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浅谈建筑被动式节能设计

2015-10-26              沈阳建筑大学建筑与规划学院 陈华晋 李宝骏 董志峰

摘 要 : 提出建筑节能设计的正确理念应当是以被动式设计为基础, 以主动式设计为补充; 并就建筑的场地及单体建筑两个方面介绍了常用的被动式节能设计的方法.

关键词 : 建筑节能; 被动式; 主动式

 

0引言

在全球日益增长的能源消耗中,约有一半用于建筑的建造、使用及维护。一方面,人们对建筑室内环境提出越来越高的要求;另一方面,又必须尽可能地降低建筑能耗。这是矛盾的协调过程,需要各相关因素的考量和处理技巧,因此,在建筑设计中采用高效率的建筑节能方法尤为重要。

1、建筑节能设计理念

长期以来,我国建筑设计行业存在误区,建筑师只对建筑的使用功能进行空间划分设计,而把人对建筑环境的要求留给了设备工程师进行单独处理。界限分明的专业分工带来的节能效果并不理想,因为这种设计模式忽视了一个重要的理念:建筑节能必须立足于建筑自身对环境的适应和调控能力。建筑师在设计阶段就应引入正确的节能设计理念,充分利用被动式节能设计的方法,使建筑在环境对其影响的过程中尽可能地捕捉有利因素、避免不利状况;同时,设备工程师则应利用主动式节能方法,对建筑的环境调控能力进一步补充完善。

2被动式节能设计的方法

被动式节能是指建筑物本身通过各种自然的方式来收集和储存能量,建筑物与其周围的环境之间形成自循环的系统,不需要耗能的机械设备来提供支持也能充分利用自然资源,达到节约传统能源的效果。以下就建筑的场地及单体建筑两方面来介绍常用的被动式节能设计方法。

2.1场地的整体规划

场地的选择及整体规划,必须利用地形的有利因素,遮挡或接收太阳辐射,利用或防止主导风向,增加或降低温湿度。在小气候环境中,场地的方位、风速、风向、地表结构、植被、土壤、水体等都影响其整体状况。

2.1.1场地的地形分析

场地的地形因素包括海拔高度、斜坡山谷、地表情况等。海拔高度越高气温越低,每100m高的气温相差约0.6℃。设置在斜坡上的场地,朝向赤道能接收更多的太阳辐射,朝向两极则可避免更多地得热。山坡向阳表面受太阳辐射温度升高,加热了坡面的温暖空气使之上升,如果此时的风向是迎坡而来,则相对较冷的风与沿坡而上的暖空气相接触便易产生了迎风阳坡雨(如图1),我们把它称为湿坡;相反,背风的阴坡则很少降雨,称为干坡。另外,被山川环绕的场地风速较小,而狭窄的山谷则能提高风速对下风处的热环境产生影响。位于山脚的场地,因山脚热稳定性较强,夜晚山顶的温度下降比山脚的快,造成温差使得空气从山顶向山脚流动,这种高山风对于炎热地区的夜晚降温是极其重要的,而对于寒冷地区则应该避免。

浅谈建筑被动式节能设计

2.1.2场地的水体

靠近水体布置场地能减轻整个小气候的温度波动,同时,还能因为水体的热稳定性造成昼夜间场地和水体温差的波动,从而形成了两者之间的空气流动,这对于炎热地区的降温及缓解热岛效应非常有效。

2.1.3场地的植被

绿色植被能够遮挡太阳辐射热量,影响周围的地表和空气温度。植物还能把雨水蓄存起来,并通过叶子把水分蒸腾给周围的空气。植被的密度和高度则影响风速,通过植物和树木的组合布置甚至可以引导流经场地的风向和风速。

2.1.4场地内建筑群体的布置

建筑群体的布置方式对其热环境及风环境的影响显著,需要综合协调日照、通风间距与建筑密度等因素。对于夏季通风要求比较高的建筑群体,可以使夏季主导风沿向一定的角度(45°为最佳)吹向建筑群体,这样能大大地缩短建筑群体的间距。

建筑群的冬季防风与夏季通风是有待解决的矛盾,有学者提出一种特殊的混合带状式布置方法(如图2),它利用不同体型及高度的建筑物进行由南至北的带状区域划分:北向带状区域外围建筑体型宽大、高度较高,有利于阻挡冬季冷风由北向进入场地;中间部位的带状区域建筑体型和高度均为中等;南向带状区域建筑体型和高度则最小,有利于夏季获得更多的通风。

浅谈建筑被动式节能设计

图2建筑群冬季防风与夏季通风的协调

2.2单体建筑设计

2.2.1体型系数

住宅的体量对其单位建筑面积采暖耗热影响很大,合理选择体量本身就是节能的开始。体型系数是影响建筑耗能水平的重要因素,体型系数越小,耗热量越小,就越节能,严寒、寒冷地区体型系数应控制在0.3以下。

2.2.2建筑内部平面设计

2.2.2.1建筑内空间温度分区法

根据建筑各房间的使用要求及人们对热环境的需要,对建筑平面采用“温度分区法”进行合理分区。即把对热环境质量要求较低的房间布置于冬季温度相对较低的区域内,如厨房、厕所、走道等附属用房;把舒适性要求较高的房间布置在向阳区域,如居室和起居室等。在温度要求高的居住空间和温度变化很大的室外空间之间,结合使用情况设置阳光间、门斗等过渡区域,可大大减少外墙的传热损失,并降低了房间的冷风渗透量。

2.2.2.2室内自然通风组织

自然通风主要是利用风压原理,设计时注意门窗的相对位置、家具摆设等对风在建筑内部的流动影响,也可利用天井、小亭、楼梯间等增加建筑内部开口面积,便于引导自然通风。注意建筑迎风向进气口的构造对正压区气流的挤压状况,它能使入室气流路径产生偏向,尽量控制入室气流使其能流向生活区及人体高度的范围。当风压作用很小时,可利用热压原理,设置中庭产生烟囱效应实现通风换气。

2.2.3立面的节能设计

2.2.3.1窗墙比设计

进行建筑立面的节能设计需要确定合适的窗墙比。窗墙面积比对建筑能耗的影响,主要取决于窗与外墙之间热工性能的差异,相差越大,影响越显著。窗墙面积比不仅影响能耗;也影响建筑立面效果、室内采光、通风等。窗墙面积比过小,建筑通风不良,自然采光不足,会增加空调与照明能耗。

2.2.3.2围护结构保温隔热

屋顶、外墙及地面等围护结构的构造节点是建筑热工的薄弱环节,与建筑节能设计密切相关。根据建筑所处地区的气候环境及建筑内部的功能要求,考虑围护结构采用保温还是隔热。外保温比内保温更加节能,内保温则适用于间歇性供暖空调的大型空间。保温和隔热构造设计还需注意防止水蒸气在围护结构内部凝结对材料造成破坏,另外,也可采用空气或蓄水等方式调节围护结构的热工性能。

2.2.3.3建筑遮阳

夏季炎热地区遮阳尤为重要,需根据围护结构上孔洞的朝向选择不同的遮阳方式。外遮阳比内遮阳效果更好,也可采用可控遮阳等新式日照调节系统。遮阳隔热对通风有一定的影响,在遮阳的构造上需协调考虑,如采用留槽式遮阳板就是很好的方法。立面遮阳设计不仅是构造设计,还可以利用阳台、外廊等建筑构件以及垂直绿化综合处理,使立面遮阳设计与立面形态处理有机结合。

2.2.4被动式太阳房

被动式太阳房又称无源太阳房,在我国北方有一定的应用,新科技的发展则为太阳能保存和释放的综合利用提供了可能,并使其能达到冬季保暖、夏季制冷的要求。这体现在太阳房的墙体材料热工性能和南向阳光采集窗的物理特征地处理上,其实太阳房与一般的建筑没有绝对的界限,只是利用太阳能多少、节约效益不同而已。

2.2.5绿色建筑材料与建筑工业化

绿色建筑材料采用低能耗无污染的生产技术,大量使用尾矿、废渣、垃圾等工业或城市固体废弃物和农植物秸秆,生产无毒、无污染、无放射性,有利于环保与人体健康,并且可以循环回收利用,杜绝了二次污染的产生。建筑工业化则旨在利用现代科学技术成果和工厂化的管理模式集约化生产,将房屋由传统的现场“建造”模式改为工厂“制造”,提高了建筑的整体质量和速度。如轻钢结构的建筑体系,工业化程度高,有利于构件的标准化和符合模数制要求,与传统的砖混结构与钢筋混凝土结构相比,它还是环保型和可再生的,具有明显的优点。

3主动式方法对被动式节能设计的补充

主动式节能是指利用各种机电设备组成主动系统来收集、转化和储存能量,以充分利用太阳能、风能、水能、生物能等可再生能源,同时提高传统能源的使用效率。主动式节能对设备和技术的要求较高,一次性投资大,在使用过程中还需消耗能源,应作为被动式设计的补充手段应用在建筑中。现今呼吁发展以燃料电池为动力的建筑热电冷联供系统,开发高效利用天然气的燃气空调设备,如燃气轮机驱动的离心机、燃气发动机驱动的热泵、以太阳能为主天然气为辅的除湿空调再生系统等。另外,水源和地源热泵空调、吸收式空调、冰蓄冷空调、废热回收、中水雨水处理利用、智能建筑控制、新型节能灯具等都属于常用的主动式的节能方法。

4结语

建筑节能设计中,被动式方法和主动式方法是密切联系、相辅相成的。但建筑师应首先把握住“节能”这一重要的设计理念,尽量在不使用设备的情况下,采用被动式节能技术设计出环境品质相对优良的建筑,只有在环境最恶劣、被动式方法达不到建筑使用要求的时候,才由设备工程师加以主动式设计的辅助和补充。当然,设备工程师也可对建筑师的被动式节能设计提出参考意见,以便更好地协调工作。

 

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