摘要：
近年来，许多发达国家积极的进行超低能耗建筑的相关研究并建设了典型的示范工程。国内的相关工作也正逐步展开，如何从传统建筑设计方法转变为基于能耗指标控制的性能化设计方法是我国大范围推广超低能耗建筑的关键之一。本文基于此，分析了传统建筑设计与超低能耗建筑设计的不同，并提出了三种科学通用的超低能耗建筑设计方法，并对其进行了系统的分析，最后列举相关案例进行了研究。
关键词：
超低能耗建筑；能耗指标；性能优化设计方法
1传统设计与超低能耗建筑设计
1.1传统建筑设计
目前我国大多数建筑设计依旧是采用传统的设计方法，即依照我国现行的建筑设计规范以及建筑设计方法进行设计。以我国现行的《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）和各气候区《居住建筑节能设计标准》为例，其中详细的规定了建筑、暖通以及电气专业的节能性能指标，主要包括热工参数限值以及空调系统形式与设备能效限值等。传统设计方法最大的特点是分工明确（参考图1），以国家现行的相关设计标准为原则，以满足用户对建筑我各项功能需求为核心，团队各专业分别实现自身职责，相关工作人员只需要满足相关规范标准与建筑功能，就可以做出“合规”的设计。但施用传统设计方法存在一定的局限性，无法满足建设超低能耗建筑的目标，具体表现在四个方面。①传统设计在满足功能与安全性要求的同时，对设计大小无法进行有效把控，经常出现设计偏大，从而造成资源浪费、成本增加、设计闲置等问题；②我国现有的设计标准大部分分散在各个专业标准体系中大多数的节能条款归于分专业的技术标准，从而导致多数孤立节能技术的堆砌，并无法有效实现预期节能的目标；③实行建筑围护结构传热系数限值的要求并不能将建筑能量需求最小化，无法促进高标准建筑材料的研发使用；④传统设计存在一定的拘束性，不利于设计人员发挥自身主观能动性进行灵活设计，无法最大程度的提高能效。
1.2超低能耗建筑图1传统设计流程
目前，德国被动房作为超低能耗建筑的一种形式，在建筑行业内被广泛接受，一般来说，被动房最大供热负荷不超过10W/m2、供热以及制冷能耗需求量不超过15kW•h/（m2•a）、年度一次能源总消耗（其中包含生活热水、烹饪以及供热制冷）不超过120kW•h/（m2•a），所以，传统建筑设计仅仅实现了建筑功能，而超低能耗建筑设计则实现了最优化建筑性能的提升，即实现了能耗指标的性能化设计。相比于传统建筑设计分工明确的特点，超低能耗建筑设计则体现在各分支专业均以优化建筑性能以及达到终极能耗指标为中心（参考图2），从图2中我们可以清楚的看到整个建筑设计团队都有同一个核心目标，即能耗指标。①基于能耗指标的性能化设计具有低能耗指标作为明确的导向，从而协调各专业，使得各专业充分发挥设计师的主观能动性；②在初期设计阶段能够对建筑形体与围护结构热工参数进行严格的把控，从而将建筑能源需求最小化，并以能耗为导向，将被动优先与主动优化相结合，同时开展对建筑场地周围可再生能源应用潜力储能技术和能量回收技术潜力的相关研究工作；③该设计对整个建筑设计过程的具体节能措施并没有硬性的规定，而是以建筑能耗表现作为终极目标，从而优化整合适用节能技术与设计方案。
2超低能耗建筑设计方法
对于超低能耗建筑设计方法的探究，并不需要一些套用基于单独案例所得到的方法，也不需要一些刻板的技术指导，超低能耗指标的性能化设计所需要的，是能够凝练建筑设计要点的通用性与引导性强的方法以及完整设计流程的指导。笔者经过对国内外现有相关文献与典型案例的分析，考虑到建筑所在地气候特点的差异以及目标函数的不同，总结出了三种适用于超低能耗建筑的设计方法。
2.1关键参数限额法
关键参数限额法主要是以减少建筑耗能为导向，充分合理的利用建筑所在地的自然条件与气候特征，对外墙、屋面、外窗传热系数等建筑关键元素指标进行严格控制，并结合新型的高效新风热回收技术，从而基本满足用户舒适居住条件的设计方法。该方法并不依赖于可再生能源资源，所以不需要进行过多的模拟计算，从实质上将，该方法是对现有节能标准控制指标的提高，采用该种方法可以使建筑具备达到超低能耗建筑的潜力（该方法流程图参考图3）。使用关键参数限额法使得建筑物达到超低能耗具有三个主要技术特征：①对建筑围护结构热工性能与建筑整体气密性的提高。外墙、屋面、外窗以及楼板等围护结构的传热系数要达到规定的数值，从而最大程度的提高建筑保温隔热性能与气密性；②该方法充分利用了被动式技术技能，例如自然通风与采光、太阳能辐射与室内非供暖热源的充分利用，从而有效的降低建筑能源需求以及对机械系统的依赖；③该技术具有高效新风热回收系统，这能够有效保障室内空气质量以及热环境。
2.2双向交叉平衡法
双向交叉平衡法是以能耗指标以及舒适度为导向，在对建筑围护结构与高校新风热回收进行优化的同时，还考虑到再生能源的应用，由再生能源提供建筑所消耗的能量，从而确保建筑能量供需平衡的设计方法。使用双向交叉平衡法达到超低能耗有三个主要技术特征：①该方法充分优化了被动设计手段，对建筑体形系数、内外遮阳、自然通风以及自然采光等进行合理调节，对建筑围护结构参数限值进行严格把控，从而最大限度的减少建筑物对化石燃料的需求；②该方法主动优化并提高了系统性能，使用新型技术和设备，例如节能灯具、水泵以及变频空调等，从而有效提高能效；③该方法科学合理的利用可再生能源，例如太阳能、风能、浅层地热能以及生物质能等可再生能源，尽可能满足建筑能源需求。
2.3经济环境决策法
经济环境决策法主要是以低耗、舒适度以及经济性为导向，对建筑本身围护结构进行优化，并有效利用建筑周围环境以及可再生能源，考虑经济可行性因素，不断的对建筑设计方法进行优化，直至得到使得建筑物各项指标满足的设计条件与设计方法。使用经济环境决策法达到超低能耗有三个主要的技术特征：①要同时满足低耗、舒适度以及经济性三项指标，建筑设计初期就要围绕三项指标进行设计；②充分主动优化设计，循环计算优化，从而得到单个参数的最优取值以及系统的设计与运营方案；③经济可行性分析，对节能与投资之间的额关系进行决策，从而选择合适方案。
3案例研究
中国新疆自治区某工程，该工程建筑区域为7667.9m2，包含地上（商业餐饮与酒店）6层，地下2层（超市与车库），该建筑被动式建筑面积为4361.6m2，该建筑的建成标志着中亚严寒干热气候区有了手动接近零能耗的标志性建筑。该建筑采用上文所提到三种方法中的关键参数限额法进行设计，以建筑能耗目标为导向，其中生活热水、供热、供冷以及生活用电总能耗限额为54kW•h/（m2•a），其耗能仅为每平方米1.5m3燃气，设计流程图参考图3。主要步骤如下。
3.1规定围护结构热工参数限值
规定围护结构热工参数限值，做好了防止热桥与加热隔热的措施。外墙等围护结构K值上限为0.15W/（m2•K），窗户玻璃K值上限为0.80W/（m2•K）。热桥K值上限为0.01W/（m2•K）。另外，屋顶增加了相应的绿化设计以提高建筑物保温隔热的性能，对供热管道、设备要求，做好了保温以及严格密封处理。
3.2自然通风及采光
其次，在进行自然通风与采光的设计中，多利用了自然光与自然冷源，从而有效减少照明能耗与空调。在建筑一至三层还设有中庭，并采用电动开窗器以及电动外遮阳，确保了建筑良好的自然通风采光。
3.3建筑能源系统设计
3.3.1制冷空调系统
该建筑处于严寒干热气候区，夏季需降温加湿，所以制冷空调选用高温水与干工况，选用地面辐射供冷，供回水温度为16~21℃，高性能冷水机组设计工况下，系统能效达到了14.9，且不接露。
3.3.2供热空调系统
选用了落地式冷凝模块低温以及高温燃气锅炉作为建筑供热与供水。一次侧循环水泵耦合连接二次侧变频节能水泵，可以根据建筑负载以及室外气温，对锅炉工作数量以及输出大小进行自动调节。其中，高温燃气锅炉可提供60~80℃热水，最高热效率大97.4%。
3.3.3新风热回收机组
该建筑热回收率达75%，有效的保证了室内空气质量以及能源的节约。该项目的设计要点是确保关键指标不超过规定限值，进而达到终极能耗指标。例如德国的度纳幼儿园，通过对围护结构传热系数的严格把控，不用可再生能源系统，也可以达到不超过120kW•h/（m2•a）的能耗指标。
4结语
超低能耗建筑的发展是需要从多方面进行落实的，推行超低能耗建筑是我国实现可持续发展的必由之路，所以我国要对超低能耗建筑方面加大研究力度，制定适合与各地区的科学的各项能耗指标工作，实现超低能耗建筑的广泛应用。
参考文献
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[3]李君.被动式超低能耗建筑设计基础与应用分析[J].工程技术：全文版，2016，24（8）：30~39.
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作者:冯心怡 单位:云浮市建筑设计院有限公司