夏热冬冷地区住宅建筑的低碳设计——以南阳“宛在绿中央”小区方案为例

申红田

(南阳师范学院土木建筑工程学院，河南南阳 473061)

随着全球气候的不断变暖及能源的日趋紧张，低碳建筑设计越来越引起广大建筑设计者的重视。作为使用频率最高的住宅建筑，亦成为设计的重点。住宅建筑的低碳设计涵盖的内容十分广泛，从初期的土地规划、建设施工、建筑设备、建筑材料，到后期建筑的运营管理等均是应当充分考虑的环节。本文从建筑设计入手，认为住宅建筑的低碳设计应充分考虑所在地区的气候特点，融入适宜的低碳技术，通过整体设计创造空间与环境的良好结合，达到建筑与气候利用的最优，从而实现绿色节能，减少二氧化碳排放的低碳目的。本文以南阳地区建筑设计为例，探讨夏热冬冷地区住宅建筑的低碳设计方法。

1 夏热冬冷地区的气候分析

南阳市位于汉江支流白河的中游，处于北亚热带向暖温带的过渡地带，属于季风型大陆性半湿润气候，冬季干冷，雨雪少;夏季炎热，雨量充沛;春季回暖快，降雨逐渐增多;秋季凉爽，降雨逐渐减少。根据当地典型气候年数据，做出南阳地区室内外环境焓湿图，见图1，图中黄线区域代表了南阳地区热舒适区域，并在焓湿图上用蓝线做出南阳地区逐月气候最大值和最小值。据图1分析可得：在黄色热舒适区域中，只有3月、9月的部分天以及10月、8月的几天，这表明一年中南阳地区在舒适度范围内的天数不多，建筑的室内热舒适性不高，需要大量使用暖通空调进行空气调节。因此，住宅建筑的低碳设计重点应该在如何降低采暖和降温能耗。

图1 南阳地区逐月焓湿图

2 低碳设计策略

在严寒地区和寒冷地区，建筑师主要考虑保温问题，如通过材料手段提高建筑的热工性能和减小开窗面积，这在以保温为主要目的的北方地区效果明显;在炎热的南方地区，建筑师则重点考虑建筑的防热问题，如防止太阳辐射和增加自然通风，这对隔热降温也是十分有效的。但是在夏热冬冷地区兼具夏热和冬冷双重气候条件，既要考虑防热，又要考虑保温，不能简单或孤立的套用北方或南方的经验。

本方案结合南阳地区气候，通过控制建筑单体体形系数、设计紧凑型户型、控制窗墙比、屋顶绿化、设置日光间、采用蒸发冷却技术等措施，来实现住宅建筑采暖、降温的低碳化。

2.1 住宅体形控制

2.1.1 控制体形系数

体形系数控制对降低住宅能耗有着重要意义，主要是通过减少暴露在空气中的建筑外表皮面积，减少建筑的散热从而达到节能的效果。由于建筑体形不同，其室内与室外的热交换过程中界面面积也不相同，并且因形状不同带来的角部热桥敏感部位增减，也会给热传导造成差异。我国建设部于2010年颁布的《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准JGJ 134－2010》中对于体形系数的控制做出了明确规定，见表1。

表1 夏热冬冷地区居住建筑的体形系数限值

在本设计中，在满足美观的前提下，尽量减少建筑单体的墙面凹凸程度，减少大面积凹凸在外的阳台和卧室，本设计包含小、中、大三种户型，各栋建筑体形系均数控制在0.30 ～0.34。大大低于国家规定的0.35 ～0.55，见表2。

2.1.2 设计紧凑户型

户型过肥过大都不利于低节能。户型过大，无论是营建过程中的建筑耗材，还是使用时的能耗，都远远超过紧凑型户型。而且紧凑户型可以提供更多的户数，满足更多人的住房需求，从而提升土地的利用率，减少碳排放量。因此，在本设计中，在满足住户使用需求和舒适度的前提下，对各种不同的户型在面积上进行控制，见表3。

2.1.3 控制窗墙比

现在的住宅建筑流行使用飘窗。虽然飘窗可以丰富建筑的立面，拓宽室内空间和观景视野，但是与对于同样大的窗洞面积，使用飘窗所围合的面积远大于普通窗户，而窗的导热系数明显大于外墙，因此，在酷热的夏季和寒冷的冬季，使用飘窗就需要更多的制冷和采暖，造成能源浪费。所以，慎用飘窗，合理控制窗墙比，是低碳设计的重要手段。我国《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准JGJ 134－2010》中对于不同朝向外窗的窗墙面积比限值见表4。

表2 “宛在绿中央”小区建筑体形系数表

表3 “宛在绿中央”小区户型面积控制表

表4 不同朝向外窗的窗墙面积比限值

窗洞过大会造成耗能过多，过小又会造成采光不足。因此在设计中，应综合考虑节能和采光的要求，设计窗洞的大小。我国《建筑采光设计标准》中对不同使用功能的建筑采光有不同的要求，并限定了相应的窗地比，见表5。

在“宛在绿中央”小区户型中，主要空间(卧室、客厅)尽量朝南布置，开间为3 300～4 200 mm，根据窗墙比限值计算得出，窗户面积的上限为3.2～4.9 m2，下限值为2.1～2.3 m2。根据窗户面积的上下限值，本住宅设计的窗洞口高度为1 500 mm，宽度为1 500～2 000 mm，窗洞口面积为2.25～3 m2，满足使用要求。

2.2 附加阳光间

夏热冬冷地区室内外条件差别较大，用以平衡室内外条件、满足室内舒适度的能耗也较多，设计中需考虑设置缓冲空间，作为室内外不同环境的过渡区，以维护室内条件的稳定。

表5 不同功能房间的窗地比限值

在本设计中，每个户型都在起居室南侧设计一个附加阳光间。首先，起居室作为每户的公共空间，是供家庭成员交流和接待外来访客的重要场所，使用率高，因此其舒适度要求较高;其次，起居室面宽和进深都比较大，并与户内其他空间相连，有利于通风及增大阳光间的空间容积。

另外，通过选择外表皮玻璃，制定合理的遮阳方式，采用间接蒸发降温等技术手段，来实现综合节能的目的，如图2所示。

2.2.1 Low －E 玻璃

南阳地区气候极端，冬季有零下温度。因此，外表皮应选用保温性能好的Low－e中空玻璃。常用的Low－e玻璃分为遮阳型和高透型，遮阳型Low－e玻璃遮阳系数较小，可最大限度的阻止阳光进入室内，不利于冬季太阳能的充分利用，反而牺牲了宝贵的自然采光，在夏热冬冷地区不宜采用。而高透型Low－e玻璃遮阳系数较大，对透过的太阳能衰减较少，并可有效地防止室内热量的外溢，有利于夏热冬冷地区充分利用太阳能，因此本设计选用此种玻璃。

图2 附加日光间构造示意图

2.2.2 遮阳方式选用

在夏季降温方面遮阳是不可或缺的重要手段，然而传统遮阳板有明显的不足之处：首先，太阳辐射强度以6月21日最大，12月21日最小，但因地表蓄热，故最热月为8月、9月，最冷月为1月、2月。因此，若挡住夏末的阳光，势必也挡住早春的阳光，这必然会影响太阳能的利用。其次，传统的水平及综合遮阳板会阻碍空气的流动，从而导致大量能量在窗口积聚，不利于散热。此外，传统遮阳板只能遮挡太阳辐射的直射部分，而对天空中大量强烈的漫射光和环境反射作用不大。夏热冬冷地区夏季太阳高度角较大，尤其是在温度较高的正午，当窗户与外墙内侧平齐时，即使不设遮阳板，进入室内的直射光也十分有限，此时强烈的漫射光和环境反射成为遮阳的重点。理想的解决方法是使用“可调节的窗户附加装置”，也就是采用可调节的遮阳百叶卷帘。

根据遮阳卷帘的位置不同，可分为内遮阳和外遮阳。内遮阳卷帘的时候只能遮挡一部分太阳辐射，且散热受到限制，防热效果不好。而对于外遮阳，则可以第一时间就阻挡紫外线等强烈光线，降低了空间的负荷。故在设计中，选用外遮阳百叶卷帘。同时，在本设计中，百叶卷帘不仅起到遮阳的作用，还可与建筑外立相美结合，丰富外立面，如图3所示。

图3 附加日光间附加阳光间及外遮阳百叶示意图

2.2.3 蒸发冷却技术

阳光间的空气调节主要考虑蒸发冷却技术。作为一种新兴的空调技术，其冷却过程以水为冷却剂而不用CFC，因此具有设备成本低、能耗小、能有效减少温室气体和氯氟烃的排放量等优点，其中间接蒸发冷却技术因其冷却空气的同时并不加湿空气而特别适用于南阳地区。

蒸发冷却技术分为直接蒸发冷却和间接蒸发冷却。直接蒸发冷却(DEC)是利用循环水直接喷淋未饱和空气，从而达到降温、增湿的效果;间接蒸发冷却(IEC)是利用DEC冷却后的空气(二次空气)通过热交换器冷却另一股空气(一次空气)，在此过程中，一次空气与水和二次空气都不直接接触，所以其温度降低的同时含湿量却不会发生变化。间接蒸发冷却换热器是一种节能装置，它不用通过制冷压缩机就能将空气进行冷却，运行原理简单，所消耗的能量仅为小水泵和风机的电能，总耗能很低，如图4所示。

南阳地区夏季炎热，雨量充沛，如使用DEC进行空气降温，空气湿度也会相应提高，人体的热舒适度反而会降低。相较两种降温方式的特点，南阳地区更宜采用IEC。由于IEC降温的最低温度由当地的湿球温度所决定，南阳属于非干燥地区，其夏季湿球温度较高，因此IEC并不能替代机械湿冷来实现建筑物的空调，但其用于新风预冷是有一定实际意义的：(1)通过向空调提供IEC冷却过的空气，使冷却盘管的负荷下降，从而大大降低了常规处理设备的新风负荷及机械制冷设备的容量和安装功率，且减少了能耗及运行费用。(2)可以提高压缩机的制冷效率，常规压缩机的制冷效率随着温度的提高而降低，而使用IEC则可以确保压缩机在极端气候条件下正常运行。经研究表明，使用IEC进行新风预冷可提高压缩机制冷能力21%，能耗减少32%。因此在本设计，选用IEC来为阳光房空调进行夏季新风预冷。

2.3 运行方式

图4 间接蒸发冷却器原理示意图

2.3.1 冬季保温

南阳地区冬季气温较低，常有零下温度，冬季保温是这段时间内主要考虑的问题。主要的保温方式为：最大限度接受太阳辐射，并阻止室内热量的“外溢”。此时外遮阳卷帘卷起，太阳辐射通过“高透型”Low－e双层中空玻璃进入阳光间，阳光间得到太阳的照射被加热，其室内温度迅速升高，并通过空气循环和热传导提高其它房间温度。同时，中空玻璃的设置，可以有效减少内外温差导致的“热传导”，使室内温度始终高于室外环境温度(如图5所示)。

图5 冬季保温运行方式

2.3.2 夏季降温

南阳夏季温度较高，夏季6～8月气温持续徘徊在35℃左右。夏季降温是此时考虑的主要问题。主要的降温方式为：最大限度地避免太阳辐射进入室内，通过间接蒸发进行新风冷却降温，并阻止室外高温向室内传递。此时，外遮阳卷帘拉下，将户外的太阳辐射(主要为漫反射)反射走，间接蒸发冷却器源源不断向阳光间内空调送入冷却过的新风，对阳光间进行降温。此时外置的中空玻璃再次发挥作用，阻止室外热量传入，使室内温度始终低于室外温度(如图6所示)。

图6 夏季降温运行方式

3 减碳分析

3.1 保温减碳量

按照国家标准，室外日均气温低于5℃的为采暖日。南阳12月、1月、2月三个月日均气温均在5℃以下，三个月中有一半的时间(45 d)天气晴朗，可以保证阳光间获得足够的太阳辐射，不用使用空调取暖。两匹空调的制热范围为30～33 m2(起居室面积)，制热耗电量按7.7 kW/h，每天空调运行时间为12 h，可计算出一户住宅一年因附加阳光间而节省的采暖电量为45×12×7.7=4 158(kW)

根据家庭用电的二氧化碳转换系数为0.785 kg/(kW·h)，可以算出一户住宅一年因采暖而减少的二氧化碳排放量为4 158×0.785=3 264(kg)。

3.2 降温减碳量

《夏热冬冷居住建筑规范》中规定夏季住宅室内温度应控制在26～28℃，超过28℃的应该采取措施进行降温，南阳6月、7月、8月三个月日均最高气温均在31℃以上，假设这三个月夜间不用降温，则需要降温的天数为45 d。

空调制冷耗电量按5 kW/h，可计算出一户住宅一年的空调耗电量为45×24×5=5 400(kW)

由此可知，使用间接蒸发冷却技术预冷新风可以使空调能耗减少32%，则可计算得出较少的空调耗电量为5400×32%=1 728(kW)

根据家庭用电的二氧化碳转换系数为0.785 kg/(kW·h)，可以算出一户住宅一年因降温而减少的二氧化碳排放量为1 728×0.785=1 357(kg)

3.3 总减碳量

住宅建筑年总减碳量冬季保温及夏季降温年减碳量之和，即3 264+1 357=4 621(kg)

4 结语

低碳节能住宅，应该尽力利用自然力量，减少碳排放，尽力减少住宅对能源的要求。本文通过“宛在绿中央”居住区中的住宅方案设计，分析了形体控制，附加日光间等方式的可行性，并通过保守地粗略计算，得出一户一年减碳量可达4 621 kg。因此，要实现减少人类在居住及生活中的二氧化碳排放量，达到真正的可持续发展，低碳住宅有很好的发展潜力及应用前景。

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