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建筑節能設計

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)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)境控制設備及系統設計等三種節能設計策略。充分利用自然能，降低不可再生能源消耗，促進(jìn)我國建筑可持續發(fā)展。
    　　關(guān)鍵詞：建筑與氣候； 建筑能耗； 節能設計； 應變策略
    　　
    　　　　
    　　1引言
    　　
    　　建筑作為人工自然產(chǎn)品，是人類(lèi)自身應變自然環(huán)境氣候的一種延伸手段。建筑發(fā)揮著(zhù)氣候“過(guò)濾器”的角色，通過(guò)利用和防御自然界各種氣候因素，為人類(lèi)創(chuàng )造出良好的室內氣候條件。我國古代的傳統民居，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(cháng)期氣候選擇和建筑不斷應變的結果。隨著(zhù)現代技術(shù)水平的提高，人類(lèi)有時(shí)過(guò)分地依賴(lài)人工設備技術(shù)力量，以期實(shí)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性發(fā)展，需要我們重新研究節能設計策略，充分挖掘建筑節能的潛能。
    　　
    　　2設計應變策略
    　　
    　　建筑節能設計就是從分析地區的氣候條件出發(fā)，將建筑設計與建筑微氣候，建筑技術(shù)和能源的有效利用相結合的一種建筑設計方法，也就是說(shuō)在冬季最大限度地利用自然能來(lái)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(lái)降溫冷卻。
    　　2.1從建筑設計入手，綜合分析地區氣候特征，充分利用有利的氣候條件和防御不利氣候因素影響。
    　　地區氣候特征包括太陽(yáng)能輻射強度、最熱（冷）月平均氣溫及空氣濕度、夏（冬）季主導風(fēng)與平均風(fēng)壓、雨雪量等要素。這些要素是我們節能設計需要注意的“氣候條件”。此外，還需注意區域的“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，統籌運用氣候因素。
    　　2.1.1合理群體規劃布局。設計中要充分考慮夏季有利的主導風(fēng)向（通風(fēng)致涼）和避免冬季不利的主導風(fēng)向（避風(fēng)保暖），綜合考慮采光、通風(fēng)、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，又具有大陸性氣候特征，夏季炎熱多東南風(fēng)、冬季寒冷多西北風(fēng)，在進(jìn)行小區群體布局時(shí)，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(mǎn)足夏季自然通風(fēng)和冬季阻擋不利的西北風(fēng)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(shuō)，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，在考慮節能設計時(shí)，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(hù)要好。盡管外窗面積比外墻面積要小得多，但通過(guò)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氣候特征合理控制窗墻比。如在嚴熱干燥的新疆，白天太陽(yáng)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(guò)窗戶(hù)的太陽(yáng)輻射熱和夜間室內熱量的散失，同時(shí)保持室內空氣的濕潤。在南京地區，建筑的窗墻比則較大，夏季利用較大的南向窗戶(hù)進(jìn)行自然通風(fēng)，冬季則可以獲得較多的太陽(yáng)輻射熱。
    　　2.2從細部構造設計入手，有效利用隔熱保溫、遮陽(yáng)和自然通風(fēng)等被動(dòng)式節能技術(shù)，改善建筑室內微環(huán)境。
    　　2.2.1外墻體的隔熱保溫與遮陽(yáng)。目前，我國正提倡新型復合墻體自保溫系統和外隔熱保溫技術(shù)，外保溫的優(yōu)點(diǎn)：建筑室內溫度受室外溫度波動(dòng)影響小，有利于主體結構保護和避免熱（冷）橋的產(chǎn)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(chǎng)占有率較大，但保溫性能較差；聚氨脂保溫性能較好，但傳統的聚氨酯硬泡板材不適用于復雜立面墻體保溫。市場(chǎng)新出現的聚氨酯現場(chǎng)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(wú)接縫施工。外墻體遮陽(yáng)，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(yáng)光直接輻射到墻體，同時(shí)后側流動(dòng)的空氣層能迅速帶走熱量，起到很好的遮陽(yáng)隔熱效果。
    　　2.2.2玻璃門(mén)窗的隔熱保溫與遮陽(yáng)。外墻玻璃門(mén)窗是阻擋夏季太陽(yáng)輻射熱進(jìn)入室內和冬季室內熱量散失的最薄弱環(huán)節，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(mén)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(jīng)熱斷橋處理的門(mén)窗型材，同時(shí)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(mén)窗遮陽(yáng)設計，防止夏季太陽(yáng)輻射熱透過(guò)玻璃門(mén)窗直接進(jìn)入室內而耗能。由于遮陽(yáng)位置和方式不同，主要有:①水平式外遮陽(yáng)，適用于接近南向外窗，遮擋高度角較大、從窗口上方射來(lái)的陽(yáng)光。②垂直式外遮陽(yáng)，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(guò)來(lái)的陽(yáng)光。為克服傳統固定式遮陽(yáng)在采光、自然通風(fēng)、視野等方面的矛盾，上述兩種遮陽(yáng)方式在生態(tài)節能建筑中較多地采用活動(dòng)百葉遮陽(yáng)，可根據光線(xiàn)變化自動(dòng)調節百頁(yè)角度遮陽(yáng)，不影響自然采光和通風(fēng)（圖2）。③活動(dòng)內遮陽(yáng)，主要有遮陽(yáng)卷簾和遮陽(yáng)百頁(yè)等。相比外遮陽(yáng)，更靈活，更便于用戶(hù)根據季節天氣變化調節使用。但內遮陽(yáng)有較大的缺點(diǎn)，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，并配有可調節的百頁(yè)。在冬季，雙層幕墻間的空氣夾層形成一個(gè)利用太陽(yáng)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(fēng)和百頁(yè)遮陽(yáng)，達到降溫的目的（圖3）。
    　　2.2.4屋面隔熱保溫與遮陽(yáng)。在夏季，屋面日照時(shí)間長(cháng)，太陽(yáng)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(huì )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(lái)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(yáng)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(shí)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(yáng)，主要采用遮陽(yáng)構架、遮陽(yáng)百頁(yè)、膜結構、飄板等，有效遮擋太陽(yáng)直接輻射屋面，同時(shí)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(yáng)構架豐富形體，同時(shí)對屋面有良好的遮陽(yáng)作用（圖4）。
    　　2.2.5自然通風(fēng)。風(fēng)壓與熱壓是實(shí)現自然通風(fēng)的兩種手段，二者互為補充、密不可分。風(fēng)壓通風(fēng)是利用建筑的迎風(fēng)面與具有良好外部風(fēng)環(huán)境的地區，選擇有利通風(fēng)的建筑朝向、控制建筑進(jìn)深、“引導”自然通風(fēng)等，可實(shí)現良好的風(fēng)壓通風(fēng)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(kāi)，“引導”東西向的海風(fēng)形成“穿堂風(fēng)”，是利用風(fēng)壓解決夏季通風(fēng)散熱的例子。熱壓通風(fēng)（即“煙囪效應”），是利用熱空氣上升，從建筑上部排風(fēng)口排出污濁的熱空氣，從建筑底部吸入新鮮的冷空氣，實(shí)現建筑內部的自然通風(fēng)。一般在不良的外部風(fēng)環(huán)境地區，或進(jìn)深較大的建筑，多利用熱壓或熱壓風(fēng)壓兼用，實(shí)現自然通風(fēng)。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(fēng)井、風(fēng)塔等構造，創(chuàng )造出滿(mǎn)足熱壓式自然通風(fēng)進(jìn)出風(fēng)口的高差。福斯特設計的德國議會(huì )大廈玻璃穹頂，既是采光的“光庭”，更是熱壓式自然通風(fēng)的“風(fēng)塔”（圖5）。


    2.3從環(huán)境控制技術(shù)入手，合理利用太陽(yáng)能、地源熱泵等主動(dòng)式節能技術(shù)，開(kāi)發(fā)運用可再生能源。
    　　2.3.1太陽(yáng)能技術(shù)。太陽(yáng)能是我們取之不盡、用之不竭的可再生能源。我國的太陽(yáng)能資源豐富，大部分地區太陽(yáng)輻射量大，具有開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的優(yōu)良條件。目前主要的太陽(yáng)能利用方式有：①被動(dòng)式太陽(yáng)能熱水系統，利用太陽(yáng)能集熱器或真空管吸收太陽(yáng)輻射熱，為用戶(hù)提供生活熱水。此系統結構簡(jiǎn)單、經(jīng)濟適用，在我國的城市與農村得到了廣泛的運用。②主動(dòng)式太陽(yáng)能系統，在太陽(yáng)能居室采暖方面具有更大的選擇性，但需要外在能源啟動(dòng)運行，并需借助電扇或泵等裝置來(lái)轉換和傳遞太陽(yáng)能，以此獲得生活熱水或提供居室供暖（圖6）。③太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統，是利用太陽(yáng)能光伏電池板吸收太陽(yáng)能，并將太陽(yáng)能轉化為電能，提供室內設備用電或接入市政電網(wǎng)送電。與被動(dòng)式太陽(yáng)能熱水系統相比，主動(dòng)式太陽(yáng)能系統和太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統在生態(tài)節能建筑中使用較多，但建設成本較高。
    　　2.3.2地源熱泵技術(shù)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氣候影響小、溫度相對保持穩定的特點(diǎn)，通過(guò)水作為媒介，與地能（地下水、土壤或地表水）進(jìn)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(lái)，供給室內采暖。夏季作為“冷源”，供室內致冷，同時(shí)將室內熱量釋放到地下水、土壤或地表水中，貯存起來(lái)作為冬天采暖的“熱源”。地源熱泵系統根據換熱方式的不同分為：土壤源熱泵系統、地下水熱泵系統、地表水熱泵系統等。因不同工程的地質(zhì)條件、地表環(huán)境、地表土壤、場(chǎng)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(xué)院新建的圖書(shū)館，就利用基地200m處天印湖這個(gè)有利條件作為冷熱源，設計地表水熱泵系統為圖書(shū)館提拱制冷和采暖所需的能量，具有良好的生態(tài)節能效果。
    　　在生態(tài)建筑和低能耗建筑中，太陽(yáng)能技術(shù)和地源熱泵技術(shù)往往采用聯(lián)合運行的方式，可以克服自身技術(shù)存在的局限性，提高資源利用效率。
    　　
    　　3結論
    　　
    　　建筑節能研究是建筑可持續發(fā)展的重要研究課題。在我國現階段，主要提倡運用與經(jīng)濟發(fā)展水平相適應的簡(jiǎn)單節能技術(shù)為主，切不可為片面追求低能耗目標而不顧經(jīng)濟成本，大量使用節能新技術(shù)。同時(shí)注重太陽(yáng)能、風(fēng)能、地能等可再生自然能技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，降低可再生能源的利用成本，逐步從大城市與經(jīng)濟比較發(fā)達地區向全國推廣運用，實(shí)現我國建筑節能既定目標。
    　　
    　　參考文獻：
    　　[1] 宋德萱.節能建筑設計與技術(shù).上海.同濟大學(xué)出版社.
    　　[2] 中華人民共和國建設部建筑節能辦公室.夏熱冬冷地區建筑節能技術(shù).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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