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以低能耗为导向的夏热冬暖南区公共建筑节能设计策略研究

2019-11-26 11:11:33 绿色科技 2019年20期

杨修 黄翊婕

摘要:为了降低夏热冬暖南区的建筑能耗,研究了夏热冬暖南区公共建筑的低能耗节能规律,以南宁市某三产综合楼项目为例进行了研究,采用软件模拟计算和数据对比分析的方法,分析了建筑朝向、日照时长、中庭位置、遮阳板设计、绿植设计等设计手法对建筑能耗的影响,优化建筑内部功能布局和外表皮设计,引入绿植以提高环境与建筑的亲近,提高活动空间的舒适感,最终实现低能耗设计的目标。

关键词:低能耗建筑;公共建筑;节能设计;南宁市

中图分类号:TU201 文献标识码:A 文章编号:1674-9944(2019)20-0186-03

1引言

随着我国经济实力不断提高,城市建设总量的快速增长带动了建筑业的蓬勃发展,由此用于制造建筑材料产生的能源消耗占中国总能耗的20%~30%。根据相关文献的报道,当前国内建筑行业的能耗已经占到社会总能耗的30%。夏热冬暖南区作为我国5个气候区域之一,能源消耗较大,而公共建筑作为人群密度较高的建筑,能耗总量也同样不可忽略。因此为了降低公共建筑的能耗、提高室内舒适度,对夏热冬暖南区的公共建筑节能设计有着十分重要的意义。

第一次引起人们对环境问题的关注缘于作家蕾切尔·卡森的《寂静的春天》。20世纪70年代初,舒马赫在《小是美好的》中提出人类应该倡导可再生能源利用,逐渐抛弃高能耗的技术和生活方式。90年代初,在里约热内卢召开的联合国环境与发展大会首次提出了绿色建筑的概念,由此开创了绿色建筑发展的新篇章。20世纪末欧洲在低能耗办公建筑取得发展,如伦敦行政大楼,采用遮阳技术,减少建筑物的散热面积,实现节能。在我国,首次在建筑领域提出生态问题的是80年代初李道增发表的论文《重视生态原则在规划中的运用》。90年代末,宋晔皓先生首次提出缓冲层的概念,对低能耗建筑设计做出尝试。我国绿色建筑发展的里程碑是2006年颁布的《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2006,此后我国绿色建筑建设进入快车道发展阶段。在国内节能政策的推动下,低能耗建筑也不断发展,理论文章同样层出不穷。

在世界能源格局变化发展的情况下,我国的能源安全受到诸多挑战,经过多年的努力,全国节能工作不断取得新的成就,特别是在“十三五”时期,国家持续推进低能耗建筑、超低能耗建筑的情况下,建筑业迎来新的发展机遇。低能耗建筑有助于提升建筑环境品质、减少建筑能耗,夏热冬暖南区对低能耗建筑有迫切需求。近几年来,由绿色建筑发展而来的低能耗技术在建筑应用中得到人们的关心并获得大量的研究理论和成功案例。本文以低能耗建筑设计为导向,遵循低能耗建筑设计原则和策略,针对夏热冬暖南区南宁市某三产综合楼项目,提出符合当地的气候、因地制宜的低能耗建筑设计方案。

2低能耗建筑设计原则

在建筑设计过程中,建筑师应当积极合理地使建筑适应当地的气候特征,节约能源,并利用太阳能和其他可再生能源来节约能源。设计原则如表1所示。

3低能耗建筑策略

3.1地域环境与建筑低能耗设计

在初步设计阶段,建筑方案应基于调研得到的项目所在地的气候条件、文化特征、居民的生活习惯等资料,综上分析出人们需要怎样的建筑、怎样的室内环境。在低能耗理念的指导下,建筑设计必须更深层次认识到当地的日照时长、太阳辐射强度、冬季风夏季风的主导方向等,同时了解周边建筑的高度密度、周边植被、水域等因素对其的影响。

3.2建筑规划设计与建筑低能耗设计

3.2.1建筑形体

建筑形体设计需要考虑节能和节地,一般而言,体形系数越小的建筑,节能效果越好,且在夏热冬暖南区,建筑需要减少过多的太阳辐射,避开西晒,尽量迎接夏季主导风以达到散热的效果。

3.2.2建筑室内布局

建筑室内布局主要根据人的行为活动线来规划设计,有日照需求的房间应尽量布置于南边,建筑朝向宜南北向或近南北向,重要房间尽量避开冬季风向。在建筑室内布置庭院是一项常用的改善室内热环境的手法,在公共建筑设计中,常常以中庭作為人流集散点,同时也起到优化微气候的效果。

3.2.3外围护结构设计

在夏热冬暖南区,围护结构的节能重点在于遮阳隔热措施,即抑制太阳的热进入建筑室内。建筑表面可用浅色材料或隔热涂料,减少太阳辐射;也可使用双层墙或空气间隔墙,在室外空气进入室内前先耗损一部分热量;也可在屋顶或墙外设置遮阳板,遮挡太阳辐射,或在外墙设置绿植以及屋顶绿化。

3.2.4绿植设计

绿植绿化在改善建筑室内的气候条件中起着重要作用,可以减少室内空调能耗,节约建筑物的能源消耗。绿叶产生的蒸腾作用及光合作用过程将会吸收大量的太阳辐射热,对室内外热环境起到很好的调节作用,可在建筑周边种植树木、铺设草地,也可在建筑内部、建筑表皮及屋顶做绿植设计。

4低能耗建筑设计案例分析

本文选取的案例为夏热冬暖南区典型城市南宁市的某三产综合楼建筑项目,建设地点位于该市江南区。南宁市地处低纬度,太阳终年辐射强,降水丰富。夏长高温多雨,冬短温暖干燥,属南亚热带季风气候,多年平均日照时数为1827h,年平均气温21.6℃,无霜期345d,夏季以东南风为主,冬季以东北风为主,全年盛行东风。本项目拟建设一个现代化的商务办公综合楼,使用功能以商务办公、酒店服务为主,打造一座具有舒适高效的公共建筑空间且与周边环境和谐共处的低能耗建筑。

4.1基本体形与体形系数

体形系数是指建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围体积的比值。一般来说,体形系数越小,节能效果越好。运用Ecotect软件,根据整年总的不舒适度的时长来比较为了抵消不舒适所需要消耗建筑的能耗量。由于建筑用地较为规整,朝向基本确定为正南北的情况下,为确定建筑基本体形,做了多个不同地面形状、相同高度的方案进行比较,经过计算后发现:体形系数越小,建筑不舒适度时长越少。

4.2垂直功能分区

项目设置两层地下停车场,集约利用土地;塔楼在裙房的基础上向南退,在一定程度上避免北面学校的噪声干扰,裙房顶部做屋顶绿化设计;塔楼中部设办公出租区,最上部设酒店客房区,避免人群流线穿越,也保证酒店部分利用面向南边江南公园的最佳景观。

4.3庭院位置确定

现代公共建筑中庭第一次出现在凯文·罗奇设计的福特基金会总部大楼,由于其具有比城市广场更加优越的条件,后来被全世界设计师所效仿。中庭独特的空间形态和构造决定了中庭具有两种效应:温室效应和烟囱效应,合理的设计可以使中庭成为降低能耗的重要手段。在本次设计中,由于酒店和办公出租的房间布置需多在南、北向,因此庭院的布置于中部。为了探索更低能耗的方案,在中部不同位置出了4种方案比对发现采用中部偏西的方案的建筑总负荷最小。

4.4外围护结构及遮阳板

本项目采用了良好的外围护结构方案,外墙采用加气混凝土砌块(B07级)+无机保温砂浆的组合,外刷隔热涂料,满足防热的要求。外窗方面采用铝合金Low-E中空玻璃,具有良好的热工性能。屋面采用种植屋面,减少太阳辐射,满足屋面的保温及隔热要求。最终节能计算结果表明,本建筑节能率较节能设计标准规定提高5%幅度。

冬季时,东西两面有足够日照,南面日照时长过长,北面缺日照。夏季时,东面有足够日照,南面日照足够,西面日照时长,北面日照时间过长。夏热冬暖南区阳光充足,夏天需要防晒,因此本设计采用垂直遮阳和太阳能热板结合的方式,更能降低建筑能耗,创造舒适空间。通过光电效应或光化学效应,太阳能光电设备吸收太阳光并将太阳辐射直接或间接转换成电能,本项技术将大大减少建筑能耗。

4.5建筑绿化设计

4.5.1地面绿化设计

本项目的地面绿化分为地面绿地、生态停车位及地下室顶板绿化3部分。在植物种类的选择上,优先选用适应广西气候条件的本土植物,采用乔灌结合的复层绿化形式,使场地内的绿化体系更富有层次感。场地绿化有利于降低地面温度,对降低城市热岛效应起到较好的作用。

4.5.2屋顶绿化设计

屋顶用作建筑物重要的組成部分,受到阳光照射的时间最长,屋顶的隔热性能极大的影响建筑物全年冷热负荷。根据低能耗建筑设计的概念,考虑提高建筑物的整体隔热效果,本项目采用屋顶绿化形式,使用低矮灌木和乔木结合的做法,形成高低错落的景观,既起到了隔热的效果,又可以给工作、休闲人群提供室外活动场所。屋面绿化还可降低外界噪音,起到净化空气的作用,在夏热冬暖南区也可降低温度,同时也增加建筑物的美观和环境舒适度(图1~3)。

5结语

本文通过现场调研和模拟数据分析对比,发现南宁市具有独特的阳光优势和温暖的气候环境,因此建筑中设计了中庭空间,使用了太阳能电板和绿植隔热设计,满足现行节能设计标准。经过上述低能耗建筑策略的应用,本项目最终的节能率计算达到55%以上,达到低能耗建筑的标准。此外,项目由于应用了合理的绿色建筑技术,在绿色建筑评审中满足了二星级绿色建筑的标准要求。由此可见,以低能耗为导向的建筑设计既可满足节能设计要求,又为绿色建筑的评价做出了贡献。