住宅建筑热环境节能优化设计的探讨

住宅建筑热环境节能优化设计的探讨摘要：随着我国人民物质生活水平的不断改善，人们对住宅建筑的热环境质量要求也日益提高，而我国现有住宅单位面积平均能耗指标比发达国家约高一倍。本文倡导利用被动式构造设计手段来实现住宅建筑热环境节能的优化设计，并从住宅建筑的体形和布局、建筑平面设计、围护结构及材料设计的改善以及太阳能的有效利用等方面较详细地介绍了进行节能优化设计的措施。关键词:住宅建筑热舒适性优化设计被动式构造设计一、前言建筑系统本身是巨大的消费者，建筑能耗在人类总能耗中所占比重约为1/4。因此，要求在设计过程中根据可持续发展原则，贯穿节约能源、资源的思想，减少对自然环境的污染和破坏，是每个建筑师的神圣职责。随着我国人民物质生活水平的不断改善，人们对住宅建筑的环境质量要求也日益提高，而我国现有住宅单位面积平均能耗指标比发达国家约高一倍。如何在住宅建筑设计中实现低能耗、克服严重的环境污染、采取节约型建筑技术体系，而且还能满足热舒适性及采光等的要求呢？有关专家提出了“构造设计学”的概念，即要求在建筑设计中，尽量不依靠设备，而充分利用天然资源和地理条件，在建筑形式或布局上采取措施，利用被动式构造设计手段，来满足生活舒适的要求。即在满足生理要求的前提下，使居住空间尽可能处在“自然状态”而非人造环境，这样既有利于健康，又可最大限度地减少能源用量，必须使用能源时，也要尽量利用清洁能源，以降低污染强度。所谓“优化设计”是指：研究问题和寻求解决问题的最优方案，“最优”两字应理解为在给定条件下得到尽可能满意的结果。千百年来，在现实生活中，人们总是试图把现实状况转变为所希望、所追求的状态，正如1978年诺贝尔奖金得主H·西蒙在“关于人工事物的科学”一书中提到了上述的“满意”是不同专业人们思考、选择、表达面临的不同方案的基点，此为不同领域工作者的共性问题，也即是“广义设计”的概念。因此，追求“优化”是创造一切人工事物的共同目标。在本文中，作者阐述了从绿色建筑的理念出发，提倡通过构造设计学的途径进行优化设计，达到住宅建筑热环境节能的目的。二、住宅建筑布局和体形方面的优化设计考虑住宅建筑节能设计所涉及自然地理环境、小区规划中建筑群体的朝向、体形、间距、高低及道路网的布局，广场绿地的分布等都会影响规划区的微气候，影响建筑的日照和通风，由此影响到建筑的耗能。图1：“对角线立方体”示意图（1）朝向的选择。朝向的选择需要考虑多方图1：“对角线立方体”示意图（2）具有合理的体形系数F0/V0。在住宅体形设计时，应注意用最少的围护结构面积形成满足功能要求的室内空间体积V0，F0值（外墙表面积）越小越有利于建筑节能，其意义在于减少不必要的墙体外表面积，避免热损失，节能住宅体形系数宜控制在0.25到0.28之间。托马斯·赫尔佐格的“对角线立方体”就是应用了体形系数较小形式则冬季热损失较少的原理。（3）优化建筑单体的组合方式。建筑单体之间的组合对气流的形成具有直接的影响，为此设计时要确定好建筑物的位置和朝向，尽量减少气候因素对围护结构的影响。如采取一定的措施保证每一栋住宅建筑单体都有充足的迎风面；另外,建筑高度对自然通风也有很大的影响，一般高层建筑对其自身的室内自然通风有利；而在不同高度的房屋组合时，高低建筑错列布置有利于低层建筑的通风，例如处于高层建筑风景区内的低矮建筑受到高层背风区回旋涡流的作用，室内通风良好。（4）在总体规划设计中，应合理选择热源形式，优化布置室外供热管网，以减少热传输的损失。完善屋顶和地表径流规划，避免雨水淹渍、冲刷给环境带来的破坏。三、建筑平面设计中节能的优化设计考虑（1）平面形状应规整，尽量减少外围护结构面积，增加冬季直射室内的阳光，夏季减少太阳辐射。合理组织穿堂风，加强空气对流，创造夏季适宜的室内小气候，以达到使用便利、环境舒适的效果。（2）热环境的合理分区。把热环境要求较低的厨房、厕所、过厅等布置在北向，而尽量争取将居室布置在南向，充分利用太阳能，保持冬季室内有较高的温度；应适当减少北窗开窗面积。（3）设置温度阻尼区。例如楼梯间由过去的开敞式改为封闭式，楼梯间设窗；北向单元入口均设门斗，避免冬季西北风灌入；对屋面上人孔密封处理，使整个楼梯间形成一个温度阻尼区。又如在北向设连通厨房的封闭凹阳台，南向设外挑1.2米的凸阳台，形成南北两个温度阻尼区，这些阻尼区像一道热闸，大大减少了房间的冷风渗透，从而减少了居室的热损失，据实践统计资料表明，可使房间的传热损失减少40%到50%，南向的温度阻尼区白天还可以作为附加日光间使用，是节省冬季热耗的又一个有效措施。四、改善围护结构及材料的优化设计考虑建筑围护结构，由包围空间的将室内与室外隔开的结构材料和表面装饰材料构成，包括墙、窗、门和屋面、地面。围护结构必须平衡通风和日光的需求，并提供适合于建筑地点的气候条件的热湿保护。围护结构的设计对于建筑在运行中的耗能是一个主要因素，据资料分析，仅从供暖耗能情况看，对整个建筑物各部位耗能分析：外墙加楼梯内墙占31.5%-36.4%，门窗占33.7-40.8%，缝隙渗漏占20.1-22.6%。有关资料阐述了对华北、西北地区住宅建筑耗能进行的分析，发现建筑外门窗或通过外门窗空气渗漏的耗能约占建筑总耗能的48.7%。由此看出，优化建筑各部位的构造设计，如减少围护结构渗透及实现结构冷桥的保温，实现外墙保温化，建筑物采用隔热保温材料等后，采暖用能可节约20%到40%，而工程造价费用仅增加3%-8%。具体的优化设计考虑如下：（1）门窗节能设计。外门窗是耗热的重要渠道，是节能的重点部位。在我国，仍有80%以上的窗达不到节能要求。优化设计时应注意：窗户对住宅热环境的影响相当大，它既是太阳辐射的得热部件，又是主要的失热部件，合理确定窗墙面积比是节能的重要措施之一。一般来说，南向窗在冬季可获得较多的太阳能，可适当放大；东向和东南向窗可在早晨加热冰冷的楼体，在冬季减轻采暖的负荷；而北向、西向和西南向窗则应尽量减少，窗外设置有效的遮阳板。遮阳板的尺寸计算以保证采光、得热、遮阳的平衡。图2：杨经文：槟榔屿州MennaraUmno大厦“图2：杨经文：槟榔屿州MennaraUmno大厦“捕风墙”设计示意图窗户的传热系数约为墙体的3-4倍，只有门窗达到每小时每米缝长的空气渗透量≤2.5m3，才能达到节能优化设计。为此，要利用新型门窗材料，改善保温隔热性能。目前使用量最大的是断热铝合金门窗和PVC塑料门窗，同时优化玻璃种类，大力推广使用各类low-E玻璃，做到采光和保温隔热的平衡。（2）屋面保温节能设计。屋面传热量虽仅占整个建筑面积的9%，但对顶层房间的影响较大。根据本地区实际情况设计好屋面构造，选择好保温材料，对屋面防水、保温、隔热进行综合研究，是解决屋面节能的关键。在屋顶的设计中，考虑其受风、降水、日照等气候因素的影响，应通过造型、构造和材料选择达到利用改善微气候条件的效果，如屋顶采取架空、微通风构造或在屋顶上种植绿色植物，可大大加强隔热功能。对于楼板层的设计主要是利用其中空空间，以及对楼板吊顶造型加以设计，如将循环水管布置在其中，夏季利用冷水循环降低室内温度；冬季利用热水循环取暖等。（3）地面保温节能设计。为了改善底层住户的室内热环境，减少热损失，据资料介绍可在垫层下铺100mm厚干炉渣，再做面层。有关专家还建议采用地面辐射采暖系统进行住宅建筑的供热,首先，因为它较对流供暖方式热效率高，热量相对集中在人体受益的高度内，在同样使人感到温暖的前提下，室内设计温度可以比后者降低2—3摄氏度；其次，因为它使室内沿高度方向上的温度分布比较均匀，温度梯度很小，热媒低温传送，在传送过程中无效热损失可大大减少；再其次，控制阀门集中于分配器，方便调节室内温度，且无人时可关闭，从而节省供暖能耗。最后，由于地面层蓄热量大，热稳定性好，因此在间歇供暖的条件下，室内温度变化缓慢，特别适用于住宅建筑类型。图3：OM阳光体系太阳能技术利用示意图（4）墙面保温节能设计。墙面的耗热量要占建筑采暖热耗的1/3以上，它在建筑一次性投资中又占很大的比重，因此如何合理确定选用不同结构的材料及保温厚度，使这部分投资获得最有效的节能效果十分必要。目前，新型保温材料的物质种类很多，材料的选择要结合建筑物的使用性能、构造方案、施工方法、材料来源以及经济指标等因素。现今大力提倡的外墙外保温技术适用于多种结构体系，具有保温功能和构造合理，保温隔热效果优良，没有冷热桥，不占建筑使用面积，对主体结构有很好的保护作用，施工方便，投资增加不多，综合经济效益显著等特点，近几年国内以聚苯乙烯、岩棉、玻璃棉外保温为主体的十几种外保温体系和技术已经比较成熟，并已形成产业化，具有相当规模和专业化施工，具备了大力推广应用的条件。在外围墙体设计中，除应加强适应气候条件的常规保温、防潮与隔热等措施外，还应体现在能够改善微气候环境条件的特殊构造设计上，如马来西亚著名建筑师杨经文设计的槟榔屿州MennaraUmno大厦外墙中，外加了一种“捕风墙”的特殊构造设计，它在建筑两侧设阳台开口，开口两侧外墙上布置两片挡风墙，使两通风墙形成喇叭状的口袋，将风捕捉到阳台内，然后通过阳台门的开口大小控制过风量，形成“空气锁”，可以有效地控制室内的通风，这种做法值得借鉴。图3：OM阳光体系太阳能技术利用示意图五、充分利用可再生能源从广义来件，可再生能源包括太阳能、风能、地热能等等，其中，太阳能利用技术简单，附加费用低廉，在住宅建筑中有良好的推广前景。西北地区太阳能资源丰富，具有良好的利用条件，利用被动式太阳能采暖、太阳能热水、主动式太阳能采暖与空调以及太阳能发电等前景广阔。尤其是在黄土高原地区，日照时间长，价格适中，深受欢迎。据最新报道：2004年，我国太阳能热水器拥有量将达4000万平方米，年替代常规能源能力约600万吨标准煤，居世界第一位，并且，太阳能热水器正在以30%的年增长率增长。而主动式太阳能采暖与空调及光电利用的技术含量较高，但初始投资成本较高，随着技术的不断进步，成本也将进一步下降，最终定会达到经济、实用的要求。近年来，在我国天津、北京、甘肃、河北等地已建立了17座被动式太阳能恒温式住宅，这些住宅以建筑物本身为太阳能收集器，以达到取暖制冷图4：污水源热泵原理图的目的；日本的OM阳光体系住宅是典型的“低技术”与“高技术”相结合实现有效利用太阳能的典范，它的原理是室外空气最初被屋面下的通气槽引入，积蓄在屋檐下，并被安装在屋顶上的玻璃集热板加热，然后这些空气上升到屋顶最高处，通过一个屋顶通气管和空气处理器，进入垂直风道向下转入地下室，设置在基础上的厚水泥板用来储热，这些热空气还可用于家庭的热水供应，如图3所示，只需要利用有限的高技术就可以提供全年的室内气候调节。图4：污水源热泵原理图地源热泵技术目前也日渐成熟，由于地温年变化的稳定性，向但与一个巨大的天热空调，尤其是利用城市污水系统所建的污水源热泵，采用污水作为冷热源，相对于常规地源热泵省去了地下埋管的费用，节省了初投资，在城市住宅中利用前景也十分可观。在党的16届4中全会上提出了以人为本、全面协调可持续的科学发展观，是我们党推进社会主义现代化建设指导思想的新发展，而对于作为世界上最大的发展中国家的我国，要实现可持续发展，建筑节能是一个摆在全