基于区域性气候的绿色装配式建筑空间低碳采光隔热设计

2022-03-21于利尧

工业加热 2022年1期

于利尧

(江苏省方圆建筑设计研究有限公司，江苏宿迁 223600)

近年来建筑领域发展绿色装配式建筑空间低碳采光隔热功能目的为提倡低碳环保、节能减排的设计理念，为大众营造好的居住环境[1-2]。当前该领域常用方法有基于CRITIC和TOPSIS法的绿色装配式建筑空间低碳采光隔热设计方法[3]、基于QCA的绿色装配式建筑空间低碳采光隔热设计方法[4]。传统的绿色装配式建筑在不断发展过程中暴露许多问题，例如空间设计资源浪费、设计的采光隔热效果不明显等问题，这使得建筑装配领域的转型出现阻碍。传统的绿色装配式建筑空间低碳采光隔热设计只考虑到了绿色环保的概念，并没有考虑在空间采光隔热设计中实现低碳理念，因此还不能成为建筑领域最优的采光隔热设计。

因此本文融合绿色节约理念和低碳环保理念，通过对分别设计绿色装配式建筑空间低碳采光和隔热两个结构，分析区域性气候对于建筑空间内采光隔热的影响，进而实现绿色装配式建筑空间低碳采光隔热的设计要求。

1 绿色装配式建筑空间的特征提取

绿色装配式建筑融合了生态和建筑两个概念，绿色建筑的准则是在建筑空间装配式设计时，以建筑需求作为基础，最大程度地采用绿色环保材料，使绿色建筑与自然和谐相处，符合当代所提倡的可持续发展的理念。绿色装配式建筑在设计过程中主要涉及建筑空间的地理因素、环境因素等方面，设计主要完成空间规划、设计、建筑以及运营，在此过程中要考虑生态变化的规律以及建筑的规则，最终形成一个完整的绿色装配式建筑空间的结构。绿色装配式建筑空间的特征表现为新能源、环境保护特征以及以人为本的设计特征。

空间的新能源特征与绿色建筑的主题相呼应，在绿色装配式建筑空间设计时，新能源特征主要表现在太阳能、风能、热能上。空间建筑内部的绿色能源如图1所示。

图1 空间建筑内部绿色能源

建筑空间的保护环境特征为一个绿色装配式建筑空间设计中，一些建筑废料的处理，根据空间设计需求将废料进行再利用处理，减少环境的污染。保护环境特征还表现在空间装配过程中的原材料采用最环保系列，不可提高设计利润，导致环境被污染[5]。

以人文本的空间建筑特征是在设计中不仅要以绿色生态、低碳环保为理念设计，重要的是以居住者的设计原则为基础进行低碳设计，否则就会出现本末倒置的情况，不符合建筑领域的施工原则。

2 绿色装配式建筑空间低碳采光角度分析

绿色装配式建筑空间低碳采光与隔热结构关系紧密，两者是互相影响的关系，最理想的空间采光角度是太阳光线的入射方向和地面之间形成的夹角为90°时，空间内的采光效果最佳[6-7]。采光角度如图2所示。

图2 绿色装配式建筑空间低碳采光角度

空间的采光效果一部分来自于太阳光照射，一部分来自于建筑空间设计，因此增加空间太阳光采光效果，减少人工采光的效果，就可以达到低碳的设计理念。本文探索建筑空间采光角度主要是将自然采光效果达到最佳，降低人工采光，因此从太阳的光照辐射量和太阳与建筑物的地面漫射辐射程度两方面进行分析[8]。

太阳通过门窗入射到空间的入射角度和方位角决定了太阳辐射量的大小，也决定了空间内的采光效果，空间的辐射量越多，空间采光效果最佳。由于太阳高度指的是太阳日出到日落过程中每一时刻照射在地球垂直方向映射的角度，它主要取决于建筑空间的经纬度，并且建筑地理位置也影响着太阳日照时数。经过调查，建筑空间的经纬度越趋近于180°，则太阳的光照高度与空间地面的夹角约趋近于90°，光照亮度强，空间的采光效果好[9-10]。另一方面空间的太阳方位角指的是太阳光线照射到地球某一点时的水平投影与南北方向线的水平夹角，主要表现形式是空间门窗设计的朝向。

建筑空间的自然采光还与地幔辐射程度有关系，空间的地幔辐射程度是利用空气中的水汽、灰尘、以及其他颗粒吸收太阳光的光照，因此在建筑空间采光角度设计时，要适当降低空间的地幔辐射程度，一旦此辐射超过标准，那么就会吸收太阳的辐射光照，减少空间内的采光效果。

3 域性气候的绿色装配式建筑空间低碳采光隔热

建筑空间的采光隔热的设计是十分重要的，合理控制隔热的效果，一旦隔热效果过甚或者过微就会导致建筑空间内过冷或者过热的效果，影响建筑空间装配式效果。本文分析的绿色装配式建筑空间低碳采光隔热结构主要是分析空间内构件隔热、人工材料隔热两部分。采光隔热结构如图3所示。

图3 采光隔热结构

空间的构件隔热主要是植物隔热和建筑屋顶隔热两方面。绿色植物代谢的有效气体可以吸收空气中的热空气，降低空间内的温度，植物构件隔热也可以美化建筑空间的设计[11-12]。屋顶是建筑空间本身的结构之一，在设计过程中可以根据空间地理位置适当增加屋顶的下降高度，使空间的隔热效果达到最佳。建筑门窗也可以作为隔热的工具，在建筑空间采光的设计过程中，合理的门窗位置有助于将建筑空间外的冷热空间阻挡，保证良好的空间隔热效果。

空间建筑的人工材料隔热是在装配式中后期采用一些施工材料构成的隔热结构，主要采用的材料是水泥、隔热板、涂料、石灰等其他建筑材料，在材料选择中，要坚持低碳环保原则，不采用有毒含量高的材料，保证空间的安全性。人工材料隔热板组成结构如图4所示。

图4 人工材料隔热板组成结构

区域性气候一般指的是某一地区作为单位进行统一分析气候特征，某一地区不只是根据省份进行划分，而是根据地理位置进行划分，具有相同气候特征的地区共同称为某一区域性气候。常见的区分区域性气候的特征是风向动力、温差大程度变化、节气的变化周期等其他特征，在绿色装配式建筑空间的采光隔热结构的设计中，不同区域性气候对于建筑相同的采光和隔热结构的影响是不同的[13]。区域性气候的本质是由地球经纬变化决定的，经纬度不同会导致太阳的同一时间太阳高度不同、昼夜时长不同、气温温差不同等其他情况的出现，这些因素就会影响相同绿色装配式建筑空间的采光和隔热情况，因此区域性气候是绿色装配式建筑空间低碳采光隔热设计的根本[14-15]。

通过在区域性气候分析的基础上探究绿色装配式建筑空间低碳采光角度和隔热结构的分析，本文总结出基于区域性气候的绿色装配式建筑空间低碳采光隔热设计流程，具体流程如图5所示。

(1)首先在对绿色装配式建筑空间低碳采光隔热进行设计时，考虑建筑空间所在地理位置的区域性气候，确定好空间的区域性气候后，再进一步结合区域性气候特征分析空间的低碳采光隔热设计方案；

(2)然后根据绿色装配式空间的地理位置合理地控制太阳辐射角度与空间底面的角度，使角度趋近于90°，使建筑空间内的自然采光效果最佳，达到低碳采光的目的；

图5 基于区域性气候的绿色装配式建筑空间低碳采光隔热设计流程

(3)其次根据空间的大小结构，合理设计构件隔热结构和人工材料隔热结构的设计，使空间内采光隔热效果达到最佳；

(4)最后，将空间采光角度和隔热结构的设计归纳在一个绿色装配式建筑设计图纸上，对最后的设计进行复检，主要复检的内容是设计方案是否符合区域性气候的特点和设计中的碳资源消耗是否最低，如果出现新的设计方案，在此过程中可以根据实际情况更改方案。

隔热板如图6所示。

图6 隔热板

4 实验研究

为验证本文提出的基于区域性气候的绿色装配式建筑空间低碳采光隔热设计方法的有效性，与传统的基于CRITIC和TOPSIS法的绿色装配式建筑空间低碳采光隔热设计方法，基于QCA的绿色装配式建筑空间低碳采光隔热设计方法进行对比实验。

设定实验参数如表1所示。

表1 实验参数

施工场地如图7所示。

图7 施工场地

根据表1中参数，选用本文提出的方法和传统方法进行对比实验。

得到的绿色装配式建筑空间低碳采光隔热方法采光耗时如图8所示。

图8 绿色装配式建筑空间低碳采光隔热方法采光耗时

根据图8可知，本文提出的基于区域性气候的绿色装配式建筑空间低碳采光隔热设计方法采光耗时少于传统方法。本文提出的方法分析区域气候特点，逐步建立适合本地的预制构件家族库，可以取得较好的社会经济效益。由于 BIM技术的深入应用，降低了建筑整个生命周期中各个参与方的沟通成本，创造出了区域内 BIM与装配式建筑相结合的应用模式，具有很好的示范和推广效果。

装配式建筑以 BIM信息化为基础，实现构件设计的标准化。信息集成云平台的 BIM技术将为全生命周期的装配式建筑产业化提供强有力的支持。装配式建筑必须与 BIM信息化发展趋势相结合，发挥其集成优势，实现其独特的产业链优势，成为 BIM信息化建设的新方向。

隔热性实验结果如图9所示。

图9 隔热性实验结果

根据图9可知，本文提出的方法隔热性能更好，能够在短时间内实现隔热工作。预制施工过程以先进的技术与管理相结合，适用于工程构件的各个方面，设计部门可编制整体工程蓝图，生产部门负责工程构件制作，运营部门负责工程构件的维修与管理。这个部门负责装配工程的装配和建造。将以往的建筑施工模式进行整合和改进，实现建筑施工生产的流程化。装配式建筑在我国建筑业的不断发展中，其生产效率和生产质量也将得到极大提高，从而推动了现代建筑业的稳步发展。组合式施工技术实现了场址主要环节的转移。以往，建筑工程都是现场施工，到处都是各种噪音。建材乱堆乱放，能耗极大，整块地尘土飞扬，环境污染十分严重，城市周边居民区的居住环境受到了极大的影响，装配式建筑正是对这些现象的有效改善。该厂已完成建筑构件的生产，随着水资源生产的有序流动，建设项目的生产越来越环保，建筑垃圾得到集中处理，城市环境污染得到有效改善，促进了城市生态文明建设。

综上所述，本文提出的方法隔热性能更好，采光耗时更短，更适合于实际应用中。