寒地建筑围护体系设计策略探析

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建筑设计是一个复杂的、基于多目标平衡优化的设计过程，其中地域性的气候特征是影响建筑设计的一个重要因素。我国寒冷地区四季分明、冬季漫长、昼夜温差大、极端气温较低，低温、寒风、积雪等严酷的气候环境是寒地建筑设计的制约条件[1]。建筑的围护体系是界定建筑内外部空间的媒介构件，围护体系的性能直接影响建筑内外部空间环境的营建。随着科技发展和设计方法的进步，寒地人居环境质量不断优化，建筑围护体系低能耗发展是提高寒地建筑能效、促进节能减排的主要诉求。

1.寒地建筑维围护体系设计低能耗目标

评价建筑环境是否绿色舒适，除了单纯着眼于标准热工能耗外，建筑环境的湿度、光环境、通风换气、舒适度、防水性等也是直接影响使用者感受的因素；此外，而建筑立面造型的功能性与美观性、夏季遮阳、私密性以及建筑能源的环保性、建筑运行的可持续发展等等都是综合评价考量的因素。从碳排放的角度来讲，寒地建筑建造围护体系构造复杂、耗材量大、热力输送过程中市政管网能耗损失大等原因导致建筑低碳要求提升；从环境舒适度角度来讲，建筑运行时室内外温差造成巨大的采暖需求，高纬度气候造成照明时间长，保温隔热的需求又造成室内空气质量差、通风要求高等现象，所以良好的寒地建筑空间环境一方面要做到环境舒适要求，同时也要最大限度地减少碳排放，力求绿色持续发展，因此，低能耗是寒地建筑围护体系设计的综合目标。

2.寒地建筑围护体系低能耗发展愿景解析

以低能耗作为寒地建筑围护体系设计目标，把建筑环境的评价指标通过能耗的形式进行比对，能够直接而有效地评价围护体系性能，便于围护体系的改进。

2.1推广清洁能源

随着全社会推广使用清洁能源的意识的普及推广，在寒地建筑围护体系设计中应建立对能源清洁、高效、系统化应用的技术体系。清洁能源在建筑方面的应用主要包含太阳能、风能、生物能、水能、地热能以及低污染的天然气等能源的利用，合理利用这些资源，可以部分替代化石能源，减轻环境污染，不仅有助于寒地建筑绿色产业发展，也起到节省投资的效果。寒地建筑运行能耗的主要部分就是冬季采暖，它也是我国建筑产业能耗的主要组成部分之一。参考国家发改委的各类能源算成标煤的系数，消耗每吨标煤的碳排放系数为:K=α×1.026+β×0.3902+γ×0.2486+δ×0.0式中,α、β、γ和δ分别为煤炭、石油、天然气和无碳可再生能源占总能源消费的比例,α+β+γ+δ=1[2]。我国寒地采暖能源多为煤炭，不仅造成大量碳排放、污染环境，也耗费极大经济成本。推广清洁能源的使用，可以从源头减少化石能源的使用，不仅是对寒地建筑绿色建设水平的提升，对我国建筑节能发展、社会低碳减排都有重要支撑作用。这一趋势已经在欧盟的一些同样属于寒地地域的国家中逐渐推广并逐步强制实施，例如德国要求根据可再生能源种类和建筑的不同，可再生能源提供15%-50%的采暖需求；在集中供热范围外，新建建筑日热水用量超过1000升，则需要安装太阳能热水系统，且满足实际需求的95%以上[3]。

2.2减少能耗需求

促进寒地建筑围护体系低能耗发展，减少能耗需求，就是应对我国寒地建筑发展的趋势、围护体系性能提升的有力的减少能耗“节流”措施。我国寒冷地区基本上属于经济欠发达地区，随着经济的发展，城乡建设力度将会在未来持续增大，因此，无论是建设量还是建筑面积都将大幅提高。在过去的几年间，我们已经采取既有建筑围护体系改造、围护体系节能建设标准体系等措施，目的就是从根本上降低能耗需求，并取得一定成效。2001年-2012年，北方城镇建筑采暖面积从50亿平方米增长到106亿平方米，增加了一倍，而能耗总量增加了约50%，低于建筑面积的增长[4]。然而，与欧美发达国家相比，我国的寒地建筑围护体系设计水平还有待提高，例如，德国墙体传热系数要求为0.30W/（m2•K），瑞典墙体传热系数最高为0.18W/（m2•K），而我国处于严寒地区的黑龙江地区外墙传热系数为0.55-0.60W/（m2•K），即使按照《绿色建筑评价标准》，围护结构热工性能也仅比现有标准要求提高5%-10%。可见我国建筑围护体系性能提高潜力巨大，而建筑单位面积能耗需求的降低是寒地建筑产业发展的必然趋势。

2.3提高能耗效率

“节流”的另一个措施即提高建筑能耗的利用效率。寒地建筑一般建筑内外部环境温差大、采暖及通风的能耗需求较大，建筑体型围护体系的体型系数、传热系数都需要严格规范以达到能耗效率要求。随着新材料、新技术的应用及建筑节能技术的发展，寒地建筑的能耗效率还将不断提高。例如，在位于哈尔滨的溪树庭院住宅小区的建设中，通过新风系统采用集中处理、设置热回收装置以提高系统能耗利用率，热回收效率达到75%以上，大大提高了能耗效率，降低能耗损失，实现了良好的节能效果。

3.寒地建筑围护体系低能耗设计策略

3.1建筑设计被动式技术整合化

被动节能技术一般是指在保证室内环境舒适度前提下，通过对建筑的布局、朝向、形体、遮阳、保温、气密性、自然通风等方面进行合理的节能优化设计，从而降低建筑总体能耗[5]。在我国寒地建筑设计中，建筑的布局、朝向都有规范标准进行界定，围护体系的材料选取与设计直接决定建筑的遮阳、保温、气密、通风等性能。可采用的被动式技术包括围护体系密闭性、围护体系隔热性、太阳能、风能、通风控制等。例如，通过建筑朝向、组团位置以及建筑立面开窗、遮阳等设计，控制太阳能的利用；通过加强建筑围护体系密闭性能、严格控制室内外新风换气频率等措施以减少室内外热损失；通过空间设计，加强室内环境热循环，以提高室内热能的利用效率，优化空间环境等。在设计中，通过针对项目具体情况的分析，把可能利用的被动式技术整合利用，是寒地建筑围护体系低能耗设计的一个必要策略。基于对于寒地建筑的理论及实践的研究，提炼总结出一些常用的被动式技术。

3.2围护体系形体设计集约化

寒地建筑形态设计应结合气候环境特点形成因势利导的建筑形体，利用建筑组团及建筑自身的体量达到对于寒冷气候的阻御效果。寒地建筑形态设计重要原则之一就是减少围护体系热交换，因此建筑形体采用自身集约化的体量，达到降低能耗的目的；同时，在内部空间组织上，对于建筑中易形成强对流的功能节点，例如建筑入口、大面积屋顶采光的部分等，设置例如门厅、中庭等空间形式的热缓冲空间，能够有效地减少建筑热损失，提高建筑能耗效率，达到降低寒地建筑能耗的目的。

（1）建筑形体集约整体——寒地建筑围护体系表面积越小，热交换的界面就会越少，损失的热能也越少。寒地建筑设计中，建筑形体设计已经形成了采取较为完整的体型结构、厚重的围护结构的共识，这是因为这种越为经济的体型系数对于建筑适应寒冷气候适寒、适风、适雪性能越好，并且有利于降低能源损失的薄弱环节发生的可能性。

（2）设置热缓冲空间——在寒地建筑运行使用中，冷桥是建筑围护体系中存在的普遍问题，尤其是在室内外温差巨大的寒冷季节，由于寒地建筑围护体系包含结构体系、保温层、防水层、防潮层、空气层等复杂的构造材料，发生冷桥的地方不仅是热能损失极大的地方，同时也危害围护体系的性能安全性的节点。节约、完整的体型结构有利于建筑围护体系构造的整体性，减少易产生冷桥现象的薄弱环节；而热缓冲空间的设置，也有利于营建节约化的外部形态。

3.3围护体系材料选择地域化

寒地建筑应有如生命体般扎根本土环境[6]。寒地建筑围护体系地域化材料的选择，应结合建筑类型及所处寒冷地区的地域性特征，综合考虑围护体系材料选择的经济性与节能性，无论是建筑能耗方面还是建筑文化表达都能够达到理想效果。围护体系材料选择地域化策略具体体现在：

（1）挖掘传统地域化材料的优质潜力——对于低能耗的追求是寒地建筑内在的天然属性，在我国寒冷地区的传统建筑中大多采用地域化的本土建筑材料，在当代，我们也应该挖掘传统地域化材料的优质潜力，例如木材、石材、羊毛等等，寻找适宜的技术应用于建筑中。

（2）研发新型复合节能材料——选取具有适宜特性的地域化材料与现代材料整体复合，发挥各自性能优势达到协同效应，也是适合我国寒地建筑围护体系材料选择的策略。近年来，一些保温结构一体化的新型材料以及利于热存储释放的相变材料的研究中，都应用了这种策略，并且逐渐取得效果。

3.4围护体系运行管理智能化

现代的建筑科学技术应用研究不仅仅是针对静态的建筑构件进行研究，同时动态的建筑运行期间的智能管理技术也有极大发展。寒地建筑的设计中重点考虑的建筑的适寒性；但是建筑运行能耗是基于全年全季候的统计基础上的，我国寒冷地区大多四季分明，集约型的建筑形态和建筑保温材料的复杂构造造成建筑围护体系厚重、封闭；而另一方面，对于许多公共建筑类型来说，使用情况时间及人群都有周期性，所以，针对不同情况下气候的特点及建筑功能的特征，采取科学的智能化围护体系运行控制是促进低能耗发展的有效手段。

（1）新风系统智能控制——夏季可以利用被动式技术的自然通风，而在冬季或开窗不便的情况下，通过智能新风系统调控，可以灵活控制室内空气质量，提升空间环境质量，达到最大限度的节能效果。

（2）采光系统智能控制——建筑的自然采光量可以通过围护体系的开合位置调整而进行调节，采光系统的智能化控制与建筑围护体系设计协同作用，能控制室内光环境质量，也能利用自然光调整室内的太阳能使用。

（3）温控系统智能控制——对于一些公共建筑，使用的时间及使用人群都具有明显的阶段性和差别性，例如体育馆、音乐厅、办公建筑等等。在使用期间与闲置期间室内环境的标准会产生差异，通过对于围护体系智能控制，可以有效地根据实际需要调节室内环境，提高能耗效率，达到低能耗的目标。

4.结语

作为寒地建筑理论研究的一部分，本研究希望通过寒冷地区建筑围护体系的设计研究，实现寒冷地区顺利实现减耗节能、集约高效的生态目标，促进整个寒地建筑业的优化升级；推动绿色建筑材料等相关产业的发展，取得显著的社会效益和经济效益；促进寒地建筑围护体系的低能耗技术升级，推进寒地建筑设计方法与设计技术的重大变革和进步，对经济性节能建筑材料与产品应用起到指导作用。

参考文献：

[1].梅洪元，张向宁.东北寒地建筑设计的适应性技术策略[J].建筑学报，2011(9):10-12.

[2].龙惟定,白玮,梁浩,范蕊,张改景.低碳城市的城市形态和能源愿景[J].建筑科学，2010（02）：13-18，23.

[3].陈洪波，王新春，储诚山.欧盟近零能耗和近零碳建筑进展及对我国的启示[J].中国建材.2015（01）：108-111.

[4].清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告2014[M].北京：中国建筑工业出版社.2013.

[5].戴旭.被动式节能建筑中的主动节能技术应用[J].中国住宅设施.2014（05）：26-33.

[6].梅洪元，张向宁.回归当代中国地域建筑创作的本原[J].建筑学报，2010(11):106-109.

作者：陈子光 张宇 单位：黑龙江大学工程学院 哈尔滨工业大学建筑学院