建筑节能及其在建筑设计中的应用研究

徐娟 江西省建筑设计研究总院集团有限公司

1 前言

建筑设计理念和内容直接影响建筑节能效果，因此，想要提高节能效果，应控制调整建筑设计。在设计阶段将节能理念融入建筑结构和不同单体中，选择具有高度节能降耗的建筑材料，使建筑结构保持正常功能的同时，能够有效节约对能源的利用，从而实现有效的节能设计和建设。

2 建筑节能设计要求

建筑节能指的是在建筑设计、构建和使用过程中，减少对能源的消耗并保障建筑质量。建筑设计不仅影响建筑施工过程中的能耗，对后续建筑使用时的能耗也有较大影响。因此应提高对建筑设计阶段的重视，通过节能设计，提高建筑节能效果。在进行建筑节能设计时，应满足以下几点要求。

其一，保持室内环境宜居。建筑建设的目的是为人们提供生活和工作环境，因此应保障建筑室内环境的舒适度，避免因节能造成环境恶劣的情况。

其二，确保能源的合理利用。想要提高节能效果，应从提高能源利用效率的方向发展，通过合理利用能源，提升能源利用效率，进而减少对能源的需求，实现能源的节约使用。

其三，坚持建筑能源可持续发展。在进行设计的过程中，应坚持绿色可持续发展理念，通过恰当的设计，循环使用能源，进一步提升能源的利用效率，减少能源耗费。

其四，坚持节能设计与成本相协调。由于部分建筑节能设计的成本较高，并不适用于所有建筑中，因此在设计过程中，应根据建筑的预估成本展开设计，使建筑经济效益与节能相契合，从而使建筑节能设计保持长远发展。

3 建筑能耗特点

建筑能耗是指在建筑施工和使用时产生的能源耗费，在建设施工过程中，建筑能耗主要包括：建材构件、运输施工、人员管理等；主要能耗包括：建筑空调、取暖、照明、供给水以及建筑结构能耗（如门、窗、围护结构等产生的能源消耗）。

建筑能耗特点主要体现在不同功能建筑上的能耗差异较大，如公共建筑和住宅建筑，以及城乡不同类型的建筑等。公共建筑中的能源消耗一般大于住宅建筑，城市中的能源利用效率一般高于乡村建筑。因此在进行建筑节能设计的过程中，应结合实际的建筑特点进行合理设计，才能有效提高建筑的节能效果。

4 建筑设计中节能技术的应用

4.1 建筑设计中BEM建模耗能预测

BEM又称建筑能耗模型，其能够通过建模方式合理预测建筑能耗，从而帮助设计人员了解建筑设计的实际情况，并结合建筑能耗的实际情况，调整和修改建筑设计，提高能源使用效率，避免过度耗能的情况。

在构建BEM模型的过程中，首先，应进行参数化建模。该阶段需要利用建筑模型数据库，构建相应的标准化参照模型。通过分析和转化基础的通用模型，在标准化设计和数据下进行转化，成为标准节能参照模型。

其次，自动化仿真。在模型的基础上，加载自动化仿真能源耗费程序，从而提供对工程的建设效果。使用EnergyPlus软件对模型能耗进行模拟和计算。在运行过程中，通过模拟管理器控制整体模拟计算过程，借助数据生成建筑模型，全面能耗模拟建筑在自然条件下的室温控制、光照调整以及空调运行等情况，导出模拟结果进行计算。在模拟过程中需要人工输入气候变化情况，在不同气候条件下，分析建筑能耗模拟情况，从而得到相应的耗能结果。

最后，预测建筑能耗情况。使用神经网络对建筑能耗结果展开分析计算，从而提高能耗预测的准确性。通过构建神经网络结构，全面分析相关数据，使用公式：

其中ω为不同神经元之间连接的权值，m为神经元，其收到的信号为Am[]1，θ为神经网络传输的阈值，通过计算对不同神经元结构承重的鲁棒性和可靠性进行分析，从而提高对问题的了解情况，帮助信息的有效传递，不断提高计算建筑设计中的相关能耗。

结合实际应用情况进行分析，选择不同建筑案例中的相关数据，将建筑使用时间规定为2500h，建筑全年进行采暖和制冷，其负荷为（Eh，Ec），并分析其数据，了解不同因素影响下的建筑能耗情况。设置影响因素，以建筑几何影响为例：建筑立面、门窗比、室内面积、层高等，分别选择相应的建筑参数进行分析和计算，如表1所示。

表1 建筑几何参数取值范围

根据参数进行计算，借助EnergyPlus方法计算该数据下的能耗情况，并分析模型仿真能耗的情况。通过计算能够了解到，不同区域如南方和北方对建筑供暖和制冷方面能耗的需求存在差异。在此基础上，建筑的几何形状对建筑能源消耗存在较大影响。通过使用BEM模型的方式，能够合理计算建筑能耗情况，进一步预测和分析工程的建设效果，便于建筑设计的调整和优化。

4.2 节能建筑场地布局设计

在建筑节能设计的过程中，应考虑不同的影响因素，如建筑场地、平面布局等方面，均会对建筑使用过程中的能耗产生影响，因此在实际的设计过程中，需要借助恰当的节能布局设计，降低建筑能耗。

4.2.1 场地区域设计

在场地设计的过程中，影响建筑能耗的主要因素为场地区域的气候因素，具体包括：光照情况和温度变化情况。在建筑选址时，环境的地形地貌不同，直接影响建筑室内的热环境，如表2所示。

表2 不同地形地貌的热环境情况

在分析场地朝向时，应尽量结合实际区域和需求来选择，优化建筑朝向设计，从而减少能耗。以寒冷区域为例，在对该区域开展建筑设计时，由于寒冷区域的供暖消耗为最大的能耗项目，降低能耗的主要方式是提高建筑自然供暖效果，减少供热过程中的能量消耗。因此，通过调整建筑朝向，使更多太阳辐射进入建筑中，能够有效增加室内的热量，降低对采暖的需求。一般情况下，对于北方寒冷城市来说，房屋朝南效果最佳，但由于地理位置和阳光射入方向等影响，不同区域存在一定差异。设计人员可以使用Weather Tool软件和EnergyPlus数据库，计算不同区域的建筑最佳朝向。例如，北京市建筑最佳朝向为南偏东17.5°，而大连市的最佳朝向为南偏西20°。

4.2.2 建筑平面布局设计

在对建筑平面布局优化设计的过程中，应对比和分析不同平面形状的耗能情况，常见建筑平面为正方形、长方形、圆形和三角形。在分析时应控制不同形状的建筑体积，保持建筑体积相同的情况下进行能耗对比。假设将不同形状的建筑物底面积和高度进行控制，如正方形边长为10m，将建筑的窗墙比控制为0.3后，利用EnergyPlus和BEM模型全年能耗模拟计算，并对结果加以分析。对建筑采暖和制冷时消耗的能量计算和对比，计算二者之和并对比。其中长方形建筑的整体能耗量最高为12651.19kW·h，圆形建筑的能耗最小为9289.96kW·h，正方形建筑能耗小于三角形建筑。因此，在对建筑平面开展设计的过程中，在条件允许的情况下应选择圆形和正方形建筑。

4.3 建筑单体节能设计

建筑单体节能设计过程中，应考虑建筑室内能耗情况及建筑围护结构，通过恰当的设计优化，减少制冷和供暖过程中能量的逸散情况，提升能量的使用效率，进而优化建筑节能效果。

4.3.1 门窗节能设计

门窗节能设计时，需要分析窗墙比及其材料和隔热保温情况。在分析窗墙比时，建筑窗户面积增大时，其能够吸收更多太阳能，且通风效果得到提升，但同时也在一定程度上造成大量的能量逸散，因此应结合实际情况调整窗墙比，使舒适度和耗能情况达到相对平衡状态。在南方温度较高的环境中，对窗墙比的要求不高，但在较为寒冷的北方区域，窗户接收太阳能有限，但由于室内外温差较大，窗户对能量逸散的影响相对较大，需要控制窗墙比。一般按照朝向不同，给出相应的标准。如朝南建筑应小于0.5，朝北建筑应小于0.23。

4.3.2 墙体节能设计

在墙体节能设计时，主要方式是增加外墙保温和设置墙体内保温设施，降低室内外温度差带来的影响，减少能量逸散情况，通过保温层设置，不仅便于北方区域减少室外寒冷温度的影响，同时在南方炎热环境同样适用，其能够有效减缓外界热空气的影响，实现冬暖夏凉，起到良好的节能效果。外墙保温设计时，应结合不同位置的情况，选择相应的保温材料类型。常见类型包括：硅酸盐保温材料、钢丝网水泥泡沫板、硬泡聚氨酯保温板等。墙体内保温是在室内进行设计应用，以达到保温节能的效果。常见技术为：安装保温板、涂抹保温砂浆等。目前随着节能需求的不断提升，墙体自保温技术同样得到有效应用，通过在墙体施工构建的过程中，优化围护结构设计性能，使其自带较强的保温性能，从而能够有效提高保温节能效果，同时减少建筑成本消耗。

4.3.3 屋顶节能设计

屋顶厚度有限，并且高度较高，受太阳能辐射较为严重，并且高度的风力较大，冬季较为寒冷，对建筑能量消耗相对较大。在对屋顶进行节能设计的过程中，主要通过两方面进行控制。

其一，提高屋顶隔热能力。以南方地区为例，其在夏季受到温度影响较为严重，为控制热量影响，可以设计架空隔热屋面，在屋面防水层上方设置一层混凝土结构，使该层不直接与实际的屋顶结构接触，从而减少阳光辐射对顶层室内的影响，并且架空结构不影响通风，从而避免高楼大风影响，在风流过时还会将架空层的热空气带走，起到良好的隔热效果，降低室内制冷消耗。

其二，提高屋顶保温能力。在建筑屋顶设置种植屋面或蓄水屋面，一方面能够充分利用屋面的空间，提高对空间和太阳能的利用；另一方面，在设置种植区域和蓄水设施时，有利于增加屋顶的厚度，使其保温能力得到提升，从而减少能量逸散，提高保温效果。

4.4 建筑节能系统设计

除上文中的相关节能设计，在建筑的相关设备系统应用过程中，仍存在一定的能耗情况。如空调系统、照明系统等，在长时间的使用过程中消耗大量的电能。在进行建筑节能设计时，应优化调整此类系统，减少能源浪费情况。

在设计照明系统时，主要应控制公共空间光源，如使用LED节能灯代替传统光源，减少电能消耗。在公共区域设置智能控制系统控制照明设备，使用红外感应设备代替传统的光感和声控照明设备，提高对生物识别的精准度，从而真正实现人来灯亮、人走灯灭，有效提高光源控制灵活度，从而降低照明过程中的能源消耗。此外，针对不同区域设置不同照明标准，如室内和办公室，设置300lux，走廊等区域设置50lux~70lux的照明标准，满足用户需求的同时减少能源耗费。

设计建筑用水系统时，通过构建屋顶绿化或屋顶蓄水等方式，提高对水资源的利用，同时在建筑内部设置循环用水系统，如调整卫生间便器水箱或设置简易净水装置，重复使用雨水等，减少水资源浪费现象。

5 结束语

综上所述，为提高建筑节能效果，应在建筑设计阶段树立节能意识，将节能理念充分体现在不同的设计环境，提高整体建筑的节能效果。设计人员应分析建筑能耗影响因素，从不同影响方面进行调整，充分发挥出建筑节能效果，提高能源使用效率，构建绿色节能建筑。