建筑熱環(huán)境與建筑節(jié)能設(shè)計

呂 揚 趙宏杰

(1.長治市規(guī)劃設(shè)計院，山西長治 046000;2.邯鄲職業(yè)技術(shù)學院，河北邯鄲 056000)

進入21世紀，節(jié)能建筑已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注，而且在不久的將來可持續(xù)發(fā)展和能源保護必然將深入到建筑設(shè)計的核心。生態(tài)建筑、綠色建筑、人居環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展是前衛(wèi)建筑師們最時髦的話題。建筑與環(huán)境保護、可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系已變得和傳統(tǒng)的要素，如功能、空間、形式等同等重要，而且將會影響到建筑最后的形象。由于我國城鎮(zhèn)化的步伐加大，建筑行業(yè)目前正飛速的發(fā)展著。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)在每年建成的房屋面積數(shù)高達16億m2～20億m2，已經(jīng)達到甚至是超過所有的發(fā)達國家每年建成房屋面積數(shù)的總和。預計到“十二五”末期，我國全國房屋面積將達到20世紀初的兩倍。然而，值得我們思考的是，在我國現(xiàn)有的約400億m2建筑中，基本上都為高耗能建筑，即使是新建的正在建設(shè)中的建筑仍有高達95%的建筑屬于高能耗建筑。這些建筑，就單從采暖耗能來看，已經(jīng)達到發(fā)達國家的3倍以上。可見，我國建筑節(jié)能水平和國際先進水平相比，差距越拉越大，為了減小和國際領(lǐng)先水平的差距，建成低耗能建筑，就要求設(shè)計人員了解建筑熱環(huán)境的影響因素，從而設(shè)計出節(jié)能建筑。

1 建筑熱環(huán)境

建筑物外圍護結(jié)構(gòu)將人們的生活與工作空間分為室內(nèi)和室外兩部分，因而，建筑熱環(huán)境也就分為室內(nèi)熱環(huán)境和室外熱環(huán)境。建筑物常年經(jīng)受室內(nèi)外各種熱環(huán)境因子的作用，屬于室外的因子如太陽輻射、空氣的溫濕度、風、雨雪等，統(tǒng)稱為室外熱環(huán)境;屬于室內(nèi)的因子如空氣溫濕度、生產(chǎn)和生活散發(fā)的熱量與水分等，則稱為室內(nèi)熱環(huán)境。

2 室內(nèi)熱環(huán)境的構(gòu)成要素及影響

人對建筑環(huán)境的要求，最基本的一條就是室內(nèi)熱環(huán)境的舒適性。室內(nèi)熱環(huán)境是否舒適，主要表象就是冷熱感。這種冷熱感取決于人體向周圍環(huán)境散發(fā)的熱量和人體新陳代謝過程中產(chǎn)生的熱量之間的關(guān)系。如果讓散熱量和產(chǎn)熱量保持一個相對平衡的狀態(tài)，那么，這種環(huán)境對人體的健康和舒適性都是至關(guān)重要的。這種平衡狀態(tài)，即使在外界環(huán)境有較大變化的情況下，也能使體內(nèi)核心組織的溫度波動很小。為了使室內(nèi)環(huán)境達到這種熱平衡，我們就要了解影響室內(nèi)熱環(huán)境的各種環(huán)境因素，這些因素主要包括空氣溫度、平均輻射溫度、空氣流速和空氣濕度四個方面。

3 建筑熱環(huán)境的室外影響因素

在設(shè)計建筑圍護結(jié)構(gòu)時，要想達到滿意的室內(nèi)熱環(huán)境，就必須熟悉作用在其上的各種室外熱作用。室外熱環(huán)境是指作用在建筑外圍護結(jié)構(gòu)上的一切熱物理量的總稱。

在研究人體熱舒適感及建筑設(shè)計時，涉及的主要氣候要素有:太陽輻射、對天空的長波輻射、空氣溫度和濕度、風及雨雪等。這些要素是相互聯(lián)系的，共同影響著建筑的設(shè)計和節(jié)能。

4 建筑能耗分析與節(jié)能設(shè)計

4.1 建筑采暖

在冬季，居住建筑室內(nèi)溫度一般要求達到18℃，甚至較高的要求要達到20℃。為了保證室內(nèi)溫度達到要求，就要不斷的向房間內(nèi)提供熱量。由于冬季室外溫度較低，建筑物會通過圍護結(jié)構(gòu)從室內(nèi)向室外散失熱量，所以，為了保證室內(nèi)舒適的溫度，在采暖地區(qū)需設(shè)置采暖設(shè)備，并配有適當?shù)耐L換氣設(shè)備。

建筑物能夠吸收并得到的熱量我們稱之為建筑物的總得熱。建筑物的總得熱經(jīng)分析可知由以下幾個部分組成:70%～75%為采暖設(shè)備提供的熱量;15%～20%為太陽能熱量，通過窗戶和建筑物圍護結(jié)構(gòu)傳遞給室內(nèi);8%～12%為建筑物內(nèi)部得熱，這部分包括家電和人體散熱、照明散熱和炊事散熱等。建筑物在得熱的過程中同時也會散失熱量，熱量散失渠道主要有:70%～80%為建筑物圍護結(jié)構(gòu)散熱，20%～30%為門窗縫隙的空氣滲透耗熱量。采暖設(shè)計時，一般的民用建筑和工業(yè)建筑，這些產(chǎn)生熱量很少的建筑，在進行供熱負荷計算時一般只考慮由門窗等縫隙或孔洞進入到室內(nèi)的冷空氣的耗熱量和建筑圍護結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量。

經(jīng)過以上分析，在建筑物采暖設(shè)計過程中要想達到節(jié)能的目的，需要采取以下幾種措施:1)為了減少空氣滲透耗熱量，需要提高建筑物門窗的嚴密性;2)為了減少傳熱耗熱量，需要加強建筑物外圍護結(jié)構(gòu)的保溫，并盡量減小建筑物外表面積;3)盡量利用太陽輻射得熱。總之，在盡量減少建筑物總失熱量的同時努力提高建筑物的得熱，最終達到節(jié)約供熱量的目的。

4.2 建筑空調(diào)

夏季空調(diào)降溫建筑的室溫允許波動范圍為±2℃。在夏季空調(diào)建筑的總得熱來自于以下幾個環(huán)節(jié):1)太陽的輻射。太陽的輻射可以直接通過窗戶進入到室內(nèi)形成熱量，另外，太陽輻射還可以通過外墻和屋面吸收最終傳入到室內(nèi);2)室內(nèi)外溫差傳熱。這個環(huán)節(jié)主要是通過建筑物門窗形成空氣滲透換熱;3)建筑內(nèi)部產(chǎn)生的熱量。主要包括家電及照明，人體的散熱和炊事過程中產(chǎn)生的熱量。這些建筑物總得熱，一部分被內(nèi)部圍護結(jié)構(gòu)所吸收和暫時儲存，其余的均構(gòu)成了空調(diào)負荷。

為了達到空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能，就要抑制室內(nèi)產(chǎn)生熱量，抑制熱量進入到室內(nèi)，同時要促進室內(nèi)的熱吸收，促進熱量向室外散去。抑制輻射熱進入室內(nèi)需要考慮透射傳入、反射傳入和受熱面的條件等。對于透射傳入，最好設(shè)障礙物，而對各種不同的情況，可以采取不同的方法。為了促進導熱散熱，要考慮到當室外溫度低于室內(nèi)溫度時，室內(nèi)的熱就會通過建筑構(gòu)件由室內(nèi)向室外傳導。為了冷卻建筑物，就要促進這種熱傳導。受太陽輻射的建筑部位外側(cè)，溫度一般都很高。但這些熱在涼爽的春秋季節(jié)，可以通過受不到陽光照射的外圍護結(jié)構(gòu)的陰影部位向室外導熱。

5 建筑設(shè)計對室內(nèi)熱環(huán)境的影響

從建筑形態(tài)的角度來看，特定的氣候條件是其形成與演進的主導自熱因素。建筑針對氣候而產(chǎn)生，從某種意義上說，氣候造就了建筑，建筑是人對環(huán)境補償?shù)囊环N手段。建筑熱環(huán)境的這種被動式的調(diào)節(jié)策略可以從建筑設(shè)計著手，主要通過建筑物的朝向、建筑構(gòu)件的形式、建筑材料的選擇及建筑物與地形、植被和居住區(qū)的整體設(shè)計等方面，協(xié)調(diào)好建筑與自然氣候的適應關(guān)系。

5.1 整體及外部環(huán)境設(shè)計

為了創(chuàng)造舒適的室內(nèi)熱環(huán)境，在建筑物外部環(huán)境設(shè)計時就要先創(chuàng)造良好的條件，這也是為了整體建筑節(jié)能做考慮。所以在建筑的選址、規(guī)劃以及形體和朝向等方面，都要進行周密的考慮。

對于建筑選址，要考慮到當?shù)氐耐临|(zhì)、水質(zhì)及氣候、地形等，還要綜合考慮周圍現(xiàn)有的環(huán)境條件。這些因素的優(yōu)劣直接決定著建筑物所選位置微氣候環(huán)境是否適宜。除了要考慮周圍微氣候環(huán)境要適宜建筑物的建設(shè)，還要考慮建筑物建成后是否會影響到現(xiàn)有的周圍生態(tài)環(huán)境，要保證建筑物建成后在整個生命周期中不使周圍的微氣候環(huán)境遭到破壞，這樣才能保證生態(tài)環(huán)境的平衡。

對于建筑物的形體設(shè)計，要使其適應周圍微氣候環(huán)境，做到合理設(shè)計。在建筑的規(guī)劃布局上，為了保證在無風的條件下也能夠使建筑物形成自然通風，就要使建筑物的向陽面和背陰面的氣壓存在壓差。另外，可以在建筑物的外形設(shè)計上增加風洞，能夠讓自然風在風洞中回旋，使建筑物達到良好的通風效果。

5.2 建筑的單體設(shè)計

建筑的單體設(shè)計，可以有效的利用和改善微氣候環(huán)境。當建筑物的朝向和位置確定以后，其所處的外部微氣候環(huán)境就已經(jīng)基本確定下來了。所以此時若想改善室內(nèi)微氣候環(huán)境，就要在建筑單體設(shè)計時稍加考慮。比如，可以通過改變建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計和建筑物分隔空間的設(shè)計來達到改善室內(nèi)微氣候環(huán)境的目的。也可以考慮選用一些新型的建筑材料和設(shè)備，從而達到充分利用建筑外部氣候環(huán)境條件來影響室內(nèi)環(huán)境的目的。建筑的體形和平面設(shè)計都會對室內(nèi)熱環(huán)境和節(jié)能效果產(chǎn)生影響。其體形的控制參數(shù)為體形系數(shù)。體形系數(shù)可以用單位體積所具有的外露面積來表示。在其他條件相同的情況下，體積相同的建筑物，外露面積越小，熱損耗也越少。控制建筑物的體形系數(shù)，無論對于減少冬季失熱還是夏季得熱都是有利的。同樣大小的建筑平面面積，由于其平面布局的不同，其外露面積可以相差懸殊，從而影響到建筑熱損失。建筑構(gòu)造設(shè)計主要包括建筑圍護結(jié)構(gòu)的保溫、隔熱措施及其解決防潮、防結(jié)露、防冷熱橋等問題的設(shè)計方法。而其中外墻由于占全部建筑圍護結(jié)構(gòu)的60%以上，通過外墻的耗熱量約占建筑物全部耗熱量的40%，因此，提高外墻的保溫、隔熱性能對改善室內(nèi)熱環(huán)境及建筑節(jié)能具有重要意義。

［1］劉加平.建筑創(chuàng)作中的節(jié)能設(shè)計［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［2］白艷麗.暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能淺析［J］.科技信息，2008(1):15-16.

［3］曠春貴.論暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能［J］.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2011(15):32.