低碳理念下的建筑设计应对策略

陈源强 陈 霆

关键字：低碳建筑；建筑设计；应对策略

随着城市化水平的快速推进与城市更新速度的显著提升，建筑的数量与规模均呈现上升趋势，随之而来的建筑能耗问题也日益凸显。据统计，2021 年我国建筑能耗占社会能耗的37%，相比于20 世纪90 年代的24%与2011 年的30%，建筑能耗已成为严重影响我国社会层面终端能源消耗的关键[1]。低碳理念贯穿文化、生活及经济各方面，并衍生出了低碳经济、低碳生活和低碳能源等新兴概念，驱动各行各业节能减排、绿色环保的发展态势。将低碳理念贯穿于建筑设计中，是推动建筑业健康发展的关键。在社会发展的新形势下，低碳理念可以促使我国建筑设计着力向着绿色、节能、环保方向跨越式发展。在低碳理念下研究建筑设计策略，可以促进建筑行业转型升级，推动建筑设计向绿色可持续方向高质量发展。

1 低碳建筑设计理念

城市化进程不断加快使得环境污染、生态破坏问题日益凸显，不利于人们的身体健康与生态环境的可持续发展[2]。低碳理念是节能、环保、减排与降耗的有机综合，将其应用于建筑设计中，从材料选型、节能设施设计、建筑空间设计等方面践行低碳理念，切实提高建筑物的保温隔热性能，降低建筑物的热工消耗，减少照明系统、冷却系统以及供暖系统的使用，提高建筑物对自然清洁能源的利用率，响应节能减排降耗的绿色环保号召，为人们提供安全、高效、便捷及具备可持续发展功能的建筑[3]。同时，在建筑设计中充分融入低碳理念，深化节能环保技术，最终目的在于降低建筑的后续施工成本与能源消耗，从建筑材料、设备投运、技术实施层面切实实现建筑工程施工与使用的社会效益与经济效益的双赢。

1.1 能源组合优化

建筑行业需要消耗大量的能源资源，因而具有较高的能耗率。将低碳理念应用于建筑设计的过程中，应严格按照房屋建筑相关节能环保规范优化建筑设计，做好建筑能源组合的优化工作，在保证提升建筑各方面性能的前提下提高建筑设计的整体质量，切实保证建筑设计方案的实效性与可行性，满足人们对建筑内部布局与功能的要求。例如，在建筑电气设备选型设计时，将紫外线照明集成用于暖通空调系统中，安装具有实时反馈与警报的空气质量传感器，安装自动空气净化器与通风控制系统，为住户创造安全、舒适、便捷、高效且低能耗的生活与工作环境[4]。

在室内设计中，可结合建筑物所在地的气候条件、太阳辐射情况以及周边建筑遮挡情况等，优化设计照明灯具布设，以自然采光与照明灯具相结合的方式为建筑物室内照明提供满足生产生活需求的光源光照度。同时，充分使用节能型照明系统或在建筑顶部铺设太阳能光伏板进行发电，能够为建筑室内照明提供清洁型能源。在设计建筑物室内供暖系统时，可充分利用太阳能、地热能等清洁能源为建筑物供暖，并在建筑设计中充分考虑余热、废热的回收利用问题，提高能源的利用率，降低供暖系统的实质性运转能耗[5]。由此可见，通过太阳能与电能的有效组合与设计，可以提高资源能源的利用率。

1.2 充分应用新型节能材料与设备

新型节能材料从生产加工工艺到施工现场安装布设均具有低能耗、绿色环保等特性，是低碳建筑设计的关键环节。在低碳建筑设计中，施工材料、电气设备等的选型应在满足工程建筑质量与建筑物特殊功能需求的基础上，最大限度选择节能型材料与智能化电气设备，减少施工材料使用对自然环境的影响，同时提高设备的自动维护、监控能力，进一步优化建筑居住环境，提高建筑物保温隔热、采光透亮、自然通风等性能[6]。例如，设计建筑墙体时，可选择空心混凝土砌块、页岩空心砖、粉煤灰混凝土等新型节能材料，减少建筑工程实施中水泥的使用量，提升建筑墙体抗腐蚀、抗冻、抗碳化以及抗潮性能，提高建筑物的使用寿命。又如，在门窗选材时，综合考虑门窗密封性对建筑保温性能的影响以及门窗材料的成本，可选择隔热断桥铝型材，其利用硬塑将断开的铝合金进行拼接，从而提高了材料的隔热性能。再如，在建筑结构设计选型时，可采用中空型混凝土砖融合隔热性能较好的聚苯乙烯泡沫，有效阻隔建筑外的冷空气进入，提高建筑结构的保温隔热性能。

2 低碳建筑设计应用

2.1 建筑选址

低碳理念下的建筑设计应考虑建筑与附近环境的协调性来优化建筑选址。例如，选择阳光充足、雨季较少或者视野开阔的区域，有利于引入太阳能与风能等可再生能源。同时，在冬季阳光照射时间较长的地区，可以利用吸光性较好的材料作为建筑材料，以吸收更多的热量，使室内温度持续升高，减少供暖设备的使用，达到建筑节能减排的目的。此外，在充足的太阳光照射下，建筑设计可增加窗户的数量与面积，充分用自然光照作室内照明，减少照明设备的用电消耗。

2.2 建筑形体的低碳化设计

建筑形体设计是指对建筑的体量、体型、朝向等进行科学设计，以更好地适应当地的地形地貌与气候条件，减少建筑使用过程中对冷暖空调、排风系统等的使用率。例如，在我国东南沿海地区，由于夏季炎热多雨，建筑设计应高度关注自然通风，可对建筑结构的阴面与阳面进行巧妙布局，使建筑阴阳面之间形成一定气压差，为建筑室内外的空气流通创造良好的条件，减少无风状态下建筑新风系统的使用。同时，在建筑上合理开设风洞，以使自然风能够在风洞中回旋，实现建筑室内外的良好通风，达到建筑通风方面的低碳化效益。

在建筑的朝向方面，考虑到寒冷冬季的取暖需要，应将建筑朝向设计为向阳面，以便建筑在冬季能够充分接受太阳辐射而升温。建筑朝向设计时还应避开当地的主导风向，以免冬季强劲的西北风快速带走建筑室内保有的温度，影响建筑暖通空调系统运行的实际效果。此外，建筑形体规划设计应注重多元要素的均衡，充分统筹气候、方位、朝向和日照等方面，适配当地的自然地理环境，以上述要素的相对平衡优化建筑的形体与朝向。

2.3 建筑顶盖的低碳化设计

建筑顶盖的功能为夏季隔热、冬季保温，为室内生产和生活提供温湿度相对适宜的环境。建筑顶盖施工质量会影响建筑物整体保温隔热性能，设计时多采用圆形或尖形作为顶部造型，以减少太阳辐射的实际面积，减少顶盖热量的进一步汇聚与渗透，切实降低建筑物的室内温度。近年来，随着建筑物造型与风格的多样化，建筑顶盖设计逐渐向功能性与美观性兼具，而顶盖施工的节能性依赖于施工材料与施工工艺的绿色化。例如，采用新型保温材料作为顶盖特殊造型的施工材料，能够减少建筑热工消耗；用玻璃作顶盖材料，以直接采光代替传统建筑的侧面采光，能够增加建筑的采光面，加强对自然光线的直接利用。通过建筑材料与工艺的低碳化选型、设计与实施，可充分发挥建筑顶盖冬暖夏凉的保温隔热功能，也能充分保障建筑顶盖造型设计的美观度[7]。

2.4 建筑门窗的低碳化设计

门窗是影响建筑物密封性与保温隔热性能的关键，也是建筑设计与实施中耗材较多的部分。根据相关调查数据可知，经由门窗散失热量引起的能耗占整个建筑能耗的40%。为减少建筑设计方案中门窗方面的材料消耗，在选材与工艺设计方面需更加注重节能性与低碳性，摒弃传统的普通玻璃材料，优先选择兼具基础功能与特殊辅助功能的门窗材料，以提高建筑门窗的密封性、防水性与透光性等。例如，北京国际机场T3 航站楼设计施工时，考虑到采光需求与防水需求，采用铝型材料作为天窗材料，增大太阳辐射的直射面积，并将密封条嵌入天窗构造中，提高天窗的密封性与防水性。普通民用建筑可采用阻热型门窗，以较低的导热系数减少室内外热量传递，降低建筑物室内热工消耗。

2.5 建筑屋面的低碳化设计

建筑屋面是整体建筑受到太阳辐射面积最大的平面，可以有效阻挡太阳辐射直接照射室内，避免室内温度快速升高，也可以有效阻挡室内的冷空气与暖空气逸出，降低建筑夏季制冷与冬季供暖保温的能耗。传统的建筑屋面设计多采用混凝土结构，但混凝土的隔热性能较差，实际工程中通常将混凝土与隔热材料相结合，以提高屋面材料的保温隔热性能，常见的隔热材料如珍珠岩、粉煤灰、纤维素等[8]。这些导热系数较低的轻质材料融入混凝土中，可以较好地提升混凝土的隔热性能与防水性能。除屋面建筑材料外，在建筑工艺方面可采用“生态覆盖”的屋面建筑方式，在建筑屋顶铺设土壤种植植被花草，削弱建筑屋面承受的太阳辐射，同时扩大城市的植被覆盖率，利用植被的光合作用增加城市的氧含量。此外，可在建筑屋面铺设太阳能面板，为建筑物室内照明或用电设备运转提供清洁能源。

2.6 建筑墙体的低碳化设计

建筑墙体设计中，通常铺设保温材料以改善墙体的导热系数，提高墙体的保温隔热性能，降低建筑夏季制冷与冬季供暖保温的能耗。墙体保温材料通常会选择岩棉板、聚苯乙烯泡沫塑料等节能材料，将其附着在建筑外墙和内墙上，能够有效阻隔室内暖空气流失与室外冷空气侵袭。另外，保温层与墙体形成的多层空气层，可有效降低墙体与屋面的热传导效应。

2.7 建筑通风的低碳化设计

建筑良好的通风设计可提高室内空气的流通性，保障室内住户居住的舒适度以及用电设备适宜的运行环境。建筑通风低碳化设计时，应充分借鉴与利用自然通风的优势，在符合当地自然风力与风向的标准下设计通风口的位置、朝向与大小，通过良好的进气与排气交换达到更强的通风换气效果[9]。此外，建筑通风低碳化设计也应充分借助通风辅助设备，如卫生间的排风机、室内的新风系统等，结合当地小气候特征、气流走向与气团分布、周边建筑层高与空间分布等布设通风设备，使其风道走向与室内局部区域的风向一致。例如，室外新风系统通过各居室外墙进风口，经隔尘降噪后进入室内，提高室内气体交换的频次，同时减少风向相逆给通风设备带来的负载压力，降低通风辅助设备的运行能耗。也有建筑设计师在墙体造型上进行特殊设计，实现建筑通风的量化调节。例如，马来西亚建筑设计师设计出一种捕风墙，即在建筑两侧开设阳台开口，开口两侧墙体上分别布设挡风墙，通过挡风墙的喇叭口袋造型可有效捕捉与拦截自然风，再依托阳台开口的大小有机调控进入建筑室内的风量。

2.8 建筑采光的低碳化设计

建筑采光低碳化设计时，应充分利用自然光辅助与室内照明设施相结合，减少室内照明的电力消耗。例如，考虑到建筑顶部通常较平坦且规整，可在上面安装反射光板，引入自然光提高室内采光度；也可在建筑结构设计时引入过堂结构，从而更高效地将自然光引入室内，增加室内空间的采光率。同时，可以在建筑室内使用节能型照明系统，或利用建筑顶部铺设太阳能光伏板发电，为建筑室内照明提供清洁型能源。

3 结语

在建筑设计中科学、合理地运用低碳理念，可提高建筑物的节能性与环保性，有效降低建筑物的施工与使用能耗。在建筑低碳设计方面，可在建筑顶盖、门窗、屋面、墙体施工中科学选材进行节能设计，将岩棉板、聚苯乙烯泡沫塑料等节能型材料应用到屋面与墙体的施工中，严格控制门窗的数量，改善建筑屋面与墙体的热传导系数，降低建筑的热工消耗。在建筑通风与采光低碳化设计方面，应充分运用自然优势、新风系统以及节能照明设施提升室内空气交换频次与采光度，优化建筑低碳化设计效果。同时，低碳建筑设计应充分引入智能空调系统、智能给排水系统以及智能照明系统，对建筑物室内温湿度、光照度以及供水等进行智能化调控，减少建筑电气设备长时间运行的用电消耗，从而实现建筑领域节能减排、低碳环保的目标。