基于构造设计学的建筑节能设计研究

【摘要】基于构造设计学的概念，力图在建筑设计中，尽量不依赖耗能设备，而在建筑形式、空间、布局和构造上采取措施，充分利用天然资源和地理条件，采取被动式构造设计手段，以改善建筑环境，实现微气候建构。本文具体地从建筑设计中的自然通风、自然采光、遮阳以及围护结构的改善等几方面探讨了如何节约能源，从而保护生态环境。

【关键词】绿色建筑设计；建筑节能；构造设计

1 引言

建筑系统本身是巨大的消费者。它总会这样那样地给生态环境带来负面影响。那么如何体现实行低耗能、克服严重的环境污染，采取节约型建筑技术体系呢?有关专家提出了“构造设计学”的概念，即要求在建筑设计中，尽量不依赖耗能设备，而在建筑形式、空间、布局和构造上采取措施，充分利用天然资源和地理条件，采取被动式构造设计手段，以改善建筑环境，实现微气候建构，来满足生活舒适的要求[1]。本文正是基于这样的概念，从建筑设计中的自然通风、自然采光、遮阳以及围护结构等几方面来阐述如何节约能源，从而保护生态环境。

2 关于自然通风的设计

通过流体力学原理分析，建筑通风的形成机理主要在于室内外温差造成的热压差(P)，该热压差造成气流流动动力，并通过建筑洞口有效的高差设计，强化气流动力，而形成建筑通风。有关P形成的通风值的评价依据在于：洞口高差H和空气密度差p，只要在设计中把握好二者，就能达到热压通风的目的。尤其是洞口高差H，在设计中完全可以控制，其措施有：(1)建筑剖面设计的通风调整。在剖面设计中控制洞口高差，以尽量大的H值来加强温差所产生的通风反应，尤其是在住宅建筑中，使出风口高度大于进风口高度，使室内气流呈上升趋势。(2)建筑空间设计的通风调整。为了加强建筑通风，在建筑设计时，结合一些功能目的(楼梯间、中庭)，设计具备“烟囱效应”的空间体系。

其次，还有压力体型系数的差C1-C2，建筑师虽无法改变室外风速V，但可以通过体型设计来控制C1-C2，如建筑迎风面的调整和建筑的导风调整。建筑形体控制方法的主要作用就在于通过对建筑物、构筑物的平面、剖面的形式，以及其形体间的空间组合关系的有效控制，并通过对所设计环境中植物的合理选择与配置来创造有利于居民生活的“再生风环境”。人工构筑物和绿化植物的遮挡作用的运用，是对建筑周围再生风环境进行调节的一种有效途径。

另外，建筑自然通风设计还应考虑：南向是冬季太阳辐射量最多而夏季日照减少的方向，并且我国大部分地区夏季主导风向为东南向，所以从改善夏季自然通风房间热环境和减少冬季的房间采暖空调负荷来讲，南向是建筑物最好的选择；住宅楼的进深以10m至13m为宜，太浅或太深都不利于室内空气流动；建筑高度对自然通风也有很大的影响，一般高层建筑对其自身的室内自然通风有利，而在不同高度的房屋组合时，高低建筑错列布置有利于低层建筑的通风。

3 关于自然采光、遮阳的设计

自然采光能够非常显著地减少能耗和运行费用。国外的研究证明自然采光能形成比人工照明系统更为健康和更为兴奋的工作环境，长期不见日光或者长期在人工光环境下工作的人，容易发生季节性的情绪紊乱、慢性疲劳等病症。为保证一定的日照时间，建筑物在设计时还需考虑环境的遮挡问题，如住宅与阳光障碍物的距离一般不应小于障碍物高度的两倍。

自然采光需要建筑围护结构上的开口或洞口的位置正确，允许日光进入并充分分配和发散光线。设计良好的系统能避免因直射引起的会削弱视力和产生不舒适的多余的亮度和得热，为控制多余的亮度和反差，窗户上往往会设置一些附加件，如遮阳、百叶和格栅，如有可能，采用自动控制装置，当自然光足以维持理想的照明水平时，使灯光变暗或把灯关闭，在尽量节省照明能耗的同时维持所需的工作照明或环境照明，往往也是很理想的。另外，利用落叶树木在夏季可遮挡多余的过热的日光，冬季树叶枯落后，对日光的进入影响一般不大于20％。自然采光环境除了居室日照外，还要考虑室外场地才能形成明媚愉人、有利身心健康的好环境。

4 关于围护结构及材料的设计

围护结构必须平衡通风和日光的需求，并提供适合于建筑地点的气候条件的热湿保护。围护结构的设计对于建筑在运行中的耗能是一个主要因素，因此，在设计时应考虑[2]。

4.1 确定建筑物的位置和朝向，尽量减少气候因素对围护结构的影响

经调查，在其他条件相同情况下，东西向多层住宅建筑的传热耗热量要比南北向的高5％左右，尤其是在村镇住区，其建筑层数及容积率平均比城市为低，上述影响比城市更为显著。

4.2 确定合理的体形系数

建筑物体形系数=建筑物与室外大气接触的围护结构面积F/上述结构所包围的体积V0。在其他条件相同情况下，建筑物耗热量指标，随体形系数的增长而增长，如果两幢建筑有相同的体积，设计得较紧凑的一幢热效率也较高。托马斯•赫尔佐格的“对角线立方体”就是应用了体形系数较小形式则冬季热损失较少的原理。

4.3 合理选择材料达到保温隔热

根据气候类型，考虑使用不同的围护结构材料，以减少热损失和达到保温隔热效果。这就要求：(1)在干热气候中采用高热容量材料。(2)在湿热气候中采用低热容量的材料。(3)在温和的气候中，根据建筑位置和采用的供热／供冷策略选择材料。(4)在寒冷的气候中采用密封和保温很好的围护结构。

4.4 使用热效率高的材料

采用单一材料进行保温隔热已不合适，会大大增加建筑运营过程中的能耗，增加全寿命费用。目前，新型保温材料的物质种类很多，除考虑其物理性能外，还应了解它们的强度、耐久性、耐火及耐侵蚀性等是否满足要求，材料的选择要结合建筑物的使用性能、构造方案、施工方法、材料来源以及经济指标等因素。

4.5 确定合理的窗墙面积比

作为影响建筑能耗四大围护部件之一的门窗，一般是薄壁的轻质构件，是建筑保温、隔热、隔声的薄弱环节。它通过辐射传递、对流传递、传导传递和空气渗透等四种形式导致建筑物能量流失，绝热性能最差，普通单层玻璃窗的能量损失约占建筑冬季保温和夏季降温能耗的50％以上。因此增强门窗的保温隔热性能，减少门窗的能耗，是改善建筑热、光环境质量、实现建筑节能目标的重要步骤。由于玻璃的热传导系数大，无论就采暖还是空调来说，均应严格控制窗墙的面积比。

4.6 护结构的气密性

在我国，目前仍有80％以上的门窗达不到节能要求，而通过门窗缝隙的空气渗透耗热量，约占建筑物耗热总量的23％～27％，若加上门窗面积的传热耗热量，则约占全部耗热量的50％。由此可见，外门窗是耗热的重要渠道，是节能的重点部位。尤其是村镇住区，其钢、木门窗气密性较差，而只有达到每小时每米缝长的空气渗透量≤2.5m3，才能达到节能优化设计。

4.7 利用传统的覆土屋顶、以及屋顶的绿化隔热等

覆土屋顶之所以保温隔热性能好，其优点来自土壤的热工性质，厚重的土层所起的隔热作用使土中温升很低。干旱半干旱地区的突出特点是季节性和日温差大，但日温波动在土壤中仅有一定的深度，在此深度以外即无波动影响。最后，应大力提倡墙壁、屋顶的绿化，不但能够美化生活，增加绿色，而且对夏隔热、冬保温有节能的效益，在平屋顶、窑顶、墙面、阳台等处都可实施。

参考文献：

[1]陈则康. 浅谈建筑节能结构优化设计[J]. 城市建设, 2009,04.

[2]杨志华. 做好围护结构设计是公共建筑节能的关键[J]. 新型建筑材料, 2005,9.