夏热冬冷地区节能型居住建筑设计

为了在全国范围内推广建筑节能工作,国家建设部于2001年7月颁布并于同年10月1日实施了《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ134-2001),目的是提高和改善该地区的居住环境质量,全面实现建筑节能50%的第二步战略目标。

1　夏热冬冷地区的气候特点

夏热冬冷地区指的是长江流域及周围共180万km2的地区,包括上海、重庆两直辖市和安徽、浙江、湖北、湖南、江西5省全部及四川、贵州东部、江苏、河南南部、福建省北部、陕西、甘肃南端、广东、广西北端,涉及西南地区东部和长江中下游流域的16个省市。夏热冬冷地区的热工气候指标是最热月的平均气温为25℃~30℃,最冷月的平均气温为0℃~10℃;据统计夏热冬冷地区全年气温高于35℃的酷热天气有15~25d,温度低于5℃的天数多达两到两个半月,最热天气温可达41℃,最冷天气温可至-18℃,而且湿度高达70 %~80 %,形成夏天闷热、冬季湿冷的气候特点。

2　夏热冬冷地区的建筑热环境现状

相对寒冷地区和炎热地区的居住建筑而言,这一地区建筑的围护结构既没有良好的保温措施又不重视夏季隔热,建筑的热工性能普遍较差。近些年由于社会经济的发展和人民生活水平的提高,居住条件的改善完全依赖居民自行安装空调采暖或降温,1998年上海住宅空调的安装率就已经超过了70 %,现在已经存在一户多台空调同时运转的情况。巨大的空调能耗导致该地区缺电、缺煤,冬、夏用电高峰季节频繁出现拉闸限电现象,居

民用于能源的支出也大幅度增加,实际上建筑室内的热环境改善却非常有限,能源严重浪费。因此夏热冬冷地区居住建筑节能政策的强制执行是经济和社会发展的必然选择,是发展节约型社会的重要途径,是改善人居环境质量的必由之路[1]。

3　节能设计方法

3.1　节能概述

通常意义上的建筑节能设计应包括节能整体规划设计、节能建筑单体设计,前者充分体现“建筑设计结合气候”的设计思想,分析构成气候的决定因素(如辐射因素、大气环流因素、地理因素)的有利或不利影响,通过建筑的规划布局,创造有利于节能的微气候环境。主要从建设选址、建筑和道路布局、建筑朝向、建筑体型、建筑间距、冬季主导风向、太阳辐射、建筑外部空间环境构成等方面进行深入研究。节能建筑单体设计是从建筑设计本身出发,包括:建筑平面的布局、建筑体型体量设计、建筑内外部空间设计,窗、地面积比或者窗、墙面积比的设计等方面。

夏热冬冷地区居住的建筑节能应该是在不降低热环境质量基础上的节能;关键是提高不可再生能源利用率和开发利用新的可再生能源或资源;通过正确的建筑措施,利用科学技术和合理的、高品位的建筑体型设计,实现优化利用太阳能,提高围护结构的热工性能指标,包括新型墙材的推广与合理利用等。盲目加大建设投资来减少能耗是得不偿失的。

3.2　节能单体设计

3.2.1　体型系数控制

建筑耗热量的决定因素,不仅与围护结构的保温性能有关,建筑体型的变化也直接影响建筑采暖空调的能耗大小,低层、体型复杂的建筑能耗大,节能设计时控制体型系数非常关键。体型系数(S)即一栋建筑的外表面积F0与其所包围的体积V0之比,即:S=F0/ V0。同样体积的建筑物,在各面外围护结构传热情况相同的时候,外围护结构的面积越小,传出去的热量就越少。夏热冬冷地区建筑夏季白天要防止太阳辐射,夜间希望有利于自然通风散热,以往的建筑设计一贯不严格控制体型系数,更多地追求造型,使建筑空调采暖能耗加大,从节能的角度出发,夏热冬冷地区住宅建筑在平面布局上外形不宜凸凹过多,应尽可能追求平面完整,控制因外墙面积过大而提高体型系数[2]。

现在来分析一栋每层建筑面积为500m2的6层居住建筑,高度为16.8m(层高2.8m),各围护结构的传热能力相同.采用不同形式的平面时,与耗热量的关系计算如表1。

由表1可见如果建筑物的高度相同，其平面形式为圆形时体型系数最小，依次为正方形、长方形;从图1可以看出,长方形建筑中的长宽比越大,则体型系数就越大,耗热量比值也越大。以长宽比为1∶1的正方形耗热量为100 %,则长宽比为5∶1时,耗热量比值达125.6 %。在《民用建筑节能设计标准》(JGJ26-95)中规定,多层居住建筑的体型系数以0.3或0.3以下为宜,大于0.3则比较不利于节能,就需要用增加围护结构热阻来弥补过多的热损失。可见体型系数的控制对节能的影响至关重要。

除了平面形式外,建筑层数对体型系数及单位面积耗热也有很大影响。在同样建筑面积的情况下,一般是单层建筑的体型系数及耗热量比值大于多层建筑。图2表示当建筑总面积为3000m2、进深为10m、每层建筑层高为2.8m时,建筑层数与单位建筑面积耗热之间的关系。假如以1层建筑时单位建筑面积的耗热为100%,则2层建筑耗热为其75 %,到5~7层建筑时其耗热量比值降到65 %,减少了1/3。所以总建筑面积愈大时,要求建筑层数也相应加多,这对节能有利。

3.2.2　朝向设计

对夏热冬冷地区建筑来说,日辐射是冬季主要热源,而建筑的体型和朝向不同,获得的日辐射量也各异。在北半球,冬季南向窗口获得的日辐射远大于其他朝向。正南向建筑其长宽比愈大,日辐射得热愈多。如以长宽比为1∶1的正方形建筑日辐射得热为1,则长宽比为5∶1时其日辐射得热可达1.870,朝向愈向东(西)偏转,这种差别愈小。因此不同体型建筑获取日辐射多少与其朝向密切相关,合肥地区最佳朝向为南偏东5°~15°;适宜朝向是南偏东15°-南偏西5°。夏热冬冷地区,冬季晴好天气南向房间的室内气温比北向房间的室内气温要高2℃~4℃,因此冬季建筑争取日照就成为改善室内热环境的主要途径。

3.3　围护结构设计

3.3.1　墙体设计

围护结构热工性能的好坏也会影响采暖建筑的能耗。寒冷地区为了提高围护结构热阻,防止保温层和围护结构内部冷凝结露,建筑一般采用外墙外保温技术,但对于夏热冬冷地区靠人工空调采暖时用内保温则比外保温更经济合理,因为该地区冬季最冷月的平均气温相比寒冷地区不算太低,室内外温差没有寒冷地区明显,热桥作用和水蒸汽在围护结构内部凝结的可能性不大,冬季用空调调节室内温度,一般有人时开,无人时关,属于间歇使用,如采用外墙外保温技术,冬(夏)季空调打开后围护结构都要吸收大量的热(冷)才能使室温达到需要的温度,为取得空调的效果就要提前开机,空调应付围护结构的热负荷很大,耗热量相当可观,节约这部分能耗也是当前建筑节能的重要内容。若采用蓄热系数较小的轻质保温材料放在围护结构内侧,即可节约围护结构吸收的能耗,且调温快捷方便(墙体保温构造方法如图3)。夏热冬冷地区采用外墙内保温技术还有利于调节室内的湿度,该地区在梅雨季节湿度大,硬的地面或墙面有时会出现凝结水,室内东西容易发霉,这是由于建筑缺少吸湿能力不能调节湿度。若采用能调节湿度的内保温材料,对改善环境必然有很大好处。再者,内保温对于旧房的节能改造比较方便,造价低廉,施工简单。

3.3.2　屋面设计

围护结构屋顶因接触上升热压气流,散热量较大,冬季保温性能较差,夏季吸收大量太阳辐射热,造成室内气温过高,这也是夏热冬冷地区建筑小环境出现夏热冬冷的原因之一。为解决屋面自重问题,保温层不宜采用容重大、导热系数高的厚重材料,蓬松的保温材料防水性能要求高,因此屋面保温技术影响因素较多。夏热冬冷地区的居住建筑可采用聚苯板或再生聚苯板屋面,使用倒铺(Upside down)法(如图4),将保温层放在防水层外侧,延缓防水层老化,提高隔热和防水能力[3]。

从发展生态建筑的角度,也可采用新技术发展蓄水屋顶或无土种植屋顶,蓄水屋顶是在平屋顶上蓄一定厚度的水层,利用水的比热大[4.186kg/(g/K)]的优势,作为隔热材料,每蒸发1kg水能带走2428kJ的热量;另一方面,屋顶用水隔热后,大大降低了结构的平均温度与振幅,不仅可防止防水层由于高温涨缩引起破坏,也防止构造由于温度应力而产生裂缝,兼顾节能与保护双重作用。在技术上蓄水屋顶要求有很好的防水质量,否则易发生漏水现象;种植屋顶是在钢筋混凝土屋面板上铺土或其它替代品,再在上面种植作物,利用植物的光合作用、叶面的蒸腾作用及对太阳辐射热的遮挡作用,来减少太阳辐射热对屋面的影响。种植屋顶的土层也有一定的蓄热能力,并能保持一定的水分,通过水的蒸发吸热也能提高隔热效果,铺土种植屋顶自重大,造价相对较高,如果以蛭石、锯末或岩棉等代替土壤,再在上面种植,即无土种植,无土种植屋顶的重量仅为同厚铺土屋顶重量的1/3,而保温隔热效果却提高3倍以上。这是因为选用质轻、松散、导热系数小的材料作为种植层,其蓄水、绝热性能都要比土壤好。蓄水屋顶和无土种植屋顶在城市绿化、调节小气候、美化环境、降低噪声等方面都能发挥作用,是值得推广应用的节能措施[3]。

4　结束语

能源是人类赖以生存和发展的基本条件,建筑节能当务之急,关系到建筑业的可持续发展;同时建筑节能又是一个复杂的过程,需要各个设计部门的配合。夏热冬冷地区的建筑节能担任改善建筑热环境和提高采暖空调的能源利用率、保护环境的双重任务,建筑师应以新的整体综合设计的思想,严格执行设计规范,从规划设计、单体设计、构造设计等方面综合考虑,设计出真正节约建筑使用能耗的建筑!