夏热冬冷地区建筑节能设计策略

    为拯救地球，2009年12月18日，丹麦哥本哈根会议全球总动员商讨气候大计，但矛盾重重，分歧很大，各国领导人无功而返。我国正处经济发展的工业化初期，节能环保形势非常严峻，人均资源匮乏，能源利用效率低下，环境污染严重，急需找到问题的解决方法。 版权为ehvacr.com

　　作为能源消耗大户的建筑业，占我国能源总消耗量的30%以上，平均建筑能耗是发达国家的2—3倍。因此，在建筑生产、建造、使用和再利用过程中应始终贯穿节能策略，有效降低建筑业的能源消耗。而建筑设计是建筑节能减排的关键一环，必须采取有效的节能设计措施，创造高质量的节能环保型建筑。 暖通百科
　　夏热冬冷地区横贯我国西、中、东部，覆盖上海、江浙、安徽、江西、湖南、湖北、四川、重庆、贵州等沿长江经济带，是我国经济最发达的地区之一。最冷月平均温度0∽10℃；最热月平均温度25∽29℃，四季分明。夏季需纳凉，冬季要采暖，加大了该地区节能设计的复杂性。
　　贯穿建筑设计全过程，夏热冬冷地区建筑节能设计影响较大的主要在四个方面：总平面节能设计、单体平面节能设计、节能构造设计、设备节能设计。这意味着建筑设计要时刻具有节能意识，应用一切可行的设计方法去实现建筑节能。 Ehvacr
　　建筑总平面节能设计
　　夏热冬冷地区建筑总平面布置对建筑节能影响重大，有些影响甚至是决定性的。我国传统儒家、道家、佛教甚至风水思想中的顺应自然、天人合一的思想总的可以理解为任何事物都有其内在发展规律，不能强求去改变它，而应迎合、利用，“无为而无不为”。这于我们建筑总平面设计有重要的指导意义。

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　　当下我国处于快速城市化进程中，建设速度快、建设量大，时常会有项目开始之时的“三通一平”、“七通一平”，无视原有自然地形地貌，一律推平，将生态地貌改造的无影无踪，最后建成所谓现代化的城市景观，模仿堆砌，千篇一律，毫无特色，这种情况必须坚决改变。除了尽量利用原有生态地形地貌外，夏热冬冷地区建筑总平面设计应注意以下四个原则：
　　一是向阳原则。节能建筑为满足冬季采暖的目的，利用阳光是最经济、最合理的有效途径，同时阳光又是人类生存、健康、卫生的必备条件。建筑物应尽量南向，避开阴影区，争取更多的日照时间。现在对居住建筑强制实行日照分析，但公共建筑设计一般不做这项工作，建筑间距往往以消防间距控制，个人认为公共建筑设计在建筑密度较大时应有日照分析内容。
　　二是通风原则。通风原则是保证建筑物夏季致凉和空气新鲜卫生的重要条件，我国东南临海，夏热冬冷地区夏季多盛行东南风，冬季为西北风。对地形的设计分析应注意常年主导风向，使建筑通风良好又不出现“局地疾风”和“恶性风流”。我们在总平面布置时往往专注于构图手法，忽视总图中风向、风速变化对建筑的影响。甚至在设计成果中根本没有这项内容，造成很多“风梗阻”空间，通风纳凉的均好性和连续性无法实现。
　　三是景观原则。随着人们生活水平的提高，人们越来越关心建筑的室外景观，利用好的话可以让人心旷神怡，修心养性，减少烦躁感，提高生活质量。其中景观设计应以自然景观为主，对建筑小环境的营造非常有利，间接有利于建筑物的节能设计，提高能源利用效率。
　　四是综合平衡原则。对于具体项目，前三项原则的应用有时会出现矛盾，应分清主次，综合平衡。如临水或临公园建筑群，建筑朝向的选择需综合评估，以向阳原则为主还是以景观原则为主应视具体情况确定。
　　建筑单体平面节能设计
　　建筑单体平面设计是夏热冬冷地区建筑节能设计中关键一环。节能建筑重在冬季采集阳光、尽量减少能量的损耗，夏季通风遮阳，减少日照影响。建筑单体平面设计应注意以下四个原则：
　　一是南向展开原则。建筑物尽量多的朝南向展开，冬季能够充分纳入阳光，夏季能加强通风，同时也能尽量多的使建筑功能空间避免进入自己或其它建筑的阴影区，对太阳能建筑一体化设计也非常有利。建议居住建筑以板式为主，南北向布置，南面可适当开大窗，增大窗户开启面积，避免东西向开设窗户。公共建筑也应尽量扩展南向面积，减少东西向窗户。屋顶在考虑建筑造型的同时，应注意留出能布置太阳能设施的南向空间。
　　二是进深适度原则。一般认为进深越大，对节约用地越有利。但是进深太大或太小，对建筑节能却不一定有利。进深太大，每单位面积的南向采光面必然会小，不利采暖，且进深大使得夏季通风困难，不利夏季通风纳凉。进深太小则相反，每单位面积的南向采光面是大了，夏季通风良好，但冬季晚间储热效果差，夏季当室外温度过高时，室内易产生伏热感，且对节约用地也不利。依据笔者个人设计实践，在夏热冬冷地区，居住建筑南北进深在13米左右为宜，公共建筑进深最小应大于8米，最大可致16米。
　　三是体型系数控制原则。体型系数指建筑物与室外大气接触的外表面积与外表面积所包围的建筑体积之比(外表面积中，不包括地面和不采暖楼梯间隔墙和户门的面积)。对节能建筑来讲，体型系数小意味着尽量小的建筑表面积可以装下尽量大的使用空间，如居住建筑体型系数小于0.3时对建筑节能非常有利。当然，建筑体型系数还与建筑物的形状、高度及进深等有关系，需要综合评估。
　　四是温度分区原则。根据建筑物的使用功能，可以将主要使用空间尽量集中布置，将交通空间和辅助用房另外集中布置，提高空调利用效率。如空调要求高的主要用房南向布置，将楼梯、卫生间、设备用房、储藏空间等空调要求低或不需要空调的使用空间布置于北侧或顶层。温度分区要求在不同分区部分进行保温分隔，以保证不同温度分区使用空间的空调效果。 Ehvacr
　　建筑节能构造设计
　　在总平面和建筑单体平面确定之后，需要对节能构造进行精心设计。由于夏热冬冷地区的气候特点，节能构造设计也具有不同的具体方法，主要体现在以下四个方面。
　　一是墙体保温。建筑物外墙表面积约占整个建筑物外围表面积的60%左右,从建筑外墙传热所造成的能耗损失约占建筑的外围护结构总能耗损失的45%左右。所以墙体保温是夏热冬冷地区建筑节能设计的重中之重。外墙体保温分外墙外保温、中保温、内保温三种。根据笔者实践，夏热冬冷地区应以外墙外保温为主，外墙外保温能有效保护建筑物外墙结构，避免冷、热桥，有效保持室内的热稳定性，不占用室内使用面积，在旧房节能改造中不影响住户的正常使用。外墙外保温对保温材料和施工技术要求比较高，要加强对保温材料耐候性和对墙面结构的依附性的研究，确保不出现渗水、结露、裂缝和掉落。
　　二是门窗保温。在夏热冬冷地区，外门窗所造成的能耗损失约占建筑外围护结构总能耗的40%左右，与外墙体能耗相当。建筑设计要控制窗墙面积比，南向窗可尽量大一些，冬季纳入更多阳光，夏季增加通风面积，东西向窗面积尽量小并采取遮阳措施。窗户玻璃建议选用双层中空玻璃，这是保温节能需要，对室内噪音控制也非常有利。窗户还应注意气密性参数的控制。对玻璃幕墙玻璃则还要注意透光系数、反射系数等系数的选择，建议选用中间空气层为12mm的Low-E中空玻璃，幕墙铝框采用断热铝合金。当然针对不同工程，可以在节能计算满足国家规范要求下做出微调。 暖通空调zaixian
　　三是屋顶保温。建筑屋顶受室外环境影响最大，夏季阳光暴晒，冬季积雪冰冻，冬夏季温差可以达到50摄氏度，给屋顶保温材料和构造的选择带来困难，处理不好对顶层用户使用及整栋建筑物节能效果有很大影响。屋顶保温构造应本着夏季通风遮阳、冬季穿“棉袄”的原则进行处理，即做保温隔热层。保温可以采用外墙体保温做法，如在防水层上设40mm厚挤塑聚苯板，上再做面层，也有采用倒置式屋面，将防水层做在保温层上面。还有做覆土种植屋面，个人认为这是一种值得大力推广的屋面保温形式，即可保证保温效果，又可丰富屋顶立面，但会加大资金投入。通风遮阳可以考虑设隔层和结合造型设置构架等，还可结合屋顶太阳能设备使用，让太阳能设备层作为通风遮阳层，一举两得。还有一种蓄水屋面，个人认为在夏热冬冷地区不适合使用，除非蓄水以某一零上温度一直保持循环，这很难大面积推广。

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　　四是被动式太阳能构造设计的采用。作为节能建筑，建筑本身进行节能设计的同时，还应采用太阳能技术，使太阳能的利用效率进一步提高。在当前技术条件下，可以采用的太阳能技术非常多，如太阳能光电技术、太阳能热水技术、被动式太阳能技术等，但成熟还是被动式太阳能暖房及太阳能热水技术的应用。被动式太阳能暖房主要是在南向空间设置大面积玻璃窗，冬季大量纳入阳光并通过储热地板或储热墙的应用保存热量，夏季则应进行遮阳处理并加强通风纳凉，防止形成“闷室”。当前太阳能技术应用最广的还是太阳能热水技术，但还是存在很多问题，如太阳能热水设施杂乱布置，对建筑立面和屋顶景观效果有影响，没有进行建筑—太阳能热水技术一体化设计。另外在高层建筑上应用太阳能热水系统也有困难，如管路过长，屋顶设太阳能集热器面积过小，在立面上设置太阳能集热器又面临很多技术难题等，这些都需要建筑设计师和太阳能技术专业工程师的合作与努力才能解决，任重道远。 ehvacr.com
　　建筑设备节能
　　节能建筑除了大力利用太阳能和维持自身能量之外，在建筑的使用过程中还有重要的一环，即水、电、暖的设备节能。这些设备大都靠电力带动，电能的节约相当可观，需要大力研究并在三方面加强实践。
　　一是节水。夏热冬冷地区位于长江流域，水资源较为丰富。随着城市化进程的加速，同样面临水资源短缺的问题。设计中要重视雨水的回收使用，如采用人工湖或水体积蓄平时地面雨水，用于消防或绿化用水。屋顶雨水也可通过落水管集中回收沉淀净化后使用，而不是排入城市下水道，既浪费又加重污水处理设施的负担。设计应提倡再生水的回收利用，如建立建筑中水系统，将洗浴废水甚至厨厕污水通过建筑污水处理系统，使其达到一定水质标准再通过专门管网用来浇灌绿化、洗车、施工及室内冲厕等。还有节水洁具的提倡使用也是节约用水的重要一环。 暖通空调zaixian
　　二是节电。随着生活水平的极大提高，家用电器及办公电器的使用数量及使用频率都大为增加，电能消耗非常巨大，一到极热或极寒天气，各地耗电便达到峰值，电力供应频频告急。所以应大力提倡使用节能电器，及时淘汰耗电量大、不经济的老旧电器。尽量采用自然采光，减少电力照明；多用自然通风，少用人工空调；提倡太阳能利用，减少电力供暖。 ehvacr.com
　　三是加强其它绿色能源的利用。除了太阳能外，地热能、风能、生物质能源的利用也已进入到实践阶段。夏热冬冷地区普遍地下水资源都非常丰富，采用已经非常成熟的水源热泵空调系统可以节约空调运行过程中的大量电能。笔者参与设计的南昌中航国际广场项目位于赣江之畔，采用水源热泵空调，初期投入投资增加20%，但运行费用很低，预计四年使用期的节电量即可收回相关技术设备的投资，既环保又经济。当然在遇到地势下沉严重的特大城市如上海使用水源热泵机组还值得商榷，但可以采用其它如地源热泵机组，笔者参与设计的崇明长江口繁殖基地业务用房采用了地源热泵机组，应该也是不错的选择。对于风能在建筑上的应用，个人认为目前的技术条件还很难推广，需要继续研究实践。生物质能的应用主要在气化技术，该技术在集中的城市大型建筑中很难稳定使用，但我国目前正在推行的社会主义新农村建设中却已大量采用，到2008年底全国已建成了沼气池1200多万口，大中型沼气工程1500座，年产沼气50万吨左右，个人认为生物质能的应用在投资产出率和维护成本等方面还应加强研究。 Ehvacr
　　结束语：
　　夏热冬冷地区建筑节能设计是随着全球资源日益紧张而发展起来的新课题，我国在近十年来的研究实践中已经取得了一定的成绩。随着节能设计的不断深入，具体问题也越来越多，需要参与建筑节能实践的建筑师努力学习、踏实工作，针对具体问题分析研究，逐个解决。也希望看到越来越多的真正的节能建筑付诸实践。

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　　参考文献：
　　（1）建筑环境控制学宋德萱上海同济大学出版社2003.1
　　（2）绿色建筑《绿色建筑》教材组北京中国计划出版2008.8
　　（3）节能建筑设计与技术宋德萱上海同济大学出版社2003.7
　　（4）南昌地区城市住宅节能设计策略研究彭敏南昌南昌大学硕士论文2008.12
　　（5）建筑设计的生态策略清华大学建筑学院清华大学建筑设计研究院北京中国计划出版社2001.9