夏热冬冷地区居住建筑节能整体设计浅析*

陈宜瑜 张 为

随着城市建设的高速发展,建筑能耗逐年大幅度上升,已成为中国能源消费的主体之一。建筑节能,尤其是居住建筑的节能研究在能源危机面前尤为迫切。目前,各国对居住建筑节能进行了深入研究,在众多节能手段的探讨与研究中,研制节能建筑材料,采用新工艺,新型保温门窗,以及利用新型能源等受到了较多的关注。然而,建筑整体设计所产生的节能效应长期以来被人们所忽视,包括选址、规划布局、建筑体型等一系列被动式节能设计手段,对于居住建筑的节能设计而言,以上诸方面是十分重要且亟待解决的研究领域。

1 夏热冬冷地区气候特征与居住热环境状况

夏热冬冷地区是我国人口最密集,经济发展速度最快的地区,该地区每年炎热季节有3个～4个月,寒冷天气有2个～3个月,最热天气温可达41℃,最冷天气温可降至-18℃,而且湿度高达70%～80%,形成夏季闷热,冬季湿冷的气候特点。该地区的建筑节能过去一直是被忽视的问题,夏季主要是采用自然通风作为降温的主要手段,冬季基本上不采暖。根据建设部的建筑节能发展目标规定,该地区民用建筑从2000年开始执行建筑热环境及节能标准,2005年重点城镇开始成片进行建筑热环境及节能改造,2010年起各城镇开始成片进行建筑热环境及节能改造。

2 夏热冬冷地区建筑节能研究的现状

我国从20世纪80年代中期开始重视建筑节能工作,1996年颁布的《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》要求节能率达到50%。夏热冬冷地区建筑节能的研究与以前采暖地区建筑节能的研究是不可分割的,采暖地区建筑节能研究为夏热冬冷地区建筑节能研究创造了有利条件。20世纪90年代中后期正式提出夏热冬冷地区的建筑节能问题,2001年颁布JGJ 134-2001夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准。

3 夏热冬冷地区居住建筑节能整体设计

1)选址。

坡地选址可分为在山顶、山腰、山脚三种情况。理想的建筑选址是向阳的山腰位置。在山顶(一般很少有在山顶选址的居住区实例)的建筑在冬季受风的影响较大,但有利于夏季的通风散热,而且视野开阔、日照充足。所以夏热冬冷地区坡地选址优先考虑夏季自然通风和冬季太阳得热。

2)朝向。

规划朝向(大多数条式建筑的主要朝向)与夏季盛行风方向的角度最好控制在30°～60°之间。

夏热冬冷地区最恶劣的建筑室内热环境是夏季的东、西晒和顶晒(在被动条件下);另外此地区夏季室内过热的主要原因是从窗户进入室内的大量太阳热辐射;好的规划朝向可以使建筑更多的房间朝向南向,充分利用冬季太阳辐射热,节约采暖能耗;也可以减少建筑东、西向的房间,减弱夏季太阳辐射热的影响,节约制冷能耗。在一些建筑规划设计中,设计师为强调围合感,牺牲几栋建筑的朝向(不采用南向或接近南向)并围合布置。事实上,围合感不是在天空中俯瞰大地,而是在地面上感受周围建筑。所以在通过建筑组合形成围合感的同时,宜尽可能不牺牲建筑的朝向[2](见图1)。

3)间距与布局。

日照间距与建筑的高度和两建筑之间的距离有关,从居住区规划的角度考虑,建筑的高度与建筑之间的距离又与规划的容积率和建筑占地率有关。建筑占地率越小,绿化率就可以越大,容积率越小,每户享受绿化面积也就可以越大。所以间距大小不仅与住户获得日照的情况紧密相关,还由于与之相关的容积率和建筑占地率的关系,反映住户享受绿化节能效果的情况。

从节能角度考虑,夏热冬冷地区居住区规划的布局形式主要是在夏季获得良好的自然通风。其设计手法大致可包括(假定规划的居住小区四面为城市道路):a.布局不宜封闭夏季盛行风的入风口;b.南面临街不宜采用过长的条式多层(特别是条式高层);c.东、西临街不宜采用条式多层或高层,这样不但住宅单体的朝向不好,而且影响进风,宜采用点式或条式低层(作为商业网点等非居住用途);d.周边式布局不利于夏季通风,如将东、西和南面的条式建筑底层架空,可起到一定的弥补作用;e.建筑高度宜南低北高,北面临街的建筑可采用较长的条式多层甚至是高层(可以提高容积率,又不影响本居住区的日照间距);f.非临街建筑的组合宜采用错列式,使通风(道路)通而不畅。

4)绿化。

建筑节能与建筑所处环境关系密切。绿化可有效地改善居住区的热微环境,水面也具有明显调节热环境的功能。

由于树冠的大小和特征不同,所以无论是在调节热微气候方面,还是在改善室外空气质量方面,都是乔木的效果最好,灌木次之,草地最差。因此居住区绿化在保证绿化率的同时,应尽可能多栽植乔木和灌木。可以充分利用各种条件进行绿化,屋顶绿化和墙面绿化(主要是指攀缘植物)不但有助于改善居住区室外热微气候,而且对建筑也有极好的保温隔热效果。

建筑绿化环境设计又可分为平面环境设计和立体环境设计,平面绿化在建筑中有屋面绿化和地面绿化。

5)体型。

建筑体型可分为单一体型和复合体型[3]。建筑体型常采用的连接方式有:形体直接连接或咬接、两个形体之间加通廊连接和两个形体之间加连接体连接等方式。

常见的居住建筑平面体型有:一字形、工字形、L形、Z形、T 形、Y 形、U 形、山形、长方形或周边形(“口”形),还有“王”形等。

合理地选择建筑的平面体型,是组织自然通风的重要措施。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,即越节能。体型系数小的建筑体型称为节能体型。建筑师在设计过程中尽量选择最佳节能体型。

6)自然通风与居住建筑节能。

自然通风是利用室内外温差造成的热压和风吹向建筑物而在不同表面上造成的风压差来实现通风换气的。自然通风的效果往往是两者共同作用的结果。

热压主要取决于室内外空气温差和进出气口的高度差。解决热压问题可通过空间布局、门窗洞口的合理设计,建筑设计中应设置一定数量的低窗与高窗相结合,增加进出气口的高差,热空气上升,经由高窗排出,凉爽的空气由低矮的洞口进入室内,这就是常见的烟囱效应。

自然通风在建筑中的应用主要表现在两个方面:a.增加室内外的温差;b.加速室内空气流动。

7)太阳辐射。

我国夏热冬冷地区普遍热湿,隔热的内容包括太阳辐射热和空气热。就空气热而言,空调房间室内外平均温差一般为5℃左右,然而在太阳辐射下,室外综合温度大大高于空气温度,室内外平均温差高达10℃以上。因此隔热的主要内容是太阳辐射,利用太阳辐射的方位特性可以优化建筑体型设计使其有利于隔热。

从建筑冬季日照和夏季防热综合考虑,南向是建筑最佳朝向。对于南北向长方体形建筑,存在一个最佳的长宽比和高宽比,使得建筑外表面所得太阳辐射量很少。这种最佳尺寸与夏季日照有关,鉴于我国大部分地区7月最热,因此以7月大暑日确定建筑的最佳尺寸较为合理。对于防太阳总辐射,建筑的最佳尺寸较小。对于防太阳直接辐射,建筑的最佳尺寸较大。在指导建筑设计时,建议以相对总辐射量小于0.98,相对直接辐射量小于0.85作为建筑长宽比和高宽比的确定范围。对我国大部分热湿地区,推荐建筑的长宽比为1.8～2.6,高宽比为1.9～3.3。

4 结语

1)提高群众的节能意识。节能建筑的普及,关键在于人们观念意识的变化,应通过宣传教育等方式换取社会与民众的共识,改变以往只考虑局部利益的功利思想,对节能建筑的经济效益进行综合评价,从专业的角度出发,建立可比条件,对节能投资与节能收益进行权衡,分析建筑节能的社会、经济、环境效益。2)利用新材料、新技术。我们已经跨入一个可持续发展的新世纪,新材料、新技术在飞速的向前发展。建筑作为生活的物质产品,每一步的变革和发展都伴随着新材料、新技术的运用。建筑节能的前提是高技术。3)法律、法规的支撑。加强建筑节能的法制建设,加强建筑节能的行政执法和技术标准的制定工作,做到有法可依,依法严格监督管理;在建筑节能立法中,本着逐步推进、重点先行的原则,建立和完善建筑节能法规体系。

[1] 沈致和.住宅节能原理与设计[M].合肥:安徽科学技术出版社,2006.

[2] 祝金良.建筑节能设计探讨[J].山西建筑,2007,33(14):236-237.