李上賓
（中信建筑設計研究總院有限公司，武漢 430014）
節能建筑的設計原理內容廣泛，在滿足功能布局合理、結構技術安全、形象美觀的基礎上，其節能概念的貫徹首先反映于方案設計階段。如建筑的形體、平面空間布局、窗的面積和位置等，都會影響建筑的得熱和熱損失。因此，節能建筑設計首先應從方案中要“能量”，力求按建筑節能概念的一般規律進行設計。節能建筑方案階段的內部空間設計，主要是通過組織自然通風與合理的平面布局等技術手段實現的。這些技術手段的應用不只是水平方向的設計，也包括垂直方向的設計。完美地把這些技術與建筑藝術及功能要求相結合，需要建筑師對相關技術知識的正確掌握與理解，並具備較強的空間組織能力。在建筑設計中還涉及許多節能問題，如采用何種結構體系、外墻與屋頂構造的厚度及保溫做法、窗的大小和氣密性等，都是十分重要的。當然，空調能耗在建筑能耗中所占有的比例，也是設計中應考慮的問題。任何設計中節能概念的偏差，如平面和空間不合理、體形復雜、開窗過大等，都會給建筑的節能設計帶來困難，使建筑節能造價劇增，空調負荷加大等。所有這些問題，都要求設計人有節能意識並融入到自己的設計之中，通過各種節能手段，使建筑本身具備節能的條件，從而達到節能目的。
一 建筑節能的發展與應對策略
建筑節能的發展大體經歷了四個階段：第一階段是能源的節約，即減少能源消耗，盡可能少用能源。第二階段是能源守恒，即盡可能在建筑中保持能源，減少能源的流失，如西北的掩土建筑就具有極佳的節能效果（圖1）。第三階段是提高能源利用效率；第四階段是減少各種有害氣體對環境的負面影響，使建筑節能具有了保護地球環境的更高層次的意義。
圖1 掩土建筑
要實現建筑節能，必須要有應對策略。就我國居住建筑節能策略而言，主要有以下幾個方面：通過有效的組團規劃及單體設計，從朝向、間距、體形上保證建筑物有足夠的日照時間；組織有利的自然通風，減小建筑物的體形系數及外表面積，加強外圍護結構的保溫隔熱性能；提高外門窗本身的保溫性能，提高門窗氣密性，減少冷風滲透，減少能量損失；改善采暖和空調系統的運行效率和管理手段，減少設備能耗等。總之，一棟合格的節能建筑是從方案階段開始的，它是由合理的規劃和單體設計、科學的外圍護結構保溫體系、高效率的設備和管理手段，集合而成的。
二 建筑節能設計的技術手段
1 自然通風與空間設計
自然通風是當今節能建筑所普遍采用的一項比較成熟而廉價的技術措施。采用自然通風方式的根本目的就是取代或部分取代傳統空調制冷系統。這有兩方面有著至關重要的意義：一是實現有效被動式制冷．可以在不消耗能源的情況下降低室內溫度；二是可以提供自然空氣(新風)，帶走潮濕氣體，有利于人的生理和心理健康。在建筑中,自然通風由于空氣流動導致對流傳熱的產生，而空氣流動是因為在建筑物的門、窗處存有空氣壓力差。造成空氣壓力差的原因有兩個：一個是風壓作用，一個是熱壓作用。熱壓取決于室內外空氣溫度差和進出口位置的高度差。所以建筑設計可通過空間布局、門窗洞口的合理設計，如設置一定數量的低窗與高窗,增加了氣流進出口的高差，熱空氣上升，經由高窗排出，涼爽的空氣由低矮的洞口進入室內，這就是常見的煙囪效應（圖2）。
另外一種自然通風的方式是，通過室內房間的合理布局而有利于穿堂風的形成。
穿堂風是夏熱冬冷地區傳統建筑解決潮濕悶熱和通風換氣的主要風環境形式，不論是在住宅群體的布局上，還是在單個住宅的平面與空間構成上，都要注重穿堂風的形成。在節能建筑單體平面布局設計中，從利于穿堂風的形成角度,應考慮以下因素：
（1）布置住宅建筑的房間時，由于不同房間因使用性質、重要性和使用時間的不同而存在對室內熱舒適要求的不同，有必要確立優先的順序，即先是起居室和主臥室，然后是次臥室和工作室，最后是廚房和衛生間。適量的通風換氣是室內空氣質量的必要保證，室內換氣宜采用有利于主要房間的有組織換氣(有組織換氣可以提高換氣效率,減少室內外換氣熱交換),即新鮮空氣從起居室、臥室等主要房間進入，經過過廳、餐廳等空間，最后由廚房、衛生間排到室外,同時避免廚房、衛生間內的空氣進入其它房間。
（2）房間的面積以滿足使用要求為宜，不宜過大。特別是起居室，它是整套居室采暖通風的中心地段，更不宜過大。
（3)門窗洞口的開啟位置除有利于提高居室的面積利用率與合理布置家具外，還應有利于組織穿堂風，避免“口袋屋”式的平面布局。
（4)廚房和衛生間進出排風口的設置要考慮主導風向和對鄰室的不利影響，避免強風時的倒灌現象和油煙等對周圍環境的污染。特別是廚房和衛生間，它們是有害氣體的產生源，合理的通風換氣更為重要。
2 有利于日照的空間設計
室內房間布局應有利于室內采光和自然通風。由于體形系數、建筑面寬和建筑節地的限制，并不是所有房間均可獲得理想的采光和通風條件。雖然我國建筑節能計算是以建筑作為研究對象的，但不同房間因使用性質、重要性和使用時間的不同而存在對熱舒適要求的不同，所以有必要確立優先的順序，即先是起居室和主臥室，然后是次臥室和工作室，最后是廚房和衛生間(門廳、過廳和餐廳一般與起居室相通，可以獲得一定的采光和通風)。
雖然北向房間在夏季受到太陽直接熱輻射的影響較小，但起居室和主臥室等主要房間還是應優先考慮布置在南向（圖3），其原因有三：
（1)夏季南向太陽高度角較高，南向圍護結構接受到的太陽輻射總量與北向相差不多。
（2)此地區冬季室內如果沒有陽光，會使人感到異常陰冷，可利用豎向反射板把陽光引入室內（圖4）。
圖3 陽光引入 圖4 利用豎向陽光反射板把陽光反射到室內
（3)夏季南向太陽高度角較高，通過比較簡易的遮陽措施即可處理。東西向為房間開窗的最不利朝向，但在某些情況下，尤其是由于景觀的原因，必須在起居室或臥室的東、西向開面積較大的窗，以獲得理想的景觀視野。在東、西向開面積較大的窗，不但冬季太陽輻射得熱量較少，而且在夏季還會有大量高度角較低的東、西向太陽熱輻射進入室內，這當然非常不利于節能。為了緩解這一矛盾，可以采用如下方法：
①在窗戶外面設置出挑較大的陽臺，這樣不但可以獲得理想的戶外觀景條件，也可以利用出挑的剛臺遮擋較多的夏季太陽熱輻射。
②在窗外或陽臺外沿采用可調節的外遮陽百葉，遮擋東、西向太陽熱輻射（圖5）。
③選用低輻射鍍膜玻璃，這樣既可以減少中長波的太陽熱輻射進入室內，又不會過多地影響可見光的進入，仍可以獲得較好的景觀視野。
總之，節能住宅平面設計應盡量緊湊，減少外墻長度，平、立面不宜出現過多的凹凸，凸出房間遮擋凹進房間的日照，凹進越深，凹進房間的外墻寬度越小，日照遮擋就越嚴重。凸出房間與室外有兩個直接接觸面，外表面積遠大于不凸出房間，與室外通過外圍護結構的熱交換量相對較大。所以，凹進房間和凸出房間均不宜作為起居室和主臥室等主要空間。由于起居室和主臥室多在南向，那么住宅平面必要的凹凸更宜選在北面。主要房間與室外的直接接觸面不但不宜過大，而且宜把幾個主要房間集中布置，因為主要房間大多有主動設備間歇制冷或采暖，集中布置可以減少空調房間的外圍護結構面積。
附加陽光間屬一種多功能的房間，除了可作為一種集熱設施外，還可作為休息、娛樂、養花、養魚等空間，是冬季讓人們置身于大自然中的一種室內環境，也是為其毗連的房間供熱的一種有效設施（圖6）。附加陽光間除最好能在南向墻面全部設置玻璃外，還應在毗連的二主房坡頂部分加設傾斜玻璃。這樣做可大大增加得熱量，但傾斜部分的玻璃擦洗比較困難。
另外，夏季時，如無適當的隔熱措施，陽光間的氣溫往往變得過高。冬季時，由于玻璃的保溫能力非常差，如無適當的附加保溫措施，則日落后室內氣溫將會大幅度地下降。
圖5 活動外遮陽構造
圖6 附加陽光房
3 新型節能保溫材料和新技術的應用
（1) 墻體節能技術
主要做承重用途的單一材料墻體，往往較難滿足日益提高的保溫隔熱要求，因此在節能的前提下，出現了蒸壓加氣混凝土砌塊、砂加氣混凝土砌塊、空心陶粒磚砌塊、以及輕質復合墻體等，逐漸成為市場的主流。復合墻體一般用磚或者混凝土作為承重結構，并與絕熱材料復合；或者用鋼或鋼筋混凝土結構，用薄壁材料夾絕熱材料作為墻體。 按復合材料的不同處理手法可分為內保溫、外保溫以及中間保溫等。
（2) 門窗節能技術
在建筑的外圍護結構中，門窗的保溫隔熱效果較差，門窗縫隙也是冷風滲入的一個重要通道，改善門窗的絕熱性能，是節能工作的重點。傳統的辦法是控制窗墻比，即窗戶面積與窗戶面積加外墻面積之比值，提高門窗制作質量，如加密封條，減少冷風滲透等，注意隔熱條的選用，隔熱條對隔熱門窗的整體穩定性起到關鍵作用；。
在門窗節能中，改善窗戶保溫效果是比較有效的手段之一。市場上中高檔的住宅產品多采用中空玻璃、隔熱玻璃、反熱玻璃等，隨著節能技術的發展，象低輻射鍍膜玻璃(Low-E玻璃)等節能玻璃，在應用中也逐步在得到加強。
（3) 屋頂節能技術
平頂屋頂和尖頂屋頂都可以采用設置保溫層的辦法到達節能的目的，提高頂層住戶的居住質量。現在新的趨勢是眾多樓盤出現了屋頂花園。“屋頂綠化”作為一種不占用地面土地的綠化形式，不僅能為城市增添綠色，而且能減少建筑物屋頂的輻射熱，減弱城市的熱島效應。在如今大部分小區內用于綠化的規劃用地所剩不多的狀況下，發展“屋頂綠化”便成了住宅添綠的重點（圖7）。
圖7 屋頂花園
屋頂綠化將會成為流行趨勢，但要注意夏熱冬冷地區特殊氣候的影響，避免冬季形成“敗景”；應在技術上考慮樓體的承受力，頂層的排水和遇到大風天氣等問題，提高工程質量。
（4) 設備系統節能技術
平衡供暖、熱量按戶計量及室溫控制調節、管道保溫都是節能工作發展的方向。平衡供暖是指利用計算機對供暖系統進行全面的水利平衡調試，改善供暖質量，同時節約能源；管道保溫可加強對輸暖管道的保溫處理，減小熱損失。
同時需要注意的是，隨著人們住房條件的改善和科學技術的發展，傳統的取暖方式已被燃氣、電熱、地板取暖等多種方式所替代。尤其是地板取暖以其節省空間、熱力分布均勻、符合人健康生理特點更為人們所喜愛。
地板取暖是通過埋設于地板下的加熱管——鋁塑復合管或導電管，把地板加熱到表面溫度18至32攝氏度，均勻地向室內輻射熱量而達到取暖效果。地板取暖相對于傳統取暖優勢明顯，房間溫度分布均勻，有利于營造健康的室內環境，可杜絕灰塵團和渾濁空氣的對流，高效節能，節省空間（圖8）。
圖8 地板采暖結構
三 建筑節能技術展望
夏熱冬冷地區屬非采暖地區，每年都有一個難熬的冬季，這是該地區建筑節能技術的難點。如何將白天日照過剩的熱量貯存在相應的“物體”之中，待夜間室外氣溫下降，室內無補充熱源時，通過輻射釋放貯存起來的熱量，是十分關鍵的技術。“貯存熱量”的物體必須滿足高熱容和極佳的保溫層，需要時能順利散熱。這可能是建筑物中的某個組成部件或是建筑本身，它涉及到復雜的高新科技。當然，我們希望利用最常規的手法達到相同的目的。
室內蓄熱，利用建筑室內構配件進行熱量貯存，通過合理選用高熱容材料，正確設定其相應達到蓄熱的目的；
通過物相變化達到蓄熱目的，是建筑熱量儲存方法的發展方向，其高效率的熱量輻射可以大大改善室內熱環境；
利用貯熱水箱貯存熱能不失為一種簡單有效的方法，將白天多余的太陽熱能通過水網盤管吸熱成溫水，不斷貯存于有良好保溫措施的熱水箱中，夜間再通過管網輸送回室內空間。這種釋放熱量要恰到好處，過早或過遲或過強或過弱均會造成室內溫度不適。熱釋放是以輻射方式進行，應保證輻射對室內相對穩定地傳熱，必須使貯熱單元的溫度達到均勻，并對其輻射方向作好組織，以使“能盡其用”；
比較理想的辦法是，高熱容的貯熱體不一定是室內所有墻面，可以是南立面一部分面積，經設計選材，達到熱滯后散熱目的。
輻射源應選擇在建筑幾何中心位置，并與室內空間無任何遮擋，應用地面層以下的卵石貯熱，其樓板要做薄板，以保證輻射指向室內，提高采暖效率。以冬季采暖為目的，輻射源數量越多越好；
總之，解決夏熱冬冷地區冬季的取暖問題，是該地區建筑節能技術的一大難題，建筑師與設備專業的設計師們任重而道遠，解決難題、攻克難關，指日可待。一位經濟學大師說過，夏熱冬冷地區的居民如果都能享受到冬季取暖的條件，那就是小康的標志。