一、节能型建筑的热工设计
建筑热工设计分区
我国于1993年8月1日起实施的《民用建筑热工设计规范》（GB50176—1993），对建筑热工设计分区，民用建筑冬季保温、夏季防热的设计要求，围护结构的保温设计、隔热设计和防潮设计等做出了规定，其主要目的在于保证室内基本的热环境质量，并使围护结构满足最低限度的保温隔热要求。热工规范适用于全国各类地区。
建筑热工设计要求
建筑节能设计标准对我国居住建筑的能耗指标以及建筑的热工设计和采暖设计等做出了规定，其主要目的是在保证建筑物使用功能和室内热环境质量条件下，将采暖与空调能耗控制在规定水平。
节能标准和热工规范在内容、目的和适用范围方面是有区别的，但节能标准中的建筑热工设计部分与热工规范中的保温设计部分的原理和方法是一致的，只不过节能标准从控制采暖的角度出发，对围护结构的保温和门窗的气密性进一步提高了要求。因此，在严寒和寒冷地区，采暖居住建筑应按节能标准执行，其他民用建筑应按热工规范执行，并参照节能标准。由于节能标准中包含许多建筑热工设计的内容，如建筑耗热量指标的计算、建筑布置和体形设计、围护结构设计等的原理和方法与热工规范中是一致的；有些计算方法和计算参数，热工规范已作出规定，在进行节能设计时，常常需要引用。因此，节能设计标准与热工设计规范是密切相关的。
根据《民用建筑热工设计规范》（GB50176—1993）的规定，建筑热工设计应符合冬季保温设计和夏季防热设计的要求。
建筑节能热工设计技术
1．建筑朝向
我国地处北半球，受太阳高度角和方位角变化规律的影响，南朝向的建筑在夏季可减少太阳辐射得热，冬季可增加太阳辐射得热，是最有利的建筑朝向，所以使建筑物为南朝向是我国建筑节能的必要条件。空调冷热负荷的大小与建筑物的朝向和平面形状有着密切关系。研究表明，同样平面形状的建筑物，南北向比东西向负荷少，合理的设计将有利于空调系统的节能。
朝向选择需要考虑的因素有以下几点：
①冬季能有适量并具有一定质量的阳光射入室内；
②炎热季节尽量减少太阳直射室内和居室外墙面；
③夏季有良好的通风，冬季避免冷风吹袭；
④充分利用地形并节约用地；
⑤照顾居住建筑组合的需要。
（1）各建筑朝向墙面及室内可能获得的日照时间和日照面积
无论是温带还是寒带，必要的日照条件是建筑所不可缺少的，但是不同地理环境和气候条件下的住宅在日照时数和阳光照入室内深度上是不相同的，如图2—2所示是北京与上海地区太阳辐射的差别。建筑物墙面上的日照时间，决定墙面接受太阳辐射热量的多少。由于冬季和夏季太阳方位角的变化幅度较大，各个朝向墙面所获得的日照时间相差很大。因此，应对不同朝向墙面在不同季节的日照时数进行统计，求出日照时效的日平均值，作为综合分析朝向的依据。
根据太阳能在不同时段的分布状况、建筑物的使用性质来调整和确定建筑朝向，是充分利用太阳能的有效措施。例如，夏热冬暖地区建筑物的设计朝向应为南偏东，以减少夏季进入室内的太阳辐射，而冬季又能较充分利用太阳辐射热。又如办公、学校等公共建筑只在白天使用，冬季希望上午室温能够尽快上升，这样的建筑物应将朝向设为南偏东；而住宅、旅馆、宿舍等居住建筑希望下午有较强的太阳辐射热进入室内以提高夜间室温，应将朝向设为南偏西。
（2）主导风向与建筑朝向的关系
主导风向直接影响冬季住宅室内的热损耗及夏季室内的自然通风。因此，从冬季保暖和夏季降温方面考虑，在选择建筑朝向时，当地的主导风向因素不容忽视。另外，从建筑群的气流流场可知，建筑长轴垂直于主导风向时，由于各住宅之间会产生涡流，从而影响自然通风效果，因此，应避免建筑长轴垂直于夏季主导风向（即风向入射角为零度），从而减少前排房屋对后排房屋通风的不利影响。
在实际运用中，在根据日照和太阳辐射将建筑的基本朝向范围确定后，再进一步核对季节主导风时，会出现主导风向与日照朝向形成夹角的情况。从单幢建筑的通风条件来看，房屋与主导风向垂直效果最好。但是，从整个建筑群来看，这种情况并不完全有利，这时希望两者形成角度，以便各排房屋都能获得比较满意的通风条件。
2．建筑体形与体形系数
建筑体形系数是指建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的建筑空间体积的比值。体形系数越大，说明单位建筑空间所分担的传热面积越大，负荷就越大。在其他条件相同的情况下，建筑物耗热量指标随体形系数的增长而增长。体形系数每增大0．01，耗热量指标约增加2．5%。从建筑物传热耗能考虑，建筑物的外围护结构是传热耗能的主要部位，其表面积应该是越小越好。
为此，《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》对建筑物的体形系数进行了限定：建筑物体形系数宜控制在0．3及以下。《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ134—2001）规定：条式建筑物的体形系数不应超过0．35，点式建筑物的体形系数不应超过0．40。《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》（JGJ75—2003）规定：北区内，单元式、通廊式住宅的体形系数不宜超过0．35，塔式住宅的体形系数不宜超过0．40。
炎热地区、建筑单体设计需要考虑的一个问题是如何确定“理想的”建筑体形，以便使其太阳辐射得热量最少。
3．窗墙比
《公共建筑节能设计标准》（GB50189—2005）中要求，建筑每个朝向的窗墙面积比均不应大于0．7。当窗墙面积比小于0．4时，玻璃的可见光投射比不应小于0．4。外窗的可开启面积不应小于窗面积的30%；透明幕墙应具有可开启部分或设有通风换气装置。
窗墙比对建筑的负荷影响较大。研究表明，在其他条件都不变的情况下，只改变窗墙比，在其他围护结构热工特性相同的前提下，当把窗墙比从0．3增加到0．5时，全年热负荷增加7．59%，冷负荷增加31．66%，总负荷增加22．15%；当把窗墙比从0．3增加到0．7时，全年热负荷增加16．26%，冷负荷增加55．26%，总负荷增加40．07%。因此，大面积玻璃窗对空调负荷增加很大。目前国内存在着为追求建筑物外表美观而采用大面积玻璃窗的倾向，这对节约空调能耗十分不利。
新标准将北向窗户的窗墙面积比由原来的o．20改变为025萁主要原因是，原来窗墙面积比为0．20时，窗户面积约为1．2mX1．4m，这样大小的窗户对于北向面积稍大一些的房间来说常嫌太小，实践中常被突破。此外，由于新标准中围护结构的保温水平已有较大幅度的提高，寒冷地区一般将采用双层窗，因此，北向窗户稍稍开大些也是合理的。
4．围护结构的热工设计
在建筑布局规划、朝向设计、窗墙比确定之后，需要对其围护结构的热工进行节能设计，围护结构的节能热工设计包括：保温及隔热设计、防潮设计、热桥及冷桥设计等。
结合生物气候思路的节能热工设计
生物气候设计所涉及的内容实际上是设计者在为人们创造舒适的室内热环境时，需要解决的问题，如明确室外气候和建筑的关系，明确各气候要素对建筑的影响，采取措施利用有用的室外气候资源、规避不利因素的影响以及将这种措施体现在建筑形式上等。
生物气候设计方法是一种从人体热舒适的角度分析当地气候特征，并可以给出具体的建筑设计原则和技术措施的一种系统分析方法。它基于低能耗建筑设计原则，以当地典型气候为设计依据，把利用自然通风或夜间通风、降低室温、蒸发散热以及太阳能采暖等方法调节的适用范围同时表示在一个图表上，强调通过被动式的手段，以不用或少用设备调节的原则最大限度地获得室内舒适环境，从而节约能源，保护环境。
该设计方法是“被动式”设计方法的起点，被动式建筑设计就是顺应阳光、风力、气温、湿度的自然原理，尽量不依赖常规能源的消耗，以规划、设计、环境配置的建筑手法来改善和创造舒适的居住环境。
建筑热工设计的评价指标
公众对建筑节能知识的缺乏极大地影响了建筑节能相关政策和建筑节能服务的推广。定性的评价方法有助于大众了解自己所处环境的能耗现状，尤其是通过评价可以了解建筑从设计到使用过程中，哪些方面具有改进的余地，从而主动地寻求相关的改进措施，达到主动节能的效果。
二、节能型建筑的围护设计
建筑节能与围护结构有什么关系
建筑节能降耗主要从两方面进行，一是提高建筑物空调设备的效益及改进运行管理方法，二是改善建筑物围护结构热工性能，增强建筑物自身隔热、防热能力，降低夏季热流对室内环境的影响和入侵，减少建筑物得热量。舒适性空调建筑某时刻进入空调房间的热量包括经围护结构进入房间的热量和室内设备、人体、照明产生的热量。在炎热夏季，前一部分的热量较大，节能潜力也大，通过围护结构传热的得热量约占整个围护结构得热量的70%～80%，通过门窗缝隙渗透的约占20%～30%，实现围护结构节能，降低围护结构得热量，也就是降低建筑物耗冷量，使得为维持室内舒适性所需冷负荷降低，从而节约空调系统向每个房间提供的冷量，达到节能省电目的。
围护结构是一栋建筑物构成的主体，由外围护结构和内围护结构两部分组成。其中，外围护结构包括了外墙、外门窗、屋面和地面四个部分，其作用是使室内受到遮护，以不受室外气候变化的影响；内围护结构包括了内墙、楼面、内门窗三部分，其作用主要是为了构建和分配室内空间，以适应不同的功能需求。外围护结构的建筑节能技术是研究的重点。
在冬、夏两季，室内与室外有很大的温差，这个温差导致能量以热的形式流入或流出居室，为了居住的舒适，采暖、空调设备消耗的能量主要用来补充这个能量损失。在室内、外温差相同的条件下，建筑围护结构保温、隔热性能的好坏，直接影响到流出或流入室内热量的多少。建筑围护结构保温、隔热性能好，流出或流入室内的热量就少，采暖、空调设备消耗的能量也就少；反之，建筑围护结构保温、隔热性能差，流出或流入室内的热量就多，采暖、空调设备消耗的能量就多。在建筑节能设计标准中规定的节能50%的目标，其分配方式是建筑物承担30%，系统承担20%，可见围护结构在建筑节能中起着重要的作用。
围护结构各部位的传热耗热量在不同阶段占耗热量指标是不同的，随着对建筑物节能要求的提高，围护结构各部位的耗热量分布比例变化也变大。因此，在不同的节能目标阶段，应根据围护结构各部位的耗热量分布采取相应的节能措施，以降低其传热耗热量，确保总体建筑的总传热耗热量要求。
我国从20世纪80年代开始展开建筑节能工作到现在，已经根据发展的实际需要，颁布了《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》、《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》、《旅游旅馆建筑热工与空气调节节能设计标准》、《居住建筑节能设计标准》（寒冷地区）等国家一级的节能设计标准。许多省市自治区也根据各地的实际，参照国家相关法律、标准和政府规章等制定了相应的地方标准。
节能型建筑围护结构设计国外现状
由于采暖、空调能耗在建筑日常运转能耗以至整个建筑能耗中占的比重很大，故外围护结构热工性能的改进成为许多国家节能工作的重点。经过几十年的发展，国外在外围护结构保温、隔热方面取得了重要进展，形成了从材料的开发、研究、施工的成套技术，现在已经发展到使用高科技材料来制成绿色环保的材料。
围护结构的改进除了加强墙体的保温、隔热外，还包括窗的改进。国外对窗的节能主要从两方面入手。其一是从窗的构造（二层或三层窗）、密闭性能和玻璃或其他透明材料上研究改进。现在国外双层幕墙体系的运用已经从公共建筑逐步转移到住宅上来。另一方面是从窗和墙、地板的面积比例上研究窗的合理面积，也就是合适的窗墙比。在减少窗透过材料的热损失、增加吸收太阳短波辐射和可控性的研究上也已经有了不少进展。在玻璃材料的研究制造方面陆续出现了吸热玻璃、热反射玻璃、低辐射玻璃、电敏感玻璃、调光玻璃、电磁波屏蔽玻璃等新型材料。设计者也可以采用对它们进行复合的构造方法，来达到节能的目的。一些国家明文规定了居住建筑的体形系数和合理的窗墙比。事实证明，通过外围护结构改进，新建筑的改进和旧建筑的改造存在节能的巨大潜力。
欧洲的复合墙体保温技术早已标准化和系列化。欧盟建筑技术审批部于1988年6月发布了《外墙外保温体系（用薄抹灰罩面的聚苯乙烯保温）评估指南》，经过十几年的实际应用，又由欧洲技术标准审批组织EOTA发布了《带抹灰层的墙体外保温复合体现指南》。该标准涵盖了各种不同的保温材料，如聚苯乙烯、岩面、玻璃面等，这一标准的出台标志着外墙外保温技术在欧洲已经成熟并标准化。欧洲各国在推行建筑节能的进程中不仅仅是进行墙体改革，采用传热系数较小的围护结构，而且将墙体改革与太阳能、风能、地热能等可再生能源的综合利用结合起来。英国建筑研究院近年来提出的建筑节能零CO2排放和零能耗采暖的奋斗目标以及德国政府大力鼓励低能耗住宅、被动式住宅和能源过剩住宅的政策，对我国的建筑节能都有着一定的借鉴意义。
外墙的节能
建筑能耗有诸多影响因素，除室内外热环境参数、气候环境和建筑功能等外部因素以外，主要是建筑本身，如建筑朝向、体形系数、围护结构构造、窗墙比等，其中建筑的保温隔热和气密性是影响建筑能耗的主要内在因素。据有关资料，空调建筑围护结构传热形成的负荷约占总负荷（指通过围护结构进入空调室内的总负荷）50%～70%；门窗缝隙空气渗透形成的负荷约占20%～30%。在传热负荷中，外墙约占25%，窗户约占24%，楼梯间隔墙约占11%，屋面约占9%，窗户的传热负荷与空气渗透负荷损失相加，约占总负荷的47%。因此，加强围护结构的保温隔热与气密性是减少建筑能耗的重要环节。
