夏熱冬冷地區居住建筑節能整體設計淺析*

陳宜瑜 張 為

隨著城市建設的高速發展,建筑能耗逐年大幅度上升,已成為中國能源消費的主體之一。建筑節能,尤其是居住建筑的節能研究在能源危機面前尤為迫切。目前,各國對居住建筑節能進行了深入研究,在眾多節能手段的探討與研究中,研制節能建筑材料,采用新工藝,新型保溫門窗,以及利用新型能源等受到了較多的關注。然而,建筑整體設計所產生的節能效應長期以來被人們所忽視,包括選址、規劃布局、建筑體型等一系列被動式節能設計手段,對于居住建筑的節能設計而言,以上諸方面是十分重要且亟待解決的研究領域。

1 夏熱冬冷地區氣候特征與居住熱環境狀況

夏熱冬冷地區是我國人口最密集,經濟發展速度最快的地區,該地區每年炎熱季節有3個～4個月,寒冷天氣有2個～3個月,最熱天氣溫可達41℃,最冷天氣溫可降至-18℃,而且濕度高達70%～80%,形成夏季悶熱,冬季濕冷的氣候特點。該地區的建筑節能過去一直是被忽視的問題,夏季主要是采用自然通風作為降溫的主要手段,冬季基本上不采暖。根據建設部的建筑節能發展目標規定,該地區民用建筑從2000年開始執行建筑熱環境及節能標準,2005年重點城鎮開始成片進行建筑熱環境及節能改造,2010年起各城鎮開始成片進行建筑熱環境及節能改造。

2 夏熱冬冷地區建筑節能研究的現狀

我國從20世紀80年代中期開始重視建筑節能工作,1996年頒布的《民用建筑節能設計標準(采暖居住建筑部分)》要求節能率達到50%。夏熱冬冷地區建筑節能的研究與以前采暖地區建筑節能的研究是不可分割的,采暖地區建筑節能研究為夏熱冬冷地區建筑節能研究創造了有利條件。20世紀90年代中后期正式提出夏熱冬冷地區的建筑節能問題,2001年頒布JGJ 134-2001夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準。

3 夏熱冬冷地區居住建筑節能整體設計

1)選址。

坡地選址可分為在山頂、山腰、山腳三種情況。理想的建筑選址是向陽的山腰位置。在山頂(一般很少有在山頂選址的居住區實例)的建筑在冬季受風的影響較大,但有利于夏季的通風散熱,而且視野開闊、日照充足。所以夏熱冬冷地區坡地選址優先考慮夏季自然通風和冬季太陽得熱。

2)朝向。

規劃朝向(大多數條式建筑的主要朝向)與夏季盛行風方向的角度最好控制在30°～60°之間。

夏熱冬冷地區最惡劣的建筑室內熱環境是夏季的東、西曬和頂曬(在被動條件下);另外此地區夏季室內過熱的主要原因是從窗戶進入室內的大量太陽熱輻射;好的規劃朝向可以使建筑更多的房間朝向南向,充分利用冬季太陽輻射熱,節約采暖能耗;也可以減少建筑東、西向的房間,減弱夏季太陽輻射熱的影響,節約制冷能耗。在一些建筑規劃設計中,設計師為強調圍合感,犧牲幾棟建筑的朝向(不采用南向或接近南向)并圍合布置。事實上,圍合感不是在天空中俯瞰大地,而是在地面上感受周圍建筑。所以在通過建筑組合形成圍合感的同時,宜盡可能不犧牲建筑的朝向[2](見圖1)。

3)間距與布局。

日照間距與建筑的高度和兩建筑之間的距離有關,從居住區規劃的角度考慮,建筑的高度與建筑之間的距離又與規劃的容積率和建筑占地率有關。建筑占地率越小,綠化率就可以越大,容積率越小,每戶享受綠化面積也就可以越大。所以間距大小不僅與住戶獲得日照的情況緊密相關,還由于與之相關的容積率和建筑占地率的關系,反映住戶享受綠化節能效果的情況。

從節能角度考慮,夏熱冬冷地區居住區規劃的布局形式主要是在夏季獲得良好的自然通風。其設計手法大致可包括(假定規劃的居住小區四面為城市道路):a.布局不宜封閉夏季盛行風的入風口;b.南面臨街不宜采用過長的條式多層(特別是條式高層);c.東、西臨街不宜采用條式多層或高層,這樣不但住宅單體的朝向不好,而且影響進風,宜采用點式或條式低層(作為商業網點等非居住用途);d.周邊式布局不利于夏季通風,如將東、西和南面的條式建筑底層架空,可起到一定的彌補作用;e.建筑高度宜南低北高,北面臨街的建筑可采用較長的條式多層甚至是高層(可以提高容積率,又不影響本居住區的日照間距);f.非臨街建筑的組合宜采用錯列式,使通風(道路)通而不暢。

4)綠化。

建筑節能與建筑所處環境關系密切。綠化可有效地改善居住區的熱微環境,水面也具有明顯調節熱環境的功能。

由于樹冠的大小和特征不同,所以無論是在調節熱微氣候方面,還是在改善室外空氣質量方面,都是喬木的效果最好,灌木次之,草地最差。因此居住區綠化在保證綠化率的同時,應盡可能多栽植喬木和灌木。可以充分利用各種條件進行綠化,屋頂綠化和墻面綠化(主要是指攀緣植物)不但有助于改善居住區室外熱微氣候,而且對建筑也有極好的保溫隔熱效果。

建筑綠化環境設計又可分為平面環境設計和立體環境設計,平面綠化在建筑中有屋面綠化和地面綠化。

5)體型。

建筑體型可分為單一體型和復合體型[3]。建筑體型常采用的連接方式有:形體直接連接或咬接、兩個形體之間加通廊連接和兩個形體之間加連接體連接等方式。

常見的居住建筑平面體型有:一字形、工字形、L形、Z形、T 形、Y 形、U 形、山形、長方形或周邊形(“口”形),還有“王”形等。

合理地選擇建筑的平面體型,是組織自然通風的重要措施。體型系數是影響建筑耗能水平的重要因素,體型系數越小,耗熱量越小,即越節能。體型系數小的建筑體型稱為節能體型。建筑師在設計過程中盡量選擇最佳節能體型。

6)自然通風與居住建筑節能。

自然通風是利用室內外溫差造成的熱壓和風吹向建筑物而在不同表面上造成的風壓差來實現通風換氣的。自然通風的效果往往是兩者共同作用的結果。

熱壓主要取決于室內外空氣溫差和進出氣口的高度差。解決熱壓問題可通過空間布局、門窗洞口的合理設計,建筑設計中應設置一定數量的低窗與高窗相結合,增加進出氣口的高差,熱空氣上升,經由高窗排出,涼爽的空氣由低矮的洞口進入室內,這就是常見的煙囪效應。

自然通風在建筑中的應用主要表現在兩個方面:a.增加室內外的溫差;b.加速室內空氣流動。

7)太陽輻射。

我國夏熱冬冷地區普遍熱濕,隔熱的內容包括太陽輻射熱和空氣熱。就空氣熱而言,空調房間室內外平均溫差一般為5℃左右,然而在太陽輻射下,室外綜合溫度大大高于空氣溫度,室內外平均溫差高達10℃以上。因此隔熱的主要內容是太陽輻射,利用太陽輻射的方位特性可以優化建筑體型設計使其有利于隔熱。

從建筑冬季日照和夏季防熱綜合考慮,南向是建筑最佳朝向。對于南北向長方體形建筑,存在一個最佳的長寬比和高寬比,使得建筑外表面所得太陽輻射量很少。這種最佳尺寸與夏季日照有關,鑒于我國大部分地區7月最熱,因此以7月大暑日確定建筑的最佳尺寸較為合理。對于防太陽總輻射,建筑的最佳尺寸較小。對于防太陽直接輻射,建筑的最佳尺寸較大。在指導建筑設計時,建議以相對總輻射量小于0.98,相對直接輻射量小于0.85作為建筑長寬比和高寬比的確定范圍。對我國大部分熱濕地區,推薦建筑的長寬比為1.8～2.6,高寬比為1.9～3.3。

4 結語

1)提高群眾的節能意識。節能建筑的普及,關鍵在于人們觀念意識的變化,應通過宣傳教育等方式換取社會與民眾的共識,改變以往只考慮局部利益的功利思想,對節能建筑的經濟效益進行綜合評價,從專業的角度出發,建立可比條件,對節能投資與節能收益進行權衡,分析建筑節能的社會、經濟、環境效益。2)利用新材料、新技術。我們已經跨入一個可持續發展的新世紀,新材料、新技術在飛速的向前發展。建筑作為生活的物質產品,每一步的變革和發展都伴隨著新材料、新技術的運用。建筑節能的前提是高技術。3)法律、法規的支撐。加強建筑節能的法制建設,加強建筑節能的行政執法和技術標準的制定工作,做到有法可依,依法嚴格監督管理;在建筑節能立法中,本著逐步推進、重點先行的原則,建立和完善建筑節能法規體系。

[1] 沈致和.住宅節能原理與設計[M].合肥:安徽科學技術出版社,2006.

[2] 祝金良.建筑節能設計探討[J].山西建筑,2007,33(14):236-237.