中原地區(qū)生態(tài)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)策略和技術(shù)研究

馬俊，張娜娜

（安陽(yáng)師范學(xué)院建筑工程學(xué)院 河南 安陽(yáng) 455000）

0 引言

生態(tài)建筑的核心是通過(guò)對(duì)氣候、環(huán)境的合理應(yīng)對(duì)，達(dá)到使人體舒適和節(jié)能的目標(biāo)。國(guó)內(nèi)的建筑實(shí)踐領(lǐng)域已經(jīng)逐步認(rèn)識(shí)到冬冷夏熱地區(qū)的節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循自己的規(guī)律。對(duì)于該地區(qū)的建筑節(jié)能措施，本文系統(tǒng)地整理出生態(tài)建筑的環(huán)境因子以及設(shè)計(jì)策略，以供進(jìn)一步探索和研究。

1 中原地區(qū)氣候概況及建筑節(jié)能現(xiàn)狀

1.1 地理位置和氣候特征

中原地區(qū)通常指黃河中下游地區(qū)，以河南省為主體，屬于溫帶季風(fēng)氣候。其特征為夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。氣候的大陸性較顯著。在《建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》中河南為第II建筑氣候區(qū)，即所謂的“中原夏熱冬冷區(qū)”。在 《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》中，河南屬于夏熱冬冷地區(qū)。

1.2 氣候概況

該區(qū)冬季較長(zhǎng)且寒冷干燥，夏季較炎熱濕潤(rùn)，降水量相對(duì)集中，日照較豐富，春、秋季短促，氣溫變化劇烈。該地區(qū)主要的一些氣候數(shù)據(jù)為：1月平均氣溫為-10～0℃，7月平均氣溫為18～28℃；年平均相對(duì)濕度為50%～70%，年降水量為300～1000 mm;年日照數(shù)為2000～2800 h。

中原地區(qū)夏季悶熱，冬季陰冷。在缺少采暖和空調(diào)措施的情況下，該區(qū)室內(nèi)溫度接近整個(gè)溫度變化曲線的頂點(diǎn)。

1.3 中原地區(qū)建筑節(jié)能、熱舒適性現(xiàn)狀

傳統(tǒng)上，中原地區(qū)的多層建筑普遍使用24 mm粘土磚作為外墻材料，這種磚并沒(méi)有很好的保溫隔熱性能；窗戶則主要使用鋁合金單層玻璃窗。由于購(gòu)買(mǎi)者追求更好的視覺(jué)效果和通透性，住宅建筑的窗墻比有增大的趨勢(shì)，更加不利于保溫隔熱。建筑設(shè)計(jì)中對(duì)遮陽(yáng)的考慮不足，因此熱量很容易通過(guò)輻射進(jìn)入室內(nèi)，增大了制冷耗能。此外，以平屋頂為主的建筑向室內(nèi)傳熱也比較嚴(yán)重，門(mén)窗氣密性差，也為冬季冷空氣滲透創(chuàng)造了條件。

過(guò)去由于條件限制，夏季沒(méi)有制冷設(shè)施，冬季也沒(méi)有采暖措施，室內(nèi)極為不舒適。隨著生活水平的逐步提高，中原地區(qū)居民紛紛采取措施自行解決室內(nèi)冬季過(guò)冷、夏季過(guò)熱的問(wèn)題。對(duì)于中原地區(qū)的特殊條件，人們往往采用雙制空調(diào)。然而，雙制空調(diào)從室內(nèi)吸收熱量排放到室外，整體而言，對(duì)環(huán)境增添了負(fù)擔(dān)，使得熱島效應(yīng)更加明顯。同時(shí)，為了除濕，空調(diào)凝結(jié)水排到室外，在室外蒸發(fā)后會(huì)使城市天氣更加濕熱。冬天則是相反的方向，但同樣是以犧牲外部環(huán)境舒適度為代價(jià)來(lái)?yè)Q取室內(nèi)舒適度提升。

2 中原地區(qū)生態(tài)建筑設(shè)計(jì)策略

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)建筑節(jié)能技術(shù)的探討偏重于北方寒冷地區(qū)，因此更多應(yīng)對(duì)的是單一的保溫需求。夏熱冬冷地區(qū)的建筑節(jié)能需求有其特殊性。夏天要減少得熱，而冬天則要增加得熱，這使得建筑設(shè)計(jì)策略上產(chǎn)生了一個(gè)需要加以平衡的矛盾。夏熱冬冷地區(qū)生態(tài)建筑的設(shè)計(jì)，需要兼顧夏季防熱、降溫和冬季保暖的需求。而冬季保暖的需求比夏季防熱、降溫的需求稍弱，因?yàn)槿丝梢酝ㄟ^(guò)加減衣物的方式在冬季進(jìn)行調(diào)整，而夏季室內(nèi)溫度過(guò)高，很難通過(guò)人自身生活的改變來(lái)進(jìn)行。此外，本地區(qū)全年氣候變化強(qiáng)烈，降水量大，這為建筑材料和技術(shù)提出了較高的防水、防潮、耐久要求。

2.1 選址、規(guī)劃

建筑群體組織的原則是有利于自然通風(fēng)。多數(shù)的條式建筑應(yīng)該跟主導(dǎo)風(fēng)向保持在30°和60°之間。綜合考慮日照、通風(fēng)并要保證一定的間距。排布可前后相錯(cuò)以留出風(fēng)道。在住宅小區(qū)規(guī)劃中盡量遵循前疏后密、前短后長(zhǎng)等布局方式，為氣流創(chuàng)造通路。在群體布局上不應(yīng)采用周邊式和混合式，因?yàn)檫@兩種方式較不利于自然通風(fēng)。

2.2 平面體形

控制平面體形是建筑節(jié)能的基本手段之一。建筑的得熱失熱，很大程度上取決于建筑體的表面積。夏熱冬冷地區(qū)同樣遵循盡量減小體形系數(shù)的原則，但與北方地區(qū)不同，體形系數(shù)對(duì)于能耗的影響與北方相比小約50%。若體形系數(shù)過(guò)小，建筑進(jìn)深會(huì)很大，不利于獲得自然通風(fēng)。

2.3 朝向、采光、通風(fēng)措施

在建筑設(shè)計(jì)中，要想在有自然采光、通風(fēng)的同時(shí)減少通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱損耗，需要使建筑具有適當(dāng)?shù)拇皦Ρ?。?jù)研究，夏熱冬冷地區(qū)建筑窗墻比與空調(diào)耗能量基本呈線性關(guān)系。但在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)增大建筑窗墻比能更好地保證自然通風(fēng)。同時(shí)，朝向?qū)τ谀芎牡挠绊懸彩秋@著的。開(kāi)窗方向應(yīng)采用南北朝向，盡量避免東西向開(kāi)窗，同時(shí)南北窗面積應(yīng)大致相等，這樣通風(fēng)的效率最高。在建筑設(shè)計(jì)中，如果不能采用自然的風(fēng)壓通風(fēng)，則應(yīng)盡量利用煙囪效應(yīng)，進(jìn)行熱壓通風(fēng)設(shè)計(jì)。

3 中原地區(qū)生態(tài)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)與技術(shù)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能最基本的原則是在材料、構(gòu)造方面減小熱阻。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量可以這樣計(jì)算：Q=K·A·(Ta-Ti)，其中Q為熱量，K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，A為建筑的體形系數(shù)，Ta-Ti為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外的溫度差。

3.1 屋面

屋面因其位于上方，是接受日照最直接、時(shí)間最長(zhǎng)的圍護(hù)構(gòu)件，而且傳熱面積大，因此散熱量也較大，所以屋面的處理對(duì)節(jié)能具有很大意義。住宅建筑應(yīng)盡量采取坡屋面，坡屋面一方面使建筑形體更加活潑、豐富，增加頂層可利用的空間，更重要的是可以更好地滿足屋面的保溫隔熱要求。目前，覆土種植屋面越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在建筑設(shè)計(jì)中，覆土種植屋面不僅有利于隔熱，也對(duì)環(huán)境綠化做出了貢獻(xiàn)。種植不同的植物有不同的做法，各種做法的造價(jià)、適用性不同，具體的構(gòu)造方式應(yīng)酌情而定。為了能在夏天有較好的散熱，還可以采用架空屋面。

3.2 墻體

墻體的節(jié)能要點(diǎn)主要在于盡量使其材料、構(gòu)造滿足保溫隔熱的要求。墻體的材料應(yīng)盡量選用淺色建材，此外還可以盡量采用以回收廢棄建材為原料加工而成的各種建材，以降低建材的資源消耗。目前，主要有以下幾種常見(jiàn)的復(fù)合墻體，各有利弊之處。

內(nèi)保溫型墻體：干作業(yè)，施工進(jìn)度快，但技術(shù)上不合理之處較多。

外保溫型：施工技術(shù)成熟，但對(duì)工藝水平要求高，要求保溫材料本身具有較好的抗裂、放透氣、拒水、抗震、抗風(fēng)壓等耐候性和耐久性。

混凝土夾心墻：耐久性、防火性好，但是施工難度大，抗震性能差，容易形成熱橋。

3.3 窗

在諸如河南等夏熱冬冷地區(qū)，窗體輻射傳導(dǎo)的得熱量占空調(diào)總能耗的30%，冬季占采暖能耗的21%。對(duì)窗戶的設(shè)計(jì)，其節(jié)能途徑依據(jù)的是通過(guò)窗造成的能源損耗。一是由于熱工性能不佳，使得熱量從夏季制冷和冬季采暖形成的室內(nèi)外溫差中流失；二是由于太陽(yáng)輻射透過(guò)窗玻璃，增大了室內(nèi)制冷消耗的能耗。這兩點(diǎn)中，第一點(diǎn)應(yīng)當(dāng)盡量避免，即應(yīng)當(dāng)采取各種措施減少窗因?yàn)閮蛇厹夭钤斐傻臒崃魇?。而第二點(diǎn)在冬季有利于增大室內(nèi)溫度，在夏季則應(yīng)當(dāng)采取一定的遮陽(yáng)措施。

應(yīng)對(duì)由于熱工性能差造成的窗能源損耗，需努力提高窗的氣密性，窗框應(yīng)該采取熱工性能較好的木材、塑鋼等斷熱材料及構(gòu)造，并采用熱工性能較好的玻璃。如有條件，可采用中空防輻射玻璃，進(jìn)一步增強(qiáng)窗的保溫性能。在窗形的設(shè)計(jì)上，應(yīng)盡量避免過(guò)于突出的飄窗和落地窗等。

在建筑設(shè)計(jì)中采用一定的遮陽(yáng)構(gòu)件能有效減少夏季室內(nèi)得熱。遮陽(yáng)構(gòu)件的設(shè)計(jì)方式多樣，歸納起來(lái)大致有三大類(lèi)：利用綠化的遮陽(yáng)、結(jié)合建筑構(gòu)件處理的遮陽(yáng)以及專(zhuān)門(mén)設(shè)置的遮陽(yáng)。結(jié)合建筑構(gòu)件處理的手法,常見(jiàn)的有加寬挑檐、外廊、凹廊、陽(yáng)臺(tái)、旋窗等。專(zhuān)門(mén)設(shè)置的遮陽(yáng)包括水平遮陽(yáng)、垂直遮陽(yáng)、綜合遮陽(yáng)、擋板遮陽(yáng)、百葉內(nèi)遮陽(yáng)、內(nèi)遮陽(yáng)加鍍膜、活動(dòng)百葉外遮陽(yáng)等。

4 結(jié)語(yǔ)

夏熱冬冷地區(qū)的特殊氣候條件使得我們?cè)谶M(jìn)行生態(tài)建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮兼顧冬季保溫和夏季隔熱的需求。在當(dāng)今能源越來(lái)越稀缺的時(shí)代，建筑師更應(yīng)該在建筑層面、設(shè)計(jì)策略和技術(shù)上努力營(yíng)造舒適節(jié)能的建筑環(huán)境。對(duì)在中原地區(qū)進(jìn)行生態(tài)建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)，希望將來(lái)能在實(shí)踐中進(jìn)一步摸索相關(guān)原理和規(guī)律。

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