论夏热冬冷地区住宅建筑设计节能体现

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  摘要:为了降低能源消耗,城市住宅节能设计是必不可少的。文章根据夏热冬冷地区的建筑气候特征和建筑节能对住宅功能的要求,提出了住宅建筑设计中应把握的节能措施和强化隔热构造的观点,提出了一些建议。
   关键词:住宅建筑;夏热冬冷;建筑节能;构造措施
  Abstract: In order to reduce energy consumption, city residential energy saving design is indispensable. According to the hot summer and cold winter zone climate characteristics and construction of residential building energy functional requirement, and put forward the architectural design of residence should seize the energy saving measures and strengthen heat insulation structure's point of view, and put forward some Suggestions.
   Key words: residential building; hot summer and cold winter; building energy efficiency; structural measures
  
  中圖分类号:TU2 文献标识码:A文章编号:
  0 前言
  
   一个国家的发展,离不开能源的消耗,而现在人类不断增长的能源消耗和传统经济增长方式带来的自然资源枯竭和环境恶化,已经使人类生存受到威胁。对我国而言,煤炭和水力资源比较丰富,但其可开采量和可开发量的人均水平,确均低于世界人均水平的一半,石油和天然气就更少。能源短缺已经成为制约我国经济社会发展的瓶颈,而建筑耗能在国家全部能耗中占有相当大的比重。千方百计做好建筑节能丁作是节约能源的关键。对建筑业来讲建设节能型建筑,降低建筑能耗已经是当务之急。建筑节能设计,其目的就是通过一定的建筑构造做法,选择合适的建筑材料,达到减少能耗,节约热量、冷量、电能、燃料等目的,同时也要保证一定的舒适程度。
  
  1.夏热冬冷地区气候分析
  
   夏热冬冷地区是根据我国建筑气候特征分布而划定的一个区域,处于我国寒冷地区与炎热冬暖地区之间,大致属于长江中下游一带,包括上海、重庆两直辖市及四川、湖北、湖南、江西、安徽、浙江六省,城乡人口约5.5亿,国民生产总值约占全国的48%,历来是我国人口最密集、经济文化较为发达的区域。该区域气候显著的特征是:夏季炎热气闷,冬季阴冷潮湿。最热月平均气温25℃~30℃,最高气温达40℃以上;冬季气候寒冷,日平均温度小于5。C的天数约20~80 d。冬夏两季空气湿度大,相对湿度经常在70%~80%,对生活和工作造成十分不利
  的影响(表1)。
  表1夏热冬冷地区气候条件
  
  表1夏热冬冷地区气候条件
  
   能源缺乏对于我国已经成为一个非常重要的问题,而在所有的能源消耗中,建筑能耗所占的比例一般在50%以上。目前,该区域能源紧张已表现得越来越明显,加上20世纪60~80年代修建的住宅保温隔热性能不是很好,势必造成该地区夏天空调和冬天采暖能耗急剧增长,而且,还将持续大幅度地增加。
   表1可以看出,按居住的舒适感角度要求,夏热冬冷地区的主要矛盾是如何应付夏季的高温酷暑,其次是要注意住宅冬季的保暖。本文从住宅建筑设计的角度出发,研究该区域住宅节能,探讨技术上可行、经济上合理以及社会和环境可以承受的建筑技术措施。
  
  3 建筑空间设计的节能措施
  
   建筑空间设计的节能措施是指利用建筑的造型、朝向、围护结构、保温构造、外窗遮阳构造以及空间布局的通风等来进行节能降耗设计。合理的建筑措施应该在夏季有效地组织通风和减少太阳辐射,防止室内过热和潮湿。在冬季有效地利用太阳能和对外墙、外窗进行保温,提高室内温度。从建筑设计手法来分析,有采用空调设备和不采用空调设备两种情况。
  
  3.1 不采用空调设备的建筑设计手法
  
   不采用空调设备时,利用自然界的物质和环境的物理性能,以建筑空间组合设计的手法来防止恶劣的室外热环境对室内的影响,并组织良好的通风条件,以创造出适合人居住的微气候条件,形成舒适的室内热环境。这种手法有以下五种。
   (1)“通”——组合的空间布局能通畅地疏导气流,从而降低室内气温和蒸发热量,使人体感到舒适。通风有水平通风、垂直通风、水平兼垂直通风三种。水平通风有利于形成良好的穿堂风,门窗应对位,避免气流的转折和“缩颈”,使气流通畅、均匀。垂直通风如风管、风塔、高层建筑的中庭等形式,利用空气的风压或热压进行灌风或抽风。天井、管式及竹筒式住宅,则是水平通风、垂直通风兼而有之的形式(图l~4)。
  
  
  
  图 1平面布置适应冬冷夏热地区
  
  
  
  图 2平面布置不适应冬冷夏热地区
  
  
  
  图 3夏热冬冷地区利用地形白天与夜晚水平兼垂直通风
  
  
  
  图 4夏热冬冷地区住宅利用中庭、屋盖水平兼垂直通风
  
   (2)“敞”——建构开畅的空间,如畅厅、畅廊、畅阳台、高层中开洞的空中花园等形式。一方面可通畅地组织室外气流;另一方面可减少太阳辐射对室内的影响,夜间也有利于热量向室外散发。
   (3)“阴”——建构某些太阳辐射难以达到的阴空间,如天井式住宅、竹筒式住宅、骑楼、廊檐、下沉式庭院、架空的底层半室外绿化,乃至高层建筑的中部引入绿化开敞空间、设置凹入深度的入户过渡空间等,使户外处于隐蔽的地位,接受的太阳辐射热相对较少,空间的气温较低,从而形成阴凉的空间环境(图5)。
  
  图 5高层建筑“阴”空问手法利用
  
  
   (4)“隔”——将住宅中主要使用空间与受热辐射较大的部位隔离开来,如东西向墙面太阳热辐射强度大,为保证卧室、起居室等主要使用空间的热环境条件,将辅助空间如厨房、卫生间、楼梯、电梯间、储藏室等布置在东西向墙与主要居室之问,使两者隔离。此外,厨房是室内主要的热源,为避免厨房热源对居住空间的影响,可采用凸厨式的布置,以“隔离”手段使其远离居室。
   (5)“避”——住宅内的居住空间特别是起居室图5高层建筑“阴”空问手法利用和主卧室,应尽量避免东西向,尤其是西向。因西向晒时,太阳高度角低,射入室内深度大,西晒时间长,夜间难以退凉,使居住者难以入眠。如平面组合中难以避免西向卧室,也应采取凹口或锯齿形墙面,使其改变开窗朝向,避免西向开窗。
  3.2 采用空调设备的建筑设计手法
   在夏热冬冷地区,夏季使用能源驱动制冷机来降低室内温度;冬季以空调机或其他采暖器制热以提高室内温度。在湿度高的季节,还可以用除湿机除湿,以保证室内湿度合适。为了节省空调设备的耗能,建筑空间设计的措施是控制体型系数和窗墙面积比。
   (1)降低体形系数。所谓体形系数就是建筑物与室外大气表面接触的外表面积与其所包围的体积的比值。由于室内外有温差,建筑的外表面积越小,空调的能耗越小。夏热冬冷地区与北方采暖地区相比,体型系数对全年建筑能耗的影响要小一些,不宜限制过死,但也不应超过0.3~0.4。如果在设计时忽视住宅的体型系数,就会给建筑节能留下隐患。
   (2)缩小窗墙面积比。所谓窗墙面积比是窗户洞口面积与房间立面单元面积之比值。关于窗墙面积比的确定,基本原则是依据这一地区不同朝向墙面冬、夏日照情况(日照时间长短、太阳总辐射强度、阳光入射角大小),冬、夏季季风影响、室外空气温度、室内采光设计标准以及开窗面积与建筑能耗所占比率等因素,综合考虑确定,一般控制在0.2~0.5之间。
   普通窗户(包括阳台门的透明部分)的保温隔热性能比外墙差得多,经窗户传递的热量比同面积的墙体传递的热量要大2~4倍,尤其是夏季白天通过窗户进入室内的太阳辐射热也比外墙多得多。所以,窗墙面积比越大,则采暖和空调的能耗也越大,窗面积适当减小,可减小空调的能量耗损。单层金属窗的夏季空调负荷是同面积240砖墙的5倍,全年能耗是36倍。窗墙面积比由0.4减小为O.3,每平方米建筑面积年冷暖耗电量可减少5kwh。但窗面积过分减小,会影响采光系数,因而要协调两者的关系。对于干热地区,窗户可以小一些,对于湿热地区,为通风去湿,窗面积宜大,这也需要协调二者的矛盾。
   对夏热时间较长地区的建筑,首先要创造良好的自然通风降温条件,尽量减少采用空调的时间。要达到自然通风的条件好,往往建筑体形系数大,窗墙面积比也大,这恰恰又和启动空调时对建筑体形系数和窗墙面积比的要求相反。如何才能做到两者兼顾,是应深入研究的问题。
   从原则上讲,应以室外环境宜人时的自然通风条件好为主,因为需要空调的天数毕竟较少,而且使用时也不是全天候都在启动空调。再者,为保证主要的居住空间如卧室、起居室的室内热环境条件,在建筑设计中,采取重点保护策略,对节能是有意义的。
  
  4 强化隔热的构造措施
  
   在住宅的内外空间布局和环境确定之后,如何强化外围护结构的隔热构造,就成为实现良好室内热环境的关键。要使屋盖、墙体、门窗等建筑部位具有良好的热工性能,即传热系数小、热稳定性高以及门窗的气密性好、夏季太阳辐射热透过率小和热发射性能好等。
  4.1 屋盖、墙体的隔热构造
   利用物质的传热、隔热、对流、辐射、反射、蒸发等物理性能,来设计围护结构的构造,可以提高热阻,减小传热系数,从而减少室外热环境对室内影响。特别是建筑的屋盖和东西向墙体是受太阳辐射最多的部位,设计中应其重点处理。这些构造按其物理性能,可分为以下几种型式。
   (1)材料热阻型。增加墙体及屋盖材料热阻以隔断室外热量传人室内,采用绝热材料对墙、屋顶、门窗等进行绝热,如玻璃棉、聚苯乙烯泡沫塑料、膨胀珍珠岩、加气混凝土等,以减少围护结构的传热系数。选用轻制复合材料的外墙板,既有好的隔热性能,又占有较少的面积,轻质隔热材料的屋盖,既可隔热,又可减轻荷载,有明显优越性。
   (2)空气间层型。利用空气导热系数小的物理性能,在墙体和屋盖构造中,加入空气间层,以提高其隔热性能。
   (3)通风问层型。若将空气间层设计成通风问层,利用风力或热空气上升使间层中受热的空气产生流动排除热量,可以达到比设置封闭的空气间层更好的隔热效果,如经常采用的隔热板架空屋面、双层瓦通风坡顶、外挂轻质板的通风墙等,均属于这种构造。
   (4)遮挡辐射型。阳光的热辐射是室内外热环境温度增高的主要原因,采取挑檐和各种形式的遮阳,能有效地减少阳光的辐射热对围护结构的影响。对屋盖和墙体采用能随太阳高度角和方位角而变化的活动遮阳,对阻挡太阳光的辐射更为有效,如图6所示。
  
  图6计算挑檐挑出距离的简便方法
   (5)蒸发降温型。利用水或植物的水分蒸发,带走热量而降温,如蓄水屋面、水雾喷淋墙面、攀援植物墙面等。
   (6)反射型。利用材料、色彩的反射性能,將太阳的辐射热反射出去,从而达到降温效果,如天棚铝箔隔热层、铝箔墙体隔热层等。在外墙与屋盖的外表面,有白色或浅色的光滑材料,能增强对太阳辐射的反射,使外围护结构内表面温度降低l℃~2。C。
   (7)综合型。将上述几种构造加以组合搭配,就可以达到更好的降温效果,如蓄水种植屋面,下部蓄水100 mm深的水,垫以卵石砂粒层,再铺松散材料,如蛭石、锯末等组成的种植土,种以花卉植物加以美化,既有材料的热阻构造,又有降温蒸发,植物阴影又起到遮挡辐射热的效果,屋顶绿化又为人们提供了休闲活动场地,因而成为受人们欢迎的屋盖处理方式。还有下层为加气混凝土隔热层,上为架空通风隔热层,表面涂以白色反射膜层,也属于综合构造的方式等。
  4.2 门窗的构造
   窗是采光、通风的通道,同时也是隔热的薄弱环节,为了提高其隔热效果,可采取以下措施。
   (1)提高门窗的气密性(图7)。门窗如采用性能良好的密封条,可减少空气渗透,在使用空调时,能有效减少能耗。
  
  
  
  图 7对窗户缝隙的处理
  
   (2)减少玻璃的辐射热透过率。如采用热反射玻璃,在玻璃上贴反射性的镀膜等,均有较好的效果(图8,9)。
  
  
  
  图8 普通玻璃
  
  
  
  图9热反射玻璃
  
  
   (3)增加窗的热阻。如采用中空玻璃,既增加热阻,又增加隔音效果。
   (4)窗的遮阳。根据窗的不同朝向,按太阳高度角和方位角,采取水平式、垂直式、挡板式或综合式的遮阳或设置活动遮阳,能有效地减少太阳光的辐射热进入室内(图10)。
  
  
  
  图10冬季与夏季活动遮阳板的利用
  5 结语
   长江流域住宅节能应从多方面人手,既要从建筑布局、建筑空间处理、建筑构造设计上采取综合的节能措施,还要尽量利用自然界的物理性能去加强通风与隔热降温,围护结构的构造要满足节能要求,宁可多花一次性的基建投资费用而少花日常经营管理和采用人工空调的费用,并要协调好采光、通风、隔热保温等方面的矛盾,使经济效益、环境效益与社会效益统一起来,达到综合节能的目的。
  
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