李上宾
（中信建筑设计研究总院有限公司，武汉 430014）
节能建筑的设计原理内容广泛，在满足功能布局合理、结构技术安全、形象美观的基础上，其节能概念的贯彻首先反映于方案设计阶段。如建筑的形体、平面空间布局、窗的面积和位置等，都会影响建筑的得热和热损失。因此，节能建筑设计首先应从方案中要“能量”，力求按建筑节能概念的一般规律进行设计。节能建筑方案阶段的内部空间设计，主要是通过组织自然通风与合理的平面布局等技术手段实现的。这些技术手段的应用不只是水平方向的设计，也包括垂直方向的设计。完美地把这些技术与建筑艺术及功能要求相结合，需要建筑师对相关技术知识的正确掌握与理解，並具备较强的空间组织能力。在建筑设计中还涉及许多节能问题，如采用何种结构体系、外墙与屋顶构造的厚度及保温做法、窗的大小和气密性等，都是十分重要的。当然，空调能耗在建筑能耗中所占有的比例，也是设计中应考虑的问题。任何设计中节能概念的偏差，如平面和空间不合理、体形复杂、开窗过大等，都会给建筑的节能设计带来困难，使建筑节能造价剧增，空调负荷加大等。所有这些问题，都要求设计人有节能意识並融入到自己的设计之中，通过各种节能手段，使建筑本身具备节能的条件，从而达到节能目的。
一 建筑节能的发展与应对策略
建筑节能的发展大体经历了四个阶段：第一阶段是能源的节约，即减少能源消耗，尽可能少用能源。第二阶段是能源守恒，即尽可能在建筑中保持能源，减少能源的流失，如西北的掩土建筑就具有极佳的节能效果（图1）。第三阶段是提高能源利用效率；第四阶段是减少各种有害气体对环境的负面影响，使建筑节能具有了保护地球环境的更高层次的意义。
图1 掩土建筑
要实现建筑节能，必须要有应对策略。就我国居住建筑节能策略而言，主要有以下几个方面：通过有效的组团规划及单体设计，从朝向、间距、体形上保证建筑物有足够的日照时间；组织有利的自然通风，减小建筑物的体形系数及外表面积，加强外围护结构的保温隔热性能；提高外门窗本身的保温性能，提高门窗气密性，减少冷风渗透，减少能量损失；改善采暖和空调系统的运行效率和管理手段，减少设备能耗等。总之，一栋合格的节能建筑是从方案阶段开始的，它是由合理的规划和单体设计、科学的外围护结构保温体系、高效率的设备和管理手段，集合而成的。
二 建筑节能设计的技术手段
1 自然通风与空间设计
自然通风是当今节能建筑所普遍采用的一项比较成熟而廉价的技术措施。采用自然通风方式的根本目的就是取代或部分取代传统空调制冷系统。这有两方面有着至关重要的意义：一是实现有效被动式制冷．可以在不消耗能源的情况下降低室内温度；二是可以提供自然空气(新风)，带走潮湿气体，有利于人的生理和心理健康。在建筑中,自然通风由于空气流动导致对流传热的产生，而空气流动是因为在建筑物的门、窗处存有空气压力差。造成空气压力差的原因有两个：一个是风压作用，一个是热压作用。热压取决于室内外空气温度差和进出口位置的高度差。所以建筑设计可通过空间布局、门窗洞口的合理设计，如设置一定数量的低窗与高窗,增加了气流进出口的高差，热空气上升，经由高窗排出，凉爽的空气由低矮的洞口进入室内，这就是常见的烟囱效应（图2）。
另外一种自然通风的方式是，通过室内房间的合理布局而有利于穿堂风的形成。
穿堂风是夏热冬冷地区传统建筑解决潮湿闷热和通风换气的主要风环境形式，不论是在住宅群体的布局上，还是在单个住宅的平面与空间构成上，都要注重穿堂风的形成。在节能建筑单体平面布局设计中，从利于穿堂风的形成角度,应考虑以下因素：
（1）布置住宅建筑的房间时，由于不同房间因使用性质、重要性和使用时间的不同而存在对室内热舒适要求的不同，有必要确立优先的顺序，即先是起居室和主卧室，然后是次卧室和工作室，最后是厨房和卫生间。适量的通风换气是室内空气质量的必要保证，室内换气宜采用有利于主要房间的有组织换气(有组织换气可以提高换气效率,减少室内外换气热交换),即新鲜空气从起居室、卧室等主要房间进入，经过过厅、餐厅等空间，最后由厨房、卫生间排到室外,同时避免厨房、卫生间内的空气进入其它房间。
（2）房间的面积以满足使用要求为宜，不宜过大。特别是起居室，它是整套居室采暖通风的中心地段，更不宜过大。
（3)门窗洞口的开启位置除有利于提高居室的面积利用率与合理布置家具外，还应有利于组织穿堂风，避免“口袋屋”式的平面布局。
（4)厨房和卫生间进出排风口的设置要考虑主导风向和对邻室的不利影响，避免强风时的倒灌现象和油烟等对周围环境的污染。特别是厨房和卫生间，它们是有害气体的产生源，合理的通风换气更为重要。
2 有利于日照的空间设计
室内房间布局应有利于室内采光和自然通风。由于体形系数、建筑面宽和建筑节地的限制，并不是所有房间均可获得理想的采光和通风条件。虽然我国建筑节能计算是以建筑作为研究对象的，但不同房间因使用性质、重要性和使用时间的不同而存在对热舒适要求的不同，所以有必要确立优先的顺序，即先是起居室和主卧室，然后是次卧室和工作室，最后是厨房和卫生间(门厅、过厅和餐厅一般与起居室相通，可以获得一定的采光和通风)。
虽然北向房间在夏季受到太阳直接热辐射的影响较小，但起居室和主卧室等主要房间还是应优先考虑布置在南向（图3），其原因有三：
（1)夏季南向太阳高度角较高，南向围护结构接受到的太阳辐射总量与北向相差不多。
（2)此地区冬季室内如果没有阳光，会使人感到异常阴冷，可利用竖向反射板把阳光引入室内（图4）。
图3 阳光引入 图4 利用竖向阳光反射板把阳光反射到室内
（3)夏季南向太阳高度角较高，通过比较简易的遮阳措施即可处理。东西向为房间开窗的最不利朝向，但在某些情况下，尤其是由于景观的原因，必须在起居室或卧室的东、西向开面积较大的窗，以获得理想的景观视野。在东、西向开面积较大的窗，不但冬季太阳辐射得热量较少，而且在夏季还会有大量高度角较低的东、西向太阳热辐射进入室内，这当然非常不利于节能。为了缓解这一矛盾，可以采用如下方法：
①在窗户外面设置出挑较大的阳台，这样不但可以获得理想的户外观景条件，也可以利用出挑的刚台遮挡较多的夏季太阳热辐射。
②在窗外或阳台外沿采用可调节的外遮阳百叶，遮挡东、西向太阳热辐射（图5）。
③选用低辐射镀膜玻璃，这样既可以减少中长波的太阳热辐射进入室内，又不会过多地影响可见光的进入，仍可以获得较好的景观视野。
总之，节能住宅平面设计应尽量紧凑，减少外墙长度，平、立面不宜出现过多的凹凸，凸出房间遮挡凹进房间的日照，凹进越深，凹进房间的外墙宽度越小，日照遮挡就越严重。凸出房间与室外有两个直接接触面，外表面积远大于不凸出房间，与室外通过外围护结构的热交换量相对较大。所以，凹进房间和凸出房间均不宜作为起居室和主卧室等主要空间。由于起居室和主卧室多在南向，那么住宅平面必要的凹凸更宜选在北面。主要房间与室外的直接接触面不但不宜过大，而且宜把几个主要房间集中布置，因为主要房间大多有主动设备间歇制冷或采暖，集中布置可以减少空调房间的外围护结构面积。
附加阳光间属一种多功能的房间，除了可作为一种集热设施外，还可作为休息、娱乐、养花、养鱼等空间，是冬季让人们置身于大自然中的一种室内环境，也是为其毗连的房间供热的一种有效设施（图6）。附加阳光间除最好能在南向墙面全部设置玻璃外，还应在毗连的二主房坡顶部分加设倾斜玻璃。这样做可大大增加得热量，但倾斜部分的玻璃擦洗比较困难。
另外，夏季时，如无适当的隔热措施，阳光间的气温往往变得过高。冬季时，由于玻璃的保温能力非常差，如无适当的附加保温措施，则日落后室内气温将会大幅度地下降。
图5 活动外遮阳构造
图6 附加阳光房
3 新型节能保温材料和新技术的应用
（1) 墙体节能技术
主要做承重用途的单一材料墙体，往往较难满足日益提高的保温隔热要求，因此在节能的前提下，出现了蒸压加气混凝土砌块、砂加气混凝土砌块、空心陶粒砖砌块、以及轻质复合墙体等，逐渐成为市场的主流。复合墙体一般用砖或者混凝土作为承重结构，并与绝热材料复合；或者用钢或钢筋混凝土结构，用薄壁材料夹绝热材料作为墙体。 按复合材料的不同处理手法可分为内保温、外保温以及中间保温等。
（2) 门窗节能技术
在建筑的外围护结构中，门窗的保温隔热效果较差，门窗缝隙也是冷风渗入的一个重要通道，改善门窗的绝热性能，是节能工作的重点。传统的办法是控制窗墙比，即窗户面积与窗户面积加外墙面积之比值，提高门窗制作质量，如加密封条，减少冷风渗透等，注意隔热条的选用，隔热条对隔热门窗的整体稳定性起到关键作用；。
在门窗节能中，改善窗户保温效果是比较有效的手段之一。市场上中高档的住宅产品多采用中空玻璃、隔热玻璃、反热玻璃等，随着节能技术的发展，象低辐射镀膜玻璃(Low-E玻璃)等节能玻璃，在应用中也逐步在得到加强。
（3) 屋顶节能技术
平顶屋顶和尖顶屋顶都可以采用设置保温层的办法到达节能的目的，提高顶层住户的居住质量。现在新的趋势是众多楼盘出现了屋顶花园。“屋顶绿化”作为一种不占用地面土地的绿化形式，不仅能为城市增添绿色，而且能减少建筑物屋顶的辐射热，减弱城市的热岛效应。在如今大部分小区内用于绿化的规划用地所剩不多的状况下，发展“屋顶绿化”便成了住宅添绿的重点（图7）。
图7 屋顶花园
屋顶绿化将会成为流行趋势，但要注意夏热冬冷地区特殊气候的影响，避免冬季形成“败景”；应在技术上考虑楼体的承受力，顶层的排水和遇到大风天气等问题，提高工程质量。
（4) 设备系统节能技术
平衡供暖、热量按户计量及室温控制调节、管道保温都是节能工作发展的方向。平衡供暖是指利用计算机对供暖系统进行全面的水利平衡调试，改善供暖质量，同时节约能源；管道保温可加强对输暖管道的保温处理，减小热损失。
同时需要注意的是，随着人们住房条件的改善和科学技术的发展，传统的取暖方式已被燃气、电热、地板取暖等多种方式所替代。尤其是地板取暖以其节省空间、热力分布均匀、符合人健康生理特点更为人们所喜爱。
地板取暖是通过埋设于地板下的加热管——铝塑复合管或导电管，把地板加热到表面温度18至32摄氏度，均匀地向室内辐射热量而达到取暖效果。地板取暖相对于传统取暖优势明显，房间温度分布均匀，有利于营造健康的室内环境，可杜绝灰尘团和浑浊空气的对流，高效节能，节省空间（图8）。
图8 地板采暖结构
三 建筑节能技术展望
夏热冬冷地区属非采暖地区，每年都有一个难熬的冬季，这是该地区建筑节能技术的难点。如何将白天日照过剩的热量贮存在相应的“物体”之中，待夜间室外气温下降，室内无补充热源时，通过辐射释放贮存起来的热量，是十分关键的技术。“贮存热量”的物体必须满足高热容和极佳的保温层，需要时能顺利散热。这可能是建筑物中的某个组成部件或是建筑本身，它涉及到复杂的高新科技。当然，我们希望利用最常规的手法达到相同的目的。
室内蓄热，利用建筑室内构配件进行热量贮存，通过合理选用高热容材料，正确设定其相应达到蓄热的目的；
通过物相变化达到蓄热目的，是建筑热量储存方法的发展方向，其高效率的热量辐射可以大大改善室内热环境；
利用贮热水箱贮存热能不失为一种简单有效的方法，将白天多余的太阳热能通过水网盘管吸热成温水，不断贮存于有良好保温措施的热水箱中，夜间再通过管网输送回室内空间。这种释放热量要恰到好处，过早或过迟或过强或过弱均会造成室内温度不适。热释放是以辐射方式进行，应保证辐射对室内相对稳定地传热，必须使贮热单元的温度达到均匀，并对其辐射方向作好组织，以使“能尽其用”；
比较理想的办法是，高热容的贮热体不一定是室内所有墙面，可以是南立面一部分面积，经设计选材，达到热滞后散热目的。
辐射源应选择在建筑几何中心位置，并与室内空间无任何遮挡，应用地面层以下的卵石贮热，其楼板要做薄板，以保证辐射指向室内，提高采暖效率。以冬季采暖为目的，辐射源数量越多越好；
总之，解决夏热冬冷地区冬季的取暖问题，是该地区建筑节能技术的一大难题，建筑师与设备专业的设计师们任重而道远，解决难题、攻克难关，指日可待。一位经济学大师说过，夏热冬冷地区的居民如果都能享受到冬季取暖的条件，那就是小康的标志。