苏州市墙体材料改革领导小组办公室

　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　健康节能建筑的可控性设计

　　　　　　　　　　　－－二十一世纪节能建筑的设计方法

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2003-9-2

　　近二十年来，在世界建筑发展的大潮中，建筑节能是其中一个极为重要的热点，是建筑技术进步的一个重大标志，也是建筑界实施可持续发展的一个关键环节。建筑业是巨大的耗能产业。发达国家的建筑能耗，一般占到全国总能耗的20％－30％左右。由于建筑用能排放大量二氧化碳，使地球变暖，正危及人类生存。各发达国家通过法、教育、经济、科技等措施，等方面加强建筑节能工作。世界各国的实力派建筑师也都不约而同地在各自的实践中不同程度地反应出对环境的关照。他们根据当地的自然生态环境，运用生态学，建筑技术科学的基本原理，采用传统的与环境之间成为一个有机结合体。
　　由于种种原因，我国的建筑节能工作进展缓慢。对于住宅设计而言，目前仅有节能规范是适用于三北地区的，而对于广大的夏热冬冷地区，夏热冬暖地区，尚无行业节能规范与标准。建筑业各界人士，特别是建筑师的节能意识亟待提高。
　　需要指出的是，建筑节能技术的研究，田于地域、气候、生活习俗和建筑形式的差别，除了其基本原理和共同原则之外，节能技术和措施有其自身的特色。有些在某些国家和地区行之有效的节能措施，用到另一个国家和地区就可能毫无作用乃至起反作用。因此各地都应该开展适合本地区的建筑节能技术的研究。建筑师所肩负的历史重任使他们不能坐等国家或地区拿出统一的节能措施和方案，也不能生搬硬套国外建筑师的作品，而必须以气候。建筑所处的场所环境、居住者作为基本要素，在实践中探索具有这一地区气候、文化特色的健康节能建筑的设计方法。

　　　　　　　　　　　　　　　　设计过程的可控性

　　建筑节能研究是以建筑技术为基础，涉及气候、建筑设计与规划．建筑热工、建筑材料、建筑设备等多学科领域。因此，在这个领域内，定量化分析与测试是重要环节。空气温度、湿度、热辐射和气流速度这些相互影响、相互关联的气候要素以复杂的热过程方式影响着建筑的窒内外热环境。传统的建筑节能及热环境设计一般都采用简化的物理数学模型进行描述，难以准确描述建筑的热过程。由于节能分析的专业性、抽象性和复杂性，常令建筑师一筹莫展。目前国内节能建筑的研究，具体的做法都是建立样板房、示范工程。然后，进行实地测试分析研究。在此基础上，进一步修改、完善节能设计。这种方法的缺点是投资费用大，实验周期长，受自然条件限制，占用土地，周期长，效益低。
　　建设计过程的可控性表现在模拟和设计交替进行的过程中，使用模拟工具去控制设计过程中建筑的性能指标，以及决定建筑的空间表现。其一是利用计算机技术，建立计算机节能建筑模型，对建筑小区规划，间距，朝向气候条件，建筑体型系数，围护结构材料热工性能进行定量分析。如建筑能耗分析软件。其二是实验室模型模拟，即把设计过程中的建筑空间按一定比例制成模型，或是把整个建筑构件按一定面积要求置于实验室，根据所需测试的性能指标，在实验室设置一定的温度场或是风场（如风洞实验）。这种模拟与设计的交互过程是可控的且能反复进行。
　　来自模拟的信息反馈有多方面优点：节省了巨大的土建投资，缩短了建设周期；摆脱了地点的限制，可随时模拟任意气候区、任意季节的情况；可以给我门提供各种各样的假设方案，对各种可能性进行验证，开阔我们的思路。如果没有设计过程的可控性，那意味着在建筑物建成以后，会出现难以更改或是无法更改的缺点和错误，所以，我们应该改变在建筑设计过程中无能耗信息反馈或是大延时反馈的设计方法，增加设计过程的可控性。
　　　　　　　　　　　　　　　　　总体环境布局的可控性

　　在节能建筑规划设计中，应以适应四季气候变化的可控性设计为原则，在总体环境步局中，根据当地气候条件合理确定建筑朝向、间距、绿化等，既要考虑利于夏季通风．遮阳、减少太阳辐射热，又需考虑冬季利用太阳能、防止寒风侵袭，从而创造舒适的建筑外部空间环境。
　　由于气候的复杂多变，从利用太阳能及风能的角度，理想的建筑朝向不应固定不变，而应根据季节及风向的变化而调整。如德国建筑师特多·特霍斯特设计的欧洲第一座由计算机控制的太阳跟踪任宅。建筑师根据向日葵的生态原理，把住宅设计成像向日葵花一样，始终向着太阳，以充分利用太阳能。这座180T重的建筑物的基座是由地下室6根柱子支撑的环形轨道，6个驱动器能在9小时内将住宅旋转比180度，始终对准太阳，夜晚又回到初始位置。屋顶设有12平方米的太阳能电池，平均提供l．5kw．h电能，其中只有1.3％被旋转电机消耗掉，其余都提供给建筑作为生活用电。
　　由于技术与经济因素限制，目前建筑与土地的紧密关系难以松动，因此，根据气候变化来控制建筑朝向及建筑外部空间的程度受到限制。但我们仍然可以采用建筑技术的基本原理和方法或生态方法。如利用植物特点，选择适合品种及种植方案加以适当调节，以改善小区微环境。比如，根据各地区的风玫瑰形态和建筑布局要求，在小区或建筑冬季主导风向，密植常青植物，而在建筑的南向及东西向种植高大的落叶乔木，以利夏季通阳、冬季获得太阳辐射热。如此，不仅改善建筑单体热效应，同时，对整个小区的微气候及视觉等环境加以改善。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　建筑空间的可控性

　　建筑空间根据时间及变化而控制，亦可更大程度利用可再生能源，同时节省采暖与空调期的建筑能耗。在夏季非空调时间，空间应开敞，便于充分利用自然风能，尤其在夜间疏导气流加强通风，从而降低窒内气温，排除潮气；保持窒内空气清新，开敞的方向应综合考虑夏季主导风向及太阳辐射等因素。开敞式空间通常有跃层式空间、敞厅、敞阳台、降温通风式中庭等，一般在迎风面及背风面均有开口。
　　考虑夏季中午到傍晚这段时间内，室外气温往往高于室内，以及冬季窒外冷空气的不利影响，因此，在夏季空调及冬季采暖期间，空间应尽可能封闭，减少室外不利气候因素的影响，以降低空调及采暖能耗。
　　我国南方炎热地区的传统民居，通常采用天井来加强通风，改善室内热环境。但对于夏热冬冷地区而言，这一开敞空间又成为冬季冷空气侵入的所在，导致冬季室内环境恶劣的重要原因之一。若天井的开敞程度得以控制，如冬季，天井的顶部利用透光材料加以覆盖，而在夏季开启，则可极大地改善居住环境，节能亦会取得显著效果。
　　根据太阳运动规律及我国所处的地理纬度，除天井、中庭外，南向也是设置高效节能的可控性空间的较理想方位。因此，建筑师在设计中应考虑建筑空间的可变性，室内空间与室外空间是可变的。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　建筑围护结构及构件的可控性

　　围护结构对室内环境及建筑能耗会产生很大影响，围护结构应具有高效的隔热保温性能，满足节能建筑热工设计的要求。蓄热性能好的围护结构在白天吸收大量热量，可以延缓室外综合温度等对室内气温的影响，使得室温不至于过高，但当夜间室外温度降低时，蓄热材料会逐渐释放出热量，使得室内温厦居高不下，从而增加空调能耗。传统的建筑外墙田于是固定不变的，对冷热气候无法予以调控。围护结构的可控性在于对太阳辐、室外空气等温度波综合作用而产生的热过程是可控的。因此，外围护结构应该是多面或多层的，可以关闭或
　　开启某个层以适应不同的气候，其目的还是要降低能耗，减少空凋和采暖的使用。
　　马来西亚建筑师杨经文设计的上海Armoury大厦，外墙为双层，夏季的内层开启，可允许自然通风；春秋季由在两层之间的百叶墙面调节；到了冬季，百叶墙关闭，阻挡寒风的侵袭。
　　利用物体相变时吸放热原理，通过自然力调控围护结构表面材料的含湿量，可有效降低空调负荷。一种方法是利用太阳能被动蒸发多孔材料所含水分达到冷却建筑外表面。通过实测表明，在这一地区夏季层面受太阳辐射，表面温度达到55℃以上的，采用被动蒸发屋面外表面温度可降低25℃，其效果极为明显。另一方法就是采用含盐多孔材料作成的吸湿材料，利用吸湿材料在吸放湿过程中吸湿浓度的变化，达到制冷的目的。白天在阳光作用下，吸湿材料向外界蒸发，建筑起被动冷却降温的作用，夜间吸湿材料由于辐射散热而自动冷却，此时将窒内空气引入已干燥的吸湿材料吸湿后送回室内，从而达到对室内环境进行温度和湿度的调节作用。
　　建筑构件的可控性表现在构件的外挑尺寸角度可随气候而调节，以充分利用自然能源。如各方位遮阳构件角度可随太阳光线的变化而变化，使建筑夏季防日晒，冬季接纳阳光：百叶窗可随室外光环境而任意调整，以控制窒内日光照度或避免眩光；根据室外风向的变化调整导风板以使室内通风效率最佳。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　结　　论

　　从健康节能住宅设计到住户使用住宅，可控性贯穿于整个过程之中。可控性以节约能量、使居住环境更舒适、健康为目的。
　　尽早开发开推广适合国情的计算机节能分析软件，建立开放的节能研究实验室。目前国际上较通行的能耗分析软件有TBAP（Thermal Bridge Amalyses Program），DEROB（Dynamic Energy Response of Bridge），DOE－2（Department of Energy－version2）等，但大都进行的是建筑的能耗和热过程分析计算，未写国内建筑师所使用的建筑设计软伴相匹配，极大地影响节能建筑的设计与研究。目前各地区建立的节能检测中心，应不仅仅局限于检测建筑材料及构件的保温隔热性能，也应能检测与分析建筑空间对热环境与节能的影响。
　　可控性不仅意味着许多计算机控制，也包括手动控制，甚至利用周期变化的自然力的控制（如春夏秋冬自然界对植物生长的控制）。
　　为气候的多样性和不确定性，控制系统是非常复杂的。建筑师要与建筑设备等专业工程师密切配合，采用被动方式和主动方式相结合的方式。要使设计成为能够让所有使用者理解并实现简单的控制措施。
建筑节能是一项综合性工作，涉及建筑设计、建筑技术科学、材料、构造、施工、暖通空调、物业管理、政策法规等多方面。因此，做好建筑节能工作，各专业部门应加强合作，共同努力，在建设项目进行的不同时期，从不同角度，对节能进行研究。