優化高層及住宅建筑節能設計

鄧紅專 江西省人防工程設計科研院

優化高層及住宅建筑節能設計

鄧紅專 江西省人防工程設計科研院

文中敘述了建筑節能與氣候、地理條件的關系。同時分析了高層建筑位置、朝向與接受太陽輻射熱能的關系、自然通風及圍護結構墻體的保溫、隔熱存在的問題及結合作者所處長江中下游地區對住宅建筑節能設計的幾點意見。

建筑節能；高層；長江中下游地區； 住宅建筑節能

現在高層建筑體形龐大,如容積率過高,相鄰建筑互相遮擋、不通透,形成大面積陰影區。除此之外,近些年在某些城市建高層建筑已成風氣,設計者往往大部分精力放在追求立面形式和使用功能上,而往往忽略生態環境的保護、特別是建筑設計節能意識淡薄,造成高能耗、低效益,影響常年使用,浪費巨大。建筑節能包含兩部分內容,一部分是加強圍護結構的保溫隔熱能力,另一部分就是從供暖、供冷的熱源、輸送渠道及實現方式來節約能源。一般的房子里, 30%的熱量從窗戶跑掉了。如果選用雙層玻璃,中間再充上惰性氣體,就可在一定程度上阻斷熱量散發。35%熱量從墻體散發,如采用隔熱材料,增加保溫層,節能效果就很明顯。智能化建筑首先要達到節能的標準和良好的居住舒適度,其次才是家具的智能化和安全保衛的智能化。實際上,智能化建筑不一定就是豪華的,但它必須是低能耗的。美國有些智能化建筑造價比普通建筑還低15%,因為它們追求合理的結構,講究實用功能和外觀的簡潔,利用了可回收材料,而不追求豪華裝飾。還可以充分利用地熱泵技術,如冰島等國家,建筑房子時先在地上打兩個洞,通過電泵將地下水循環起來,為整座房子供熱。惟一耗能的就是電泵。而在丹麥等國,由于地處海邊,太陽能和風能的利用條件得天獨厚,使用熱泵技術時結合風能與太陽能,用風能與太陽能來帶動電泵就可以做到“零能耗”。所以建筑節能不僅是建筑本身的節能,且由城市的綜合環境、氣候條件、總體布局;建筑物的形體變化、朝向;外圍護結構保溫、隔熱的性能;門窗質量等許多綜合性因素構成,因此,建筑的節能首先應為設計者重視。

1.優化高層建筑位置及朝向設計

建筑的定位首先應考慮對城市環境的影響,容積率過高很難滿足日照要求,陽光有著巨大輻射能量。據有關資料分析,地球每年接收的能量有60億億千瓦,陽光不僅對人的身體健康有著很大影響,對建筑的節能也有著十分重要意義。城市規劃應注重應用日照原理,合理的確定建筑位置與朝向,使每幢建筑能接收更多的太陽輻射熱能,因此,建筑的方位與節能有著直接關系。如,在北緯40°～45°度地區,冬天建筑的朝向所得到的輻射能量幾乎比夏天多兩倍,而在夏天東、西向所得到的能量比南向多2.5倍,不同朝向,不同季節,建筑物所得到的太陽輻射熱能量不同,熱損失也不同,尤其是在冬至前后,由于太陽高度角低,房間所接收的太陽光線的面積比夏天多得多。在確定建筑的方位時首先應考慮環境情況,按其太陽高度角做出日影響圖,以確定冬季每天的日照時間,建筑南向開窗面積盡可能大些,在滿足采光條件下,北向、東向窗盡可能小些,從而獲得更多的太陽光線,減少熱損失,保持室內舒適的溫度環境。

2.優化高層圍護結構墻體設計

(1)外墻是圍護結構的主體部分,高層建筑的圍護結構是鋼筋混凝土框架或剪力墻結構承重,因此,圍護結構屬于填充材料,為了減輕荷載,達到保溫、隔熱要求,采用輕質高效保溫材料,目前常用的墻體做法有:頁巖陶粒混凝土空心砌塊;粘土空心磚與實心磚復合墻體;粘土實心磚或空心磚巖棉夾心復合墻體等。通過實踐比較與保溫材料設在內側相比,圍護結構的保溫材料設在外側節能效果較好。

(2)高層建筑的圍護墻體不宜采用外側保溫的聚苯乙烯泡沫板(舒樂板、PG板),巖棉板等輕質保溫材料。一幢建筑的壽命少則幾十年,多則上百年,材料的應用與建筑整體的壽命應同步。對于輕質的外保溫復合墻體,筆者認為存在以下不足之處:1)抗震能力差,易松散,與結構構件結合不好,整體性能差。2)不能承受外部裝修貼、掛荷載,如:貼石材,安裝裝飾構件等。3)不能承受有振動的鑿、刨的裝修,如:剁斧石面層、預留洞、槽易出現冷橋。4)墻表面易出現裂紋。除此之外,復合墻體由于框架梁拉、剪力墻的嵌入,墻體內容易造成冷橋,是保溫、隔熱的薄弱環節。據測定,建筑所出現的冷橋約占整個熱損失的5% ～13%,因此應引起設計者重視,采取有效構造措施盡可能避免產生冷橋。(3)國外普遍推廣采用混凝土空心砌塊用于高層建筑圍護結構保溫,歐、美各國取得不少先進經驗。如:美國研制的TB型保溫隔熱復合砌塊;波蘭的咬合式保溫砌塊,兩塊組合成320厚墻體,在空心砌塊內填入高效保溫材料,墻體傳熱系數K=0.1 209W/ m2·k～1 100W/m2·k;芬蘭研制的一種空心砌塊,空隙之間填入聚氨酯保溫材料,300厚,傳熱系數K=0.25W/ m2·k～0.28W/m2·k。某些歐美國家50%左右的建筑已應用多種形式的混凝土空心砌塊。由于混凝土空心砌塊保溫效果好,又具有一定強度,避免了輕質復合材料墻體的一些弊端。

3.利用自然通風取得建筑節能的效果

(1)建筑群的布局對自然通風的影響效果很大。考慮單體建筑得熱與防止太陽過度輻射的同時，應該盡量使建筑的法線與夏季主導風向一致；然而對于建筑群體，若風沿著法線吹向建筑，會在背風面形成很大的漩渦區，對后排建筑的通風不利。在建筑設計中要綜合考慮這兩方面的利弊，根據風向投射角（風向與房屋外墻面法線的夾角）對室內風速的影響來決定合理的建筑間距，同時也可以結合建筑群體布局的改變以達到縮小間距的目的。由于前幢建筑對后幢建筑通風的影響，因此在單體設計中還應該結合總體的情況對建筑的體型，包括高度、進深、面寬乃至形狀等實行一定的控制。

(2)圍護結構開口的設計

建筑物開口的優化配置以及開口的尺寸、窗戶的型式和開啟方式，窗墻面積比等的合理設計，直接影響著建筑物內部的空氣流動以及通風效果。根據測定，當開口寬度為開間寬度的1/3～2/3時，開口大小為地板總面積的15 %～25%時，通風效果最佳。開口的相對位置對氣流路線起著決定作用。進風口與出風口宜相對錯開布置，這樣可以使氣流在室內改變方向，使室內氣流更均勻，通風效果更好。

4.影響建筑節能的其他因素

建筑外圍護墻體耗能量較大,占整個建筑耗能的25%左右。建筑的形體變化是建筑外露面積的主要因素之一,體形系數越大耗能越多,國外的一些高層建筑造成圓塔形,比如美國洛杉磯的好運飯店、法國戴高樂機場候機樓、紐約第三大街53號辦公樓都是圓形或橢圓形,我們知道,相同的面積,圓的周長最短,這樣使建筑外露面積較小。因此,基于能量損耗的考慮,建筑的形體變化不宜過多、復雜。

最后本人結合所處的長江中下游地區如何做好住宅建筑節能的設計,為適應長江中下游地區的氣候特征，必然要產生一系列適應性的空間形態。

1）、圍護結構的隔熱性能

對于夏季高溫時間長的長江中下游地區建筑外墻體通常采用白色粉刷或淺色飾面來達到外墻反射隔熱的效果。要使得傳向室內的熱量少還應該減少建筑外圍護結構的傳熱系數，即在外圍護結構中設置隔熱層，隔離室外熱量向室內傳遞，這樣一來建筑外表吸收的熱量將大量聚集在外表面，促使建筑外表面溫度升高，進一步提高了建筑外表面與環境之間的溫差，有利于向室外散熱。

2）、窗戶的隔熱性能問題一直是外圍護結構設計中最為重要的一個因素主要是怎樣改善及防止空氣滲透。對于長江中下游地區而言，要解決的是窗戶隔熱的問題。在夏季滿足自然采光的同時，能夠盡可能的使陽光滯留在戶外，目前最常用的方法是采用雙層玻璃窗，使用中空、隔熱和反射玻璃等，但空氣間層一般只在20mm左右，并不能有效的達到隔熱的目的，要達到40mm才有一定的效果，這就使得空氣間層的壓力變得更小，采用的玻璃就必須有更大的強度，這就勢必提高造價。如果在空氣間層填充反光材料，會達到更好的效果。

3）、建筑布局及內部空間的組織與劃分

在長江中下游地區，為舒緩夏季酷熱的氣溫。建筑的總體布局上就應該緊密的圍繞這一問題展開。在建筑的布局上應舒展開敞，有較大的窗洞開口，有利于自然通風。采用較深的門廊和遮陽板有助于導風與降溫。

4）、構造設計學在長江中下游地區住宅建筑設計中的運用

根據不同的地域氣候特征，構建一套相應的建筑構造設計，是建筑領域在不斷追求的目標。其基本的思想是：不依賴耗能設備，而在建筑形式、空間布局和構造上采取措施，以改善建筑環境，實現微氣候建構。根據冬季與夏季太陽的不同高度角來制定有效的利用陽光和遮陽措施。在住宅建筑中設置陽光間和中心溫室，冬季陽光間和中心溫室可以充分吸收太陽輻射熱量，為住宅提供一定的熱量，此時將遮陽百葉拉起，通風屋頂進風口和出風口封閉。夏季陽光間和中心溫室的百葉都是開放的可以遮擋陽光，雙層屋頂的進風口和出風口的百葉在夜間和白天某些時刻是開啟的，以帶走空氣間層中受熱的空氣，避免室內溫度過高。此外，利用地下風管系統，冷卻室外空氣，并將其導入中心庭院。

結束語

對人居環境的探討，一直以來都是建筑界所關注的問題。無論在建筑節能，降低建筑能耗，還是在提高人居舒適度，創造新型的節能建筑，都取得了很大的成效。但是面對這個龐大的建筑領域，建筑能耗是顯而易見的，微小的能耗變化，都將決定對能源的如何分配。

本文所提到的幾點建議，是微不足道的一小部分，要想實現建筑領域真正節能，還需要建筑界同仁們不懈的努力。

[1] 楊川東等.采氣工程.北京.石油工業出版社.1997

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.08.006

徐衛峰，男，工程師，畢業于成都理工大學石油工程專業，現從事天然氣生產技術管理和動態分析工作。