建筑采光节能设计分析

建筑采光节能设计分析（精选6篇）

建筑采光节能设计分析 第1篇

关键词：采光节能,节能设计,建筑设计

0 引言

节能设计的两大主题就是开源和节流，因此节能方式的改革不仅需要减少对不可再生资源如煤、石油等的使用，还要重视对可再生能源如太阳能、风能的开发利用，这样才可以使节能效果达到最佳。

在建筑能耗中，照明能耗所占的比重很大，这就需要重视在建筑设计进行采光节能设计，以实现彻底的绿色建筑，而非仅考虑热环境节能的单极化节能。建筑采光节能设计也需要在整体节能思维的基础上，综合分析光、热环境的要求，根据本地区的环境特点，实现采光节能的最佳效果。

1 采光节能设计需要考虑的因素

1.1 协调光、热建筑节能设计的矛盾

阳光的辐射是建筑设计中光、热的主要影响因素，因此在节能设计中对太阳能辐射的利用应当谨慎，要协调处理其在分区标准和设计要求两方面的矛盾。

首先，中国光气候分区图将中国的建筑设计划分为5个光气候分区，以此来指导天然采光设计；而在热能设计上，去过建筑热工设计分布图将中国划分为5个热工分区。光气候的分区指标是照度，而热工分区的主要指标则是温度。同一地区可能分属不同的光气候区与热工区，节能设计要求也就自然不同。因此建筑设计要想达到采光节能的目的，必须协调光、热在建筑设计中的矛盾，以制定完善的光气候区分标准和物理环境参数。

其次，光节能设计不可避免的要求将天然光引入室内，以达到有效的照明与视觉效果，进而减少照明能耗。这一要求需要设计建筑时加大建筑间的距离，减少对天然光的阻挡并适当的增加采光口的数量与面积。而热工设计在冬季时需要尽可能的将阳光引入室内以提高室内温度，在夏季却需要做到有效的防止热辐射以减少空调能耗，这一要求需要设计师合理控制门窗面积与位置，减少建筑体型的变化。这样一来，在建筑设计中采光节能与热工节能不可避免地会产生矛盾。而建筑节能设计必须要到在平衡而这矛盾的同时，达到节能设计的最佳效果。

1.2 注重天然采光

采光节能设计必须要考虑天然采光，而不能一味依赖人工光源。这是因为首先人工光源会影响人们的感受，光线的温度会给人们带来截然不同的感觉。而自然光在不同的季节、时刻、环境通过合理的设计可以对室内照明产生很好的效果，其舒适度也远远高于人造光源，不仅可以使昏暗的房间变得明亮活泼，还可以塑造室内的艺术空间、营造良好的氛围。其次，天然光源如得到充分的利用可以节约电能的消耗。据统计，建筑消耗中照明消耗占了将近三分之一的比重，而天然光源则具有取之不尽用之不竭的特点，与人工光源相比更加安全、洁净。只有最大限度的降低照明消耗，才能更好的设计节能建筑，顺应绿色建筑的潮流。

合理的利用太阳光，不仅是城市规划范畴的问题———需要一个地区的整体规划设计都必须考虑天然采光，更是设计师必须考虑的问题。建筑设计师需要对建筑的采光如侧窗、天窗、中庭采光进行整体的把握，然后就需要对采光口进行合理的设计，如采光口的位置、打消、朝向等以及玻璃的颜色、折射度、反射度等。

在对天然采光设计进行考虑时，还需要注意的一个问题就是需要配合空调的节能工作。我国大部分地区夏季具有日照时间长、太阳辐射强的特点，因此在建筑设计时需要合理的利用屋檐、遮阳板、窗帘等调解采光、减少热能消耗、节省电力资源。这种情况在采用玻璃幕墙的建筑中表现得尤为明显，更需要合理协调采光节能与热能消耗的矛盾。

1.3 根据不同地区环境特点、建筑情况采光节能设计

我国幅员辽阔，不同地区的光照条件与环境特点有很大不同，而每一个地区的建筑群的特点更是千差万别。因此采光节能设计需要根据不同地区的环境特点、建筑情况来整体规划布局具体的采光设计。

首先要根据该地区的整体环境特点进行设计规划，只有合理的朝向布局才能最佳的协调建筑设计中的光、热矛盾。在建筑设计中应当保证向南布局，这首先是因为我国处于北半球，南向布局可以保证冬季日照最多而夏季辐射最低，如此布局方可以获得最大的日照。其次，我国大部分地区夏季多为东南风，因此坐北朝南可以很好的保证通风需求得到满足。为节约采光耗能还可以在南向墙面设置镜面材料引入光线，以改善北面房间的光照度。此外，为了保证建筑物内日照时间的长度，还需要考虑植被对光照的影响。绿树枝被对于改善热环境大有裨益，但是在对其设计时一定要考虑采光需求。

其次，采光节能设计还要根据该地区的建筑群的特点来进行合理的规划。建筑室内采光的方案一是地窗，因为地窗的面积越大对采光越有利。而天窗采光的均匀性比较好，但是由于屋顶是吸热最多的部分，因此天窗对于热工节能十分不利。因此开窗设计应根据不同的地域气候环境来设计。一般来说，建筑物的长宽比与热量获得成正比，因此在炎热的南方采用长宽比小的建筑形状有利于节能工作，而寒冷的北方采用长宽比大的建筑体型则可以满足其冬季保温的需求。但是从采光方面考虑，建筑物进深与光线成反比，即进深越大光线越弱，因此在建筑设计中进深应当兼顾光热节能的要求，在保证光照时间和光照均匀度的基础上设计出最佳的长宽比值。

2 具体的采光节能设计（形状与材料）

采光节能设计的细节，诸如采光口设计、玻璃的材质、照明设计等等，需要进行在综合把握以上三个大原则的基础上，进行合理的规划设计，以达到节能设计的最佳效果，为社会能源的和谐发展、建设绿色家园做出贡献。

2.1 采光口的设计

2.1.1 窗地比越大，采光均匀性越好

研究发现，随着窗地比的增大，人工照明能耗越小，房间全年的关灯率就呈现上升的趋势。这是因为窗地比越大，室内的采光均匀度越高，室内光线条件的上升当然会促成人工照明能耗的降低。虽然对于采光来讲窗户面积越大越好，但是建筑设计还需要综合考虑热功耗能（采暖与制冷）。因此建筑物的窗地比需要根据不同的光度要求进行不同的设计。如果房间对光度的要求较高则可以适当的扩大窗户面积，并且辅以其他的外围措施保证房间的保温隔热效果。反之则应当适当缩小窗户的面积以保证室内温度。

2.1.2 窗户透光率越大，照度均匀度越高

建筑物窗户的透光率与房间照度均匀值成正比，即窗户的透光性越好、透光率越大，房间的照度均匀值越高、光环境越好。因此，透光率的增大会直接导致人工照明耗能的减少、达到节能的目的。当然，建筑物能耗还需要考虑热工能耗，但是窗户的透光率对热工能耗的影响很小，因此窗户透光率越大，建筑物的总能耗越低，节能效果越好。

2.1.3 窗户位置高度越高越节能

随着窗户位置的升高，近窗处的照度值大幅降低，这是因为窗台挡住了一部分阳光。而窗户位置越低，房间内的照度值越高，照明能耗越低。但是，窗户位置越低，室内视觉舒适度会随着降低。因此，在采光节能设计中，既要考虑到低窗位对光照值的促进作用，也要考虑由于光照度平缓对室内人员视觉舒适度的影响。

2.1.4 窗户形状越瘦高越节能

窗户的形状对于室内光照度值也有影响。实验表明，窗户上沿的高度越高，光在进深的方向上均匀性同比增高。而随着窗户宽度的增加，室内的光照值反而没有同比提高，人工照明的能耗呈上升趋势。因此，在对窗户形状进行设计时，需要意识到窗户形状越瘦高对于采光越有好处，也越有利于采光节能设计。

2.1.5 侧窗增加反光板可以增加照度均匀度

高侧窗对于改善室内照明环境作用很大，与之相呼应在侧窗增加反光板可以降低近窗处的照度峰值。由于夏季高角度的太阳直射光极易造成近窗处出现眩光，因此在侧窗增加内反光板可以提高室内的光照均匀度、改善室内的照明效果进而减少照明能耗，增加外反光板还可以在夏季减少热增益，减少夏季空调制冷能耗。因此可以考虑在室内外增设反光板来改善室内环境，降低照明能耗，达到采光节能的目的。

2.2 玻璃材质的选择

门窗玻璃材质的选择对于节能的影响与采光口的设计一样重要，而门窗能耗一直是节能的薄弱环节。在对门窗材料的选择上，应当以多透光少传热为基本原则，这样既可以保证采光，又有利于热能消耗的减少。因此，炎热的南方地区在节能设计中应当首先考虑选用低辐射玻璃，以减少太阳光的辐射。而寒冷的北方地区则可以首先选用中空双层玻璃，在保证光照值的同时减少散热、保证室内温度。

此外，随着科学技术的进步，新型的玻璃材料越来越多的走进设计师的视野，出现在千家万户之中，常见的如液晶调光玻璃、光致变色玻璃等，都是根据不同材质的不同优点来达到采光效果的最大化并尽可能的减少能耗。与此同时，新型采光方式如导光管技术、光导纤维技术等的运用都是研制多功能节能窗的新思路、新方法，在采光节能设计中应当积极引进先机的技术方法来保证采光节能设计达到最佳效果。

2.3 采用合理的照明设计

合理的照明设计对于采光节能也很重要，建筑设计还应当在保证照明质量的基础上，设计优先选用电指标较低的设计方案。

首先设计师需要根据照明的目的或者使用要求来确定适当的照度，并且根据使用要求确定照度分布。此外，设计师还要根据活动性质、活动环境及视觉条件，依据规范来选定照度标准，严格执行强制性规范内容，如GB50034-2004第6节。该文件规定了各功能建筑物照明功率密度值，其目的在于控制建筑照明总的用电量，必须受到重视并且严格适用。

其次，合理的照明方式，是提高照明系统效率最便捷最有效的手段。如果房间布置已经确定，设计师应尽量采用分区一般照明方式。而对于部分作业面照度要求较高、不适合只采用一般照明的场所，则应当采用混合照明。

再次，照明设计中合理有效的配线可以减少线路上的电能损失。设计师应当保证电气照明的工作电压保持在允许的电压偏移值之内。而在采用气体放电光源较多的场所，采用分散方式进行电容补偿以提高功率因数则是很好的解决办法。

最后，为了方便管理，每个照明开关所控制的灯具的数量不能过多。在建筑装修中，还应当应尽量用浅色的墙面、地面和顶棚，这样可以更加有效的利用光能，对于房间的氛围营造也有很好的效果。在设计好之后，对于照明设备还要加强维护和管理，以延长照明设备的使用寿命，这样是采光节能设计之路的长久之道。

3 结语

节能减排是当前全球关注的重点，在建筑节能设计中采光节能设计必须进入设计师的考虑之中，以建立优质高效、经济舒适、安全可靠的照明环境，实现建筑物的零污染要求，建设完全的绿色建筑物。

参考文献

[1]荆方,李雯.试论现代建筑的采光节能设计[J].城市建设理论研究,2011,(19).

[2]杨志达.建筑采光设计的几个误区[J].山西建筑,2007,(13).

节能建筑设计应用分析论文 第2篇

1.1有利于减轻污染

随着人们对健康重视程度的不断加强，在建筑设计中融入节能理念可显著通过各方面技术的应用以及新型材料的使用降低对空气质量的影响、对水源的污染以及光污染，尽可能降低建筑废弃物的不良影响。在建筑行业中会使用到的建筑材料大多为混凝土及钢筋，在搬运及使用过程中不仅会消耗大量能源，还可能由于废渣、废液、废气的胡乱排放影响到环境。节能理念的应用有利于人们的提升环境保护意识。

1.2有利于可持续发展

可持续发展战略是我国前几年提出的重要战略举措之一，现阶段能源问题及环境问题常成为热门讨论话题。在建筑设计中，节能理念的`应用能否符合现代社会对节能建筑的要求以及可持续发展的要求，需要每位设计师认识到能源污染的危害，并在设计过程中将节能落实到实处、落实到细节。

1.3有利于国家经济发展

目前我国能源生产总值及产值仍处于缓慢增长状态，存在滞后性，对经济发展产生阻碍。在建筑工程中渗透节能理念，一方面可降低大量材料的消耗，可节省材料费用;二来可提升建筑使用效率，降低了使用过程中修补所耗费的经济支出。社会的进步及经济的发展离不开能源的支撑，我国处于能源短缺状态，在建筑工程中若存在大量能源消耗，很可能影响到国家经济的长远化运行。

2节能理念应用原则

2.1居住舒适度原则

对于住宅类建筑，首先应考虑到居住者的健康性及舒适性，避免外部环境恶劣或室内采光通风较差影响到居住舒适程度。建筑物应良好解决生活垃圾的处理、污水处理、降温、采暖、换气、通风、采光等问题，确保居住环境的无害化及舒适化、健康化。

2.2和谐性原则

设计建筑物必须将其看作周边环境生态系统中的一部分，让建筑物能够良好的融入人文环境及生态环境之中，构成整体性状态。尊重当地气候条件及自然条件，在采光、保温、隔热、遮阳等措施上综合考虑与规划，降低不必要用电消耗。

2.3资源利用原则

房屋建筑采光节能设计 第3篇

建筑节能设计中, 太阳辐射能的利用是一把双刃剑, 既有益处, 但也存在着在分区标准和设计要求两方面的矛盾。

1.1 分区标准上的矛盾

光气候条件下建筑设计以“中国光气候分区图”为参照可划分为5个光气候分区;在热工方面以“全国建筑热工设计分区图”为标准划分为5个区;城市居住区规划设计则按“中国建筑气候区划图”将城市气候划分为2级区划系统作为日照间距控制的标准。

光气候分区是以照度为指标的, 而热工分区与建筑气候分区则主要以温度为指标。后两者的区划范围基本一致, 但与光气候分区却差异较多, 同一地区可能分属不同区划范围, 具有不同设计要求。因此须综合考虑“光气候分区”和“建筑热工分区”及“建筑气候区划”要求, 制定完善的光气候分区标准和物理环境参数。

1.2 节能设计要求的矛盾

设计中建筑将天然光有效引入室内, 在满足视觉功能要求下, 又要节约照明用电, 这一设计要求就必然要求建筑布局时加大间距, 减少对天然光的遮挡, 并合理增加采光口的数量和大小。热工节能设计的要点是冬季将阳光引入建筑, 提高室内温度;同时夏季需有效防止热辐射, 减少空调制冷能耗, 这就需要适当控制建筑门窗洞口大小, 减少建筑体型变化。

综上论述, 在设计中采光节能和热工节能对建筑的不同要求势必会产生矛盾。因此, 建筑节能设计应全面分析不同环境中的影响因素, 找出最佳平衡点。

下面我们主要从被动设计和主动采光设计两个方面对建筑采光节能设计进行探讨。

2 被动式采光设计

被动式采光设计是一项充分考虑建筑所处地域周边环境, 四季光照以及功能性要求的基础上, 通过对建筑固件, 如直立窗、天窗、玻璃材质隔断、光反射板、百叶窗以及室内表面的一次性设计, 其最大限度的利用建筑在各个时段可能获得的自然光进行照明。

从设计上讲, 比如在窗户的选用方面, 大部分的现代建筑都在使用一种中空玻璃, 即在2片玻璃之间有一个空气层, 这样的设计很好的解决了建筑内外温度和声音隔离的问题。而我们也可以利用这个设计来加强建筑的透光量。如在一些窗户夹层中, 装有百叶、棱镜或者光传输纤维, 这些部件可以控制日光在屋中扩散的范围和亮度。而在材质上, 具有光谱选择性的建筑玻璃可以筛选太阳光的广谱, 过滤掉会发热的红外线以及晒伤皮肤的紫外线, 引入可见光;而在比较寒冷的气候条件下, 使用低辐射涂层的窗户可以将热量反射回建筑内部保持室内温度。建筑内部的天花板和墙壁都可以成为建筑照明系统本身的一部分, 因为其表面可以起到漫反射的作用帮助日光渗透到建筑中更深的内部空间。因此, 为了提高建筑物的内部整体亮度。天花板应有较高的反射率, 墙壁表面也应该是浅色。而同样的, 避免深色的家具也可以使室内的亮度均匀性更舒适, 建筑物外部周边的浅色地面可以提高向上反射到窗户和室内天花板的光量, 并且还会调整光线的颜色。

3 主动式采光设计

主动式采光设计是近几年才在世界范围内普及, 并多用于高级大型建筑的设计当中的一种采光设计方式, 因为这些建筑通常对照明的强度和质量需求都较高, 主动式采光设计帮助保证这些建筑的充足采光并对引入其中的光线进行强度和角度的智能调整, 以达到理想的美学效果。主动式采光设计中, 发明最早、运用最广泛的是能够跟踪太阳角度进行反射的定日镜。定日镜的表面成碟形, 装有一个连通着脉冲电动机光传感器, 其工作原理是光敏传感器将其感受到的日光变化传给电动机, 变为电信号后传给主控电脑, 电脑中的程序分析这些信号后, 根据其所提供的信息调整主反射镜, 跟踪太阳的变化角度, 最大限度的在白天捕捉和利用太阳光, 保证建筑物内部的照明需求。而当光线被捕捉到会使用具有高反射性能的光管将光线分配到建筑物需要的地方。建筑中的各种光学构件, 例如玻璃幕墙、百叶窗、遮阳板、天窗等, 在不同的季节也可以通过手动或由电脑控制的方式来调节部件的性能或角度, 由此控制太阳光和热进入建筑内部的多少。但是, 这一装置有它的缺点, 那就是主反射镜由于完全暴露在室外, 没有任何遮蔽设施, 不仅容易为自然现象所破坏, 即便日常护理和清洁也必须十分频繁, 否则主反射镜上面的灰尘和污垢就会影响反光效率, 降低进光量, 而传感器上的灰尘则会使装置灵敏度减低, 甚至导致失灵。为了解决这一问题, 学界正在开发一种可以直接安装在建筑外墙上作为直立窗的材质, 这种窗户的材质具有微叠层, 可以主动响应外界环境的变化, 主动地控制进入建筑内部的日光和热量的强度变化。

4 光、热环境中建筑节能设计矛盾解决

在我国进行采光的节能设计时, 我们首先要注意的问题是供热节能和采光节能的矛盾问题, 因为很多时候, 充足的进光量所带来的是室内温度的大幅度升高, 这在一些本身就很炎热的地区就加重了夏季空调制冷的能量消耗。在我国一些地区, 尤其是长江流域, 由于其处于亚热带和温带交界处, 夏季十分炎热而冬季却潮湿寒冷, 如何恰当的同时满足这一地区居民的采光和室内温度要求, 成为了设计师面对的一个难题。想要解决这个问题, 就要在设计时充分考虑各种因素, 通过设计技巧的综合运用, 达到理想的效果。

建筑节能设计中对建筑的整体合理布局也尤为重要, 合理的朝向布局才能保证建筑适宜的光、热环境。我国地处北半球, 保证日照建筑理应南向布局。从太阳热辐射分布看, 南向布置冬季日照最多夏季热辐射最少, 并且我国大部分地区夏季主导风为东南向, 所以南向的房屋既可以保证充足的光照, 在夏季又有足够的通风量以维持舒适的室内温度。综合分析保温、隔热、日照和通风, 南向布局利于冬季保温夏季防热的节能要求。

在我国南方, 夏季防热是节能的主要工作, 单独考虑这一点, 建筑应该采用长宽比小 (即小面宽大进深) 的体型, 但是这样的设计常常会造成建筑内部的采光不足, 而冬季又会造成屋中阴冷的问题。建筑节能设计中对建筑体型的优化是很重要的, 建筑室内光、热环境能耗和太阳对建筑外表面的辐射热和直射光密切相关, 建筑的长宽比越大, 得越热多。笔者在这里提出一个理论上可行的设计思路:即, 将房屋设计为南向浅进深, 但在屋顶或每一层窗沿上方设置大面积遮光板, 而地面则采用浅色易反光的材质, 利用其高度的漫反射保证房屋内的进光量, 而在多层建筑中, 每一层的遮光板也都可以成为上一层的采光设施。在由室外采光设施将光线反射到室内后, 室内的天花板和墙壁也都要进行高反光率的材质的色彩配合, 让光线尽量进入房屋身处, 提高室内的整体明度。这样就既充分的保了房屋的受热面积, 有保证了房屋充足的采光量, 做到了供热采光双向节能。

结论

总而言之, 在进行建筑采光节能设计时必须要遵守建筑节能环保的要求, 这是符合现今建筑业发展的趋势所在。作为一名建筑设计人员, 综合各方面因素, 合理的进行设计, 才能为人们营造一个更好的居家环境。

摘要：文章主要阐述了光、热环境中的房屋建筑节能设计的矛盾, 以及在房屋建筑节能设计过程中的被动采光设计和主动采光设计, 并对解决房屋建筑节能设计的矛盾问题提出了自己的观点。

建筑设计中节能措施的分析论文 第4篇

2建筑设计中的能耗问题

2.1公众节能意识淡薄

在今天的房地产市场中，消费者买房子首先关心的是房价和整体户型情况，却很少人能够去关心房子的设计是否节能，公众意识的并不是高涨导致限制了节能技术的发展，节能建筑的推广，也成为能源政策的最大障碍，促进节能技术。

2.2建筑设计的能源浪费现象严重

建筑采光节能设计分析 第5篇

建筑节能, 是指在建筑物的新建、改建、扩建、既有建筑节能改造, 建筑物用能系统运行过程中, 执行建筑节能标准, 采用新型建筑材料和建筑节能新技术、新工艺、新设备、新产品, 提高保温隔热性能和建筑物用能系统效率, 利用光、温度等气候资源和可再生能源, 在保证建筑物室内热环境质量的前提下, 减少供热采暖、空调制冷、照明、热水供应的能耗。

随着我国经济的不断发展, 城市化建设的不断推进，玻璃幕墙的运用越来越多, 特别是在公共建筑上大量的采用, 建筑能耗巨大。有数据表明，全国公共建筑面积大约为45亿平方米, 其中采用中央空调的公共建筑 (展览馆, 商场, 办公楼, 宾馆) 为5～6亿平方米，而占既有建筑面积11%的公共建筑单位面积能耗大约是普通居住建筑10倍左右，堪称耗能大户。公共建筑门窗面积占建筑面积比例超过20%，公共建筑的幕墙的窗墙比一般大于50%，而透过门窗和透明幕墙的能耗约占整个建筑能耗的50%。建筑节能改造的重点是公共建筑，由于公共建筑的窗墙面积比较大，因而太阳辐射对建筑能耗的影响很大。为了节约能源，应对窗口和透明幕墙采取外遮阳措施，尤其是南方办公建筑和宾馆更要重视遮阳。

建筑幕墙外遮阳的作用就是阻挡太阳直射辐射热能，降低房间得热。辐射热是以光波的形式传播，它从热的表面发射出来，沿直线方向运动，就如光一样，在到达冷的固体物表面时即被吸收。大量的调查和测试表明，太阳辐射通过窗进入室内的热量是造成夏季室内过热的主要原因。日本、美国、欧洲以及香港等国家和地区都把提高窗的热工性能和阳光控制作为夏季防热以及建筑节能的重点，窗外普遍安装有遮阳设施。我国现有的窗户传热系数普遍偏大，空气渗透严重，而且大多数建筑无遮阳设施。采用各种各样型式的外遮阳是我们提高建筑幕墙节能的既经济又环保的有效措施。

深圳会展中心场馆的建设于2005年9月全部完成，设计方为德国GMP国际责任有限公司和中国建筑东北设计研究院深圳分院，共有10万5千平方米展览面积及2万2千平方米的会议面积，展馆建筑总高度43m，展厅面积8万平方米、展示厅面积1万平方米，会议中心面积1万6千平方米，能承办4千个国际标准展位的超大型展览，或同时举办2个2千个国际标准展位的大、中型展览;并设有容纳2500人会议的多功能厅、600座中型会议厅、400座中型会议厅各1间，可组合式小型会议室、贵宾室40间(平均每间容纳40人)。建设规模居世界先进水平。

深圳会议展览中心展馆功能以展览会议为主，同时兼顾会展展示、演示、表演、宴会等功能。展厅为2层，少柱、大跨度、大面积，可按展览规模分割组合，并设有举办开幕式的场地。展厅净高一楼13m、二楼21m, 地面承重一楼5t/平方米 (可举办重型机械设备展) ，二楼1.5t/平方米 (安排轻型产品展) 。展场内按展位布置标准，综合布线。

深圳市会议展览中心为了增加室内的采光，屋面设计了大面积的采光天窗，在采光天窗上全部采用铝合金遮阳百叶，铝合金遮阳百叶为机翼型，共有叶片6356片，遮阳百叶截面尺寸为1300mmX190mm, 长度为6000mm，是世界上最大的铝合金遮阳百叶，遮阳百叶的横截面分为3个单元构件，中间部分遮阳百叶起支撑和固定作用，两侧翼板为对称结构，起到加宽遮阳百叶宽度的目的。

在遮阳百叶截面结构形式设计中，综合考虑遮阳百叶的安装固定形式，角度方向和清洗要求等各种因素，确定支撑轴中心位于遮阳百叶截面结构的形心(重心)位置，使遮阳百叶稳定性好，受力均匀合理，提高遮阳百叶的整体抗弯和抗扭能力。在铝合金遮阳百叶东西两侧钢架空挡部位采用3mm厚铝单板封闭，铝合金遮阳百叶的遮阳效果显著。

深圳市会议展览中心屋面采光天窗玻璃采用10 (low-E)+12A+8+1.52PVB+8 (mm)钢化夹胶中空玻璃，传热系数U=1.80 (w/m2.k)遮阳系数Sc=0.44, 屋面采光天窗面积S=26664㎡。

深圳地区属于亚热带地区，年平均日照时间t=2636.3小时，全年约有300天具有采集太阳热能的条件，深圳年平均太阳辐射量为5225MJ/m2。通过玻璃天窗的总增热，可用公式表达为：

Q=Q1+Q2= (T外-T内) (∑ξiUiAi) +δ∑Ti4Ai

ξi传热修正系数

T外室外平均计算温度(K)

T内室内平均计算温度(K)

δStefan-Boltzmann

常数δ=5.67X10-8 (W/m2K4)

Ti物体表面的绝对温度(K)

其中第一项表示室内外存在温差时的传热和对流，第二项表示直接太阳辐射增热。相对增热越低，表明通过玻璃进入室内的热量越少。

从公式可以看出，增热与物体内外温差成正比，与物体表面的绝对温度4次方成正比，在南方地区，采光天窗的辐射传热是主要传热方式，给屋面采光天窗设置遮阳百叶，对节能是最有效的。

由于深圳会议展览中心屋面天窗采用铝合金百叶遮阳，遮阳百叶为层叠式结构，遮阳效果较好。玻璃填充内外温差比没有遮阳百叶时降低至少20°(▽T=20°C), 导致第一项由温差产生的增热下降, 从而降低空调能耗.。

假设铝合金遮阳百叶对屋面采光天窗为全封闭遮盖, 则通过玻璃天窗的辐射增热Q2有最大幅度的下降, 理想情况是铝合金遮阳百叶产生的节能效果, 等同于玻璃天窗第二项直接太阳辐射增热Q2。在ASHRAE夏季标准条件下，通过采光天窗的总增热：

U玻璃幕墙传热系数

Sc遮阳系数

遮阳系数指在相同条件下，太阳辐射能量通过幕墙玻璃的热量与通过3mm透明玻璃的热量之比，遮阳系数越小，阻挡阳光直接辐射的性能越好。深圳日照时间全年以300天计, 每天辐射最热时段, 上午9:30至下午4:30, 全年为2100小时, 则：

假设空调制冷机组制冷系数取C=2.4，上述通过采光天窗进入室内的的热量由等量的空调制冷量抵消。即Q总=CQ电

则产生Q总制冷量需消耗电能Q电=7.31106 (kwh)

根据深圳市商业类、服务类电价为0.89元/kwh, 则铝合金遮阳百叶每年可节省电费641万元。深圳会展中心采光天窗遮阳铝合金百叶建设成本为7800万元左右, 则相当于12年节省的空调制冷电费就可抵消采光天窗铝合金遮阳百叶的建设成本。而深圳会议展览中心是一类建筑物，建筑使用年限为100年。

从成本分析可以看出, 大型公共建筑采用遮阳节能措施经济效率是非常明显的, 另一方面, 从环保节能方面分析, 大型公共建筑采用遮阳节能措施对环境保护的社会重要性。

有资料显示, 我国每年火力发电厂每发一度电平均耗煤为357克, 相当于一吨煤可发2801度电。节约7.31106度电，相当于少燃烧2610.0吨燃煤，减少燃煤燃烧产生的SO2、烟尘、CO2、NOX等污染物。排放大量SO2造成了严重的酸雨危害, 烟尘污染环境, CO2形成温室效应, NOX为有害有毒气体(见表1)。

从以上数据分析可以看出, 通过建筑节能的途径可以减少常规能源的使用量, 尤其是煤炭的消耗, 从而减少排放SO2、烟尘、CO2、NOX等污染物, 对于改善大气环境质量具有直接的作用，可以显著增强居住和生活空间的舒适性。

在能源危机和环境污染日益严重的形势下，建筑幕墙的热工设计，应该追求设计功能的主动性和积极性，变被动能源浪费为主动节能的设计思想，为了减少冬季采暖供热的热流出和夏季空调制冷的热流入造成的能源消耗，要舍得投入，生产更加节能环保的建筑幕墙。

参考文献

[1]建设部《建筑节能“九五”计划和2010年规划》1995

[2]《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005

[3]《民用建筑热工设计规范》GB50176-1993

[4]《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》JGJ75-2003

[5]《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ134-2001

建筑采光节能设计分析 第6篇

关键词：建筑节能,天窗采光,优化设计,高校体育馆

一、天然采光对建筑能耗的影响

本文所研究的基于天窗采光的建筑节能优化设计是指利用昼光照明 (daylighting) 来减少建筑照明能耗, 从而达到建筑总能耗最小的目的。其基本思想是:当天然光在室内工作面上产生的照度达到或超过国家相关规范所制定的标准时, 关闭人工照明;反之则开启人工照明进行补偿。可以采用直接式的开关或渐变式的人工照明方式, 当然, 渐变式的照明方式更利于节能。

利用天然采光进行建筑节能设计所涉及的不仅是建筑照明能耗, 还包括建筑的采暖能耗和制冷能耗, 这三种能耗之间存在耦合关系, 彼此交互作用, 共同决定着天然采光对建筑整体能耗的影响程度。要利用天然采光来减少建筑的照明能耗势必要增加建筑的开窗面积, 而增加建筑的开窗面积又会导致建筑的外围护体系发生变化, 从而影响建筑的采暖和制冷能耗;另一方面, 利用天然采光会使照明散热量减少, 也会影响建筑的采暖和制冷能耗。

二、建筑节能优化设计的基本要素

一般情况下, 优化问题由三个基本要素组成, 即优化变量、约束条件以及优化目标函数。下文将针对这三个要素展开分析和论述。

1. 优化变量

一个实际的优化方案可以用一组参数 (如几何参数、物理参数、工作性能参数等) 来表示。其中, 一部分参数的取值需要在优化过程中进行调整和优选, 一直处于变化的状态中, 这类参数是优化变量 (或称决策变量、设计变量) , 是独立的参数 (1) 。

基于天窗采光的建筑节能优化设计所涉及的主要优化变量包括天窗的位置、天窗的布置形式、天窗的大小、天窗的材料及遮阳形式, 本文选取天窗的大小作为优化变量进行研究。

2. 约束条件

约束条件是在优化变量取值时的限制条件, 可以是等式约束, 也可以是不等式约束。根据性质的不同, 约束可以分为边界约束和性能约束两类。边界约束可直接用来限制优化变量的取值范围, 如长度变换的范围。性能约束则是根据某种性能指标要求推导出来的限制条件 (1) 。

由于本文选取天窗大小作为优化变量, 所以边界约束就是对天窗大小的约束, 《公共建筑节能设计标准GB 50189-2005》规定屋顶透明部分的面积不应大于屋顶总面积的20%;其性能约束主要包括对照度大小、照度均匀度和眩光的控制。《建筑照明设计标准GB50034-2004》对体育馆比赛厅按照不同的使用功能和不同的体育项目做出了详细规定, 本文研究对象拟定为高校体育馆, 其主要的功能是满足高校师生进行体育教学和日常体育锻炼, 因此约束条件为日常训练和娱乐活动照度取值范围, 即照度≥300lx, 照度均匀度U2≥0.5。由于该设计标准所给出的眩光指数是针对人工照明而言的, 存在一定的局限性, 因此本文对眩光控制暂且不作分析。

3. 优化目标

在通常情况下, 优化目标可以由目标函数来表达, 但对于通过天窗采光来进行建筑节能优化设计而言有一定困难, 因此本文利用计算机模拟的方式来代替目标函数。通过建立优化模拟模型, 对不同的优化变量取值分别进行模拟, 以此来考察优化变量对比赛厅光环境及建筑能耗的影响。本次研究的优化目标是在严寒地区高效体育馆的日常训练中尽可能利用天然光, 以减小体育馆的照明能耗, 但同时考虑采暖能耗和制冷能耗的变化, 就能使得建筑总能耗最少。

三、优化变量模拟分析

1. 模拟模型及模拟参数

高校体育馆一般为中型体育馆, 主要为了满足教学和日常训练的要求, 比赛场地一般设计为多功能。参考《体育建筑设计规范JGJ/T131-2000》中的相关数据, 将模拟模型的比赛场区尺寸确定为54m38m, 将其高度确定为21m, 能满足篮球、排球、网球、羽毛球、兵乓球以及体操等多种体育项目的教学、训练和比赛的要求。本文将模拟地点定在齐齐哈尔, 地处中国光气候分区中的Ⅴ区, 外临界照度为4 000lx。模拟所选用的材料及其与采光相关的物理特性参数详见表1。

2. 模拟结果分析

本文所建立的模型只是针对比赛厅这部分, 因此我们将约束条件中屋顶面积不大于屋顶总面积的20%做了调整, 转换成屋顶透明部分的面积不大于比赛场地 (不含观众席部分) 面积的60%。本文选取天窗面积与比赛场地面积的比值分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6进行模拟, 其布置形式如图1所示。我们采用Square One公司研发的辅助生态设计软件ECOTECT模拟上述几种情况的比赛厅照度分布情况, 结果如表2所示。

从表2可以看出, 随着天窗面积与场地面积比值的增大, 比赛场地的最小照度、最大照度和平均照度也随之增大, 并且基本呈线性关系;照度均匀度U1、U2也是随天窗面积与场地面积比值的增大而增大。根据照度大小、照度均匀度与天窗面积、场地面积之比存在的线性关系可以得出:当比值在0.35左右时, 场地内的最小照度达到300lx, 能够满足日常综合训练的要求;而照度均匀度要在天窗面积与场地面积比值达到0.6时才能够满足日常训练的要求, 即照度均匀度U2达到0.5。如果不考虑乒乓球和羽毛球这两个小球项目, 只需满足场地内最小照度大于300lx, 照度均匀度U2大于0.3即可, 也就是说, 当天窗面积与场地面积比值大于0.35均能满足要求。

四、优化变量与建筑能耗的关系

为了考察优化变量与建筑能耗的关系, 我们利用英国IES公司开发的IES (Integrated Environmental Solutions) 软件分别对天窗面积与比赛场地面积比值为0、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4的全年能耗进行模拟。我们按照比赛厅的照度变化将人工照明设置了5档, 即当比赛厅照度<50lx时, 比赛厅人工照明全部开启;当50lx比赛厅照度<100lx时, 比赛厅人工照明开启3/4;当100lx比赛厅照度<200lx时, 比赛厅人工照明开启1/2;当200lx比赛厅照度<300lx时, 比赛厅人工照明开启1/4;当比赛厅照度≥300lx时, 比赛厅不开启人工照明。但模拟出的照明能耗还是和实际照明能耗有一定的差距, 因为软件无法根据照度均匀度设置照明灯具的开启或关闭。模拟结果如表3所示。

注:表中Emin表示照度最小值, Emax照度最大值, Eave照度平均值, U1和U2表示照度均匀度, 其中U1=Emin/Emax, U2=Emin/Eave。

为了便于分析, 我们将表3中的数据绘制成图2。从图2可以看出, 随着天窗面积与场地面积比值的增大, 各种能耗和总能耗呈现不同的变化趋势。其中, 采暖能耗随比值的增大基本呈上升趋势, 天窗面积与场地面积之比在0~0.15之间时增加幅度最大, 0.3~0.4之间次之, 0.2~0.3之间有小幅度的波动情况, 其原因在于天窗面积与场地面积比值在0~0.15和0.3~0.4之间时, 由天窗引起的热损失大于太阳辐射热, 而在0.2~0.3之间时二者基本持平。制冷能耗在0~0.15之间时随天窗面积与场地面积比值的增大而减少, 在0.2~0.4之间时随天窗面积与场地面积比值的增大而增大, 其原因在于当比值在0~0.1时照明能耗呈明显下降趋势, 使得比赛厅的照明散热减小幅度很大, 其作用大于太阳辐射热, 从而使得制冷能耗呈下降趋势;而当天窗面积与场地面积比值在0.15~0.4之间时, 照明能耗下降趋势变得平缓, 使得比赛厅的照明散热减小幅度变小, 其作用小于太阳辐射热, 所以制冷能耗呈上升趋势。照明能耗随天窗面积与场地面积比值的增大呈下降趋势, 比值在0~0.1之间时下降幅度很大, 随后变为平缓。总能耗随天窗面积与场地面积比值的增大基本呈先减小后增加的趋势, 当比值在0~0.1之间呈减小趋势, 在0.2~0.4之间呈增大趋势, 原因在于当比值在0~0.1之间时照明能耗在总能耗中所占比例最大, 且在此区间其减小幅度较大, 从而引起总能耗的减小, 在0.2~0.4之间时, 采暖能耗在总能耗中所占比例最大, 因此总能耗的变化趋势与采暖能耗的变化趋势接近。

从图2还可以看出, 当天窗面积与比赛场地面积比值大于0.3以后, 比赛厅的建筑总能耗呈明显上升趋势, 因此本文没有对天窗面积与比赛场地面积比值大于0.4的情况进行模拟。

经过模拟得出天窗面积与比赛场地面积之比为0.1时, 比赛厅的建筑总能耗最少。但对于建筑设计而言, 无需给出一个最优解, 只需给出一个最优区域即可。原因有以下几方面:第一, 建筑节能只是建筑设计考虑的众多因素之一, 还有很多其他因素, 比如建筑造型、建筑室内空间感受等等;第二, 若建筑师在设计中完全按照所求出的最优解进行设计, 那么那样的建筑方案不是设计出来的, 而是计算出来的, 这泯灭了建筑师的创造力。因此, 本文认为可以以天窗面积与比赛场地面积之比为0.1的建筑总能耗为基准, 不超过其10%的建筑总能耗为建筑节能优化设计的可行域, 经计算可知可行域为天窗面积应在比赛场地面积的0.1~0.2倍之间。

结论

从上述分析可以看出, 当天窗面积与比赛场地面积之比为0.6时, 严寒地区高校体育馆比赛厅的建筑能耗不仅不是最小, 反而最大。因此, 从建筑节能的角度来看, 严寒地区高校体育馆比赛厅的采光形式应采用天然采光和人工照明相结合的方式, 本文建议天窗大小应在比赛场地面积的0.1~0.2倍之间选取。

注释