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摘要：本文倡導利用被動式構造設計手段來實現住宅建筑熱環境節能的優化設計，并從住宅建筑的體形和布局、建筑平面設計、圍護結構及材料設計的改善以及太陽能的有效利用等方面較詳細地介紹了進行節能優化設計的措施。...

住宅建筑節能優化設計的探討

邱永亮1朱菊梅2

(1．陜西省建筑科學研究設計院710082  西安；2．漢中市建筑勘察設計研究院723000漢中)

1、前言

    建筑系統本身是巨大的消費者,建筑能耗在人類總能耗中所占比重約為l／4。因此，要求在設計過程中根據可持續發展原則，貫穿節約能源、資源的思想,減少對自然環境的污染和破壞，是每個建筑師的神圣職責。如何在住宅建筑設計中實現低能耗、克服嚴重的環境污染、采取節約型建筑技術體系，而且還能滿足熱舒適性及采光等的要求呢?有關專家提出了“構造設計學”的概念，即要求在建筑設計中，盡量不依靠設備，而充分利用天然資源和地理條件，在建筑形式或布局上采取措施，利用被動式構造設計手段，來滿足生活舒適的要求。

    所謂“優化設計”是指：研究問題和尋求解決問題的最優方案，“最優”兩字應理解為在給定條件下得到盡可能滿意的結果。在本文中，作者闡述了從綠色建筑的理念出發，提倡通過構造設計學的途徑進行優化設計，達到住宅建筑熱環境節能的目的。

2、住宅建筑布局和體形方面的優化設計考慮

    住宅建筑節能設計所涉及自然地理環境、小區規劃中建筑群體的朝向、體形、間距、高低及道路網的布局，廣場綠地的分布等都會影響規劃區的微氣候，影響建筑的日照和通風，由此影響到建筑的耗能。

    2.1朝向的選擇。經調查，在其它條件相同情況下，東西向多層建筑的傳熱耗熱量要比南北向的高5％左右。因此，住宅朝向的選擇，最好選擇南向，以其有利于夏季的自然通風，冬季增長日照時間。

    2.2具有合理的體形系數F0/V0。在住宅體形設計時，應注意用最少的圍護結構面積形成滿足功能要求的室內空間體積V0，F0值(外墻表面積)越小越有利于建筑節能，其意義在于減少不必要的墻體外表面積，避免熱損失，節能住宅體形系數宜控制在0.25到0.28之間。

    2.3優化建筑單體的組合方式。建筑單體之間的組合對氣流的形成具有直接的影響，為此設計時要確定好建筑物的位置和朝向，盡量減少氣候因素對圍護結構的影響。如采取一定的措施保證每一棟住宅建筑單體都有充足的迎風面；另外，建筑高度對自然通風也有很大的影響，一般高層建筑對其自身的室內自然通風有利；而在不同高度的房屋組合時，高低建筑錯列布置有利于低層建筑的通風，例如處于高層建筑風景區內的低矮建筑受到高層背風區回旋渦流的作用，室內通風良好。

    2.4在總體規劃設計中，應合理選擇熱源形式，優化布置室外供熱管網，以減少熱傳輸的損失。

3、建筑平面設計中節能的優化設計考慮

    3.1平面形狀應規整，盡量減少外圍護結構面積。增加冬季直射室內的陽光，夏季減少太陽輻射。合理組織穿堂風，加強空氣對流，創造夏季適宜的室內小氣候，以達到使用便利、環境舒適的效果。

    3.2熱環境的合理分區。把熱環境要求較低的廚房、廁所、過廳等布置在北向，而盡量爭取將居室布置在南向，充分利用太陽能，保持冬季室內有較高的溫度；應適當減少北窗開窗面積。

    3.3設置溫度阻尼區。例如樓梯間由過去的開敞式改為封閉式，樓梯間設窗；北向單元入口均設門斗，避免冬季西北風灌入；對屋面上人孔密封處理，使整個樓梯間形成一個溫度阻尼區。又如在北向設連通廚房的封閉凹陽臺，南向設外挑1.2米的凸陽臺，形成南北兩個溫度阻尼區，這些阻尼區像一道熱閘，大大減少了房間的冷風滲透，從而減少了居室的熱損失，據實踐統計資料表明，可使房間的傳熱損失減少40％到50％，南向的溫度阻尼區白天還可以作為附加日光間使用，是節省冬季熱耗的又一個有效措施。

4、改善圍護結構及材料的優化設計考慮

    建筑圍護結構，由包圍空間的將室內與室外隔開的結構材料和表面裝飾材料構成，包括墻、窗、門和屋面、地面。圍護結構必須平衡通風和日光的需求，并提供適合于建筑地點的氣候條件的熱濕保護。圍護結構的設計對于建筑在運行中的耗能是一個主要因素，據資料分析，僅從供暖耗能情況看，對整個建筑物各部位耗能分析：外墻加樓梯內墻占31.5％-36.4％，門窗占33.7-40.8％，縫隙滲漏占20.1-22.6％。有關資料闡述了對華北、西北地區住宅建筑耗能進行的分析，發現建筑外門窗或通過外門窗空氣滲漏的耗能約占建筑總耗能的48.7％。由此看出，優化建筑各部位的構造設計，如減少圍護結構滲透及實現結構冷橋的保溫，實現外墻保溫化，建筑物采用隔熱保溫材料等后，采暖用能可節約20％到40％，而工程造價費用僅增加3％-8％。具體的優化設計考慮如下：

    4.1門窗節能設計。外門窗是耗熱的重要渠道，是節能的重點部位。在我國，仍有80％以上的窗達不到節能要求。優化設計時應注意：

    (a)確定合理的窗墻比

    窗戶對住宅熱環境的影響相當大，它既是太陽輻射的得熱部件，又是主要的失熱部件，合理確定窗墻面積比是節能的重要措施之一。符合我國國情的窗墻面積比，如表l所示。

 

    另外，應減少、改善迎背風面開窗面積的比例，從夏季自然通風角度考慮，迎風面和背風面(以夏季主導風向為基準)，窗戶開洞面積應有一定比例，其比值約為l：0.7，既減少了冬季寒風的滲透，有利于室內保溫，又增加了夏季的滲透通風，改善了生活環境的舒適度。

窗墻面積比  表l

    (b)專家們指出，窗戶的傳熱系數約為墻體的3-4倍，只有門窗達到每小時每米縫長的空氣滲透量≤2.5m3，才能達到節能優化設計，為此，要利用新型門窗材料，改善保溫隔熱性能。近年來木門窗和鋼門窗已被逐漸淘汰，使用量最大的是鋁合金門窗和PVC塑料門窗，例如，選用“四防”節能型高強度組合鋁合金窗，又采用了嵌入式橡膠密封條減少縫隙，可使窗戶空氣滲透量大大減少，氣密性得到較大提高，收到了明顯的節能效果。另外，鋁合金門窗外表美觀，經久耐用，并且材料可回收利用。PVC塑料框料導熱系數低，塑料門窗有高氣密性、水密性、耐腐蝕性和良好的保溫隔熱性能，在建筑節能方面有不可比擬的優勢，但主要缺點是強度差、易老化、使用壽命短。因此，研制出抗衰老、符合環境要求的產品，才是塑料門窗的發展方向。

    (c)作者在調研中看到，至今為止，城鄉大部分住宅建筑門窗還在采用單層玻璃，其對太陽光輻射和遠紅外輻射很少有阻擋作用，導熱系數大，隔熱性能差，建議應盡量減少使用；而普通中空玻璃，通過降低對流導熱而降低玻璃的導熱系數(其性能與玻璃的材料、厚度、中空層厚度有關)，且價格適中，易推廣應用。

    4.2屋面保溫節能設計。屋面傳熱量雖僅占整個建筑面積的9％，但對頂層房間的影響較大。根據本地區實際情況設計好屋面構造，選擇好保溫材料，對屋面防水、保溫、隔熱進行綜合研究，是解決屋面節能的關鍵。在屋頂的設計中，考慮其受風、降水、日照等氣候因素的影響，應通過造型、構造和材料選擇達到利用改善微氣候條件的效果，如屋頂采取架空、微通風構造或在屋頂上種植綠色植物，可大大加強隔熱功能。對于樓板層的設計主要是利用其中空空間，以及對樓板吊頂造型加以設計，如將循環水管布置在其中，夏季利用冷水循環降低室內溫度；冬季利用熱水循環取暖等。

    4.3地面保溫節能設計。為了改善底層住戶的室內熱環境，減少熱損失，據資料介紹可在墊層下鋪lOOmm厚干爐渣，再做面層。有關專家還建議采用地面輻射采暖系統進行住宅建筑的供熱，首先，因為它較對流供暖方式熱效率高，熱量相對集中在人體受益的高度內，在同樣使人感到溫暖的前提下，室內設計溫度可以比后者降低2-3攝氏度；其次，因為它使室內沿高度方向上的溫度分布比較均勻，溫度梯度很小，熱媒低溫傳送，在傳送過程中無效熱損失可大大減少；再其次，控制閥門集中于分配器，方便調節室內溫度，且無人時可關閉，從而節省供暖能耗。最后，由于地面層蓄熱量大，熱穩定性好，因此在間歇供暖的條件下，室內溫度變化緩慢，特別適用于住宅建筑類型。

    4.4墻面保溫節能設計。墻面的耗熱量要占建筑采暖熱耗的1／3以上，它在建筑一次性投資中又占很大的比重，因此如何合理確定選用不同結構的材料及保溫厚度，使這部分投資獲得最有效的節能效果十分必要。目前，新型保溫材料的物質種類很多，材料的選擇要結合建筑物的使用性能、構造方案、施工方法、材料來源以及經濟指標等因素�，F今大力提倡的外墻外保溫技術適用于多種結構體系，具有保溫功能和構造合理，保溫隔熱效果優良，沒有冷熱橋，不占建筑使用面積，對主體結構有很好的保護作用，施工方便，投資增加不多，綜合經濟效益顯著等特點，近幾年國內以聚苯乙烯、巖棉、玻璃棉外保溫為主體的十幾種外保溫體系和技術已經比較成熟，并已形成產業化，具有相當規模和專業化施工，具備了大力推廣應用的條件。在外圍墻體設計中，除應加強適應氣候條件的常規保溫、防潮與隔熱等措施外，還應體現在能夠改善微氣候環境條件的特殊構造設計上，如馬來西亞著名建筑師楊經文設計的檳榔嶼州Mennara Umn0大廈外墻中，外加了一種“捕風墻”的特殊構造設計，它在建筑兩側設陽臺開口，開口兩側外墻上布置兩片擋風墻，使兩通風墻形成喇叭狀的口袋，將風捕捉到陽臺內，然后通過陽臺門的開口大小控制過風量，形成“空氣鎖”，可以有效地控制室內的通風，這種做法值得借鑒。

 

圖2：楊徑文：檳榔嶼州Mennara Umn0大廈“捕風墻”設計示意圖

5、充分利用太陽能

    在我國，太陽能在大部分地區都具有良好的利用條件;全年日照時間最長的可達2800-3300h，年日照時數大于2200h(即每天平均日照時數大于6h)的地區，占國土面積的2／3以上，利用被動式太陽能采暖、太陽能熱水、主動式太陽能采暖與空調以及太陽能發電等前景廣闊。現在應用最廣泛的是太陽能熱水器，尤其是在黃土高原地區，日照時間長，價格適中，深受歡迎。據最新報道：2004年，我國太陽能熱水器擁有量將達4000萬平方米，年替代常規能源能力約600萬噸標準煤，居世界第一位，并且，太陽能熱水器正在以30％的年增長率增長。而主動式太陽能采暖與空調及光電利用的技術含量較高，但初始投資成本較高，隨著技術的不斷進步，成本也將進一步下降，最終定會達到經濟、實用的要求。近年來，在我國天津、北京、甘肅、河北等地已建立了17座被動式太陽能恒溫式住宅，這些住宅以建筑物本身為太陽能收集器，以達到取暖制冷的目的；日本的0M陽光體系住宅是典型的“低技術”與“高技術”相結合實現有效利用太陽能的典范，它的原理是室外空氣最初被屋面下的通氣槽引入，積蓄在屋檐下，并被安裝在屋頂上的玻璃集熱板加熱，然后這些空氣上升到屋頂最高處，通過一個屋頂通氣管和空氣處理器，進入垂直風道向下轉入地下室，設置在基礎上的厚水泥板用來儲熱，這些熱空氣還可用于家庭的熱水供應，如圖3所示，只需要利用有限的高技術就可以提供全年的室內氣候調節。  

 

    在2004年召開的黨的l6屆4中全會上提出了以人為本、全面協調可持續的科學發展觀，是我們黨推進社會主義現代化建設指導思想的新發展，而對于作為世界上最大的發展中國家的我國，要實現可持續發展，建筑節能是一個擺在全國人民面前的極其重大的話題。在本文所涉及內容的研究過程中，我們也深深地體會到只有從事建筑設計工作的人員和從事建筑技術工作的人員更密切地合作，才能真正有效地取得實際成果，直接為國民經濟主戰場服務。管窺之見，僅供大家參考。

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)

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