談生態建筑節能與規劃設計

劉宇衡

(哈爾濱理工大學,哈爾濱 150080)

談生態建筑節能與規劃設計

劉宇衡

(哈爾濱理工大學,哈爾濱 150080)

介紹生態建筑的概念、特征、節能的目的與設計原則。主要從建筑規劃方面進行深入研究,將生態技術和建筑節能科學運用到建筑規劃設計中,以提高能源利用率。強調生態建筑規劃設計應結合當地的氣候因素和場地因素,充分利用以自然采光通風為主的生態環境,同時盡可能利用可再生能源的潛力,綜合性地進行節能技術設計。

生態建筑;規劃設計;可再生能源;節能技術

人類利用建造手段,在征服和改造自然的斗爭中取得了巨大成就。但是建筑業的建造活動對我國生態環境造成了嚴重破壞:大量的砂石采集、礦石采掘造成河床、植被、土壤破壞和水土流失……因此建設生態建筑是中國建筑的發展目標,生態節能已經成為 21世紀設計界的主流。

1 生態建筑的概念、特征

生態建筑是根據建筑物當地環境特色,綜合運用生態學、建筑學原理,遵循氣候設計和節能方法,從人、建筑、自然所構成的整體環境出發,將建筑設計成為和諧、良性馴化的人工生態環境。生態建筑包括三大主題:以人為本;在保證舒適、健康的室內外熱環境基礎上,對資源節約和再利用;與周圍生態環境相和諧。主要表現為:注重自然通風、自然采光與遮蔭;利用太陽能等可再生能源;為改善小氣候采用多種綠化方式等等。

生態建筑首先應具有節能的特征,并充分考慮綠色能源的使用;其次應注重使用再生和可循環利用材料,注重環境保護,尊重所在的地域環境和歷史文化,繼承城市脈絡。

2 節能目的與設計原則

生態建筑的節能目的就是結合生態學原理和生態決定因素,在建筑設計領域尋求解決人類居住中的生態和環境問題,改善環境,創造出經濟、社會和環境效益相統一的效益最優化。

生態建筑的節能設計原則主要體現在四個方面:①對自然生態環境的保護,盡量減少對生物圈的破壞;②對使用者的關心;③為使用者與自然環境溝通創造條件;④面向未來發展的足夠彈性。

3 生態建筑的規劃設計與節能

生態建筑的節能設計首先要求要合理規劃。生態建筑是適應自然而生成的建筑,而不是改造自然而生成的建筑,因此在設計時需要深入研究以下因素與節能的關系,將對建筑的需要融入到周圍的大自然當中,成為與自然互動、富有生命力的建筑。

3.1 基地氣候的適應性與節能

我國建筑根據氣候特點的不同,將全國劃分為五個氣候區。各個區域氣候條件差別非常大,要求在北方建筑節能設計的重點是冬季保溫防寒,南方主要是夏季隔熱通風,而中間則是冬冷夏熱地區,考慮隔熱通風防潮,兼顧冬季保溫,但僅靠空調改善熱環境,能源消耗大。因此在進行節能設計時要區別對待各地區的不同氣候條件,充分利用太陽、風等自然因素,最大化利用區域氣候的潛在優勢。

3.2 基地選址與節能

建設的基地應選擇在向陽、避風的平地和山坡上,這是建筑節能、提高采暖效率的先決條件。同時建筑選址應盡量遠離交通主干道,避免噪聲污染。如果建在噪聲聲源處,應有綠化隔聲帶等保護措施。

坡地對建筑節能的影響,主要是日照得熱和通風兩個方面,效果因坡向和坡度大小而不同。若坡向為南向或接近南向,則利于冬季太陽得熱,提高容積率。若坡向與夏季主導風向一致 (60°范圍內),則利于夏季的自然通風。若坡向為北向或接近北向,為減少建筑物之間對日照的遮擋,建筑宜以點式為主。

3.2.1 建筑朝向

建筑應在最佳建筑朝向范圍內選擇。由于不同朝向上太陽輻射強度變化比較大,因此建筑規劃時要考慮合理的朝向,盡可能增加太陽輻射量,建立自然采光系統。我國大部分地區正東向或正西向的房屋同正南的房屋相比,全年綜合耗電量約增加 20%。因此南北朝向是最有利的建筑朝向。但特定朝向的選擇還要受其他因素的制約。研究表明生態住宅的節能朝向偏角在 15°之內時,都屬于好朝向。

3.2.2 日照間距和建筑密度

一定的日照間距是建筑充分得熱的前提。日照間距是指一年中冬至日,滿足北向底層房間獲得日照時南北房之間的外墻間距。在實際設計中不宜只為滿足日照間距而選擇不利朝向,犧牲日照質量,必須研究在保證節能效益的前提下提高建筑密度。在規劃布局中適當調整建筑朝向,調節建筑布局和外形均可達到在滿足日照要求的基礎上增加建筑密度,如利用斜向日照將北側錯臺式、正南向行列式布置改為交叉錯排行列式布置。

3.2.3 綠化遮陽

綠化遮陽是防止夏季過熱的有效手段之一,是最理想的基地遮陽。綠化率是生態建筑的一個重要指標,要求不低于40%,人均公共綠地大于 2,硬質景觀面積小于綠地總面積的20%,并保證有足夠的戶外活動場地和空間。最理想的基地遮陽植物是落葉喬木,茂盛的枝葉可以阻擋夏季陽光,降低微環境溫度,并且冬季陽光又會透過稀疏枝條射入室內。因此基地綠化在保證綠化率的同時,在建筑的東、南、西側多栽植落葉喬木,同時考慮喬灌草相結合,注重綠化的層次布局,風格與建筑物要相互輝映。綠化方式除了地面種植外,還有墻面、屋頂、陽臺、窗臺甚至室內都可綠化。

3.2.4 基地通風

外部風環境的狀況直接影響到建筑室內得熱環境。由于不同環境地區以及不同季節中建筑對風的要求都有所不同,所以建筑規劃設計中應以當地主導氣候為基礎調節微氣候,組織自然通風:①在濕熱地區,規劃應滿足最佳通風條件;②在嚴寒、寒冷地區的冬季,強風會降低圍護結構的保溫性能、加速熱損失,規劃應致力于防風;③夏熱冬冷地區,建筑既要考慮夏季的隔熱和降濕,又要能適應冬季保溫、保濕,這就要求建筑的通風設施應具有很強的可調性;④在干熱風沙地區,對風的控制應著眼于防風,而不是要求最好的通風。

3.2.5 基地不利因素

(1)避免霜凍,選址時不宜布置在山谷、洼地、溝底等凹地處。

(2)避免不利風向,在嚴寒地區,規劃設計時,充分考慮到封閉西北向,合理選擇封閉或半封閉周邊式布局,建立氣候防護單元體系,使建筑群達到避風節能的目的。

(3)避免基地急風。(4)避免風雪堆積。

3.3 體型設計與節能

節能建筑的形態要求體型系數小,冬季日輻射得熱多,同時對避寒風有利。具體選擇節能體型時受多種因素制約,包括當地冬季氣溫、日照輻射量與照度、建筑朝向和局部風環境狀況等等,因此體型設計需權衡建筑得熱和失熱的具體情況,優化組合各影響因素才能確定。

3.3.1 控制體型系數

建筑物的體形系數是指建筑物接觸室外大氣的外表面積與其所包圍的體積之比。研究表明,體形系數在0.3的基礎上每增加0.01,能耗約增加2.5%。因此從節能的角度出發,應該將體形系數控制在一個較低的水平上。我國建筑規范規定:多層居住建筑的體型系數不能超過0.35,大于 0.35時則需要用增加圍護結構熱阻來進行節能設計。

一般控制體型系數的方法有:加大建筑體量,增加長度與進深;體型變化盡可能少,盡量規整;設置合理的層數和層高;單獨的點式建筑盡可能少用或盡量拼接以減少外墻面。

3.3.2 風向和體型設計

當嚴冬的寒風直吹建筑物的外圍護結構時,可使房間的暖氣溫度大幅度下降。為了盡量減少風壓力對房間氣溫的影響,應使建筑物的外輪廓設計盡量避免與當地冬季的主導風向發生正交。所以規劃朝向應與夏季主導風向形成一個角度,最好控制在 30°～60°之間。

4 可再生能源

可再生能源是指從自然界中獲得的,可以不斷再生,永久利用的非礦物能源,主要指風能、太陽能、生物能和海洋能等,它們對環境無害或危害極小,而且資源分布廣泛,適宜就地開發利用。生態建筑在規劃設計中應充分利用可再生能源,盡量減少消耗常規能源,利用可再生能源代替常規能源的消耗。

利用太陽能減少建筑能耗和改善建筑物理環境是生態建筑節能設計的主要手段。一般來說,生態建筑的太陽能應用主要是通過被動式太陽能設計方式進行,主要有:①直接得熱式,即利用陽光透過窗戶照入室內并設置一定的貯熱體,調整室內的溫度;②對流環路式,是將建筑圍合體設計成“雙壁系統”,通過向陽側開口部分玻璃后的空氣層在太陽能作用下形成熱循環,整體性地加熱建筑外壁;③蓄熱墻式,主要由混凝土、空氣層、密閉玻璃部分組成了太陽能“空氣加熱器”,在夜晚可以持續向室內供熱;④附加日光間,是結合封閉南向陽臺和頂部的露臺,設置貯熱體及保溫板系統來利用太陽能。在陽光間可以種植植物,形成循環的富氧室內空間,增加室內空氣中的氧氣含量。

5 結語

生態建筑的節能設計是一項綜合性的系統工程,應體現在設計的全過程中,從建筑選址到單體設計,從圍護結構到通風、采光、可再生能源利用等方面都應貫徹節能技術。它涉及建筑材料、建筑設計、建筑構造與施工、政策法規等多個專業領域,需要多個行業部門協同行動下才能實現。如今我國的建筑節能設計標準已經開始實施,一些相應的地方法規也相繼制定,開發商和建筑師也應及時強化生態節能意識,大膽創新,積極實踐,將生態技術和建筑節能科學運用到建筑設計中,以提高能源利用率,保護生態環境。

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TU984.12

A

1674-6341(2010)01-0057-02

2009-09-27

劉宇衡 (1958-),男,吉林榆樹人,工程師,從事建筑工程技術管理研究。

責任編輯:尚爾輝