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建筑节能设计

作者：建筑中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-22 20:26:15 [收藏]



    　摘 要：建筑能耗占我国总能耗较大比重。本文提出建筑设计、细部构造设计和环境控制设备及系统设计等三种节能设计策略。充分利用自然能，降低不可再生能源消耗，促进我国建筑可持续发展。
    　　关键词：建筑与气候； 建筑能耗； 节能设计； 应变策略
    　　
    　　　　
    　　1引言
    　　
    　　建筑作为人工自然产品，是人类自身应变自然环境气候的一种延伸手段。建筑发挥着气候“过滤器”的角色，通过利用和防御自然界各种气候因素，为人类创造出良好的室内气候条件。我国古代的传统民居，如北京的四合院、西南的吊脚楼、陕北的窑洞、闽南的土楼等，虽然建筑形式和材料各不相同，但都是长期气候选择和建筑不断应变的结果。随着现代技术水平的提高，人类有时过分地依赖人工设备技术力量，以期实现更高的室内热舒适度要求，结果导致高能耗和自然生态的破坏。我国是能源短缺的国家，但建筑能耗却是同等气候条件下发达国家的2~3倍。高能耗不利于建筑可持续性发展，需要我们重新研究节能设计策略，充分挖掘建筑节能的潜能。
    　　
    　　2设计应变策略
    　　
    　　建筑节能设计就是从分析地区的气候条件出发，将建筑设计与建筑微气候，建筑技术和能源的有效利用相结合的一种建筑设计方法，也就是说在冬季最大限度地利用自然能来取暖，多获得热量和减少热损失；夏季最大限度地减少得热和利用自然能来降温冷却。
    　　2.1从建筑设计入手，综合分析地区气候特征，充分利用有利的气候条件和防御不利气候因素影响。
    　　地区气候特征包括太阳能辐射强度、最热（冷）月平均气温及空气湿度、夏（冬）季主导风与平均风压、雨雪量等要素。这些要素是我们节能设计需要注意的“气候条件”。此外，还需注意区域的“微环境”，如地形条件、地表环境、地表土壤和环境植被等。只有这样，才能权衡利弊、趋利避害，统筹运用气候因素。
    　　2.1.1合理群体规划布局。设计中要充分考虑夏季有利的主导风向（通风致凉）和避免冬季不利的主导风向（避风保暖），综合考虑采光、通风、保温和防晒等因素，合理安排群体布局和建筑朝向。如南京属典型的夏热冬冷地区，又具有大陆性气候特征，夏季炎热多东南风、冬季寒冷多西北风，在进行小区群体布局时，一般将小体量的低层、独立式住宅放在南面，大体量的高层住宅放在最北面，可以最大限度地满足夏季自然通风和冬季阻挡不利的西北风的需要。
    　　2.1.2合理控制体形系数。体形系数就是指建筑物与室外大气接触的外表面积F0（m2）和其所包围的体积V0（m3）之比值。也就是说，单位建筑空间的外表面积越大，体形系数越大，能耗就越高，反之亦然。因此，在考虑节能设计时，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体形系数。在所有几何形体中，球面体体形系数最小，同等条件下能耗最低。如合肥大剧院就采用近似球面体外形，体形系数小而相对节能（图1）。


    2.1.3合理控制窗墙比。窗墙比就是建筑外窗总面积与外围护墙体总面积之比值。由于外围护墙体的热工性能比玻璃窗户要好。尽管外窗面积比外墙面积要小得多，但通过外窗得失热量却占外围护结构得失热量的40%左右，因此需根据不同地区气候特征合理控制窗墙比。如在严热干燥的新疆，白天太阳辐射强度大，夜间温度低，建筑外墙体比较封闭，窗墙比小，可以减少白天透过窗户的太阳辐射热和夜间室内热量的散失，同时保持室内空气的湿润。在南京地区，建筑的窗墙比则较大，夏季利用较大的南向窗户进行自然通风，冬季则可以获得较多的太阳辐射热。
    　　2.2从细部构造设计入手，有效利用隔热保温、遮阳和自然通风等被动式节能技术，改善建筑室内微环境。
    　　2.2.1外墙体的隔热保温与遮阳。目前，我国正提倡新型复合墙体自保温系统和外隔热保温技术，外保温的优点：建筑室内温度受室外温度波动影响小，有利于主体结构保护和避免热（冷）桥的产生。常用的建筑外墙保温材料有保温砂浆、聚苯板、聚氨酯（EPS、XPS）和墙体自保温四大体系。其中，保温砂浆和聚苯板市场占有率较大，但保温性能较差；聚氨脂保温性能较好，但传统的聚氨酯硬泡板材不适用于复杂立面墙体保温。市场新出现的聚氨酯现场发泡喷涂保温材料（如安健能全水基软发泡聚氨酯），具有良好的保温性和憎水性，方便施工，适用于设计各种复杂外墙体保温和无接缝施工。外墙体遮阳，主要用于热工性能要求更高的墙面，在保温层外侧设计中国建筑金属结构信息网支撑体系，干挂板材（如陶土板），可以遮挡夏季阳光直接辐射到墙体，同时后侧流动的空气层能迅速带走热量，起到很好的遮阳隔热效果。
    　　2.2.2玻璃门窗的隔热保温与遮阳。外墙玻璃门窗是阻挡夏季太阳辐射热进入室内和冬季室内热量散失的最薄弱环节，其能耗是同面积墙体的4倍，屋顶的5倍，对建筑能耗影响较大。除控制窗墙比外，需增加玻璃门窗的热工性能：一是设计选用单层或多层中空或低辐射玻璃（如Low－E镀膜玻璃）和经热断桥处理的门窗型材，同时加强窗墙间、框扇间的接缝气密性设计。二是增加外墙玻璃门窗遮阳设计，防止夏季太阳辐射热透过玻璃门窗直接进入室内而耗能。由于遮阳位置和方式不同，主要有:①水平式外遮阳，适用于接近南向外窗，遮挡高度角较大、从窗口上方射来的阳光。②垂直式外遮阳，适用于东北向、西北向外窗，遮挡高度角较小、从窗口两侧斜射过来的阳光。为克服传统固定式遮阳在采光、自然通风、视野等方面的矛盾，上述两种遮阳方式在生态节能建筑中较多地采用活动百叶遮阳，可根据光线变化自动调节百页角度遮阳，不影响自然采光和通风（图2）。③活动内遮阳，主要有遮阳卷帘和遮阳百页等。相比外遮阳，更灵活，更便于用户根据季节天气变化调节使用。但内遮阳有较大的缺点，除部分热量被反射出窗外，其余热量留在了室内而增大空调制冷能耗。
    转贴 2.2.3 “可呼吸”玻璃幕墙。它一般由双层玻璃幕墙构成（外层通常为单层玻璃，内层为绝热的双层玻璃），在两层幕墙间形成一定宽度的空气夹层，并配有可调节的百页。在冬季，双层幕墙间的空气夹层形成一个利用太阳能的玻璃温室，有利于建筑的保温采暖；在夏季，则利用热压通风和百页遮阳，达到降温的目的（图3）。
    　　2.2.4屋面隔热保温与遮阳。在夏季，屋面日照时间长，太阳辐射强度大，屋顶外表面温度最高达到60～80℃，顶层室内温度受其影响会提高2～4℃。在冬季，屋顶对外散失热量，又增加了室内的空调热负荷。屋面隔热保温除采用倒置式设计外，蓄水屋面和种植屋面越来越引起人们的重视。①蓄水屋面，就是利用屋面蓄水层蒸发带走太阳辐射热（蓄水层深度一般保持在200mm为宜），从而有效地减弱屋面的传热量和降低屋顶内表面温度（可比一般屋面低2~4℃），具有明显的隔热效果。②种植屋面，是一种生态节能型屋面，不仅能够提高屋面的隔热保温性能，还能增加城市绿地面积，改善城市气候环境。实验数据表明，种植屋面使屋顶外表面最高温度下降32.4℃，内表面最高温度下降2.0℃，具有较好的隔热保温性能。屋面遮阳，主要采用遮阳构架、遮阳百页、膜结构、飘板等，有效遮挡太阳直接辐射屋面，同时也能结合立面造型，创造出有性格的建筑形象。印度建筑师柯里亚就善于利用屋面遮阳构架丰富形体，同时对屋面有良好的遮阳作用（图4）。
    　　2.2.5自然通风。风压与热压是实现自然通风的两种手段，二者互为补充、密不可分。风压通风是利用建筑的迎风面与具有良好外部风环境的地区，选择有利通风的建筑朝向、控制建筑进深、“引导”自然通风等，可实现良好的风压通风效果。印度建筑师柯里亚设计的干城章嘉公寓楼，建筑平面东西向打开，“引导”东西向的海风形成“穿堂风”，是利用风压解决夏季通风散热的例子。热压通风（即“烟囱效应”），是利用热空气上升，从建筑上部排风口排出污浊的热空气，从建筑底部吸入新鲜的冷空气，实现建筑内部的自然通风。一般在不良的外部风环境地区，或进深较大的建筑，多利用热压或热压风压兼用，实现自然通风。在设计中，可利用建筑物内部贯穿多层的竖向空间（如楼梯间、中庭），结合拔风井、风塔等构造，创造出满足热压式自然通风进出风口的高差。福斯特设计的德国议会大厦玻璃穹顶，既是采光的“光庭”，更是热压式自然通风的“风塔”（图5）。


    2.3从环境控制技术入手，合理利用太阳能、地源热泵等主动式节能技术，开发运用可再生能源。
    　　2.3.1太阳能技术。太阳能是我们取之不尽、用之不竭的可再生能源。我国的太阳能资源丰富，大部分地区太阳辐射量大，具有开发利用太阳能的优良条件。目前主要的太阳能利用方式有：①被动式太阳能热水系统，利用太阳能集热器或真空管吸收太阳辐射热，为用户提供生活热水。此系统结构简单、经济适用，在我国的城市与农村得到了广泛的运用。②主动式太阳能系统，在太阳能居室采暖方面具有更大的选择性，但需要外在能源启动运行，并需借助电扇或泵等装置来转换和传递太阳能，以此获得生活热水或提供居室供暖（图6）。③太阳能光伏发电系统，是利用太阳能光伏电池板吸收太阳能，并将太阳能转化为电能，提供室内设备用电或接入市政电网送电。与被动式太阳能热水系统相比，主动式太阳能系统和太阳能光伏发电系统在生态节能建筑中使用较多，但建设成本较高。
    　　2.3.2地源热泵技术设计。利用地下水、深层土壤和水库、湖泊等深水层受自然季节气候影响小、温度相对保持稳定的特点，通过水作为媒介，与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换提供热泵的冷热源。冬季地能作为“热源”，从地下或水中“取”出来，供给室内采暖。夏季作为“冷源”，供室内致冷，同时将室内热量释放到地下水、土壤或地表水中，贮存起来作为冬天采暖的“热源”。地源热泵系统根据换热方式的不同分为：土壤源热泵系统、地下水热泵系统、地表水热泵系统等。因不同工程的地质条件、地表环境、地表土壤、场地状况等有所不同，需因地制宜地选择设计不同的换热方式。如南京工程学院新建的图书馆，就利用基地200m处天印湖这个有利条件作为冷热源，设计地表水热泵系统为图书馆提拱制冷和采暖所需的能量，具有良好的生态节能效果。
    　　在生态建筑和低能耗建筑中，太阳能技术和地源热泵技术往往采用联合运行的方式，可以克服自身技术存在的局限性，提高资源利用效率。
    　　
    　　3结论
    　　
    　　建筑节能研究是建筑可持续发展的重要研究课题。在我国现阶段，主要提倡运用与经济发展水平相适应的简单节能技术为主，切不可为片面追求低能耗目标而不顾经济成本，大量使用节能新技术。同时注重太阳能、风能、地能等可再生自然能技术的研究和开发，降低可再生能源的利用成本，逐步从大城市与经济比较发达地区向全国推广运用，实现我国建筑节能既定目标。
    　　
    　　参考文献：
    　　[1] 宋德萱.节能建筑设计与技术.上海.同济大学出版社.
    　　[2] 中华人民共和国建设部建筑节能办公室.夏热冬冷地区建筑节能技术.北京.中国建筑工业出版社.
    　　[3] 汪芳.查尔斯.柯里亚.北京.中国建筑工业出版社.

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