為了在全國范圍內(nèi)推廣
建筑節(jié)能工作,國家建設(shè)部于2001年7月頒布并于同年10月1日實施了《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑
節(jié)能設(shè)計標準》(JGJ134-2001),目的是提高和改善該地區(qū)的居住環(huán)境質(zhì)量,全面實現(xiàn)
建筑節(jié)能50%的第二步戰(zhàn)略目標。
1 夏熱冬冷地區(qū)的氣候特點
夏熱冬冷地區(qū)指的是長江流域及周圍共180萬km2的地區(qū),包括上海、重慶兩直轄市和安徽、浙江、湖北、湖南、江西5省全部及四川、貴州東部、江蘇、河南南部、福建省北部、陜西、甘肅南端、廣東、廣西北端,涉及西南地區(qū)東部和長江中下游流域的16個省市。夏熱冬冷地區(qū)的熱工氣候指標是最熱月的平均氣溫為25℃~30℃,最冷月的平均氣溫為0℃~10℃;據(jù)統(tǒng)計夏熱冬冷地區(qū)全年氣溫高于35℃的酷熱天氣有15~25d,溫度低于5℃的天數(shù)多達兩到兩個半月,最熱天氣溫可達41℃,最冷天氣溫可至-18℃,而且濕度高達70 %~80 %,形成夏天悶熱、冬季濕冷的氣候特點。
2 夏熱冬冷地區(qū)的建筑熱環(huán)境現(xiàn)狀
相對寒冷地區(qū)和炎熱地區(qū)的居住建筑而言,這一地區(qū)建筑的圍護
結(jié)構(gòu)既沒有良好的
保溫措施又不重視夏季隔熱,建筑的熱工性能普遍較差。近些年由于社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高,居住條件的改善完全依賴居民自行
安裝空調(diào)
采暖或降溫,1998年上海住宅空調(diào)的安裝率就已經(jīng)超過了70 %,現(xiàn)在已經(jīng)存在一戶多臺空調(diào)同時運轉(zhuǎn)的情況。巨大的空調(diào)能耗導致該地區(qū)缺電、缺煤,冬、夏用電高峰季節(jié)頻繁出現(xiàn)拉閘限電現(xiàn)象,居
民用于能源的支出也大幅度增加,實際上建筑
室內(nèi)的熱環(huán)境改善卻非常有限,能源嚴重浪費。因此夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能政策的強制執(zhí)行是經(jīng)濟和社會發(fā)展的必然選擇,是發(fā)展節(jié)約型社會的重要途徑,是改善人居環(huán)境質(zhì)量的必由之路[1]。
3 節(jié)能設(shè)計方法
3.1 節(jié)能概述
通常意義上的建筑節(jié)能設(shè)計應包括節(jié)能整體
規(guī)劃設(shè)計、節(jié)能建筑單體設(shè)計,前者充分體現(xiàn)“
建筑設(shè)計結(jié)合氣候”的設(shè)計思想,分析構(gòu)成氣候的決定因素(如輻射因素、大氣環(huán)流因素、地理因素)的有利或不利影響,通過建筑的規(guī)劃布局,創(chuàng)造有利于節(jié)能的微氣候環(huán)境。主要從建設(shè)選址、建筑和
道路布局、建筑朝向、建筑體型、建筑間距、冬季主導風向、太陽輻射、建筑外部
空間環(huán)境構(gòu)成等方面進行深入研究。節(jié)能建筑單體設(shè)計是從建筑
設(shè)計本身出發(fā),包括:建筑平面的布局、建筑體型體量設(shè)計、建筑內(nèi)外部
空間設(shè)計,窗、
地面積比或者窗、墻面積比的設(shè)計等方面。
夏熱冬冷地區(qū)居住的建筑節(jié)能應該是在不降低熱環(huán)境質(zhì)量
基礎(chǔ)上的節(jié)能;關(guān)鍵是提高不可再生能源利用率和開發(fā)利用新的可再生能源或資源;通過正確的建筑措施,利用科學技術(shù)和合理的、高品位的建筑體型設(shè)計,實現(xiàn)優(yōu)化利用太陽能,提高圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能指標,包括新型墻材的推廣與合理利用等。盲目加大建設(shè)投資來減少能耗是得不償失的。
3.2 節(jié)能單體設(shè)計
3.2.1 體型系數(shù)控制
建筑耗熱量的決定因素,不僅與圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能有關(guān),建筑體型的變化也直接影響建筑采暖空調(diào)的能耗大小,低層、體型復雜的建筑能耗大,節(jié)能設(shè)計時控制體型系數(shù)非常關(guān)鍵。體型系數(shù)(S)即一棟建筑的外表面積F0與其所包圍的體積V0之比,即:S=F0/ V0。同樣體積的
建筑物,在各面外圍護結(jié)構(gòu)傳熱情況相同的時候,外圍護結(jié)構(gòu)的面積越小,傳出去的熱量就越少。夏熱冬冷地區(qū)建筑夏季白天要防止太陽輻射,夜間希望有利于自然
通風散熱,以往的建筑設(shè)計一貫不嚴格控制體型系數(shù),更多地追求造型,使建筑空調(diào)采暖能耗加大,從節(jié)能的角度出發(fā),夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑在平面布局上外形不宜凸凹過多,應盡可能追求平面完整,控制因外墻面積過大而提高體型系數(shù)[2]。
現(xiàn)在來分析一棟每層建筑面積為500m2的6層居住建筑,高度為16.8m(層高2.8m),各圍護結(jié)構(gòu)的傳熱能力相同.采用不同形式的平面時,與耗熱量的關(guān)系計算如表1。
由表1可見如果建筑物的高度相同，其平面形式為圓形時體型系數(shù)最小，依次為正方形、長方形;從圖1可以看出,長方形建筑中的長寬比越大,則體型系數(shù)就越大,耗熱量比值也越大。以長寬比為1∶1的正方形耗熱量為100 %,則長寬比為5∶1時,耗熱量比值達125.6 %。在《
民用建筑節(jié)能設(shè)計標準》(JGJ26-95)中規(guī)定,多層居住建筑的體型系數(shù)以0.3或0.3以下為宜,大于0.3則比較不利于節(jié)能,就需要用增加圍護結(jié)構(gòu)熱阻來彌補過多的熱損失。可見體型系數(shù)的控制對節(jié)能的影響至關(guān)重要。
除了平面形式外,建筑層數(shù)對體型系數(shù)及單位面積耗熱也有很大影響。在同樣建筑面積的情況下,一般是單層建筑的體型系數(shù)及耗熱量比值大于
多層建筑。圖2表示當建筑總面積為3000m2、進深為10m、每層建筑層高為2.8m時,建筑層數(shù)與單位建筑面積耗熱之間的關(guān)系。假如以1層建筑時單位建筑面積的耗熱為100%,則2層建筑耗熱為其75 %,到5~7層建筑時其耗熱量比值降到65 %,減少了1/3。所以總建筑面積愈大時,要求建筑層數(shù)也相應加多,這對節(jié)能有利。
3.2.2 朝向設(shè)計
對夏熱冬冷地區(qū)建筑來說,日輻射是冬季主要熱源,而建筑的體型和朝向不同,獲得的日輻射量也各異。在北半球,冬季南向窗口獲得的日輻射遠大于其他朝向。正南向建筑其長寬比愈大,日輻射得熱愈多。如以長寬比為1∶1的正方形建筑日輻射得熱為1,則長寬比為5∶1時其日輻射得熱可達1.870,朝向愈向東(西)偏轉(zhuǎn),這種差別愈小。因此不同體型建筑獲取日輻射多少與其朝向密切相關(guān),合肥地區(qū)最佳朝向為南偏東5°~15°;適宜朝向是南偏東15°-南偏西5°。夏熱冬冷地區(qū),冬季晴好天氣南向房間的室內(nèi)氣溫比北向房間的室內(nèi)氣溫要高2℃~4℃,因此冬季建筑爭取日照就成為改善室內(nèi)熱環(huán)境的主要途徑。
3.3 圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.3.1 墻體設(shè)計
圍護結(jié)構(gòu)熱工性能的好壞也會影響采暖建筑的能耗。寒冷地區(qū)為了提高圍護結(jié)構(gòu)熱阻,防止保溫層和圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)部冷凝結(jié)露,建筑一般采用外墻
外保溫技術(shù),但對于夏熱冬冷地區(qū)靠人工空調(diào)采暖時用內(nèi)保溫則比外保溫更經(jīng)濟合理,因為該地區(qū)冬季最冷月的平均氣溫相比寒冷地區(qū)不算太低,室內(nèi)外溫差沒有寒冷地區(qū)明顯,熱橋作用和水蒸汽在圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)部凝結(jié)的可能性不大,冬季用空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度,一般有人時開,無人時關(guān),屬于間歇使用,如采用外墻外保溫技術(shù),冬(夏)季空調(diào)打開后圍護結(jié)構(gòu)都要吸收大量的熱(冷)才能使室溫達到需要的溫度,為取得空調(diào)的效果就要提前開機,空調(diào)應付圍護結(jié)構(gòu)的熱負荷很大,耗熱量相當可觀,節(jié)約這部分能耗也是當前建筑節(jié)能的重要內(nèi)容。若采用蓄熱系數(shù)較小的輕質(zhì)
保溫材料放在圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè),即可節(jié)約圍護結(jié)構(gòu)吸收的能耗,且調(diào)溫快捷方便(
墻體保溫構(gòu)造方法如圖3)。夏熱冬冷地區(qū)采用外墻內(nèi)保溫技術(shù)還有利于調(diào)節(jié)室內(nèi)的濕度,該地區(qū)在梅雨季節(jié)濕度大,硬的地面或墻面有時會出現(xiàn)凝結(jié)水,室內(nèi)東西容易發(fā)霉,這是由于建筑缺少吸濕能力不能調(diào)節(jié)濕度。若采用能調(diào)節(jié)濕度的內(nèi)保溫材料,對改善環(huán)境必然有很大好處。再者,內(nèi)保溫對于舊房的節(jié)能改造比較方便,
造價低廉,
施工簡單。
3.3.2 屋面設(shè)計
圍護結(jié)構(gòu)屋頂因接觸上升熱壓氣流,散熱量較大,冬季保溫性能較差,夏季吸收大量太陽輻射熱,造成室內(nèi)氣溫過高,這也是夏熱冬冷地區(qū)建筑小環(huán)境出現(xiàn)夏熱冬冷的原因之一。為解決屋面自重問題,保溫層不宜采用容重大、導熱系數(shù)高的厚重材料,蓬松的保溫材料防水性能要求高,因此
屋面保溫技術(shù)影響因素較多。夏熱冬冷地區(qū)的居住建筑可采用聚苯板或再生聚苯板屋面,使用倒鋪(Upside down)法(如圖4),將保溫層放在防水層外側(cè),延緩防水層老化,提高隔熱和防水能力[3]。
從發(fā)展生態(tài)建筑的角度,也可采用新技術(shù)發(fā)展蓄水屋頂或無土種植屋頂,蓄水屋頂是在平屋頂上蓄一定厚度的水層,利用水的比熱大[4.186kg/(g/K)]的優(yōu)勢,作為
隔熱材料,每蒸發(fā)1kg水能帶走2428kJ的熱量;另一方面,屋頂用水隔熱后,大大降低了結(jié)構(gòu)的平均溫度與振幅,不僅可防止防水層由于高溫漲縮引起破壞,也防止構(gòu)造由于溫度應力而產(chǎn)生
裂縫,兼顧節(jié)能與保護雙重作用。在技術(shù)上蓄水屋頂要求有很好的防水質(zhì)量,否則易發(fā)生漏水現(xiàn)象;種植屋頂是在鋼筋混凝土屋面板上鋪土或其它替代品,再在上面種植作物,利用植物的光合作用、葉面的蒸騰作用及對太陽輻射熱的遮擋作用,來減少太陽輻射熱對屋面的影響。種植屋頂?shù)耐翆右灿幸欢ǖ男顭崮芰?并能保持一定的水分,通過水的蒸發(fā)吸熱也能提高隔熱效果,鋪土種植屋頂自重大,造價相對較高,如果以蛭石、鋸末或巖棉等代替土壤,再在上面種植,即無土種植,無土種植屋頂?shù)闹亓績H為同厚鋪土屋頂重量的1/3,而
保溫隔熱效果卻提高3倍以上。這是因為選用質(zhì)輕、松散、導熱系數(shù)小的材料作為種植層,其蓄水、絕熱性能都要比土壤好。蓄水屋頂和無土種植屋頂在城市綠化、調(diào)節(jié)小氣候、美化環(huán)境、降低噪聲等方面都能發(fā)揮作用,是值得推廣應用的節(jié)能措施[3]。
4 結(jié)束語
能源是人類賴以生存和發(fā)展的基本條件,建筑節(jié)能當務之急,關(guān)系到建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展;同時建筑節(jié)能又是一個復雜的過程,需要各個設(shè)計部門的
配合。夏熱冬冷地區(qū)的建筑節(jié)能擔任改善建筑熱環(huán)境和提高采暖空調(diào)的能源利用率、保護環(huán)境的雙重任務,
建筑師應以新的整體綜合設(shè)計的思想,嚴格執(zhí)行設(shè)計規(guī)范,從規(guī)劃設(shè)計、單體設(shè)計、構(gòu)造設(shè)計等方面綜合考慮,設(shè)計出真正節(jié)約建筑使用能耗的建筑!
