晏曉波

(武漢中合元創(chuàng)建筑設(shè)計股份有限公司)

1 引言

低碳環(huán)保、綠色節(jié)能，是當今世界經(jīng)濟建設(shè)活動必須遵循的可持續(xù)發(fā)展準則。建筑能耗大，必須認真貫徹執(zhí)行國家法律法規(guī)以及方針政策，積極推動可再生能源在建筑中的應(yīng)用，重視節(jié)能設(shè)計，加大節(jié)能技術(shù)的研究和投入。首先分析BIM技術(shù)作為建筑節(jié)能設(shè)計工具的重要意義，并分別從建筑通風、維護結(jié)構(gòu)設(shè)計、新能源利用、中央空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化（搭載冰蓄冷技術(shù)）等幾個方面，對建筑的節(jié)能設(shè)計應(yīng)用展開探討。

2 BIM在建筑節(jié)能設(shè)計中的應(yīng)用

建筑要實現(xiàn)低碳、節(jié)能的目標，首先在于設(shè)計，而先進的設(shè)計理念更需要高效的設(shè)計工具來呈現(xiàn)和早期驗證。BIM建筑模型技術(shù)對于施工環(huán)境的氣象、地貌以及建筑物的內(nèi)部環(huán)境等多種因素的研究論證提供了很大的技術(shù)支持。根據(jù)建筑物的節(jié)能思想和指標，在Revit、Ecotect工具的仿真模擬下，對建筑物的節(jié)能設(shè)計進行早期驗證，把建筑的遮擋、氣候日照以及制冷設(shè)備等數(shù)據(jù)情況進行顯示，模擬出建筑物的環(huán)境，對氣候、光照、日照情況進行分析，把光、熱情況下的能耗影響關(guān)鍵和非關(guān)鍵因素提前明確，并對設(shè)計方案和建筑施工步驟進行優(yōu)化。

3 自然通風設(shè)計

3.1 自然通風設(shè)計原理

在建筑設(shè)計中，一定要重視自然風的通風設(shè)計，和人工通風模式相比較，他不僅有利于用戶的人體健康，而且在建筑節(jié)能上也有很好的表現(xiàn)。實現(xiàn)建筑物自然通風，主要是借助風壓和熱壓兩種原理。風壓通風是依托建筑物的地理位置優(yōu)勢，結(jié)合建筑物的設(shè)計格局，利用建筑物室內(nèi)和室外的溫差來達到自然通風的效果；自然通風需要借助室內(nèi)外的壓強來作為通風的動力，如果建筑物的室內(nèi)外都具有一定的溫度，熱壓亦可借助空氣差推動空氣流動，促進室內(nèi)外空氣循環(huán)。具體采取什么方法，需要根據(jù)建筑物的地理位置和氣候特點而定，比如在我國北方地區(qū)，季節(jié)氣候變化明顯，夏季適宜熱壓通風，但其他季節(jié)室內(nèi)外溫度較低，熱壓通風很難實現(xiàn)，所以在設(shè)計中通常采用熱壓與風壓相結(jié)合的方式。

3.2 建筑物自然通風的整體設(shè)計思路

建筑物的自然通風的整體設(shè)計，需要綜合考慮到氣候、環(huán)境和建筑物自身三個重要因素。

①首先要考慮建筑物當?shù)氐臍夂?，收集并分析當?shù)氐臍庀髤?shù)之后再決定采用什么方式；

②其次要觀察建筑物的微環(huán)境，包括周邊植被、臨邊建筑物、城市地形等要素，找出周邊微環(huán)境對建筑物自然通風的影響，然后對建筑物的整體高度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行合理的設(shè)計，制定最佳通風方案；

③做好建筑物的朝向以及間距、通風通道、戶型的設(shè)計。門窗是建筑物的的主要通風通道，設(shè)計者要結(jié)合當?shù)氐臍夂蛞蛩卦O(shè)計好門窗的參數(shù)（包括位置、形狀、朝向等）。室內(nèi)設(shè)計要盡量保持進出口的對應(yīng)，減小風道阻力；

④選擇通風設(shè)備，確定通風設(shè)備的型號和安裝位置，設(shè)計控制系統(tǒng)，增強人對自然通風效果的控制能力。

4 建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)設(shè)計

在建筑物的低能耗設(shè)計中，維護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)選擇是十分重要的一個環(huán)節(jié)。應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的氣候環(huán)境特征，研究出維護結(jié)構(gòu)影響空調(diào)能耗的規(guī)律，從而選擇不同的熱工參數(shù)，要重點關(guān)注建筑外窗以及外墻的傳熱系數(shù)，以達到降低建筑能耗的最終目的。

①在諸如哈爾濱這樣的寒冷及嚴寒地區(qū)，設(shè)計上要把外墻、外窗傳熱系數(shù)減小，把太陽得熱系數(shù)放大，優(yōu)化的結(jié)果可節(jié)能40%左右；

②在以南京地區(qū)為例，南京地區(qū)屬于冬冷夏熱的溫和地區(qū)，在縮小外窗、外墻傳熱系數(shù)的同時，太陽得熱系數(shù)也應(yīng)適當降低，可實現(xiàn)30%以上的節(jié)能效果；

③而對于向三亞這樣的夏熱冬暖地區(qū)，太陽的得熱系數(shù)是影響建筑物全年能耗的關(guān)鍵因素，所以在設(shè)計上要盡量把太陽得熱系數(shù)減小，根據(jù)實際分析得出的結(jié)論，3.2W/（m2·K）是最理想的外窗傳熱系數(shù)，而外墻的最佳傳熱系數(shù)是0.3W/（m2·K）。所以說，建筑節(jié)能設(shè)計要因地制宜，尤其是建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)的選擇，只要遵循這一基本原則，將有利于超低能耗的實現(xiàn)。

5 光伏新能源技術(shù)在建筑電氣節(jié)能中的運用

建筑電氣在建筑物中電能消耗巨大，光伏新能源技術(shù)的融合應(yīng)用，能大大降低傳統(tǒng)電能的消耗。目前，光伏新能源技術(shù)在建建筑設(shè)計中的運用，主要有兩種方式：

①光伏系統(tǒng)與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，比如在建筑外墻或者是屋頂設(shè)置光伏發(fā)電設(shè)備，實現(xiàn)供電、蓄電的目的；

②將光伏發(fā)電設(shè)備組件制作成特殊的建筑施工材料，作為屋頂或者是窗戶建筑結(jié)構(gòu)的組成部分。這種設(shè)計理念實現(xiàn)了建筑材料的雙重功能，不僅便于施工，節(jié)約工程造價，而且蓄能效果更好，已成為主流發(fā)展趨勢。

6 冰蓄冷技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前大部分的公用建筑里面都有中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計，建筑一般都存在冷負荷大，且使用時間集中的現(xiàn)象，而空調(diào)冷負荷高峰恰恰與城市用電的高峰重合，這也加劇了城市電力峰谷供電的不平衡，如果該地區(qū)實施峰谷電價，勢必會加大建筑的能耗成本，“移峰填谷”是解決電網(wǎng)平衡和建筑能耗成本最有效的辦法，冰蓄冷技術(shù)的運行，很好的解決了這個矛盾，是建筑用電“移峰填谷”的典型設(shè)計。冰蓄冷技術(shù)抓住夜間城市電網(wǎng)的空置率比較高、電負荷少（電價低）的特點，在夜間電網(wǎng)低谷的時候，使用低價電進行制冰蓄冷并保存起來，待白天用電高峰期，空調(diào)高峰負荷時再將蓄冰冷量供給空調(diào)系統(tǒng)。從實踐中得知，冰蓄冷技術(shù)不但可以減少40%左右的空調(diào)系統(tǒng)運行費用，而且還可以降低30%左右的空調(diào)裝機容量，節(jié)約了建設(shè)資金，經(jīng)濟效益和社會效益都十分明顯。以某辦公大樓建設(shè)為例，該項目總建筑面積54000余m2，地下3層，地上建筑層高為15層。此建筑設(shè)計有中央空調(diào)系統(tǒng)配置。每年從5月開始，到9月結(jié)束，共計150天的供冷時間，每天的供冷時間段為上午8點到下午5點，夜間無冷負荷，空調(diào)冷負荷5550kW。該地區(qū)實行峰谷電價，尖峰時期電單價高達1.3003 元 /（kW·h）（具體分布在 7、8、9月的中午11：00～13：00以及夜間的20：00～21：00兩個時段），而白天的其他大部分時段都屬于高峰期時段，電單價 1.1933元 /（kW·h）。以此相對，夜間23：00到早晨7：00，均為用電低谷，電單價僅為 0.3369元 /（kW·h），大大低于尖峰期和高峰期的電價。基于節(jié)能降耗理念設(shè)計，該建筑在中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中采用了冰蓄冷技術(shù)，供冷能力4220kW,白天總蓄冷量16037kW·h,夜間11點到早晨7點的用電低谷時間為冰蓄冷蓄冰時間，無基載主機設(shè)置，冷機房配置3臺1336kW/904kW雙工況螺桿機組，并設(shè)計出蛇形的鋼制蓄冰盤管在機房的混凝土水槽里，并做好保溫設(shè)計。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有3臺2200kW的供冷板式換熱器，使用25%濃度乙二醇溶液為冷側(cè)介質(zhì)，溫度11℃/3.5℃；用水作為熱側(cè)介質(zhì)，溫度7℃/12℃。水泵采用端吸泵，工況效率在75%以上，其中二次冷卻水的循環(huán)泵和乙二醇泵設(shè)計為變頻泵，運行頻率按實際工況調(diào)整。設(shè)置3臺310m3/h的冷卻塔，材質(zhì)為方形玻璃鋼。整個系統(tǒng)搭載了PLC可編程自動控制系統(tǒng)，設(shè)計集散式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括現(xiàn)場傳感器執(zhí)行器、現(xiàn)場控制器與遠程I/O分站、以及中央控制單元三級構(gòu)成，達到集中管理分散控制的目的。目前該建筑已落成使用5a時間，經(jīng)過統(tǒng)計，大廈空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗費用大約為80萬元/a，此項目建設(shè)成本投入800余萬元。而和此座大樓具有同等規(guī)模以及類似功能的另一座建筑，采用常規(guī)制冷技術(shù)，雖然初期的設(shè)備投入僅有450萬元，但是運行能耗費用卻高達130萬/a，足足多出50萬/a，照這樣計算，冰蓄冷設(shè)計初期投資多出的350萬元僅需7a時間就可以全部收回，在建筑整個生命周期內(nèi)節(jié)約了高達幾千萬的能耗費用。

7 結(jié)語

建筑節(jié)能設(shè)計是一項綜合性的系統(tǒng)工程，概括來講，建筑節(jié)能包括建筑與建筑熱工、供暖通風與空氣調(diào)節(jié)、給水排水、電氣、可再生資源利用等幾大板塊的內(nèi)容，節(jié)能設(shè)計要以此為方向和突破口，充分利用太陽能、地熱能、中水回用、智能控制、綠色環(huán)保建材等新技術(shù)、新材料，不斷的對比優(yōu)化，推動建筑行業(yè)走向綠色、節(jié)能發(fā)展的快車道。