寒地建筑圍護體系設(shè)計策略探析

建筑設(shè)計是一個復雜的、基于多目標平衡優(yōu)化的設(shè)計過程，其中地域性的氣候特征是影響建筑設(shè)計的一個重要因素。我國寒冷地區(qū)四季分明、冬季漫長、晝夜溫差大、極端氣溫較低，低溫、寒風、積雪等嚴酷的氣候環(huán)境是寒地建筑設(shè)計的制約條件。建筑的圍護體系是界定建筑內(nèi)外部空間的媒介構(gòu)件，圍護體系的性能直接影響建筑內(nèi)外部空間環(huán)境的營建。隨著科技發(fā)展和設(shè)計方法的進步，寒地人居環(huán)境質(zhì)量不斷優(yōu)化，建筑圍護體系低能耗發(fā)展是提高寒地建筑能效、促進節(jié)能減排的主要訴求。

1.寒地建筑維圍護體系設(shè)計低能耗目標

評價建筑環(huán)境是否綠色舒適，除了單純著眼于標準熱工能耗外，建筑環(huán)境的濕度、光環(huán)境、通風換氣、舒適度、防水性等也是直接影響使用者感受的因素；此外，而建筑立面造型的功能性與美觀性、夏季遮陽、私密性以及建筑能源的環(huán)保性、建筑運行的可持續(xù)發(fā)展等等都是綜合評價考量的因素。從碳排放的角度來講，寒地建筑建造圍護體系構(gòu)造復雜、耗材量大、熱力輸送過程中市政管網(wǎng)能耗損失大等原因?qū)е陆ㄖ吞家筇嵘?；從環(huán)境舒適度角度來講，建筑運行時室內(nèi)外溫差造成巨大的采暖需求，高緯度氣候造成照明時間長，保溫隔熱的需求又造成室內(nèi)空氣質(zhì)量差、通風要求高等現(xiàn)象，所以良好的寒地建筑空間環(huán)境一方面要做到環(huán)境舒適要求，同時也要最大限度地減少碳排放，力求綠色持續(xù)發(fā)展，因此，低能耗是寒地建筑圍護體系設(shè)計的綜合目標。

2.寒地建筑圍護體系低能耗發(fā)展愿景解析

以低能耗作為寒地建筑圍護體系設(shè)計目標，把建筑環(huán)境的評價指標通過能耗的形式進行比對，能夠直接而有效地評價圍護體系性能，便于圍護體系的改進。

推廣清潔能源

隨著全社會推廣使用清潔能源的意識的普及推廣，在寒地建筑圍護體系設(shè)計中應建立對能源清潔、高效、系統(tǒng)化應用的技術(shù)體系。清潔能源在建筑方面的應用主要包含太陽能、風能、生物能、水能、地熱能以及低污染的天然氣等能源的利用，合理利用這些資源，可以部分替代化石能源，減輕環(huán)境污染，不僅有助于寒地建筑綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展，也起到節(jié)省投資的效果。寒地建筑運行能耗的主要部分就是冬季采暖，它也是我國建筑產(chǎn)業(yè)能耗的主要組成部分之一。參考國家發(fā)改委發(fā)布的各類能源算成標煤的系數(shù)，消耗每噸標煤的碳排放系數(shù)為:k=α×+β×+γ×+δ×式中,α、β、γ和δ分別為煤炭、石油、天然氣和無碳可再生能源占總能源消費的比例,α+β+γ+δ=1。我國寒地采暖能源多為煤炭，不僅造成大量碳排放、污染環(huán)境，也耗費極大經(jīng)濟成本。推廣清潔能源的使用，可以從源頭減少化石能源的使用，不僅是對寒地建筑綠色建設(shè)水平的提升，對我國建筑節(jié)能發(fā)展、社會低碳減排都有重要支撐作用。這一趨勢已經(jīng)在歐盟的一些同樣屬于寒地地域的國家中逐漸推廣并逐步強制實施，例如德國要求根據(jù)可再生能源種類和建筑的不同，可再生能源提供15%-50%的采暖需求；在集中供熱范圍外，新建建筑日熱水用量超過1000升，則需要安裝太陽能熱水系統(tǒng)，且滿足實際需求的95%以上。

減少能耗需求

促進寒地建筑圍護體系低能耗發(fā)展，減少能耗需求，就是應對我國寒地建筑發(fā)展的趨勢、圍護體系性能提升的有力的減少能耗“節(jié)流”措施。我國寒冷地區(qū)基本上屬于經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城鄉(xiāng)建設(shè)力度將會在未來持續(xù)增大，因此，無論是建設(shè)量還是建筑面積都將大幅提高。在過去的幾年間，我們已經(jīng)采取既有建筑圍護體系改造、圍護體系節(jié)能建設(shè)標準體系等措施，目的就是從根本上降低能耗需求，并取得一定成效。20XX年-20XX年，北方城鎮(zhèn)建筑采暖面積從50億平方米增長到106億平方米，增加了一倍，而能耗總量增加了約50%，低于建筑面積的增長。然而，與歐美發(fā)達國家相比，我國的寒地建筑圍護體系設(shè)計水平還有待提高，例如，德國墻體傳熱系數(shù)要求為/（m2?k），瑞典墻體傳熱系數(shù)最高為/（m2?k），而我國處于嚴寒地區(qū)的黑龍江地區(qū)外墻傳熱系數(shù)為/（m2?k），即使按照《綠色建筑評價標準》，圍護結(jié)構(gòu)熱工性能也僅比現(xiàn)有標準要求提高5%-10%。可見我國建筑圍護體系性能提高潛力巨大，而建筑單位面積能耗需求的降低是寒地建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

提高能耗效率

“節(jié)流”的另一個措施即提高建筑能耗的利用效率。寒地建筑一般建筑內(nèi)外部環(huán)境溫差大、采暖及通風的能耗需求較大，建筑體型圍護體系的體型系數(shù)、傳熱系數(shù)都需要嚴格規(guī)范以達到能耗效率要求。隨著新材料、新技術(shù)的應用及建筑節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，寒地建筑的能耗效率還將不斷提高。例如，在位于哈爾濱的溪樹庭院住宅小區(qū)的建設(shè)中，通過新風系統(tǒng)采用集中處理、設(shè)置熱回收裝置以提高系統(tǒng)能耗利用率，熱回收效率達到75%以上，大大提高了能耗效率，降低能耗損失，實現(xiàn)了良好的節(jié)能效果。

3.寒地建筑圍護體系低能耗設(shè)計策略

建筑設(shè)計被動式技術(shù)整合化

被動節(jié)能技術(shù)一般是指在保證室內(nèi)環(huán)境舒適度前提下，通過對建筑的布局、朝向、形體、遮陽、保溫、氣密性、自然通風等方面進行合理的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計，從而降低建筑總體能耗。在我國寒地建筑設(shè)計中，建筑的布局、朝向都有規(guī)范標準進行界定，圍護體系的材料選取與設(shè)計直接決定建筑的遮陽、保溫、氣密、通風等性能。可采用的被動式技術(shù)包括圍護體系密閉性、圍護體系隔熱性、太陽能、風能、通風控制等。例如，通過建筑朝向、組團位置以及建筑立面開窗、遮陽等設(shè)計，控制太陽能的利用；通過加強建筑圍護體系密閉性能、嚴格控制室內(nèi)外新風換氣頻率等措施以減少室內(nèi)外熱損失；通過空間設(shè)計，加強室內(nèi)環(huán)境熱循環(huán)，以提高室內(nèi)熱能的利用效率，優(yōu)化空間環(huán)境等。在設(shè)計中，通過針對項目具體情況的分析，把可能利用的被動式技術(shù)整合利用，是寒地建筑圍護體系低能耗設(shè)計的一個必要策略。基于對于寒地建筑的理論及實踐的研究，提煉總結(jié)出一些常用的被動式技術(shù)。

圍護體系形體設(shè)計集約化

寒地建筑形態(tài)設(shè)計應結(jié)合氣候環(huán)境特點形成因勢利導的建筑形體，利用建筑組團及建筑自身的體量達到對于寒冷氣候的阻御效果。寒地建筑形態(tài)設(shè)計重要原則之一就是減少圍護體系熱交換，因此建筑形體采用自身集約化的體量，達到降低能耗的目的；同時，在內(nèi)部空間組織上，對于建筑中易形成強對流的功能節(jié)點，例如建筑入口、大面積屋頂采光的部分等，設(shè)置例如門廳、中庭等空間形式的熱緩沖空間，能夠有效地減少建筑熱損失，提高建筑能耗效率，達到降低寒地建筑能耗的目的。

（1）建筑形體集約整體——寒地建筑圍護體系表面積越小，熱交換的界面就會越少，損失的熱能也越少。寒地建筑設(shè)計中，建筑形體設(shè)計已經(jīng)形成了采取較為完整的體型結(jié)構(gòu)、厚重的圍護結(jié)構(gòu)的共識，這是因為這種越為經(jīng)濟的體型系數(shù)對于建筑適應寒冷氣候適寒、適風、適雪性能越好，并且有利于降低能源損失的薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生的可能性。

（2）設(shè)置熱緩沖空間——在寒地建筑運行使用中，冷橋是建筑圍護體系中存在的普遍問題，尤其是在室內(nèi)外溫差巨大的寒冷季節(jié)，由于寒地建筑圍護體系包含結(jié)構(gòu)體系、保溫層、防水層、防潮層、空氣層等復雜的構(gòu)造材料，發(fā)生冷橋的地方不僅是熱能損失極大的地方，同時也危害圍護體系的性能安全性的節(jié)點。節(jié)約、完整的體型結(jié)構(gòu)有利于建筑圍護體系構(gòu)造的整體性，減少易產(chǎn)生冷橋現(xiàn)象的薄弱環(huán)節(jié)；而熱緩沖空間的設(shè)置，也有利于營建節(jié)約化的外部形態(tài)。

圍護體系材料選擇地域化

寒地建筑應有如生命體般扎根本土環(huán)境。寒地建筑圍護體系地域化材料的選擇，應結(jié)合建筑類型及所處寒冷地區(qū)的地域性特征，綜合考慮圍護體系材料選擇的經(jīng)濟性與節(jié)能性，無論是建筑能耗方面還是建筑文化表達都能夠達到理想效果。圍護體系材料選擇地域化策略具體體現(xiàn)在：

（1）挖掘傳統(tǒng)地域化材料的優(yōu)質(zhì)潛力——對于低能耗的追求是寒地建筑內(nèi)在的天然屬性，在我國寒冷地區(qū)的傳統(tǒng)建筑中大多采用地域化的本土建筑材料，在當代，我們也應該挖掘傳統(tǒng)地域化材料的優(yōu)質(zhì)潛力，例如木材、石材、羊毛等等，尋找適宜的技術(shù)應用于建筑中。

（2）研發(fā)新型復合節(jié)能材料——選取具有適宜特性的地域化材料與現(xiàn)代材料整體復合，發(fā)揮各自性能優(yōu)勢達到協(xié)同效應，也是適合我國寒地建筑圍護體系材料選擇的策略。近年來，一些保溫結(jié)構(gòu)一體化的新型材料以及利于熱存儲釋放的相變材料的研究中，都應用了這種策略，并且逐漸取得效果。

圍護體系運行管理智能化

現(xiàn)代的建筑科學技術(shù)應用研究不僅僅是針對靜態(tài)的建筑構(gòu)件進行研究，同時動態(tài)的建筑運行期間的智能管理技術(shù)也有極大發(fā)展。寒地建筑的設(shè)計中重點考慮的建筑的適寒性；但是建筑運行能耗是基于全年全季候的統(tǒng)計基礎(chǔ)上的，我國寒冷地區(qū)大多四季分明，集約型的建筑形態(tài)和建筑保溫材料的復雜構(gòu)造造成建筑圍護體系厚重、封閉；而另一方面，對于許多公共建筑類型來說，使用情況時間及人群都有周期性，所以，針對不同情況下氣候的特點及建筑功能的特征，采取科學的智能化圍護體系運行控制是促進低能耗發(fā)展的有效手段。

（1）新風系統(tǒng)智能控制——夏季可以利用被動式技術(shù)的自然通風，而在冬季或開窗不便的情況下，通過智能新風系統(tǒng)調(diào)控，可以靈活控制室內(nèi)空氣質(zhì)量，提升空間環(huán)境質(zhì)量，達到最大限度的節(jié)能效果。

（2）采光系統(tǒng)智能控制——建筑的自然采光量可以通過圍護體系的開合位置調(diào)整而進行調(diào)節(jié)，采光系統(tǒng)的智能化控制與建筑圍護體系設(shè)計協(xié)同作用，能控制室內(nèi)光環(huán)境質(zhì)量，也能利用自然光調(diào)整室內(nèi)的太陽能使用。

（3）溫控系統(tǒng)智能控制——對于一些公共建筑，使用的時間及使用人群都具有明顯的階段性和差別性，例如體育館、音樂廳、辦公建筑等等。在使用期間與閑置期間室內(nèi)環(huán)境的標準會產(chǎn)生差異，通過對于圍護體系智能控制，可以有效地根據(jù)實際需要調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，提高能耗效率，達到低能耗的目標。

4.結(jié)語

作為寒地建筑理論研究的一部分，本研究希望通過寒冷地區(qū)建筑圍護體系的設(shè)計研究，實現(xiàn)寒冷地區(qū)順利實現(xiàn)減耗節(jié)能、集約高效的生態(tài)目標，促進整個寒地建筑業(yè)的優(yōu)化升級；推動綠色建筑材料等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，取得顯著的社會效益和經(jīng)濟效益；促進寒地建筑圍護體系的低能耗技術(shù)升級，推進寒地建筑設(shè)計方法與設(shè)計技術(shù)的重大變革和進步，對經(jīng)濟性節(jié)能建筑材料與產(chǎn)品應用起到指導作用。

參考文獻：

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