夏热冬冷地区住宅建筑设计节能
节 能 技 术HOUSING SCIENCE夏热冬冷地区 住宅建筑设计节能Energy Saving of Housing Design in “Hot Summer & Cold Winter” Areas国 亭 花 苑【摘 要】 文章根据夏热冬冷地区的建筑气候特征和建筑节能对住宅功能的要求, 提出了住宅建筑设计中应把握的节能措施和强化隔热构造的观点,并对夏热冬冷地区 住宅建筑设计中有关利用可再生能源的构想进行了初步探讨。 【关键词】 夏热冬冷 建筑节能 构造措施 可再生能源 〖Abstract〗 Based on building climate characteristics and building energy saving requirements on housing functions in hot summer & cold winter areas, the article proposes that housing design shall focus on energy saving measures and strengthen thermal insulation construction concept, and also initially discusses the idea of using renewable resources in housing design of hot summer & cold winter areas. 〖Keywords〗 hot summer & cold winter; energy saving of building; constructi on m eas ure; ren ewa ble res ourc es■ 詹 林 Zhan Lin 况龙川 Kuang Longchuan82006.8
HOUSING SCIENCE节 能 技 术夏热冬冷地区是根据我国建筑表 1 夏热冬冷地区主要城市气候条件 夏季气温(℃) 城 市 最热月 平均温度 重庆 武汉 长沙 南京 上海 28.6 28.8 29.3 28.0 28.2 极端 最高气温 44.0 42.5 42.7 43.0 40.0 冬季气温(℃) 最冷月 平均温度 6.3 3.2 4.6 1.9 3.5 极端 最低气温 -2.7 -18.1 -11.3 -14.0 -10.1 湿度 (%) 最热月 83 76 81 73 75 最冷月 73 79 75 81 83气候特征分布而划定的一个区域,处 于我国寒冷地区与炎热地区之间,大 致属于长江中下游一带,包括上海、 重庆二直辖市及湖北、湖南、江西、 安徽、浙江五省,城乡人口约 5 . 5 亿,国民生产总值约占全国的 4 8 %, 历来是我国人口最密集、经济文化较 为发达的区域。该区域气候显著的特 征是:夏季炎热气闷,冬 季 阴 冷 潮 湿。最热月平均气温 2 5  ̄ 3 0 ℃,最 高气温达 4 0 ℃以上。冬季气候寒冷, 日平均温度小于 5 ℃的天数约 2 0 ~ 8 0 d 。冬夏两季空气湿度均较大,相 对湿度经常在 7 0 %  ̄ 8 0 % 。对工作和 生活造成十分不利的影响(见表 1)。 从表 1 可以看出,从居住的舒适 感角度出发,夏热冬冷地区的主要矛 盾是如何应付夏季的高温酷暑,其次 是要注意住宅冬季的保暖,本文从住 宅建筑设计的角度出发,研究该区域 住宅节能,探讨技术上可行,经济上 合理以及社会和环境可以承受的建筑 技术措施,对于夏热冬冷地区住宅实 现高舒适度,低能耗的可持续发展的 建筑设计目标具有重要的现实意义。筑空间组合设计的手法来防止恶劣的 室外热环境对室内的影响,并组织良 好的通风条件,以创造出适合人居住 的微气候条件,形成舒适的室内热环 境。这对减少能耗无疑有重要意义。 这种手法有以下五种: 1.1.1 通 使组合的空间布局能通畅地疏导 气流,从而降低室内气温和蒸发热 量,使人体感到舒适。通风有水平通风、垂 直 通 风 、水平兼垂直通风三 种。水平通风有利于形成良好的穿堂 风,应使门窗对位,避免气流的转折 和 “ 缩 颈 ” 使 气 流 通 畅 ,流 畅 均 , 匀( 图 1 、2 、3 ) 。垂直通风如风管、 风塔、高层建筑的中庭等形式,利用 空气的风压或热压进行灌风或抽风(图 4) 。而天井、管式及竹筒式住宅则是 水 平 通 风 、垂 直 通 风 兼 而有 之 的 形 式 。1建筑空间设计的节能措施住宅建筑空间设计的节能措施是 指利用建筑的造型、朝向、围护结 构、保温构造、外窗遮阳构造以及空 间布局的通风等来进行节能降耗设 计。合理的住宅建筑措施应该在夏季 有效地组织通风和减少太阳辐射,防 止室内过热和潮湿。在冬季有效地利 用太阳能和对外墙、外窗进行保温, 提高室内温度。从建筑设计手法来分 析,分别采用空调设备和不采用空调 设备两种情况。 1.1 不采用空调设备 不采用空调设备时,利用自然界 的物质和环境的物理性能,以住宅建图 3 夏热冬冷地区利用地形白天与夜晚水平兼垂直通风 图1 平面布置适应夏热冬冷地区 图2 平面布置不适应夏热冬冷地区2006.89
节 能 技 术HOUSING SCIENCE对全年建筑能耗的影响要小一些,不 宜限制过死,但也不应超过 0.3 ̄0.4。 如果在设计时忽视住宅的体型系数和 窗墙比,就会给建筑节能留下隐患。 1.2.2 缩小窗墙面积比 一般普通窗户(包括阳台门的透明 部分) 的保温隔热性能比外墙差得多, 经窗户传递的热量比同面积的墙体传 递的热量要大 2~4 倍,尤其是夏季白图 4 夏热冬冷地区住宅利用中庭、屋盖水平兼垂直通风天通过窗户进入室内的太阳辐射热也 比外墙多的多,所以窗墙面积比越 大,则采暖和空调的能耗也越大,窗 面积适当减小,可减小空调的能量耗 损。因此,从节约建筑能耗的角度出 发,必 须 限 制 窗 墙 面 积 比 。 关于窗墙面积比的确定基本原则 是依据这一地区不同朝向墙面冬、夏 日照情况( 日照时间长短、太阳总辐 射强度、阳光入射角大小) ,冬、夏 季风影响、室外空气温度、室内采光 设计标准以及开窗面积与建筑能耗所 占比率等因素综合来考虑确定的,一 般控制在 0.2 ̄0.5 之间。 单层金属窗的夏季空调负荷是同 面积 240 砖墙的 5 倍。窗墙比由 0.4 减 小为 0.3, 每平方米建筑面积年冷暖耗 电量可减少 5kWh。但窗面积过分减小 会影响采光系数,因而要协调两者的 关系, 而对于干热地区而言, 窗户可以 小一些, 对于湿热地区而言, 为通风去 湿, 窗面宜大, 这也需要协调二者的矛 盾。 对夏热时间较长地区的建筑而 言,首先要创造良好的自然通风降温 条件,尽量减少采用空调的时间。但 要达到自然通风的条件好,往往建筑 体形系数大,窗墙面积比也大,这恰 恰又和启动空调时对建筑体形系数和 窗墙比的要求相反。如何才能做到两 者兼顾是我们应深入研究的问题,比 如住户夏季可以采用 “间歇通风” , 即当室外气温低于室内时,加强通 风;当室外气温高于室内时,则限制面太阳热辐射强度大,为保证卧室、 起居室等主要使用空间的热环境条 件,将辅助空间如厨房、卫生间、楼 梯、电梯间、储藏室等布置在东西向 墙与主要居室之间,使两者隔离。此 外,厨房是室内主要的热源,为避免 厨房热源对居住空间的影响,可采用 凸厨式的布置,以“隔离”手段使 其远离居室。 1.1.5 避 住宅内的居住空间特别是起居室图 5 高层建筑“阴”空间手法利用示意和主卧室,应尽量避免东西向,尤其 是西向。因西向晒时太阳高度角低, 射入室内深度大,西晒时间长,夜间 难以退凉,使居住者难以入眠。如平 面组合中难以避免西向卧室,也应采 取凹口或锯齿形墙面,使其改变开窗 朝向,避免西向开窗。 1.2 采用空调设备 在夏热冬冷地区,夏季使用能源 驱动制冷机来降低室内温度;冬季以 空调机或其他采暖器制热以提高室内 温度。在湿度高的季节,还可以用除 湿机除湿以保证室内湿度合适。为了 节省空调设备的耗能,建筑空间设计 的措施是控制体型系数和窗墙面积 比 。 1.2.1 降低体形系数 由于室内外有温差,建筑的外表 面积越小,则空调的能耗越小,所以 降低体型系数对节能有利。夏热冬冷 地区与北方采暖地区相比,体型系数1.1.2 敞 建构开敞的空间,如敞厅、敞廊、 敞阳台、高层中开洞的空中花园等形 式。 一方面可通畅地组织室外气流, 另 一方面可减少太阳辐射对室内的影响, 夜间也有利于热量向室外散发。 1.1.3 阴 建构某些太阳辐射难以达到的阴 空间,如天井式住宅,竹筒式住宅, 骑楼、廊檐、下 沉 式 庭 、架空的底 层半室外绿化,乃至高层住宅建筑的 中部引入绿化开敞空间、设置凹入深 度的入户过渡空间等,使户外处于隐 蔽的地位,接受的太阳辐射热相对较 少,空间的气温较低,从而形成阴凉 的空间环境(图 5)。 1.1.4 隔 将住宅中主要使用空间与受热辐 射较大的部位隔离开来,如东西向墙102006.8
HOUSING SCIENCE节 能 技 术增加墙体及屋盖材料热阻以隔断 室外热量传入室内,采用绝热材料对 墙、屋顶、门窗等进行绝热,如玻 璃棉、聚苯乙烯泡沫塑料、膨胀珍珠 岩、加气混凝土等,以减少围护结构 的传热系数。如加厚墙体材料或选择 具有良好热阻性能的材料。选用轻制图 6 计算挑檐挑出距离的简便方法2.1.5 蒸发降温型 利用水或植物的水份蒸发带走热 量而降温,如蓄水屋面、水雾喷淋墙 面、攀援植物墙面等。 2.1.6 反射型 利用材料、色彩的反射性能,将 太阳的辐射热反射出去从而达到降温 效果。如天棚铝箔隔热层、铝箔墙体 隔热层等。在外墙与屋盖的外表面, 有白色或浅色的光滑材料能增强对太 阳辐射的反射,使外围护结构内表面 温度降低 1 ~2 ℃。 2.1.7 综合型 将上述几种构造加以组合搭配, 就可以达到更好的降温效果。如蓄水 种植屋面,下部蓄水 1 0 0 m m 深的 水,垫以卵石颗粒层,再铺经松散材 料如蛭石、锯末等组成的种植土,种 以花卉植物加以美化,既有材料的热 阻构造,又有降温蒸发,植物阴影又 起到遮挡辐射热的效果,屋顶绿化又 为人们提供了休闲活动场地,因而成 为受人们欢迎的屋盖处理方式。还有 下层为加气混凝土隔热层,上为架空 通风隔热层,表面涂以白色反射膜 层,也属于综合构造的方式等等。 2.2 门窗的构造 窗是采光、通风的通道,同时也 是隔热的薄弱环节,为了提高其隔热 效果可采取以下措施: 2.2.1 提高门窗的气密性复合材料的外墙板,既有好的隔热性 能,又占有较少的面积,轻质隔热材 料 的 屋 盖 ,既 可 隔 热 ,又 可 减 轻 荷 载,有明显优越性。 2.1.2 空气隔层型 利用空气导热系数小的物理性 能,在墙体和屋盖构造中,加入空气 隔层以提高其隔热性能。 2.1.3 通风隔层型 若将空气隔层设计成通风隔层, 利用风力或热空气上升,使隔层中受 热的空气产生流动排除热量,可以达 到比设置封闭的空气隔层更好的隔热 效果,如经常采用的隔热板架空屋 面、双层瓦通风坡顶、外挂轻质板的 通风墙等均属于这种构造。 2.1.4 遮挡辐射型 窗缝未经处理 窗缝经密封处理 图 7 对窗户缝隙的处理通风。因处于后者状态时,如加强通 风,则导致室内温度增高,此时若封 闭门窗,只要保证换气量,就可以使 室内保持较低温度而节约能源。2强化隔热的构造措施阳光的热辐射是室内外热环境温 在住宅的内外空间布局和环境确 定之后,如何强化外维护结构的隔热 构造就成为实现良好室内热环境的关 键。要 使 屋 盖 、墙体、门 窗 等 建 筑 部位具有良好的热工性能,即传热系 数小,热稳定高以及门窗的气密性 好,夏季太阳辐射热透过率小和热发 射性能好等等。 2 . 1 屋盖、墙体的隔热构造 利用物质的传热、隔热、对流、 辐射、反射、蒸发等物理性能来设计 维护结构的构造,可以提高热阻,减 小传热系数,从而减少室外热环境对 室内影响。特别是建筑的屋盖和东西 向墙体是受太阳辐射最多的部位,设 计中应重点处理。这些构造按其物理 性能可分为以下几种型式。 2.1.1 材料热阻型图 8 普通玻璃度增高的主要原因,采取挑檐和各种 形式的遮阳,能有效地减少阳光的辐 射热对围护结构的影响。对屋盖和墙 体采用能随太阳高度角和方位角而变 化的活动遮阳,对阻挡太阳光的辐射 更为有效(图 6)。图 9 热反射玻璃2006.811
节 能 技 术HOUSING SCIENCE源,而且应是首先选用的措施。环境 布局中的通风、室内外空间建构的民 居中的风管、风塔、导风的隔片等都 是利用风能的有效措施。 如果希望该区域住宅建筑能够利 用风压来获得良好的自然通风效果, 需要在设计初期阶段搜集详细的气象图 1 0 冬季与夏季活动遮阳板的利用分利用绿地、停车场、健 身 活 动 空 地) 进行埋管规划,合理进行用地规 划 。4结语综上所述,从建筑节能的角度来 看,夏热冬冷地区住宅建筑设计应从 建筑布局,建筑空间处理,建筑构造 设计、采取综合的节能措施,要尽量 利用自然界的物理性能去加强通风与 隔热降温,围护结构的构造要满足节 能要求,宁可多花一次性的基建投资 费用而少花日常经营管理和采用人工 空调的费用,并要协调好采光、通风、 隔热保温等方面的矛盾,使经济效益、 环境效益与社会效益统一起来,达到 综合节能的目的。 此外, 在建筑与规划 设计中要重视对可再生能源的利用, 这也是今后夏热冬冷地区住宅节能的 发展趋势。 参考文献 1 毛刚,段敬阳.结合气候的设计 思路.世界建筑, 1998, (1). 2 应变建筑——大陆性气候的生 态策策略.同济大学出版社, 2003. 3 李耀培.中国居住实态与小康住 宅设计.住宅集中供热采暖系统和节能 的若干问题.东南大学出版社, 1999.7. 4 田蕾,秦佑国.可再生能源在建筑 设计中的利用.建筑学报.中国建筑学会 出版, 2006,2. (收稿日期:2 0 0 6 - 0 6 - 0 8 ) 詹 林,重庆建筑大学硕士毕 业,重庆科技学院建筑设计教研室讲 师;况龙川,重庆科技学院副教授, 博士后。统计数据,并对场地进行调研,掌握 局部风环境的情况。场地风速频率、 平均风速、风向分布、无风日数、以 及场地周边的建筑、植物分布情况都 对住宅的规划与建筑涉及产生重要的 影响。当然住宅进行自然通风的同 时,还要必须避免室外被污染的空气 与夏季热空气过多地进入房间。 3.2 太阳能 利用太阳能降温是很有前途的。 太阳能制冷有两种方法,一种是利用 太阳能驱动机械装置,机械装置再驱 动压缩机制冷循环。另一种方法是利 用从太阳直接获得的热量来驱动吸收 式制冷机,从而降低室内温度。目前 两种方式处于试验阶段,但是在夏热 冬冷地区有很好的发展前景。 太阳能装置如何与建筑一体化是 近年来的一个热点问题,国外近年来 出现了一些能够与建筑外墙、窗户完 美结合的太阳能装置,由于这些装置 是与建筑构造与外观造型一起考虑, 并结合墙体、屋顶、玻璃窗、挑檐、 雨篷等部位进行造型处理,形成建筑 的立面元素,所以建筑的整体感很 强。这些值得我国建筑师好好参考。 3.3 地下冷源 由于地表以下受太阳辐射小,在 炎热的夏季地表深层温度较低,将空 气或水送入埋置在地下的导管,利用 地温降低空气和水的温度再循环至室 内去降低室内温度。目前此种方式尚 处于试验阶段,在夏热冬冷地区也有 很好的发展前景。 地下冷源的利用在建筑场地规划 中要考虑住宅周围留有足够的空地(充门窗如采用性能良好的密封条, 可减少空气渗透,在使用空调时能有 效减少能耗(图 7)。 2.2.2 率 如采用热反射玻璃,在玻璃上贴 反射性的镀膜等均有较好的效果( 图 8 、9 ) 。 2.2.3 增加窗的热阻 如采用双层中空玻璃,中间的空 气隔层导热系数小,既增加热阻,又 增加隔音效果。 2.2.4 窗的遮阳 根据窗的不同朝向,按太阳高度 角和方位角采取水平式、垂直式、挡 板式或综合式的遮阳或设置活动遮 阳,能有效地减少太阳光的辐射热进 入室内(图 10)。 减少玻璃的辐射热透过3可再生能源的利用未来夏热冬冷地区住宅建筑节能 的发展趋势是利用可再生的天然能源, 以实现住宅节能的可持续发展。研究 可再生能源在住宅建筑中的应用绝不 仅仅是设备专业的职责,规划与建筑 设计专业应当发挥更加积极的作用, 针对夏热冬冷地区而言,利用自然界 的天然可再生能源来降温是最重要的, 是节约能源十分有效的途径。 3.1 风能 长江中下游地区,大气中空气流 动形成丰富的季候风、山谷风、水陆 风等都是降低室内外温度的重要能122006.8