摘要：建筑业在现代化发展的进程中，需积极响应环保政策方针的号召，立足公共建筑能耗高的现象，借鉴优秀的经验，采取有效的措施解决问题，不断优化建筑节能设计的策略，满足建筑业可持续发展的需要。本文主要对寒地公共建筑内部开放空间的低能耗设计理念和策略进行阐述，希望对低能耗设计领域的转型升级起到积极的参照作用。

关键词：寒地;公共建筑;内部开放空间;低能耗设计

能源节约是走可持续发展之路的重要主题。建筑业的发展需积极解决能源消耗大的弊端，尤其是大型公共建筑的单位建筑面积能耗问题。紧跟《公共建筑节能设计标准》的完善步伐，不断强化建筑节能的意识，通过优化设计的方式确保寒地大型公共建筑内部开放空间的舒适度和节能潜力，推动建筑业不断走生态建筑与绿色建筑的发展之路。

1 寒地公共建筑概述

寒地是指具有冬季漫长与气候严酷等气候特征的地区，主要分布于北亚与北美和北欧等高纬度地区。公共建筑包括交通运输用房建筑、通信建筑、科教文卫建筑、商业建筑以及办公建筑等，可根据使用者的数量或建筑标高及空间形态等标准进行分类，不同类型公共建筑的能耗也存在明显的差异。低能耗公共建筑是指建筑物的取暖制冷基本没有能源消耗，或者凭借少量可再生能源消耗就可以提供舒适的使用条件[1]。

2 寒地公共建筑内部开放空间的低能耗设计方法

2.1 总平面布置

建筑的总平面布置需严格遵循以下几点的原则：一是采光充足，建筑物室内热工环境直接受太阳辐射的影响，需加强对夏季少辐射、冬季辐射多建筑朝向的指导性原则把控;二是建筑的位置选择，要有效地避免西北寒风 ，减少建筑平面布置过程中维护结构所产生的热量损失;三是建筑在进行设计过程中，向阳方向需要没有任何的固定遮挡物，固定遮阳会增加建筑的采暖负荷;四是基地环境条件对夏季主导风向无影响;五是布置在洼地等凹形基地的建筑，会受寒冷的气流在基地形成冷空气沉积的影响，促使建筑底部周围的微环境恶化，室内对能量的需求随之增加[2]

不同类型的公共建筑，在总平面布置方面的注意事项多有不同：涉及以下几方面：一是观演建筑和体育建筑等大跨建筑，对自然采光的要求低，尤其是剧场等空间，要求在这一系列空间内，采用避免自然光出现的设计理念。在进行剧院建设过程中，可以选择在本身自然光采光条件相对较差的地区进行建设。例如，在进行剧院的平面设计过程中，需要将观演区域放在设计的中央，而作为次要空间的过渡空间，作为辅助建筑，在进行区域的划分过程中，也需要考虑到不同使用的时间、不同使用的需求，可以将同一个时间段需要使用到的空间进行划分，将其划分为一个热区域。二是旅馆与学校及办公建筑等属于应用公共空间相对较小的公共建筑，但是这一系列建筑对于自然光线的要求非常高，在平面设计过程中需要高度注重自然采购，尽可能的减少人工采光的能源消耗，特别是针对学校这类建筑，需要将功能空间设置在南下，而库房，走廊等等空间由于其属于辅助空间，对自然采光的要求不高，可以设置在北向，进而形成热量的缓冲空间，也能够满足对自然光的应用需求。三是高层公共建筑，周围环境对采光条件的限制小，可考虑选择一些裙房部分采光条件不佳的基地。在中庭的顶部设置玻璃顶，起到排除热空气的目的，室外空气通过窗户等通气部位进入室内。在中庭的顶部设置热泵等热量回收装置，回收再利用空气余热。四是人流密集的公共建筑，为避免室内空气浑浊，有足够的新风送入室内，重点考虑建筑自然通风的要求，选择面对夏季的盛行风向。在平面设计中细分整块的大空间区域，渗透绿色设计思想，设计与利用缓冲层，打造舒适宜人和低能耗的内部环境。如在办公楼的南向设计较大体积的绿化中庭，起到改善冬季办公室热环境和夏季保持室内外空气流通等作用[3]。

2.2 体型设计

不同建筑体形与气流之间的风向变化和压力也多有不同，圆形建筑的涡旋区最小。建筑高度的开间越大，深度越小，背面涡旋区越大。充分考虑到建筑体型与气流的关系，借助其对自然通风和建筑热环境的影响，达到节能设计的效果。加强对建筑自然通风的把控，大幅度提高舒适度，减少炎热季节的制冷能耗。建筑体型设计的注意事项体现在以下几方面。（1）建筑的美观性，建筑的外部整体造型直接受建筑体型设计的影响，为确保城市的形象，需加强对公共建筑美观性设计问题的考虑。（2）考虑到建筑外墙本身的长度，在建筑外墙长度控制过程中就要考虑到体型系数速，同时还需要尽可能减少外墙本身仍存在的凹凸不平以及外墙长度问题。建筑南面侧墙则需要尽可能保证平直，由于建筑受到自身影响阴影的影响而导致的热量和采光问题，特别是在寒冷地区。由于这一类地区，冬季寒冷漫长且夏季短暂，冬季太阳辐射对建筑的影响明显超出夏季，可通过调节遮阳构件等措施，减少夏季太阳辐射的影响。（3）空调制冷，体形系数越大，室外热量通过围护结构侵入室内的现象加剧，空调能耗随之增大，还需综合分析分散式与集中式体量建筑的不同优势。（4）小空间公共建筑的体型，通常设计为“一”字形平面，在冬季向阳面设计建筑主要功能的房间，尽量最大程度的接受太阳辐射，附属空间设计在背阴面，通过少开窗或开小窗等设计方法，避免冬季热损失[4]。

2.3 围护结构设计

2.3.1外墙设计

①外墙内保温：为避免外墙内部冷凝，可在保温层内侧作隔气层处理，要求中聚湿层厚度超过4 cm，结构层应具备透气性，达到排湿和降低聚湿层湿度的目的。②外墙外保温：引用先进的保温技术，如胶粉聚苯颗粒贴砌聚苯板外墙外保温技术与聚氨酯复合胶粉聚苯颗粒外墙外保温技术等，取代传统的保温材料。在建筑物的外立面与外墙出挑构件和附墙部件施行保温处理，隔断所有热桥。或是将墙体与保温材料有机整合，如在空心砖中灌入保温材料等措施，让墙体成为保温墙，以达到理想的保温效果。③双层幕墙体系：新型节能幕墙由出风装置与遮阳装置及外层幕墙和内层幕墙、遮风装置等部分构成，属于双层结构体系，关闭通风换气阀，则可以确保幕墙体系处于保温隔热的状态，而夏季时也能够直接减少由于阳光所带来的辐射，导致屋内温度不断上升。在冬季时则可以有效的改变室内散热过多而导致的热量大量散失这一现象。

2.3.2门窗设计

窗户节能技术体现在减少太阳辐射能和减少传热量及减少渗透量等方面。

①热能是从暖的一面流向冷的一面：窗户上能量传递方式，包括传导传递与对流传递和辐射传递及空气渗漏等，需考虑窗户的气密性问题。利用光学与物理原理，可降低玻璃表面的发射率和玻璃的辐射传热。在其基础上，配合可调外遮阳系统，更利于强化节能效果。②利用新一代高效节能真空玻璃：新立基真空玻璃节能窗的应用，在抗风压与隔热和隔声及保温等性能方面，都是中空玻璃窗不能比拟的。

2.3.3屋顶设计

屋面节能的原理与墙体节能一样，通过改善屋面层的热工性能阻止热量的传递，主要措施有生态绿化屋面与架空通风屋面及保温屋面等。为达到理想的节能效果，在屋面利用有憎水性的水泥聚苯板和聚苯板及膨胀珍珠岩板等保温材料去设置隔气层与封闭的空气间层。

2.3.4围护结构设计

①大跨空间公共建筑：空心混凝土砌块的围护结构，虽然能够减少墙体自重，但外保温设计的效果不理想。可采取新型符合墙体构造，由水泥砂浆、混凝土砌块、钢质连接件、混合砂浆等构成。根据当地的气候环境，合理控制各层的尺寸。可在空心砌块的内部填充轻质保温材料，使其成为保温砌块。公共建筑受跨度因素的影响，决定其屋顶适宜开天窗或高侧窗，解决采光和通风换气的问题。可利用屋顶的太阳能采集装置设计天窗和通气口。根据具体建筑的使用功能和构造，合理进行楼地层的保温设计。利用双层真空玻璃，门窗框做做密封处理。采取屋顶花园的保温设计方式，更适用于多层建筑。②高层公共建筑：高层建筑以框架结构为主，外墙砌块填充体只起到了围合空间的作用，在外围护结构保温方面，可采取新型复合墙体的保温做法。高层公共建筑窗的节能设计，采取双层节能幕墙与点式的双层真空窗等做法。节能幕墙的基本工作原理是“烟囱效应”，标高的不同导致“烟囱效应”的效果不同。当层高达到一定程度时气流变得湍急，所以双层幕墙通风设计应避免将不稳定的气流引入室内。高层顶部的风速较大，屋顶的绿化不适应让人使用[5]。

3 运用可再生能源技术

可再生能源利用技术在公共建筑中的应用，还需根据建筑的类型合理选用：①大跨空间公共建筑：适合利用光伏发电技术，在南向坡顶来收集太阳辐射热量等措施。②小空间公共建筑：适用于被动式太阳能的集热墙与热压组织通风，在“一”字平面的两个尽端设置玻璃的通风塔。③人流密集的公共建筑：采用地源热泵空调系统，满足大量人员的换气要求。

3.1 太阳能利用技术

公共建筑的使用集中在白天，夜晚的温度要求低，更适用于太阳能技术。体现在以下几方面：

3.1.1太阳能屋顶

整合光电板与太阳墙技术，使其成为太阳能光电板单元的光热转换系统，安装在多孔的波状金属板上，空腔内的空气流动受热，并通过风道进入室内。

3.1.2太阳能通风

包括利用热压实现自然通风与机械辅助式自然通风等做法，柱形玻璃通风塔可大量吸收太阳的能量，塔内空气温度提高，放大烟囱效应，加速楼层的空气循环，确保自然通风的效果。冬季关闭排风口，相当于玻璃暖房，可降低采暖能耗。在冬季屋顶可以利用机械装置，将热量吸入房间的地板，利用地板的缝隙将热量传递到室内。通过热压原理循环房间内的气体。在夏季时则可以利用天空背景辐射冷却太阳能热气，通过吸收大量的冷空气，最终达到降低室内温度的目的。

3.1.3太阳能热水与建筑蓄热

涉及太阳能热水供应系统和利用太阳能进行建筑蓄热等做法。高热容的外墙材料可有效降低房间温度振幅，在建筑围护结构使用蓄热材料，可延续日照对室内温度的影响。

3.1.4太阳能墙

基于集热-储热墙的间接加热式被动太阳房，有运行方便和结构简单等特点，应用推广的价值高，利用小风机送风，取代以往的自然对流，将薄铁板作为吸热板，吸收太阳辐射后向房间流入热空气。冬季关闭通风口，夏季打开排风口，空气经夹层吸热后排入大气，同时能够阻止外部热流空气进入。

3.1.5太阳能空调

由水-溴化锂吸收式制冷系统与氨-水吸收式制冷系统组成，利用太阳能集热器的热水作热源，驱动吸收式制冷机的空调技术，具备冬季采暖和夏季空调及过渡季节提供用热水等能力。

3.2 地热能利用技术

涉及以下几方面：

3.2.1热泵

利用热力学原理，消耗电能从环境中提取无限的能量，解决人类过度消费能源的问题。热泵有冬季供暖与夏季制冷和全年供应生活热水等能力，在节电与节省运行费用及排放燃烧物等方面，比电采暖和燃油采暖等更加优越。

3.2.2地源热泵空调系统

基于热泵技术的空调系统包括地源热泵空调系统与空气源热泵空调系统和水源热泵空调系统等，利用热泵技术开发可再生能源，也是建筑节能的重要发展方向。如土壤源热泵空调系统，主要利用循环液在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的传热。在冬季供热中，流体收集地下的热量，再经过系统将热量带入室内。

3.2.3地热能技术

在没有水源的地方，地热能热泵利用地下换热器实现与土壤的热量交换。在有水源的地方，换热器抽取地下水，经过除杂处理后，根据制冷或供暖等目的，传输给热泵的冷凝器或蒸发器，并进行热量交换，再排放到别的地方或是回灌到地下。

4 结语

寒地公共建筑内部开放空间的低能耗设计，需从总平面布局、体型设计、围护结构设计、应用可再生能源技术等方面入手，全方位的考虑节能设计的可行性，实现先进节能设计手段的有效运用，确保内部开放空间舒适宜人。

参考文献：

[1]梁斌，梅洪元，张宇.基于应变思想的寒地大学校园适寒规划策略与实践[J].城市建筑，2015（1）：112-114.

[2]韩旭亮，陈滨，朱佳音.建筑热设计优化经济性分析及案例研究[J].建筑科学，2014，30（4）：65-71.

[3]修龙，丁建华.绿色建筑设计的思考与实践[J].建筑技艺，2014（3）：16-21.

[4]梅洪元，陈禹，杜甜甜，等.从“全运”到“全民”：由第十二届全运会看体育建筑新发展[J].建筑学报，2013（10）：48-53.

[5]王非，梁斌.当代体育建筑表皮设计的生态化初探：以大连体育中心网球场为例[J].城市建筑，2012（7）：113-114.

作者简介：

王春阳（1984.11—），男，汉族，籍贯：黑龙江肇源人， 哈尔滨工业大学建筑设计研究院，中级工程师，大学本科，专业：艺术设计，研究方向：城市设计与建筑设计