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建筑節(jié)能設計

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:15 [收藏]



    　摘 要：建筑能耗占我國總能耗較大比重。本文提出建筑設計、細部構造設計和環(huán)境控制設備及系統(tǒng)設計等三種節(jié)能設計策略。充分利用自然能，降低不可再生能源消耗，促進我國建筑可持續(xù)發(fā)展。
    　　關鍵詞：建筑與氣候； 建筑能耗； 節(jié)能設計； 應變策略
    　　
    　　　　
    　　1引言
    　　
    　　建筑作為人工自然產品，是人類自身應變自然環(huán)境氣候的一種延伸手段。建筑發(fā)揮著氣候“過濾器”的角色，通過利用和防御自然界各種氣候因素，為人類創(chuàng)造出良好的室內氣候條件。我國古代的傳統(tǒng)民居，如北京的四合院、西南的吊腳樓、陜北的窯洞、閩南的土樓等，雖然建筑形式和材料各不相同，但都是長期氣候選擇和建筑不斷應變的結果。隨著現代技術水平的提高，人類有時過分地依賴人工設備技術力量，以期實現更高的室內熱舒適度要求，結果導致高能耗和自然生態(tài)的破壞。我國是能源短缺的國家，但建筑能耗卻是同等氣候條件下發(fā)達國家的2~3倍。高能耗不利于建筑可持續(xù)性發(fā)展，需要我們重新研究節(jié)能設計策略，充分挖掘建筑節(jié)能的潛能。
    　　
    　　2設計應變策略
    　　
    　　建筑節(jié)能設計就是從分析地區(qū)的氣候條件出發(fā)，將建筑設計與建筑微氣候，建筑技術和能源的有效利用相結合的一種建筑設計方法，也就是說在冬季最大限度地利用自然能來取暖，多獲得熱量和減少熱損失；夏季最大限度地減少得熱和利用自然能來降溫冷卻。
    　　2.1從建筑設計入手，綜合分析地區(qū)氣候特征，充分利用有利的氣候條件和防御不利氣候因素影響。
    　　地區(qū)氣候特征包括太陽能輻射強度、最熱（冷）月平均氣溫及空氣濕度、夏（冬）季主導風與平均風壓、雨雪量等要素。這些要素是我們節(jié)能設計需要注意的“氣候條件”。此外，還需注意區(qū)域的“微環(huán)境”，如地形條件、地表環(huán)境、地表土壤和環(huán)境植被等。只有這樣，才能權衡利弊、趨利避害，統(tǒng)籌運用氣候因素。
    　　2.1.1合理群體規(guī)劃布局。設計中要充分考慮夏季有利的主導風向（通風致涼）和避免冬季不利的主導風向（避風保暖），綜合考慮采光、通風、保溫和防曬等因素，合理安排群體布局和建筑朝向。如南京屬典型的夏熱冬冷地區(qū)，又具有大陸性氣候特征，夏季炎熱多東南風、冬季寒冷多西北風，在進行小區(qū)群體布局時，一般將小體量的低層、獨立式住宅放在南面，大體量的高層住宅放在最北面，可以最大限度地滿足夏季自然通風和冬季阻擋不利的西北風的需要。
    　　2.1.2合理控制體形系數。體形系數就是指建筑物與室外大氣接觸的外表面積F0（m2）和其所包圍的體積V0（m3）之比值。也就是說，單位建筑空間的外表面積越大，體形系數越大，能耗就越高，反之亦然。因此，在考慮節(jié)能設計時，建筑平面外形不宜凹凸太多，力求完整，避免因凹凸太多增大而提高體形系數。在所有幾何形體中，球面體體形系數最小，同等條件下能耗最低。如合肥大劇院就采用近似球面體外形，體形系數小而相對節(jié)能（圖1）。


    2.1.3合理控制窗墻比。窗墻比就是建筑外窗總面積與外圍護墻體總面積之比值。由于外圍護墻體的熱工性能比玻璃窗戶要好。盡管外窗面積比外墻面積要小得多，但通過外窗得失熱量卻占外圍護結構得失熱量的40%左右，因此需根據不同地區(qū)氣候特征合理控制窗墻比。如在嚴熱干燥的新疆，白天太陽輻射強度大，夜間溫度低，建筑外墻體比較封閉，窗墻比小，可以減少白天透過窗戶的太陽輻射熱和夜間室內熱量的散失，同時保持室內空氣的濕潤。在南京地區(qū)，建筑的窗墻比則較大，夏季利用較大的南向窗戶進行自然通風，冬季則可以獲得較多的太陽輻射熱。
    　　2.2從細部構造設計入手，有效利用隔熱保溫、遮陽和自然通風等被動式節(jié)能技術，改善建筑室內微環(huán)境。
    　　2.2.1外墻體的隔熱保溫與遮陽。目前，我國正提倡新型復合墻體自保溫系統(tǒng)和外隔熱保溫技術，外保溫的優(yōu)點：建筑室內溫度受室外溫度波動影響小，有利于主體結構保護和避免熱（冷）橋的產生。常用的建筑外墻保溫材料有保溫砂漿、聚苯板、聚氨酯（EPS、XPS）和墻體自保溫四大體系。其中，保溫砂漿和聚苯板市場占有率較大，但保溫性能較差；聚氨脂保溫性能較好，但傳統(tǒng)的聚氨酯硬泡板材不適用于復雜立面墻體保溫。市場新出現的聚氨酯現場發(fā)泡噴涂保溫材料（如安健能全水基軟發(fā)泡聚氨酯），具有良好的保溫性和憎水性，方便施工，適用于設計各種復雜外墻體保溫和無接縫施工。外墻體遮陽，主要用于熱工性能要求更高的墻面，在保溫層外側設計鋼結構支撐體系，干掛板材（如陶土板），可以遮擋夏季陽光直接輻射到墻體，同時后側流動的空氣層能迅速帶走熱量，起到很好的遮陽隔熱效果。
    　　2.2.2玻璃門窗的隔熱保溫與遮陽。外墻玻璃門窗是阻擋夏季太陽輻射熱進入室內和冬季室內熱量散失的最薄弱環(huán)節(jié)，其能耗是同面積墻體的4倍，屋頂的5倍，對建筑能耗影響較大。除控制窗墻比外，需增加玻璃門窗的熱工性能：一是設計選用單層或多層中空或低輻射玻璃（如Low－E鍍膜玻璃）和經熱斷橋處理的門窗型材，同時加強窗墻間、框扇間的接縫氣密性設計。二是增加外墻玻璃門窗遮陽設計，防止夏季太陽輻射熱透過玻璃門窗直接進入室內而耗能。由于遮陽位置和方式不同，主要有:①水平式外遮陽，適用于接近南向外窗，遮擋高度角較大、從窗口上方射來的陽光。②垂直式外遮陽，適用于東北向、西北向外窗，遮擋高度角較小、從窗口兩側斜射過來的陽光。為克服傳統(tǒng)固定式遮陽在采光、自然通風、視野等方面的矛盾，上述兩種遮陽方式在生態(tài)節(jié)能建筑中較多地采用活動百葉遮陽，可根據光線變化自動調節(jié)百頁角度遮陽，不影響自然采光和通風（圖2）。③活動內遮陽，主要有遮陽卷簾和遮陽百頁等。相比外遮陽，更靈活，更便于用戶根據季節(jié)天氣變化調節(jié)使用。但內遮陽有較大的缺點，除部分熱量被反射出窗外，其余熱量留在了室內而增大空調制冷能耗。
    轉貼 2.2.3 “可呼吸”玻璃幕墻。它一般由雙層玻璃幕墻構成（外層通常為單層玻璃，內層為絕熱的雙層玻璃），在兩層幕墻間形成一定寬度的空氣夾層，并配有可調節(jié)的百頁。在冬季，雙層幕墻間的空氣夾層形成一個利用太陽能的玻璃溫室，有利于建筑的保溫采暖；在夏季，則利用熱壓通風和百頁遮陽，達到降溫的目的（圖3）。
    　　2.2.4屋面隔熱保溫與遮陽。在夏季，屋面日照時間長，太陽輻射強度大，屋頂外表面溫度最高達到60～80℃，頂層室內溫度受其影響會提高2～4℃。在冬季，屋頂對外散失熱量，又增加了室內的空調熱負荷。屋面隔熱保溫除采用倒置式設計外，蓄水屋面和種植屋面越來越引起人們的重視。①蓄水屋面，就是利用屋面蓄水層蒸發(fā)帶走太陽輻射熱（蓄水層深度一般保持在200mm為宜），從而有效地減弱屋面的傳熱量和降低屋頂內表面溫度（可比一般屋面低2~4℃），具有明顯的隔熱效果。②種植屋面，是一種生態(tài)節(jié)能型屋面，不僅能夠提高屋面的隔熱保溫性能，還能增加城市綠地面積，改善城市氣候環(huán)境。實驗數據表明，種植屋面使屋頂外表面最高溫度下降32.4℃，內表面最高溫度下降2.0℃，具有較好的隔熱保溫性能。屋面遮陽，主要采用遮陽構架、遮陽百頁、膜結構、飄板等，有效遮擋太陽直接輻射屋面，同時也能結合立面造型，創(chuàng)造出有性格的建筑形象。印度建筑師柯里亞就善于利用屋面遮陽構架豐富形體，同時對屋面有良好的遮陽作用（圖4）。
    　　2.2.5自然通風。風壓與熱壓是實現自然通風的兩種手段，二者互為補充、密不可分。風壓通風是利用建筑的迎風面與具有良好外部風環(huán)境的地區(qū)，選擇有利通風的建筑朝向、控制建筑進深、“引導”自然通風等，可實現良好的風壓通風效果。印度建筑師柯里亞設計的干城章嘉公寓樓，建筑平面東西向打開，“引導”東西向的海風形成“穿堂風”，是利用風壓解決夏季通風散熱的例子。熱壓通風（即“煙囪效應”），是利用熱空氣上升，從建筑上部排風口排出污濁的熱空氣，從建筑底部吸入新鮮的冷空氣，實現建筑內部的自然通風。一般在不良的外部風環(huán)境地區(qū)，或進深較大的建筑，多利用熱壓或熱壓風壓兼用，實現自然通風。在設計中，可利用建筑物內部貫穿多層的豎向空間（如樓梯間、中庭），結合拔風井、風塔等構造，創(chuàng)造出滿足熱壓式自然通風進出風口的高差。福斯特設計的德國議會大廈玻璃穹頂，既是采光的“光庭”，更是熱壓式自然通風的“風塔”（圖5）。


    2.3從環(huán)境控制技術入手，合理利用太陽能、地源熱泵等主動式節(jié)能技術，開發(fā)運用可再生能源。
    　　2.3.1太陽能技術。太陽能是我們取之不盡、用之不竭的可再生能源。我國的太陽能資源豐富，大部分地區(qū)太陽輻射量大，具有開發(fā)利用太陽能的優(yōu)良條件。目前主要的太陽能利用方式有：①被動式太陽能熱水系統(tǒng)，利用太陽能集熱器或真空管吸收太陽輻射熱，為用戶提供生活熱水。此系統(tǒng)結構簡單、經濟適用，在我國的城市與農村得到了廣泛的運用。②主動式太陽能系統(tǒng)，在太陽能居室采暖方面具有更大的選擇性，但需要外在能源啟動運行，并需借助電扇或泵等裝置來轉換和傳遞太陽能，以此獲得生活熱水或提供居室供暖（圖6）。③太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，是利用太陽能光伏電池板吸收太陽能，并將太陽能轉化為電能，提供室內設備用電或接入市政電網送電。與被動式太陽能熱水系統(tǒng)相比，主動式太陽能系統(tǒng)和太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在生態(tài)節(jié)能建筑中使用較多，但建設成本較高。
    　　2.3.2地源熱泵技術設計。利用地下水、深層土壤和水庫、湖泊等深水層受自然季節(jié)氣候影響小、溫度相對保持穩(wěn)定的特點，通過水作為媒介，與地能（地下水、土壤或地表水）進行冷熱交換提供熱泵的冷熱源。冬季地能作為“熱源”，從地下或水中“取”出來，供給室內采暖。夏季作為“冷源”，供室內致冷，同時將室內熱量釋放到地下水、土壤或地表水中，貯存起來作為冬天采暖的“熱源”。地源熱泵系統(tǒng)根據換熱方式的不同分為：土壤源熱泵系統(tǒng)、地下水熱泵系統(tǒng)、地表水熱泵系統(tǒng)等。因不同工程的地質條件、地表環(huán)境、地表土壤、場地狀況等有所不同，需因地制宜地選擇設計不同的換熱方式。如南京工程學院新建的圖書館，就利用基地200m處天印湖這個有利條件作為冷熱源，設計地表水熱泵系統(tǒng)為圖書館提拱制冷和采暖所需的能量，具有良好的生態(tài)節(jié)能效果。
    　　在生態(tài)建筑和低能耗建筑中，太陽能技術和地源熱泵技術往往采用聯合運行的方式，可以克服自身技術存在的局限性，提高資源利用效率。
    　　
    　　3結論
    　　
    　　建筑節(jié)能研究是建筑可持續(xù)發(fā)展的重要研究課題。在我國現階段，主要提倡運用與經濟發(fā)展水平相適應的簡單節(jié)能技術為主，切不可為片面追求低能耗目標而不顧經濟成本，大量使用節(jié)能新技術。同時注重太陽能、風能、地能等可再生自然能技術的研究和開發(fā)，降低可再生能源的利用成本，逐步從大城市與經濟比較發(fā)達地區(qū)向全國推廣運用，實現我國建筑節(jié)能既定目標。
    　　
    　　參考文獻：
    　　[1] 宋德萱.節(jié)能建筑設計與技術.上海.同濟大學出版社.
    　　[2] 中華人民共和國建設部建筑節(jié)能辦公室.夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能技術.北京.中國建筑工業(yè)出版社.
    　　[3] 汪芳.查爾斯.柯里亞.北京.中國建筑工業(yè)出版社.

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