夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑的低碳設(shè)計(jì)
——以南陽(yáng)“宛在綠中央”小區(qū)方案為例

申紅田

(南陽(yáng)師范學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，河南南陽(yáng) 473061)

隨著全球氣候的不斷變暖及能源的日趨緊張，低碳建筑設(shè)計(jì)越來(lái)越引起廣大建筑設(shè)計(jì)者的重視。作為使用頻率最高的住宅建筑，亦成為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。住宅建筑的低碳設(shè)計(jì)涵蓋的內(nèi)容十分廣泛，從初期的土地規(guī)劃、建設(shè)施工、建筑設(shè)備、建筑材料，到后期建筑的運(yùn)營(yíng)管理等均是應(yīng)當(dāng)充分考慮的環(huán)節(jié)。本文從建筑設(shè)計(jì)入手，認(rèn)為住宅建筑的低碳設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮所在地區(qū)的氣候特點(diǎn)，融入適宜的低碳技術(shù)，通過(guò)整體設(shè)計(jì)創(chuàng)造空間與環(huán)境的良好結(jié)合，達(dá)到建筑與氣候利用的最優(yōu)，從而實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能，減少二氧化碳排放的低碳目的。本文以南陽(yáng)地區(qū)建筑設(shè)計(jì)為例，探討夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑的低碳設(shè)計(jì)方法。

1 夏熱冬冷地區(qū)的氣候分析

南陽(yáng)市位于漢江支流白河的中游，處于北亞熱帶向暖溫帶的過(guò)渡地帶，屬于季風(fēng)型大陸性半濕潤(rùn)氣候，冬季干冷，雨雪少;夏季炎熱，雨量充沛;春季回暖快，降雨逐漸增多;秋季涼爽，降雨逐漸減少。根據(jù)當(dāng)?shù)氐湫蜌夂蚰陻?shù)據(jù)，做出南陽(yáng)地區(qū)室內(nèi)外環(huán)境焓濕圖，見(jiàn)圖1，圖中黃線區(qū)域代表了南陽(yáng)地區(qū)熱舒適區(qū)域，并在焓濕圖上用藍(lán)線做出南陽(yáng)地區(qū)逐月氣候最大值和最小值。據(jù)圖1分析可得：在黃色熱舒適區(qū)域中，只有3月、9月的部分天以及10月、8月的幾天，這表明一年中南陽(yáng)地區(qū)在舒適度范圍內(nèi)的天數(shù)不多，建筑的室內(nèi)熱舒適性不高，需要大量使用暖通空調(diào)進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)。因此，住宅建筑的低碳設(shè)計(jì)重點(diǎn)應(yīng)該在如何降低采暖和降溫能耗。

圖1 南陽(yáng)地區(qū)逐月焓濕圖

2 低碳設(shè)計(jì)策略

在嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)，建筑師主要考慮保溫問(wèn)題，如通過(guò)材料手段提高建筑的熱工性能和減小開(kāi)窗面積，這在以保溫為主要目的的北方地區(qū)效果明顯;在炎熱的南方地區(qū)，建筑師則重點(diǎn)考慮建筑的防熱問(wèn)題，如防止太陽(yáng)輻射和增加自然通風(fēng)，這對(duì)隔熱降溫也是十分有效的。但是在夏熱冬冷地區(qū)兼具夏熱和冬冷雙重氣候條件，既要考慮防熱，又要考慮保溫，不能簡(jiǎn)單或孤立的套用北方或南方的經(jīng)驗(yàn)。

本方案結(jié)合南陽(yáng)地區(qū)氣候，通過(guò)控制建筑單體體形系數(shù)、設(shè)計(jì)緊湊型戶型、控制窗墻比、屋頂綠化、設(shè)置日光間、采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)等措施，來(lái)實(shí)現(xiàn)住宅建筑采暖、降溫的低碳化。

2.1 住宅體形控制

2.1.1 控制體形系數(shù)

體形系數(shù)控制對(duì)降低住宅能耗有著重要意義，主要是通過(guò)減少暴露在空氣中的建筑外表皮面積，減少建筑的散熱從而達(dá)到節(jié)能的效果。由于建筑體形不同，其室內(nèi)與室外的熱交換過(guò)程中界面面積也不相同，并且因形狀不同帶來(lái)的角部熱橋敏感部位增減，也會(huì)給熱傳導(dǎo)造成差異。我國(guó)建設(shè)部于2010年頒布的《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 134－2010》中對(duì)于體形系數(shù)的控制做出了明確規(guī)定，見(jiàn)表1。

表1 夏熱冬冷地區(qū)居住建筑的體形系數(shù)限值

在本設(shè)計(jì)中，在滿足美觀的前提下，盡量減少建筑單體的墻面凹凸程度，減少大面積凹凸在外的陽(yáng)臺(tái)和臥室，本設(shè)計(jì)包含小、中、大三種戶型，各棟建筑體形系均數(shù)控制在0.30 ～0.34。大大低于國(guó)家規(guī)定的0.35 ～0.55，見(jiàn)表2。

2.1.2 設(shè)計(jì)緊湊戶型

戶型過(guò)肥過(guò)大都不利于低節(jié)能。戶型過(guò)大，無(wú)論是營(yíng)建過(guò)程中的建筑耗材，還是使用時(shí)的能耗，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)緊湊型戶型。而且緊湊戶型可以提供更多的戶數(shù)，滿足更多人的住房需求，從而提升土地的利用率，減少碳排放量。因此，在本設(shè)計(jì)中，在滿足住戶使用需求和舒適度的前提下，對(duì)各種不同的戶型在面積上進(jìn)行控制，見(jiàn)表3。

2.1.3 控制窗墻比

現(xiàn)在的住宅建筑流行使用飄窗。雖然飄窗可以豐富建筑的立面，拓寬室內(nèi)空間和觀景視野，但是與對(duì)于同樣大的窗洞面積，使用飄窗所圍合的面積遠(yuǎn)大于普通窗戶，而窗的導(dǎo)熱系數(shù)明顯大于外墻，因此，在酷熱的夏季和寒冷的冬季，使用飄窗就需要更多的制冷和采暖，造成能源浪費(fèi)。所以，慎用飄窗，合理控制窗墻比，是低碳設(shè)計(jì)的重要手段。我國(guó)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 134－2010》中對(duì)于不同朝向外窗的窗墻面積比限值見(jiàn)表4。

表2 “宛在綠中央”小區(qū)建筑體形系數(shù)表

表3 “宛在綠中央”小區(qū)戶型面積控制表

表4 不同朝向外窗的窗墻面積比限值

窗洞過(guò)大會(huì)造成耗能過(guò)多，過(guò)小又會(huì)造成采光不足。因此在設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考慮節(jié)能和采光的要求，設(shè)計(jì)窗洞的大小。我國(guó)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)不同使用功能的建筑采光有不同的要求，并限定了相應(yīng)的窗地比，見(jiàn)表5。

在“宛在綠中央”小區(qū)戶型中，主要空間(臥室、客廳)盡量朝南布置，開(kāi)間為3 300～4 200 mm，根據(jù)窗墻比限值計(jì)算得出，窗戶面積的上限為3.2～4.9 m2，下限值為2.1～2.3 m2。根據(jù)窗戶面積的上下限值，本住宅設(shè)計(jì)的窗洞口高度為1 500 mm，寬度為1 500～2 000 mm，窗洞口面積為2.25～3 m2，滿足使用要求。

2.2 附加陽(yáng)光間

夏熱冬冷地區(qū)室內(nèi)外條件差別較大，用以平衡室內(nèi)外條件、滿足室內(nèi)舒適度的能耗也較多，設(shè)計(jì)中需考慮設(shè)置緩沖空間，作為室內(nèi)外不同環(huán)境的過(guò)渡區(qū)，以維護(hù)室內(nèi)條件的穩(wěn)定。

表5 不同功能房間的窗地比限值

在本設(shè)計(jì)中，每個(gè)戶型都在起居室南側(cè)設(shè)計(jì)一個(gè)附加陽(yáng)光間。首先，起居室作為每戶的公共空間，是供家庭成員交流和接待外來(lái)訪客的重要場(chǎng)所，使用率高，因此其舒適度要求較高;其次，起居室面寬和進(jìn)深都比較大，并與戶內(nèi)其他空間相連，有利于通風(fēng)及增大陽(yáng)光間的空間容積。

另外，通過(guò)選擇外表皮玻璃，制定合理的遮陽(yáng)方式，采用間接蒸發(fā)降溫等技術(shù)手段，來(lái)實(shí)現(xiàn)綜合節(jié)能的目的，如圖2所示。

2.2.1 Low －E 玻璃

南陽(yáng)地區(qū)氣候極端，冬季有零下溫度。因此，外表皮應(yīng)選用保溫性能好的Low－e中空玻璃。常用的Low－e玻璃分為遮陽(yáng)型和高透型，遮陽(yáng)型Low－e玻璃遮陽(yáng)系數(shù)較小，可最大限度的阻止陽(yáng)光進(jìn)入室內(nèi)，不利于冬季太陽(yáng)能的充分利用，反而犧牲了寶貴的自然采光，在夏熱冬冷地區(qū)不宜采用。而高透型Low－e玻璃遮陽(yáng)系數(shù)較大，對(duì)透過(guò)的太陽(yáng)能衰減較少，并可有效地防止室內(nèi)熱量的外溢，有利于夏熱冬冷地區(qū)充分利用太陽(yáng)能，因此本設(shè)計(jì)選用此種玻璃。

圖2 附加日光間構(gòu)造示意圖

2.2.2 遮陽(yáng)方式選用

在夏季降溫方面遮陽(yáng)是不可或缺的重要手段，然而傳統(tǒng)遮陽(yáng)板有明顯的不足之處：首先，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度以6月21日最大，12月21日最小，但因地表蓄熱，故最熱月為8月、9月，最冷月為1月、2月。因此，若擋住夏末的陽(yáng)光，勢(shì)必也擋住早春的陽(yáng)光，這必然會(huì)影響太陽(yáng)能的利用。其次，傳統(tǒng)的水平及綜合遮陽(yáng)板會(huì)阻礙空氣的流動(dòng)，從而導(dǎo)致大量能量在窗口積聚，不利于散熱。此外，傳統(tǒng)遮陽(yáng)板只能遮擋太陽(yáng)輻射的直射部分，而對(duì)天空中大量強(qiáng)烈的漫射光和環(huán)境反射作用不大。夏熱冬冷地區(qū)夏季太陽(yáng)高度角較大，尤其是在溫度較高的正午，當(dāng)窗戶與外墻內(nèi)側(cè)平齊時(shí)，即使不設(shè)遮陽(yáng)板，進(jìn)入室內(nèi)的直射光也十分有限，此時(shí)強(qiáng)烈的漫射光和環(huán)境反射成為遮陽(yáng)的重點(diǎn)。理想的解決方法是使用“可調(diào)節(jié)的窗戶附加裝置”，也就是采用可調(diào)節(jié)的遮陽(yáng)百葉卷簾。

根據(jù)遮陽(yáng)卷簾的位置不同，可分為內(nèi)遮陽(yáng)和外遮陽(yáng)。內(nèi)遮陽(yáng)卷簾的時(shí)候只能遮擋一部分太陽(yáng)輻射，且散熱受到限制，防熱效果不好。而對(duì)于外遮陽(yáng)，則可以第一時(shí)間就阻擋紫外線等強(qiáng)烈光線，降低了空間的負(fù)荷。故在設(shè)計(jì)中，選用外遮陽(yáng)百葉卷簾。同時(shí)，在本設(shè)計(jì)中，百葉卷簾不僅起到遮陽(yáng)的作用，還可與建筑外立相美結(jié)合，豐富外立面，如圖3所示。

圖3 附加日光間附加陽(yáng)光間及外遮陽(yáng)百葉示意圖

2.2.3 蒸發(fā)冷卻技術(shù)

陽(yáng)光間的空氣調(diào)節(jié)主要考慮蒸發(fā)冷卻技術(shù)。作為一種新興的空調(diào)技術(shù)，其冷卻過(guò)程以水為冷卻劑而不用CFC，因此具有設(shè)備成本低、能耗小、能有效減少溫室氣體和氯氟烴的排放量等優(yōu)點(diǎn)，其中間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)因其冷卻空氣的同時(shí)并不加濕空氣而特別適用于南陽(yáng)地區(qū)。

蒸發(fā)冷卻技術(shù)分為直接蒸發(fā)冷卻和間接蒸發(fā)冷卻。直接蒸發(fā)冷卻(DEC)是利用循環(huán)水直接噴淋未飽和空氣，從而達(dá)到降溫、增濕的效果;間接蒸發(fā)冷卻(IEC)是利用DEC冷卻后的空氣(二次空氣)通過(guò)熱交換器冷卻另一股空氣(一次空氣)，在此過(guò)程中，一次空氣與水和二次空氣都不直接接觸，所以其溫度降低的同時(shí)含濕量卻不會(huì)發(fā)生變化。間接蒸發(fā)冷卻換熱器是一種節(jié)能裝置，它不用通過(guò)制冷壓縮機(jī)就能將空氣進(jìn)行冷卻，運(yùn)行原理簡(jiǎn)單，所消耗的能量?jī)H為小水泵和風(fēng)機(jī)的電能，總耗能很低，如圖4所示。

南陽(yáng)地區(qū)夏季炎熱，雨量充沛，如使用DEC進(jìn)行空氣降溫，空氣濕度也會(huì)相應(yīng)提高，人體的熱舒適度反而會(huì)降低。相較兩種降溫方式的特點(diǎn)，南陽(yáng)地區(qū)更宜采用IEC。由于IEC降溫的最低溫度由當(dāng)?shù)氐臐袂驕囟人鶝Q定，南陽(yáng)屬于非干燥地區(qū)，其夏季濕球溫度較高，因此IEC并不能替代機(jī)械濕冷來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑物的空調(diào)，但其用于新風(fēng)預(yù)冷是有一定實(shí)際意義的：(1)通過(guò)向空調(diào)提供IEC冷卻過(guò)的空氣，使冷卻盤(pán)管的負(fù)荷下降，從而大大降低了常規(guī)處理設(shè)備的新風(fēng)負(fù)荷及機(jī)械制冷設(shè)備的容量和安裝功率，且減少了能耗及運(yùn)行費(fèi)用。(2)可以提高壓縮機(jī)的制冷效率，常規(guī)壓縮機(jī)的制冷效率隨著溫度的提高而降低，而使用IEC則可以確保壓縮機(jī)在極端氣候條件下正常運(yùn)行。經(jīng)研究表明，使用IEC進(jìn)行新風(fēng)預(yù)冷可提高壓縮機(jī)制冷能力21%，能耗減少32%。因此在本設(shè)計(jì)，選用IEC來(lái)為陽(yáng)光房空調(diào)進(jìn)行夏季新風(fēng)預(yù)冷。

2.3 運(yùn)行方式

圖4 間接蒸發(fā)冷卻器原理示意圖

2.3.1 冬季保溫

南陽(yáng)地區(qū)冬季氣溫較低，常有零下溫度，冬季保溫是這段時(shí)間內(nèi)主要考慮的問(wèn)題。主要的保溫方式為：最大限度接受太陽(yáng)輻射，并阻止室內(nèi)熱量的“外溢”。此時(shí)外遮陽(yáng)卷簾卷起，太陽(yáng)輻射通過(guò)“高透型”Low－e雙層中空玻璃進(jìn)入陽(yáng)光間，陽(yáng)光間得到太陽(yáng)的照射被加熱，其室內(nèi)溫度迅速升高，并通過(guò)空氣循環(huán)和熱傳導(dǎo)提高其它房間溫度。同時(shí)，中空玻璃的設(shè)置，可以有效減少內(nèi)外溫差導(dǎo)致的“熱傳導(dǎo)”，使室內(nèi)溫度始終高于室外環(huán)境溫度(如圖5所示)。

圖5 冬季保溫運(yùn)行方式

2.3.2 夏季降溫

南陽(yáng)夏季溫度較高，夏季6～8月氣溫持續(xù)徘徊在35℃左右。夏季降溫是此時(shí)考慮的主要問(wèn)題。主要的降溫方式為：最大限度地避免太陽(yáng)輻射進(jìn)入室內(nèi)，通過(guò)間接蒸發(fā)進(jìn)行新風(fēng)冷卻降溫，并阻止室外高溫向室內(nèi)傳遞。此時(shí)，外遮陽(yáng)卷簾拉下，將戶外的太陽(yáng)輻射(主要為漫反射)反射走，間接蒸發(fā)冷卻器源源不斷向陽(yáng)光間內(nèi)空調(diào)送入冷卻過(guò)的新風(fēng)，對(duì)陽(yáng)光間進(jìn)行降溫。此時(shí)外置的中空玻璃再次發(fā)揮作用，阻止室外熱量傳入，使室內(nèi)溫度始終低于室外溫度(如圖6所示)。

圖6 夏季降溫運(yùn)行方式

3 減碳分析

3.1 保溫減碳量

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，室外日均氣溫低于5℃的為采暖日。南陽(yáng)12月、1月、2月三個(gè)月日均氣溫均在5℃以下，三個(gè)月中有一半的時(shí)間(45 d)天氣晴朗，可以保證陽(yáng)光間獲得足夠的太陽(yáng)輻射，不用使用空調(diào)取暖。兩匹空調(diào)的制熱范圍為30～33 m2(起居室面積)，制熱耗電量按7.7 kW/h，每天空調(diào)運(yùn)行時(shí)間為12 h，可計(jì)算出一戶住宅一年因附加陽(yáng)光間而節(jié)省的采暖電量為45×12×7.7=4 158(kW)

根據(jù)家庭用電的二氧化碳轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.785 kg/(kW·h)，可以算出一戶住宅一年因采暖而減少的二氧化碳排放量為4 158×0.785=3 264(kg)。

3.2 降溫減碳量

《夏熱冬冷居住建筑規(guī)范》中規(guī)定夏季住宅室內(nèi)溫度應(yīng)控制在26～28℃，超過(guò)28℃的應(yīng)該采取措施進(jìn)行降溫，南陽(yáng)6月、7月、8月三個(gè)月日均最高氣溫均在31℃以上，假設(shè)這三個(gè)月夜間不用降溫，則需要降溫的天數(shù)為45 d。

空調(diào)制冷耗電量按5 kW/h，可計(jì)算出一戶住宅一年的空調(diào)耗電量為45×24×5=5 400(kW)

由此可知，使用間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)預(yù)冷新風(fēng)可以使空調(diào)能耗減少32%，則可計(jì)算得出較少的空調(diào)耗電量為5400×32%=1 728(kW)

根據(jù)家庭用電的二氧化碳轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.785 kg/(kW·h)，可以算出一戶住宅一年因降溫而減少的二氧化碳排放量為1 728×0.785=1 357(kg)

3.3 總減碳量

住宅建筑年總減碳量冬季保溫及夏季降溫年減碳量之和，即3 264+1 357=4 621(kg)

4 結(jié)語(yǔ)

低碳節(jié)能住宅，應(yīng)該盡力利用自然力量，減少碳排放，盡力減少住宅對(duì)能源的要求。本文通過(guò)“宛在綠中央”居住區(qū)中的住宅方案設(shè)計(jì)，分析了形體控制，附加日光間等方式的可行性，并通過(guò)保守地粗略計(jì)算，得出一戶一年減碳量可達(dá)4 621 kg。因此，要實(shí)現(xiàn)減少人類(lèi)在居住及生活中的二氧化碳排放量，達(dá)到真正的可持續(xù)發(fā)展，低碳住宅有很好的發(fā)展?jié)摿皯?yīng)用前景。

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