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建筑設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的、基于多目標(biāo)平衡優(yōu)化的設(shè)計(jì)過(guò)程，其中地域性的氣候特征是影響建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)重要因素。我國(guó)寒冷地區(qū)四季分明、冬季漫長(zhǎng)、晝夜溫差大、極端氣溫較低，低溫、寒風(fēng)、積雪等嚴(yán)酷的氣候環(huán)境是寒地建筑設(shè)計(jì)的制約條件[1]。建筑的圍護(hù)體系是界定建筑內(nèi)外部空間的媒介構(gòu)件，圍護(hù)體系的性能直接影響建筑內(nèi)外部空間環(huán)境的營(yíng)建。隨著科技發(fā)展和設(shè)計(jì)方法的進(jìn)步，寒地人居環(huán)境質(zhì)量不斷優(yōu)化，建筑圍護(hù)體系低能耗發(fā)展是提高寒地建筑能效、促進(jìn)節(jié)能減排的主要訴求。

1.寒地建筑維圍護(hù)體系設(shè)計(jì)低能耗目標(biāo)

評(píng)價(jià)建筑環(huán)境是否綠色舒適，除了單純著眼于標(biāo)準(zhǔn)熱工能耗外，建筑環(huán)境的濕度、光環(huán)境、通風(fēng)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(yáng)、私密性以及建筑能源的環(huán)保性、建筑運(yùn)行的可持續(xù)發(fā)展等等都是綜合評(píng)價(jià)考量的因素。從碳排放的角度來(lái)講，寒地建筑建造圍護(hù)體系構(gòu)造復(fù)雜、耗材量大、熱力輸送過(guò)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(lái)講，建筑運(yùn)行時(shí)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(shí)間長(zhǎng)，保溫隔熱的需求又造成室內(nèi)空氣質(zhì)量差、通風(fēng)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(shí)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(hù)體系設(shè)計(jì)的綜合目標(biāo)。

2.寒地建筑圍護(hù)體系低能耗發(fā)展愿景解析

以低能耗作為寒地建筑圍護(hù)體系設(shè)計(jì)目標(biāo)，把建筑環(huán)境的評(píng)價(jià)指標(biāo)通過(guò)能耗的形式進(jìn)行比對(duì)，能夠直接而有效地評(píng)價(jià)圍護(hù)體系性能，便于圍護(hù)體系的改進(jìn)。

2.1推廣清潔能源

隨著全社會(huì)推廣使用清潔能源的意識(shí)的普及推廣，在寒地建筑圍護(hù)體系設(shè)計(jì)中應(yīng)建立對(duì)能源清潔、高效、系統(tǒng)化應(yīng)用的技術(shù)體系。清潔能源在建筑方面的應(yīng)用主要包含太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物能、水能、地?zé)崮芤约暗臀廴镜奶烊粴獾饶茉吹睦?，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(yùn)行能耗的主要部分就是冬季采暖，它也是我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)能耗的主要組成部分之一。參考國(guó)家發(fā)改委的各類能源算成標(biāo)煤的系數(shù)，消耗每噸標(biāo)煤的碳排放系數(shù)為:K=α×1.026+β×0.3902+γ×0.2486+δ×0.0式中,α、β、γ和δ分別為煤炭、石油、天然氣和無(wú)碳可再生能源占總能源消費(fèi)的比例,α+β+γ+δ=1[2]。我國(guó)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(fèi)極大經(jīng)濟(jì)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(duì)寒地建筑綠色建設(shè)水平的提升，對(duì)我國(guó)建筑節(jié)能發(fā)展、社會(huì)低碳減排都有重要支撐作用。這一趨勢(shì)已經(jīng)在歐盟的一些同樣屬于寒地地域的國(guó)家中逐漸推廣并逐步強(qiáng)制實(shí)施，例如德國(guó)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(guò)1000升，則需要安裝太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，且滿足實(shí)際需求的95%以上[3]。

2.2減少能耗需求

促進(jìn)寒地建筑圍護(hù)體系低能耗發(fā)展，減少能耗需求，就是應(yīng)對(duì)我國(guó)寒地建筑發(fā)展的趨勢(shì)、圍護(hù)體系性能提升的有力的減少能耗“節(jié)流”措施。我國(guó)寒冷地區(qū)基本上屬于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鄉(xiāng)建設(shè)力度將會(huì)在未來(lái)持續(xù)增大，因此，無(wú)論是建設(shè)量還是建筑面積都將大幅提高。在過(guò)去的幾年間，我們已經(jīng)采取既有建筑圍護(hù)體系改造、圍護(hù)體系節(jié)能建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)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。2001年-2012年，北方城鎮(zhèn)建筑采暖面積從50億平方米增長(zhǎng)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(zhǎng)[4]。然而，與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的寒地建筑圍護(hù)體系設(shè)計(jì)水平還有待提高，例如，德國(guó)墻體傳熱系數(shù)要求為0.30W/（m2•K），瑞典墻體傳熱系數(shù)最高為0.18W/（m2•K），而我國(guó)處于嚴(yán)寒地區(qū)的黑龍江地區(qū)外墻傳熱系數(shù)為0.55-0.60W/（m2•K），即使按照《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能也僅比現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)要求提高5%-10%?？梢?jiàn)我國(guó)建筑圍護(hù)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(shì)。

2.3提高能耗效率

“節(jié)流”的另一個(gè)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(fēng)的能耗需求較大，建筑體型圍護(hù)體系的體型系數(shù)、傳熱系數(shù)都需要嚴(yán)格規(guī)范以達(dá)到能耗效率要求。隨著新材料、新技術(shù)的應(yīng)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(shù)庭院住宅小區(qū)的建設(shè)中，通過(guò)新風(fēng)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(dá)到75%以上，大大提高了能耗效率，降低能耗損失，實(shí)現(xiàn)了良好的節(jié)能效果。

3.寒地建筑圍護(hù)體系低能耗設(shè)計(jì)策略

3.1建筑設(shè)計(jì)被動(dòng)式技術(shù)整合化

被動(dòng)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(guò)對(duì)建筑的布局、朝向、形體、遮陽(yáng)、保溫、氣密性、自然通風(fēng)等方面進(jìn)行合理的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而降低建筑總體能耗[5]。在我國(guó)寒地建筑設(shè)計(jì)中，建筑的布局、朝向都有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行界定，圍護(hù)體系的材料選取與設(shè)計(jì)直接決定建筑的遮陽(yáng)、保溫、氣密、通風(fēng)等性能?？刹捎玫谋粍?dòng)式技術(shù)包括圍護(hù)體系密閉性、圍護(hù)體系隔熱性、太陽(yáng)能、風(fēng)能、通風(fēng)控制等。例如，通過(guò)建筑朝向、組團(tuán)位置以及建筑立面開(kāi)窗、遮陽(yáng)等設(shè)計(jì)，控制太陽(yáng)能的利用；通過(guò)加強(qiáng)建筑圍護(hù)體系密閉性能、嚴(yán)格控制室內(nèi)外新風(fēng)換氣頻率等措施以減少室內(nèi)外熱損失；通過(guò)空間設(shè)計(jì)，加強(qiáng)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(jì)中，通過(guò)針對(duì)項(xiàng)目具體情況的分析，把可能利用的被動(dòng)式技術(shù)整合利用，是寒地建筑圍護(hù)體系低能耗設(shè)計(jì)的一個(gè)必要策略?；趯?duì)于寒地建筑的理論及實(shí)踐的研究，提煉總結(jié)出一些常用的被動(dòng)式技術(shù)。

3.2圍護(hù)體系形體設(shè)計(jì)集約化

寒地建筑形態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合氣候環(huán)境特點(diǎn)形成因勢(shì)利導(dǎo)的建筑形體，利用建筑組團(tuán)及建筑自身的體量達(dá)到對(duì)于寒冷氣候的阻御效果。寒地建筑形態(tài)設(shè)計(jì)重要原則之一就是減少圍護(hù)體系熱交換，因此建筑形體采用自身集約化的體量，達(dá)到降低能耗的目的；同時(shí)，在內(nèi)部空間組織上，對(duì)于建筑中易形成強(qiáng)對(duì)流的功能節(jié)點(diǎn)，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(dá)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(hù)體系表面積越小，熱交換的界面就會(huì)越少，損失的熱能也越少。寒地建筑設(shè)計(jì)中，建筑形體設(shè)計(jì)已經(jīng)形成了采取較為完整的體型結(jié)構(gòu)、厚重的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的共識(shí)，這是因?yàn)檫@種越為經(jīng)濟(jì)的體型系數(shù)對(duì)于建筑適應(yīng)寒冷氣候適寒、適風(fēng)、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(yùn)行使用中，冷橋是建筑圍護(hù)體系中存在的普遍問(wèn)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(hù)體系包含結(jié)構(gòu)體系、保溫層、防水層、防潮層、空氣層等復(fù)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(shí)也危害圍護(hù)體系的性能安全性的節(jié)點(diǎn)。節(jié)約、完整的體型結(jié)構(gòu)有利于建筑圍護(hù)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(yíng)建節(jié)約化的外部形態(tài)。

3.3圍護(hù)體系材料選擇地域化

寒地建筑應(yīng)有如生命體般扎根本土環(huán)境[6]。寒地建筑圍護(hù)體系地域化材料的選擇，應(yīng)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(hù)體系材料選擇的經(jīng)濟(jì)性與節(jié)能性，無(wú)論是建筑能耗方面還是建筑文化表達(dá)都能夠達(dá)到理想效果。圍護(hù)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(duì)于低能耗的追求是寒地建筑內(nèi)在的天然屬性，在我國(guó)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(dāng)代，我們也應(yīng)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(yīng)用于建筑中。

（2）研發(fā)新型復(fù)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(fù)合，發(fā)揮各自性能優(yōu)勢(shì)達(dá)到協(xié)同效應(yīng)，也是適合我國(guó)寒地建筑圍護(hù)體系材料選擇的策略。近年來(lái)，一些保溫結(jié)構(gòu)一體化的新型材料以及利于熱存儲(chǔ)釋放的相變材料的研究中，都應(yīng)用了這種策略，并且逐漸取得效果。

3.4圍護(hù)體系運(yùn)行管理智能化

現(xiàn)代的建筑科學(xué)技術(shù)應(yīng)用研究不僅僅是針對(duì)靜態(tài)的建筑構(gòu)件進(jìn)行研究，同時(shí)動(dòng)態(tài)的建筑運(yùn)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(jì)中重點(diǎn)考慮的建筑的適寒性；但是建筑運(yùn)行能耗是基于全年全季候的統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上的，我國(guó)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(fù)雜構(gòu)造造成建筑圍護(hù)體系厚重、封閉；而另一方面，對(duì)于許多公共建筑類型來(lái)說(shuō)，使用情況時(shí)間及人群都有周期性，所以，針對(duì)不同情況下氣候的特點(diǎn)及建筑功能的特征，采取科學(xué)的智能化圍護(hù)體系運(yùn)行控制是促進(jìn)低能耗發(fā)展的有效手段。

（1）新風(fēng)系統(tǒng)智能控制——夏季可以利用被動(dòng)式技術(shù)的自然通風(fēng)，而在冬季或開(kāi)窗不便的情況下，通過(guò)智能新風(fēng)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(dá)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(guò)圍護(hù)體系的開(kāi)合位置調(diào)整而進(jìn)行調(diào)節(jié)，采光系統(tǒng)的智能化控制與建筑圍護(hù)體系設(shè)計(jì)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(yáng)能使用。

（3）溫控系統(tǒng)智能控制——對(duì)于一些公共建筑，使用的時(shí)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(lè)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(biāo)準(zhǔn)會(huì)產(chǎn)生差異，通過(guò)對(duì)于圍護(hù)體系智能控制，可以有效地根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，提高能耗效率，達(dá)到低能耗的目標(biāo)。

4.結(jié)語(yǔ)

作為寒地建筑理論研究的一部分，本研究希望通過(guò)寒冷地區(qū)建筑圍護(hù)體系的設(shè)計(jì)研究，實(shí)現(xiàn)寒冷地區(qū)順利實(shí)現(xiàn)減耗節(jié)能、集約高效的生態(tài)目標(biāo)，促進(jìn)整個(gè)寒地建筑業(yè)的優(yōu)化升級(jí)；推動(dòng)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(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益；促進(jìn)寒地建筑圍護(hù)體系的低能耗技術(shù)升級(jí)，推進(jìn)寒地建筑設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)技術(shù)的重大變革和進(jìn)步，對(duì)經(jīng)濟(jì)性節(jié)能建筑材料與產(chǎn)品應(yīng)用起到指導(dǎo)作用。

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作者：陳子光 張宇 單位：黑龍江大學(xué)工程學(xué)院 哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院