建筑節(jié)能設(shè)計的論文
摘要：我國正大力倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展的發(fā)展原則，節(jié)能型建筑已成為今后城市建設(shè)的發(fā)展方向。但從建筑節(jié)能設(shè)計的實際情況分析，仍存在一些容易被忽視的問題有待進一步深化認識。它們涉及到建筑規(guī)劃、建筑通風(fēng)、建筑外遮陽和建筑熱橋四個方面，本文就此進行探討，以加深共識、完善設(shè)計。
關(guān)鍵詞：建筑節(jié)能；規(guī)劃節(jié)能；單體通風(fēng)；外遮陽；熱橋
1規(guī)劃與節(jié)能設(shè)計
在以往的規(guī)劃設(shè)計中，設(shè)計人考慮的往往是容積率、日照間距、空間形態(tài)、以及建筑與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)等問題，而很少從節(jié)能的角度來指導(dǎo)設(shè)計，節(jié)能設(shè)計只有在單體方案設(shè)計階段才有所重視，從而產(chǎn)生了許多單體設(shè)計難以解決的問題。所以，提倡建筑節(jié)能首先應(yīng)該重視規(guī)劃節(jié)能。規(guī)劃節(jié)能是指在規(guī)劃設(shè)計當(dāng)中充分考慮建筑與外部環(huán)境的關(guān)系，以節(jié)能作為指導(dǎo)規(guī)劃設(shè)計的主要原則，充分利用自然資源，實現(xiàn)從總體上為建筑節(jié)能創(chuàng)造先決條件的設(shè)計方法。其中，規(guī)劃節(jié)能對于居住建筑尤為重要。
影響居住區(qū)氣候環(huán)境及建筑舒適性的最主要的兩個因素是太陽輻射和空氣流動（即風(fēng)流）。因此，通過降低太陽輻射、增強建筑的自然通風(fēng)效果是規(guī)劃節(jié)能的主要方向。由此，建筑朝向、建筑間距以及建筑的相互組合關(guān)系將是規(guī)劃節(jié)能設(shè)計的重點。首先，建筑的主要朝向應(yīng)迎合當(dāng)?shù)叵募镜闹鲗?dǎo)風(fēng)向（我國大部分地區(qū)以南北向或接近南北向布局為宜），利于自然通風(fēng)，提高居住的舒適度。同時，南北朝向的建筑物在夏季所受到的太陽輻射也相對東西朝向建筑要少很多，可以節(jié)省夏季空調(diào)的用量；而在冬季時，建筑受到太陽輻射的情況剛好與夏季相反，從而節(jié)約了建筑保溫所需的能耗。第二，居住建筑的間距應(yīng)在滿足當(dāng)?shù)匾?guī)劃部門的日照間距要求上適當(dāng)加大。增加建筑物的間距有利于居住區(qū)內(nèi)的空氣流動——風(fēng)量增大、風(fēng)速提高，從而使建筑物與空氣的熱交換增加，有效降低建筑物的溫度，從而降低建筑能耗。這需要規(guī)劃師在節(jié)約土地與合理的建筑間距之間找到最佳的平衡點，優(yōu)化節(jié)能設(shè)計。第三，居住建筑群的組合應(yīng)充分考慮整體的節(jié)能效果，以有利于居住區(qū)內(nèi)的自然通風(fēng)。具體應(yīng)注意以下幾點：①居住區(qū)規(guī)劃應(yīng)確�！帮L(fēng)道”的暢通，建筑群的入風(fēng)口和出風(fēng)口應(yīng)結(jié)合主導(dǎo)風(fēng)合理設(shè)置，使空氣流通。②按照夏季盛行風(fēng)向作為建筑的主要朝向，排列建筑物應(yīng)遵循南小北大、南低北高的原則（見圖1），確保居住區(qū)內(nèi)建筑對自然風(fēng)的共享性，同時也使北面高大的建筑成為人工的風(fēng)障，這樣的建筑群體在夏季能迎合南風(fēng)、引導(dǎo)空氣穿越，冬季又能阻擋寒冷北風(fēng)的侵襲，較好地適應(yīng)氣候的變化[1]。③減少采用封閉式建筑組合，平面組合成“U”型的居住建筑組團，開口應(yīng)盡可能朝向夏季主導(dǎo)風(fēng)向，保證“U”型內(nèi)部建筑的空氣流通。④在規(guī)劃階段充分利用計算機進行三維模型的日照模擬運算，在滿足采光、日照、防火等要求下，利用建筑物的自遮擋和建筑群間的相互遮擋，減少太陽輻射對居住建筑的影響。
2建筑單體的通風(fēng)與節(jié)能設(shè)計
建筑市場中，住宅開發(fā)商為了達到土地最大利用率的目的，往往要求建筑師按容積率的最高值進行設(shè)計，甚至超值設(shè)計，這樣導(dǎo)致許多新建住宅多為一梯六戶、一梯八戶，甚至一梯十戶以上都有。這種住宅單體平面在實際使用中通風(fēng)將十分不利，特別是在夏季，室內(nèi)積聚的熱量難以散失，必須采用人工通風(fēng)或空調(diào)降溫，大大增加了建筑使用的能耗。而且目前的許多住宅設(shè)計，建筑立面窗戶的設(shè)計主要是從立面造型方面考慮——采光面積大，可開啟窗戶面積小，這樣的設(shè)計不但對隔熱不好，對通風(fēng)就更加不利。這都是因為忽視建筑單體的通風(fēng)設(shè)計所造成的。所以，一定要做好建筑單體的通風(fēng)設(shè)計，而且要從平面和剖面兩方面考慮。
平面的通風(fēng)設(shè)計應(yīng)注重以下幾個問題：第一，平面設(shè)計盡可能按有利于空氣的貫穿進行考慮。建筑的進深應(yīng)有效控制，避免建筑體型過于臃腫。房間的門窗位置應(yīng)合理安排，窗戶的朝向應(yīng)有利于形成穿堂風(fēng)，從而增加房間內(nèi)的空氣流動，利于室內(nèi)換氣。第二，從通風(fēng)的角度來講，窗戶可通風(fēng)面積的大小是決定室內(nèi)風(fēng)速的關(guān)鍵，但前提是必須要保證進風(fēng)口和出風(fēng)口的同時存在，才能由于正負風(fēng)壓的作用而形成空氣的流動。研究表明，空氣流動的平均速度取決于較小尺寸的開口。因此，單方面增大進風(fēng)口或出風(fēng)口面積，并不能對室內(nèi)氣流平均速度有太大影響，而為了增強室內(nèi)穿堂風(fēng)的效果，必須同時增大進風(fēng)口和出風(fēng)口。這樣也有利于室內(nèi)保持較為穩(wěn)定的風(fēng)速和均勻的流場，提高人體舒適度。第三，窗戶的開啟形式對通風(fēng)面積和氣流的流場均產(chǎn)生較大的影響。如推拉窗與平開窗比較（相同窗戶面積），平開窗的最大通風(fēng)面積是推拉窗的兩倍，通風(fēng)效果明顯優(yōu)勝。上懸窗與平開窗對比，兩者的最大通風(fēng)面積相同，但由于兩窗的窗葉開啟形式不同，所引導(dǎo)空氣產(chǎn)生不同的流場，造成的通風(fēng)效果也明顯不同。因此，從通風(fēng)的角度考慮，對于有利于建筑通風(fēng)的窗戶應(yīng)盡可能采用提高通風(fēng)面積的形式，窗戶開啟的角度和位置要慎重考慮，科學(xué)設(shè)計，將室內(nèi)空氣主流場控制在房間剖面的主要使用高度。第四，當(dāng)建筑內(nèi)部不具備形成穿堂風(fēng)的情況下，有必要通過導(dǎo)風(fēng)板的設(shè)計盡可能增加形成空氣流通的條件。如一個房間只能單側(cè)墻開窗時，可考慮在此墻上相距一定距離開設(shè)兩個窗戶，兩窗之間設(shè)置垂直擋風(fēng)板（見圖2）。當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)在水平方向上與該擋風(fēng)板夾角較大時（60o～90o），在擋板的兩側(cè)就會形成明顯正負風(fēng)壓區(qū)，氣流就會從第一個迎風(fēng)窗進入而從另一窗戶流出，實現(xiàn)單側(cè)開窗的通風(fēng)[2]。因此，此做法較為適合在房間朝向與當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)向夾角較大時采用。
除了平面設(shè)計時應(yīng)對通風(fēng)重點考慮之外，建筑剖面的通風(fēng)設(shè)計其實也十分重要，一般應(yīng)注意以下兩點：其一，進出風(fēng)口的高低決定了室內(nèi)空氣流動的方向，對人體的舒適度影響較大。因此，一般應(yīng)結(jié)合房間的實際使用功能設(shè)計剖面的通風(fēng)高度。如辦公室，通風(fēng)高度應(yīng)設(shè)在人坐姿的頭部位置；住宅內(nèi)的通風(fēng)高度控制可按不同功能要求確定，起居室、書房、餐廳應(yīng)以坐姿為參考，廚房應(yīng)以站姿為參考，臥室可以臥姿為參考。窗臺的高度應(yīng)按實際通風(fēng)要求進行相應(yīng)調(diào)整，才能獲得較為理想的通風(fēng)效果。其二，運用文丘里管原理，在建筑物剖面的上部設(shè)置出風(fēng)口，使平面面積較大的建筑物也有良好的通風(fēng)效果。具體做法可在大進深的建筑物中部設(shè)置若干貫通的垂直空間，此空間應(yīng)高于建筑物屋面，并設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的出風(fēng)口，由于太陽輻射的加熱作用使該空間形成煙囪效應(yīng)，促進氣流上升，實現(xiàn)熱壓通風(fēng)散熱，這就是所謂的“太陽能煙囪”。建筑內(nèi)部設(shè)置了“太陽能煙囪”，可實現(xiàn)無風(fēng)狀態(tài)的自然通風(fēng)，室內(nèi)溫度得到了有效的降低，換氣次數(shù)得到了明顯的增加[3]，在節(jié)能方面有很好的成效（見圖3）。該技術(shù)已被日本的文教建筑廣泛采用，在我國積極倡導(dǎo)節(jié)能的大形勢下，很值得我們借鑒。
3建筑外遮陽的運用與節(jié)能設(shè)計
隨著節(jié)能技術(shù)的推廣，業(yè)界對建筑外遮陽也越來越重視。建筑外遮陽能有效地阻隔部分太陽光直接照射到建筑物的外圍結(jié)構(gòu)，特別是防止太陽輻射穿過窗戶直接進入室內(nèi)，從而有效降低室內(nèi)溫度，達到節(jié)能的最終目標(biāo)。在實際設(shè)計中，設(shè)計師經(jīng)常會為了達到造型效果而刻意增加立面上的裝飾構(gòu)板，這些構(gòu)件由于并非從遮陽方面考慮，所以形式作用大于實際功能。這并不符合設(shè)計的經(jīng)濟原則和節(jié)能原則。所以筆者認為，建筑立面設(shè)計應(yīng)與建筑外遮陽設(shè)計相結(jié)合，并注意三方面的問題：一是要明確各種外遮陽的適用性。建筑外遮陽的設(shè)置與太陽的位置、建筑物的朝向都有著密切的關(guān)系。在窗戶遮陽方面，實踐證明：水平遮陽能遮擋高度角較大、從上方入射的太陽光，適用于南向的窗戶；垂直遮陽能遮擋高度角較小、從側(cè)面斜入射的太陽光，適用于東北向、西北向和正北向的窗戶；綜合遮陽（或稱柵格遮陽）則綜合了水平與垂直遮陽的優(yōu)點，適用于東南向、西南向和正南向的窗戶。此外，擋板式遮陽、簾式遮陽、百葉遮陽等方式對于窗戶遮陽都有非常好的效果，但對建筑采光則有一定的影響。而對于建筑墻體和屋面的遮陽，目前較為有效的方法是通過柵格遮陽和綠化遮陽。隨著社會經(jīng)濟水平的不斷提高，建筑遮陽技術(shù)已越來越趨向智能化、自動化、高效化。二是要從構(gòu)件的設(shè)計上合理處理好遮陽與隔熱的問題。傳統(tǒng)的實體構(gòu)件——水平、垂直和綜合遮陽與墻體相連，其吸收的熱量會直接傳遞給外墻，而且容易構(gòu)成半開放式空間，遮陽構(gòu)件受太陽輻射后溫度上升，其一部分熱量通過表面?zhèn)鳠嵊煽諝鈳ё卟⑾蛏蟼鬟f，但由于其它遮陽構(gòu)件的阻擋，反而容易產(chǎn)生積聚現(xiàn)象，在風(fēng)的作用下通過窗戶導(dǎo)入建筑室內(nèi)，從而不利于隔熱（見圖4）。解決的方法是——在水平遮陽構(gòu)件的選擇上采用通透性的構(gòu)件，如金屬百葉、混凝土柵格板等，使上升的熱空氣能有效地散失，減少對室內(nèi)的影響。目前較為先進的雙層玻璃幕墻系統(tǒng)中，為了利于熱空氣的上升，其兩層玻璃幕墻間的空氣夾層往往是一個可連續(xù)的整體，即垂直方向上的間隔均為通透的金屬構(gòu)件，確保熱空氣能上升并帶走熱量。因此，在遮陽構(gòu)件的選擇上要細致研究，不斷更新設(shè)計。三是要合理設(shè)置遮陽板，避免影響室內(nèi)空氣的流動速度。因為遮陽板的存在會對建筑物周圍的風(fēng)壓產(chǎn)生影響，當(dāng)其角度與風(fēng)向不一致時，風(fēng)速將會大大降低。實踐證明，由于設(shè)置了遮陽板，室內(nèi)風(fēng)速會減弱22％～47％。而且，遮陽的設(shè)置方式也會對氣流產(chǎn)生不同的影響。如實體水平遮陽板直接連接在窗頂，氣流進入室內(nèi)后會上升，不利于房間中下部的通風(fēng)。若在實體板與墻體間增加空隙，或在遮陽板上部的墻體流出通風(fēng)口，又或?qū)⒄陉柊逶O(shè)在高于窗頂一段距離的位置，都能使得氣流的方向得到有效的調(diào)節(jié)，使房間中部和下部均得到良好的通風(fēng)，提高室內(nèi)環(huán)境的舒適性。而對于垂直遮陽來說，由于風(fēng)向是經(jīng)常變化的，所以固定的垂直遮陽板應(yīng)順應(yīng)所在地夏季的主導(dǎo)風(fēng)來設(shè)置相應(yīng)的角度，而更好的方法是采用可調(diào)節(jié)的垂直遮陽板，使建筑最大限度地適應(yīng)氣候的變化。目前較為先進的智能建筑，其外遮陽構(gòu)件都是根據(jù)太陽輻射、風(fēng)向等氣候因素變化由電腦控制自動調(diào)節(jié)，具有相當(dāng)高的氣候適應(yīng)能力。
4熱橋問題與節(jié)能設(shè)計
建筑圍護結(jié)構(gòu)對建筑保溫起到?jīng)Q定性的作用，但其中的熱橋問題往往是人們所最容易忽略的。當(dāng)代建筑由于追求造型的變化，立面上的凹凸進退增多，突出墻體、屋面的構(gòu)件也越來越多，外飄窗得到了廣泛的使用，這些設(shè)計手法豐富了建筑造型，卻無形中增加了熱橋的產(chǎn)生，對建筑節(jié)能帶來不利的影響。產(chǎn)生熱橋的原因主要有兩個：一是因為該部位的傳熱系數(shù)比相鄰部位的傳熱系數(shù)大得多，熱阻小，保溫性能較差；二是因為該部位的受熱面積遠小于其散熱面積，從而失熱過多，內(nèi)表面溫度較低。圍護結(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土梁、柱、板的相互交接處，外墻與外墻、內(nèi)墻、以及窗戶的連接處，保溫門窗中的金屬門框，以及突出屋面的女兒墻、排氣孔與屋面交接部位等，都是圍護結(jié)構(gòu)中熱橋形成的主要部位[4]。在寒冷的季節(jié)，室內(nèi)的熱能就會通過熱橋大量地流失。不妥善處理好這個問題，對于建筑節(jié)能會造成很大的影響。因此，在需要考慮冬季保溫的地區(qū)，必須要做好外墻、屋面以及門窗的保溫，構(gòu)件自身的物理性能應(yīng)滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求。在防止熱橋產(chǎn)生的構(gòu)造處理方法上，墻體的外保溫比內(nèi)保溫更為有效，可避免室內(nèi)外溫差加大，保持較為穩(wěn)定的室溫和舒適度，防止保溫層受潮，避免熱橋的產(chǎn)生。實踐證明，在采暖期采用相同厚度保溫材料的外保溫要比內(nèi)保溫減少約1/5的熱損失，而在夏季，墻體的外保溫做法還能減少太陽輻射熱和室外熱空氣與外墻的表面換熱，隔熱效果也優(yōu)于內(nèi)保溫做法[5]。對于建筑中使用較多的鋁合金門窗，解決熱橋的方法是改采用新型的斷熱橋型鋁合金門窗或鋁塑復(fù)合門窗，且應(yīng)同時配置三玻中空玻璃或Low-E中空玻璃，這樣就能保證門窗達到節(jié)能65％的要求[6]。其它的如屋面、外墻角、挑出構(gòu)件與主墻體的連接位等熱橋部位，應(yīng)嚴格按照國家規(guī)范要求加強建筑局部的保溫措施，防止熱散失。從總體上講，防止熱橋的產(chǎn)生就要平衡建筑圍護結(jié)構(gòu)的傳熱，控制各組成部分的傳熱系數(shù)相接近，保證各部位的傳熱均勻。這就需要建筑師熟悉各種建筑材料的物理性能，在設(shè)計時對用材要仔細研究，合理配置，從根本上減少熱橋的產(chǎn)生，最終達到節(jié)能的目的。
5結(jié)語
當(dāng)然，建筑節(jié)能是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及方方面面的問題。上文所提及的四方面問題只是其中的一部分，它們往往不被重視甚至被忽視，這會造成許多的設(shè)計漏洞，使建筑物能耗增加。所以，筆者專門把它們選出來進行探討，正是為了拋磚引玉，希望同行們能多加指正，集思廣益，共同探討建筑節(jié)能設(shè)計的新方法，在今后的設(shè)計中多研究、多嘗試、多積累、多總結(jié)，在有限的條件下將建筑功能與藝術(shù)和技術(shù)更好地結(jié)合，使建筑設(shè)計的各個方面都能體現(xiàn)節(jié)能的原則，努力創(chuàng)造低成本、高效率的節(jié)能建筑。
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