一。外窗与遮阳进行一体化设计之后，它们自身所具备的优劣势形成了。另一种含义就是，外窗在满足采光通风的基本需要的同时，又与遮阳构件密切联系，具有遮阳、保温、隔热、隔音、防尘、隐私保护等多重功效。以往的外窗遮阳共分为以下五类，分别是水平式、垂直式、挡板式、综合式和格栅式，遮阳伞组件所使用的材料主要是钢筋混凝土板，重量轻，强度较高的复合材料，以PVC塑料、铝、铝合金百叶窗为主，如不同的窗口向外根据实际需要选择不同的形式。传统的固定遮阳方法对住宅的采光、通风、视线等要求缺乏灵活性，很难调节建筑物内的光线。然而通过利用可控式的遮阳材料可以依据不同季节、时间和用户需求来开展多变、自主地调控方式进行安装和设计。

结论：

基于零能耗建筑的研究意义和在我国节能建筑的开发和实践，本文总结了中国零能耗住宅设计的发展趋势，阐述了零能耗住宅在中国的发展的重要性，并以零耗能建筑的优化设计方法为主要研究方向。当前我国要在零能耗建筑的设计和施工方向加大投入力度，建设更多的可再生能源建筑类型，减少建筑带来的能源大损耗，推动我国建筑节能事业的大力发展和建设，提高零能耗建筑的实际工程操作价值。