住宅建筑節(jié)能優(yōu)化設(shè)計的探討

邱永亮1朱菊梅2

(1．陜西省建筑科學(xué)研究設(shè)計院710082  西安；2．漢中市建筑勘察設(shè)計研究院723000漢中)

1、前言

    建筑系統(tǒng)本身是巨大的消費者,建筑能耗在人類總能耗中所占比重約為l／4。因此，要求在設(shè)計過程中根據(jù)可持續(xù)發(fā)展原則，貫穿節(jié)約能源、資源的思想,減少對自然環(huán)境的污染和破壞，是每個建筑師的神圣職責(zé)。如何在住宅建筑設(shè)計中實現(xiàn)低能耗、克服嚴(yán)重的環(huán)境污染、采取節(jié)約型建筑技術(shù)體系，而且還能滿足熱舒適性及采光等的要求呢?有關(guān)專家提出了“構(gòu)造設(shè)計學(xué)”的概念，即要求在建筑設(shè)計中，盡量不依靠設(shè)備，而充分利用天然資源和地理條件，在建筑形式或布局上采取措施，利用被動式構(gòu)造設(shè)計手段，來滿足生活舒適的要求。

    所謂“優(yōu)化設(shè)計”是指：研究問題和尋求解決問題的最優(yōu)方案，“最優(yōu)”兩字應(yīng)理解為在給定條件下得到盡可能滿意的結(jié)果。在本文中，作者闡述了從綠色建筑的理念出發(fā)，提倡通過構(gòu)造設(shè)計學(xué)的途徑進行優(yōu)化設(shè)計，達到住宅建筑熱環(huán)境節(jié)能的目的。

2、住宅建筑布局和體形方面的優(yōu)化設(shè)計考慮

    住宅建筑節(jié)能設(shè)計所涉及自然地理環(huán)境、小區(qū)規(guī)劃中建筑群體的朝向、體形、間距、高低及道路網(wǎng)的布局，廣場綠地的分布等都會影響規(guī)劃區(qū)的微氣候，影響建筑的日照和通風(fēng)，由此影響到建筑的耗能。

    2.1朝向的選擇。經(jīng)調(diào)查，在其它條件相同情況下，東西向多層建筑的傳熱耗熱量要比南北向的高5％左右。因此，住宅朝向的選擇，最好選擇南向，以其有利于夏季的自然通風(fēng)，冬季增長日照時間。

    2.2具有合理的體形系數(shù)F0/V0。在住宅體形設(shè)計時，應(yīng)注意用最少的圍護結(jié)構(gòu)面積形成滿足功能要求的室內(nèi)空間體積V0，F0值(外墻表面積)越小越有利于建筑節(jié)能，其意義在于減少不必要的墻體外表面積，避免熱損失，節(jié)能住宅體形系數(shù)宜控制在0.25到0.28之間。

    2.3優(yōu)化建筑單體的組合方式。建筑單體之間的組合對氣流的形成具有直接的影響，為此設(shè)計時要確定好建筑物的位置和朝向，盡量減少氣候因素對圍護結(jié)構(gòu)的影響。如采取一定的措施保證每一棟住宅建筑單體都有充足的迎風(fēng)面；另外，建筑高度對自然通風(fēng)也有很大的影響，一般高層建筑對其自身的室內(nèi)自然通風(fēng)有利；而在不同高度的房屋組合時，高低建筑錯列布置有利于低層建筑的通風(fēng)，例如處于高層建筑風(fēng)景區(qū)內(nèi)的低矮建筑受到高層背風(fēng)區(qū)回旋渦流的作用，室內(nèi)通風(fēng)良好。

    2.4在總體規(guī)劃設(shè)計中，應(yīng)合理選擇熱源形式，優(yōu)化布置室外供熱管網(wǎng)，以減少熱傳輸?shù)膿p失。

3、建筑平面設(shè)計中節(jié)能的優(yōu)化設(shè)計考慮

    3.1平面形狀應(yīng)規(guī)整，盡量減少外圍護結(jié)構(gòu)面積。增加冬季直射室內(nèi)的陽光，夏季減少太陽輻射。合理組織穿堂風(fēng)，加強空氣對流，創(chuàng)造夏季適宜的室內(nèi)小氣候，以達到使用便利、環(huán)境舒適的效果。

    3.2熱環(huán)境的合理分區(qū)。把熱環(huán)境要求較低的廚房、廁所、過廳等布置在北向，而盡量爭取將居室布置在南向，充分利用太陽能，保持冬季室內(nèi)有較高的溫度；應(yīng)適當(dāng)減少北窗開窗面積。

    3.3設(shè)置溫度阻尼區(qū)。例如樓梯間由過去的開敞式改為封閉式，樓梯間設(shè)窗；北向單元入口均設(shè)門斗，避免冬季西北風(fēng)灌入；對屋面上人孔密封處理，使整個樓梯間形成一個溫度阻尼區(qū)。又如在北向設(shè)連通廚房的封閉凹陽臺，南向設(shè)外挑1.2米的凸陽臺，形成南北兩個溫度阻尼區(qū)，這些阻尼區(qū)像一道熱閘，大大減少了房間的冷風(fēng)滲透，從而減少了居室的熱損失，據(jù)實踐統(tǒng)計資料表明，可使房間的傳熱損失減少40％到50％，南向的溫度阻尼區(qū)白天還可以作為附加日光間使用，是節(jié)省冬季熱耗的又一個有效措施。

4、改善圍護結(jié)構(gòu)及材料的優(yōu)化設(shè)計考慮

    建筑圍護結(jié)構(gòu)，由包圍空間的將室內(nèi)與室外隔開的結(jié)構(gòu)材料和表面裝飾材料構(gòu)成，包括墻、窗、門和屋面、地面。圍護結(jié)構(gòu)必須平衡通風(fēng)和日光的需求，并提供適合于建筑地點的氣候條件的熱濕保護。圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計對于建筑在運行中的耗能是一個主要因素，據(jù)資料分析，僅從供暖耗能情況看，對整個建筑物各部位耗能分析：外墻加樓梯內(nèi)墻占31.5％-36.4％，門窗占33.7-40.8％，縫隙滲漏占20.1-22.6％。有關(guān)資料闡述了對華北、西北地區(qū)住宅建筑耗能進行的分析，發(fā)現(xiàn)建筑外門窗或通過外門窗空氣滲漏的耗能約占建筑總耗能的48.7％。由此看出，優(yōu)化建筑各部位的構(gòu)造設(shè)計，如減少圍護結(jié)構(gòu)滲透及實現(xiàn)結(jié)構(gòu)冷橋的保溫，實現(xiàn)外墻保溫化，建筑物采用隔熱保溫材料等后，采暖用能可節(jié)約20％到40％，而工程造價費用僅增加3％-8％。具體的優(yōu)化設(shè)計考慮如下：

    4.1門窗節(jié)能設(shè)計。外門窗是耗熱的重要渠道，是節(jié)能的重點部位。在我國，仍有80％以上的窗達不到節(jié)能要求。優(yōu)化設(shè)計時應(yīng)注意：

    (a)確定合理的窗墻比

    窗戶對住宅熱環(huán)境的影響相當(dāng)大，它既是太陽輻射的得熱部件，又是主要的失熱部件，合理確定窗墻面積比是節(jié)能的重要措施之一。符合我國國情的窗墻面積比，如表l所示。

    另外，應(yīng)減少、改善迎背風(fēng)面開窗面積的比例，從夏季自然通風(fēng)角度考慮，迎風(fēng)面和背風(fēng)面(以夏季主導(dǎo)風(fēng)向為基準(zhǔn))，窗戶開洞面積應(yīng)有一定比例，其比值約為l：0.7，既減少了冬季寒風(fēng)的滲透，有利于室內(nèi)保溫，又增加了夏季的滲透通風(fēng)，改善了生活環(huán)境的舒適度。

窗墻面積比  表l

    (b)專家們指出，窗戶的傳熱系數(shù)約為墻體的3-4倍，只有門窗達到每小時每米縫長的空氣滲透量≤2.5m3，才能達到節(jié)能優(yōu)化設(shè)計，為此，要利用新型門窗材料，改善保溫隔熱性能。近年來木門窗和鋼門窗已被逐漸淘汰，使用量最大的是鋁合金門窗和PVC塑料門窗，例如，選用“四防”節(jié)能型高強度組合鋁合金窗，又采用了嵌入式橡膠密封條減少縫隙，可使窗戶空氣滲透量大大減少，氣密性得到較大提高，收到了明顯的節(jié)能效果。另外，鋁合金門窗外表美觀，經(jīng)久耐用，并且材料可回收利用。PVC塑料框料導(dǎo)熱系數(shù)低，塑料門窗有高氣密性、水密性、耐腐蝕性和良好的保溫隔熱性能，在建筑節(jié)能方面有不可比擬的優(yōu)勢，但主要缺點是強度差、易老化、使用壽命短。因此，研制出抗衰老、符合環(huán)境要求的產(chǎn)品，才是塑料門窗的發(fā)展方向。

    (c)作者在調(diào)研中看到，至今為止，城鄉(xiāng)大部分住宅建筑門窗還在采用單層玻璃，其對太陽光輻射和遠紅外輻射很少有阻擋作用，導(dǎo)熱系數(shù)大，隔熱性能差，建議應(yīng)盡量減少使用；而普通中空玻璃，通過降低對流導(dǎo)熱而降低玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)(其性能與玻璃的材料、厚度、中空層厚度有關(guān))，且價格適中，易推廣應(yīng)用。

    4.2屋面保溫節(jié)能設(shè)計。屋面?zhèn)鳠崃侩m僅占整個建筑面積的9％，但對頂層房間的影響較大。根據(jù)本地區(qū)實際情況設(shè)計好屋面構(gòu)造，選擇好保溫材料，對屋面防水、保溫、隔熱進行綜合研究，是解決屋面節(jié)能的關(guān)鍵。在屋頂?shù)脑O(shè)計中，考慮其受風(fēng)、降水、日照等氣候因素的影響，應(yīng)通過造型、構(gòu)造和材料選擇達到利用改善微氣候條件的效果，如屋頂采取架空、微通風(fēng)構(gòu)造或在屋頂上種植綠色植物，可大大加強隔熱功能。對于樓板層的設(shè)計主要是利用其中空空間，以及對樓板吊頂造型加以設(shè)計，如將循環(huán)水管布置在其中，夏季利用冷水循環(huán)降低室內(nèi)溫度；冬季利用熱水循環(huán)取暖等。

    4.3地面保溫節(jié)能設(shè)計。為了改善底層住戶的室內(nèi)熱環(huán)境，減少熱損失，據(jù)資料介紹可在墊層下鋪lOOmm厚干爐渣，再做面層。有關(guān)專家還建議采用地面輻射采暖系統(tǒng)進行住宅建筑的供熱，首先，因為它較對流供暖方式熱效率高，熱量相對集中在人體受益的高度內(nèi)，在同樣使人感到溫暖的前提下，室內(nèi)設(shè)計溫度可以比后者降低2-3攝氏度；其次，因為它使室內(nèi)沿高度方向上的溫度分布比較均勻，溫度梯度很小，熱媒低溫傳送，在傳送過程中無效熱損失可大大減少；再其次，控制閥門集中于分配器，方便調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，且無人時可關(guān)閉，從而節(jié)省供暖能耗。最后，由于地面層蓄熱量大，熱穩(wěn)定性好，因此在間歇供暖的條件下，室內(nèi)溫度變化緩慢，特別適用于住宅建筑類型。

    4.4墻面保溫節(jié)能設(shè)計。墻面的耗熱量要占建筑采暖熱耗的1／3以上，它在建筑一次性投資中又占很大的比重，因此如何合理確定選用不同結(jié)構(gòu)的材料及保溫厚度，使這部分投資獲得最有效的節(jié)能效果十分必要。目前，新型保溫材料的物質(zhì)種類很多，材料的選擇要結(jié)合建筑物的使用性能、構(gòu)造方案、施工方法、材料來源以及經(jīng)濟指標(biāo)等因素。現(xiàn)今大力提倡的外墻外保溫技術(shù)適用于多種結(jié)構(gòu)體系，具有保溫功能和構(gòu)造合理，保溫隔熱效果優(yōu)良，沒有冷熱橋，不占建筑使用面積，對主體結(jié)構(gòu)有很好的保護作用，施工方便，投資增加不多，綜合經(jīng)濟效益顯著等特點，近幾年國內(nèi)以聚苯乙烯、巖棉、玻璃棉外保溫為主體的十幾種外保溫體系和技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并已形成產(chǎn)業(yè)化，具有相當(dāng)規(guī)模和專業(yè)化施工，具備了大力推廣應(yīng)用的條件。在外圍墻體設(shè)計中，除應(yīng)加強適應(yīng)氣候條件的常規(guī)保溫、防潮與隔熱等措施外，還應(yīng)體現(xiàn)在能夠改善微氣候環(huán)境條件的特殊構(gòu)造設(shè)計上，如馬來西亞著名建筑師楊經(jīng)文設(shè)計的檳榔嶼州Mennara Umn0大廈外墻中，外加了一種“捕風(fēng)墻”的特殊構(gòu)造設(shè)計，它在建筑兩側(cè)設(shè)陽臺開口，開口兩側(cè)外墻上布置兩片擋風(fēng)墻，使兩通風(fēng)墻形成喇叭狀的口袋，將風(fēng)捕捉到陽臺內(nèi)，然后通過陽臺門的開口大小控制過風(fēng)量，形成“空氣鎖”，可以有效地控制室內(nèi)的通風(fēng)，這種做法值得借鑒。

圖2：楊徑文：檳榔嶼州Mennara Umn0大廈“捕風(fēng)墻”設(shè)計示意圖

5、充分利用太陽能

    在我國，太陽能在大部分地區(qū)都具有良好的利用條件;全年日照時間最長的可達2800-3300h，年日照時數(shù)大于2200h(即每天平均日照時數(shù)大于6h)的地區(qū)，占國土面積的2／3以上，利用被動式太陽能采暖、太陽能熱水、主動式太陽能采暖與空調(diào)以及太陽能發(fā)電等前景廣闊。現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的是太陽能熱水器，尤其是在黃土高原地區(qū)，日照時間長，價格適中，深受歡迎。據(jù)最新報道：2004年，我國太陽能熱水器擁有量將達4000萬平方米，年替代常規(guī)能源能力約600萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，居世界第一位，并且，太陽能熱水器正在以30％的年增長率增長。而主動式太陽能采暖與空調(diào)及光電利用的技術(shù)含量較高，但初始投資成本較高，隨著技術(shù)的不斷進步，成本也將進一步下降，最終定會達到經(jīng)濟、實用的要求。近年來，在我國天津、北京、甘肅、河北等地已建立了17座被動式太陽能恒溫式住宅，這些住宅以建筑物本身為太陽能收集器，以達到取暖制冷的目的；日本的0M陽光體系住宅是典型的“低技術(shù)”與“高技術(shù)”相結(jié)合實現(xiàn)有效利用太陽能的典范，它的原理是室外空氣最初被屋面下的通氣槽引入，積蓄在屋檐下，并被安裝在屋頂上的玻璃集熱板加熱，然后這些空氣上升到屋頂最高處，通過一個屋頂通氣管和空氣處理器，進入垂直風(fēng)道向下轉(zhuǎn)入地下室，設(shè)置在基礎(chǔ)上的厚水泥板用來儲熱，這些熱空氣還可用于家庭的熱水供應(yīng)，如圖3所示，只需要利用有限的高技術(shù)就可以提供全年的室內(nèi)氣候調(diào)節(jié)。  

參考文獻：

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)