浅谈建筑节能设计
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摘要：随着人们生活水平的提高，对能源的需求量也越来越大，例如天然气、石油、煤炭等。在全世界能源危机的情况下，而我国能源消耗又排在前列，因此，我国必须加快节能的步伐。本文对建筑节能进行了分析。
关键词：建筑；节能；设计
前言
在发展低碳经济的道路上，建筑的“节能”和“低碳”已经离不开的话题。低碳建筑已经成为了建筑界的主流。在我国建筑业在国民经济中的地位是非常重要的，要实现节能低碳必须要重视建筑业的节能，只有这样才不会让节能成为一个“标语”。建筑业是能源消耗的主要领域，目前我国建筑业物质消耗占全部物质消耗总量的15%左右，建筑能耗占全社会能耗的30%左右。我国建筑耗能的效率仅为发达国家的30%左右，因此，我国的建筑节能空间还是很大的。建筑设计应根据地方气候特点，因地制宜，合理利用自然通风。并且还要尽量采用南北向进行建筑，使得建筑能够满足冬季日照的需求，夏季可以通风，这是最简单、最天然的节能措施。
建筑节能，其实质就是提高建筑中的能源利用率。当今社会面临的能源供需矛盾以及如何提高能源利用效率等问题，为绿色节能建筑产业的发展提供了机遇。在了解建筑节能技术之前，必须要跟绿色节能建筑相关概念相结合来给予理解。所谓绿色节能建筑，就是一种既可以为人们提供舒适、健康、安全的居住、工作以及活动空间环境，同时又可以实现在建筑过程中的对建筑资源利用的高效率和对环境自然资源低影响的建筑方式，在具体的建筑过程中，要充分考虑我国各地的地理因素、光照、气候特点等方面的因素，跟当地的自然资源相结合，在建筑中采用通风系统、外墙外部保温、自然采风、中水回用、遮阳系统、太阳能、智能控制以及绿色建材等多方面的建筑节能技术，在整体上形成一种优化的建筑节能技术体系。笔者从自己的实践中总结了一些建筑节能设计，其分析如下。
一、建筑设计
（1）群体规划布局
在城市中，导致社区自然通风效果不稳定的因素很多，例如，住宅群体的建筑高度、位置的不均匀分布及气象参数的不稳定性等。因此，在居住区中，应该综合考虑风环境、建筑造型、日照间距以及建筑布置。
不同布置形式的建筑群体对风场的影响也不同。风吹向建筑后肯定会在建筑后面产生涡流，这主要是由于规划及单体设计因素的影响所致。因此，在设计前期要与周围的绿化、规划、环境布置结合起来，对风环境场状况进行模拟，最大限度的引导应用室外风速风压，从而提高使用空间的舒适度，改善建筑朝向对节能产生的影响。
（2）控制体形系数
控制体形系数，减少热能辐射墙面，能够提供建筑节能效果。就拿板式住宅单元来讲，在规划设计中，要根据社区设计的需要和用地情况，可以进行分散布局且以单元为单位，也可以采用组合式布局。按照设计规范，两栋住宅之间要对防火间距、视觉卫生、日照间距等因素进行考虑，无形之中使得土地的使用加大了，小区的容积率降低了。如果采用有效的组合单元，这样就会减少间距空间，也使得土地的使用效率提高了很多。
（3）控制窗墙比
窗墙比是指窗户洞口面积与房间立面单元面积的比值。由于外围护墙体的热工性能要比玻璃窗户好。尽管外窗面积比外墙面积小，但通过外窗得失热量却占外围护墙体得失热量的40%左右，因此需根据不通地区的气候条件，合理控制窗墙比。
二、建筑围护结构
通过改善建筑物围护结构的热工性能，达到夏季隔绝室外热量进入室内，冬季防止室内热量泄出室外，使室内温度尽可能接近舒适温度，以减少通过采暖、制冷设备来达到合理舒适室温的能源负荷，最终达到节能的目的。
（1）外墙节能。
建筑外围结构的主体就是外墙，建筑的能耗量直接受其所用材料的保温隔热性能的影响。我国传统采用的实心黏土砖等单一材料砌筑的外墙的节能主要是通过增加墙体厚度来实现的，这种方法在增加了建筑物自重的同时，其保温效果也不是很好，对于现代建筑节能的要求根本无法满足。随着我国建筑节能的不断开展，实心黏土砖已经不再实用的，目前普遍用的土砌块等复合墙体。另外随着外墙保温材料如EPS板、XPS板、保温砂浆等工艺及施工技术的提高，极大的增强了墙体保温性能。同时，解决了设计中复杂形体的保温问题，为建筑形体设计提供了更多可能。
（2）外窗节能
外墙玻璃门窗是建筑节能设计的薄弱环节，对建筑能耗影响很大。除了控制窗墙比以外，还需要调整玻璃门窗的热工性能。比如门窗型材的选用、玻璃选用、遮阳设计等，这些都可以有效降低建筑能耗。
（3）屋面节能。
屋面的保温隔热性能的提高也是降低建筑能耗的一种方法。屋面的节能措施包括：选用密度小，导热系数低，吸水率的保温材料；可采用屋面绿化，从而能够降低太阳辐射热，又可以增加城市绿地面积。研究表明，建筑屋顶绿化可明显降低建筑物周围环境温度0.5℃～4.0℃，而建筑物周围环境的温度每降低1℃，建筑物内部空调的容量可降低6%，其节能效果显著。
例如，某小区在满足围护结构外墙外保温建筑节能标准达到65%指标基础上，还采用了地源热泵中央空调系统、太阳能一体化设计、断桥铝高级中空玻璃门窗、中水回用系统、楼梯间光电照明系统等节能技术。门窗、墙体及屋顶这三部分围护结构的节能技术就成为各国建筑界关注的重点。其主要发展方向是，开发高效、经济的保温、隔热材料和切实可行的构造技术，以提高围护结构的保温、隔热性能和密闭性能，减少围护结构的能量损失。
三、能源利用技术
能源利用技术能够加强可再生能源在建筑上的应用与推广。研究太阳能、浅层地热、可再生新能源在建筑上的应用技术，能节省大量常规能源，实现建筑节能。同时，降低CO2的排放，建设低碳城市，使经济效益和环境效益统一。
（1）地源热泵系统
地源热泵系统通过吸收大地（包括土壤、井水、湖泊等）的冷热量，冬季从大地吸收热量，夏季从大地吸收冷量，再由热泵机组向建筑物供冷、供热而实现节能，是一种利用可再生能源的高效节能、无污染的既可供暖又可制冷的新型空调系统。同时，有效降低建筑运行费用。
（2）太阳能
太阳能作为一种可再生能源，是建筑上很具有利用潜力的新能源之一。太阳能在建筑上的利用方式主要有，太阳能热水系统、太阳能采暖、太阳能制冷和太阳能光伏发电系统等。该应用指通过转换装置将太阳能转化成热能和电能，能有效的解决建筑物内热水、采暖、空调和照明等相关问题，该项成套技术为：太阳能光伏发电技术；太阳能聚热技术；太阳能与建筑一体化技术。例如：太阳能热水器就是把太阳光能转化为热能，将水从低温度加热到高温度，来满足人们在生活、生产中的热水使用。太阳能热水器是由全玻璃真空集热管、储水箱、支架及相关附件组成，把太阳能转换成热能主要依靠玻璃真空集热管。集热管受阳光照射面温度高，集热管背阳面温度低，而管内水便产生温差反应，利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需热水。
建筑节能是一个复杂的系统工程，其涉及的范围较广。建筑节能已经提起全世界人们的关注，而建筑节能设计是需要建筑师、建筑设备工程师的共同努力，并且借助各种节能技术提高能源利用效率，降低建筑能耗，建设节约型社会。
参考文献：
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一、人防地下室结构设计方法
（一）人防工程结构的设计特点
与普通地下室相比，防空地下室结构设计的主要特点是要考虑战时规定武器爆炸动荷载的作用。武器爆炸动荷载属于偶然性荷载，荷载具有量值大、作用时间短且不断衰减等特点。暴露于空气中的防空地下室结构构件，如高出地面不覆土的外墙、不覆土的顶板、口部防护密闭门及门框墙、临空墙等部位直接受空气冲击波的作用。其它埋入土中的围护结构构件，如有覆土的顶板、土中外墙及底板等，则直接受土中压缩波的作用。此外防空地下室内部的墙、柱等构件则间接承受围护结构及上部结构爆炸动荷载作用。
防空地下室结构设计的主要内容包含两方面：一是主体结构设计，包括顶板、外侧墙、底板等其它构件的结构设计，二是孔口防护设计，包括出入口的防护和消波系统（防护设备），其中出入口的防护包含防护密闭门的选用、门框墙、临空墙的计算、出入口通道（包括风井）的计算等几个方面，而消波系统则包含防爆破活门的选用和扩散室（箱）的设计，那么，这些内容的结构设计与一般的结构设计有何不同呢?
（l）防空地下室在核爆动荷载作用下，其动力分析一般采用等效静荷载法，将整个结构拆开为单个构件进行计算。
（2）人防荷载来源于核爆炸冲击波，核爆动荷载属于偶然性荷载，荷载有量值大、作用时间短且不断衰减等特点，人防荷载的作用次数在整个结构寿命期内只按一次考虑。
（3）作用在全埋式防空地下室结构上的核爆动荷载，可按同时均匀作用在结构四周进行计算，由于左右两侧其荷载大小相等、方向相反，因此，不需考虑结构的侧移。
（4）钢筋混凝土结构构件可按弹塑性工作阶段设计。对防空地下室中钢筋混凝土结构构件（如顶板、外墙、临空墙）来说，处于屈服后开裂状态仍属正常的工作状态，这样可充分利用材料潜力，如受弯构件，在屈服后还要经历很大变形才会完全坍塌，因此考虑塑性阶段工作，可承受更大动力荷载，有较大经济意义。
（5）材料设计强度可以提高，试验表明，加载速率直接影响材料的力学性能。在武器爆炸动荷载作用下，结构构件所经受的是毫秒级快速变形过程，与标准静载试验速度相比要快千百倍，这时材料力学性能发生比较明显的变化，主要表现为强度提高，但变形性能包括塑性性能等基本不变，这对结构工作起到有利作用，例如钢材强度可提高1.15-1.5倍，砼强度可提高1.5倍，这些有利作用在实际设计中是通过考虑材料强度综合调整系数来完成的。
（6）防空地下室只需进行强度的验算。由于在核爆动荷载作用下，结构构件变形极限已用允许延性比进行控制，且在确定各种构件允许延性比时，已考虑了对变形的限制，因而在防空地下室结构设计中，不必再单独对结构构件的变形与裂缝开展进行验算。
（7）防空地下室结构构件除钢筋混凝土防护密闭门和门框墙以及砖砌体墙和防水要求高的结构采用按弹性工作阶段设计外，对于一般超静定的钢筋混凝土结构，可按非弹性变形产生的塑性内力重分布计算内力。
（8）地面建筑的防空地下室结构，是整个建筑结构体系的一部分，不仅要满足战时的抗力要求，而且应满足平时使用的结构要求，即防空地下室结构设计应同时满足平时和战时两种不同荷载效应组合的要求。为有利于平战结合，方便防空地下室平时使用，可采取平战兼顾的设计方法，通过临战加固达到战时防护要求。当平时使用要求与战时防护要求不一致时，应采取平战功能转换措施。所采取的转换措施应能在规定的时限内完成防空地下室的功能转换。
（二）人防工程结构设计的原则
防空地下室设计必须贯彻“长期准备、重点建设、平战结合”的方针，并应坚持人防建设与经济建设协调发展、与城市建设相结合的原则。对于防空地下室的位置选择、战时及平时用途的确定，必须符合城市人防工程规划的要求。同时也应考虑平时为城市生产、生活服务的需要以及上部地面建筑的特点及其环境条件、地区特点、建筑标准、平战转换等问题，地下、地上综合考虑确定。对于人防工程的结构设计，其原则主要有：
（1）防空地下室的主体结构、出入口部、孔口和防护设备等应根据防护要求和受力情况做到各个部位抗力相协调，防止出现由于局部破坏而影响主体结构的防护密闭性。
（2）防空地下室结构在满足设计抗力的前提下，对钢筋混凝土结构构件应采用“强柱弱梁”和“强剪弱弯”的设计原则进行设计。
（3）防空地下室应充分利用受弯构件和大偏心受压构件的变形来吸收核爆冲击波的能量，以减轻支座截面的抗剪与柱子抗压的负担，确保结构在屈服前不出现剪切破坏和屈服后有足够的延性，最终形成塑性破坏，而不是脆性破坏，从而提高结构的整体承载能力。
（4）受弯构件应双面配筋。双面配筋对承受核爆动荷载作用下可能的回弹和防止在大挠度情况下的构件坍塌十分重要。
二、应用分析
合肥水泥研究院职工住宅楼由3栋高层住宅和两个地下车库组成，主楼部分为短肢剪力墙结构，地上11层跃12层、地下1层，建筑高度33.3m;地下车库部分为框架结构，地下1层，层高3.6m。地震烈度为7度，抗震等级为 三级，安全等级二级，耐火等级为地上二级、地下一级，设计使用年限为50 年，基础采用平板筏基，地基基础设计等级为乙级。根据合肥市人防办公室文件，城市的生命线工程和面积超过1万米的高层建筑，均须设置防空地下室。本工程总建筑面积为4.12万m2，地下室面积约1万m2，按照规定，本工程须应设置防空地下室面积为3226m2。
人民防空地下室设计规范（GB50038一2005）明确规定人防工程按可能受到的空袭威胁划分为甲、乙两类，该工程是按甲类防空工程设计的，因此在设计时不仅考虑了满足核武器爆炸的防护要求，还考虑了按常规武器和生化武器的各项防护要求。本工程防空地下室防护等级为核6级，采用全埋式现浇钢筋混凝土防空地下室，战时为二等人员掩蔽所，平时为小型汽车停车库。人防车库共分两个防护单元、四个抗爆单元，考虑到小区内部的环境绿化问题，在地下室顶板上设置了0.45m厚的覆土，以满足绿化的需要。
本工程人防地下室主要结构截面尺寸如下：顶板200mm，底板550mm，外墙300mm，临空墙250mm、300mm，防护单元之间隔墙250mm，内墙200mm、250mm，门框墙30omm。混凝土标号采用C30，钢筋采用HPB235级、HRB335级。
本工程硅墙的抗渗等级为56，硅强度等级为C30，地下室内没有设置沉降缝和伸缩缝，是设置了多条纵横交错的后浇带。对双面配筋的钢筋硅顶、底板及墙板，为保证震动环境中钢筋与受压区混凝土共同工作，在上、下层或内、外层钢筋之间设置一定数量的拉结筋。
参考文献：
【1】李建，防空地下室设计中的几个问题探讨，山西建筑学报，Vol.31，No.16，Aug.2005
【2】张立明等，住宅小区人防地下车库结构设计体会，建筑科学杂志，vol.21，NO5，Oet.2005
【3】陈纯，防空地下室结构设计要点剖析，建筑与工程，2007年第5期
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