刘宇衡

(哈尔滨理工大学,哈尔滨 150080)

谈生态建筑节能与规划设计

刘宇衡

(哈尔滨理工大学,哈尔滨 150080)

介绍生态建筑的概念、特征、节能的目的与设计原则。主要从建筑规划方面进行深入研究,将生态技术和建筑节能科学运用到建筑规划设计中,以提高能源利用率。强调生态建筑规划设计应结合当地的气候因素和场地因素,充分利用以自然采光通风为主的生态环境,同时尽可能利用可再生能源的潜力,综合性地进行节能技术设计。

生态建筑;规划设计;可再生能源;节能技术

人类利用建造手段,在征服和改造自然的斗争中取得了巨大成就。但是建筑业的建造活动对我国生态环境造成了严重破坏:大量的砂石采集、矿石采掘造成河床、植被、土壤破坏和水土流失……因此建设生态建筑是中国建筑的发展目标,生态节能已经成为 21世纪设计界的主流。

1 生态建筑的概念、特征

生态建筑是根据建筑物当地环境特色,综合运用生态学、建筑学原理,遵循气候设计和节能方法,从人、建筑、自然所构成的整体环境出发,将建筑设计成为和谐、良性驯化的人工生态环境。生态建筑包括三大主题:以人为本;在保证舒适、健康的室内外热环境基础上,对资源节约和再利用;与周围生态环境相和谐。主要表现为:注重自然通风、自然采光与遮荫;利用太阳能等可再生能源;为改善小气候采用多种绿化方式等等。

生态建筑首先应具有节能的特征,并充分考虑绿色能源的使用;其次应注重使用再生和可循环利用材料,注重环境保护,尊重所在的地域环境和历史文化,继承城市脉络。

2 节能目的与设计原则

生态建筑的节能目的就是结合生态学原理和生态决定因素,在建筑设计领域寻求解决人类居住中的生态和环境问题,改善环境,创造出经济、社会和环境效益相统一的效益最优化。

生态建筑的节能设计原则主要体现在四个方面:①对自然生态环境的保护,尽量减少对生物圈的破坏;②对使用者的关心;③为使用者与自然环境沟通创造条件;④面向未来发展的足够弹性。

3 生态建筑的规划设计与节能

生态建筑的节能设计首先要求要合理规划。生态建筑是适应自然而生成的建筑,而不是改造自然而生成的建筑,因此在设计时需要深入研究以下因素与节能的关系,将对建筑的需要融入到周围的大自然当中,成为与自然互动、富有生命力的建筑。

3.1 基地气候的适应性与节能

我国建筑根据气候特点的不同,将全国划分为五个气候区。各个区域气候条件差别非常大,要求在北方建筑节能设计的重点是冬季保温防寒,南方主要是夏季隔热通风,而中间则是冬冷夏热地区,考虑隔热通风防潮,兼顾冬季保温,但仅靠空调改善热环境,能源消耗大。因此在进行节能设计时要区别对待各地区的不同气候条件,充分利用太阳、风等自然因素,最大化利用区域气候的潜在优势。

3.2 基地选址与节能

建设的基地应选择在向阳、避风的平地和山坡上,这是建筑节能、提高采暖效率的先决条件。同时建筑选址应尽量远离交通主干道,避免噪声污染。如果建在噪声声源处,应有绿化隔声带等保护措施。

坡地对建筑节能的影响,主要是日照得热和通风两个方面,效果因坡向和坡度大小而不同。若坡向为南向或接近南向,则利于冬季太阳得热,提高容积率。若坡向与夏季主导风向一致 (60°范围内),则利于夏季的自然通风。若坡向为北向或接近北向,为减少建筑物之间对日照的遮挡,建筑宜以点式为主。

3.2.1 建筑朝向

建筑应在最佳建筑朝向范围内选择。由于不同朝向上太阳辐射强度变化比较大,因此建筑规划时要考虑合理的朝向,尽可能增加太阳辐射量,建立自然采光系统。我国大部分地区正东向或正西向的房屋同正南的房屋相比,全年综合耗电量约增加 20%。因此南北朝向是最有利的建筑朝向。但特定朝向的选择还要受其他因素的制约。研究表明生态住宅的节能朝向偏角在 15°之内时,都属于好朝向。

3.2.2 日照间距和建筑密度

一定的日照间距是建筑充分得热的前提。日照间距是指一年中冬至日,满足北向底层房间获得日照时南北房之间的外墙间距。在实际设计中不宜只为满足日照间距而选择不利朝向,牺牲日照质量,必须研究在保证节能效益的前提下提高建筑密度。在规划布局中适当调整建筑朝向,调节建筑布局和外形均可达到在满足日照要求的基础上增加建筑密度,如利用斜向日照将北侧错台式、正南向行列式布置改为交叉错排行列式布置。

3.2.3 绿化遮阳

绿化遮阳是防止夏季过热的有效手段之一,是最理想的基地遮阳。绿化率是生态建筑的一个重要指标,要求不低于40%,人均公共绿地大于 2,硬质景观面积小于绿地总面积的20%,并保证有足够的户外活动场地和空间。最理想的基地遮阳植物是落叶乔木,茂盛的枝叶可以阻挡夏季阳光,降低微环境温度,并且冬季阳光又会透过稀疏枝条射入室内。因此基地绿化在保证绿化率的同时,在建筑的东、南、西侧多栽植落叶乔木,同时考虑乔灌草相结合,注重绿化的层次布局,风格与建筑物要相互辉映。绿化方式除了地面种植外,还有墙面、屋顶、阳台、窗台甚至室内都可绿化。

3.2.4 基地通风

外部风环境的状况直接影响到建筑室内得热环境。由于不同环境地区以及不同季节中建筑对风的要求都有所不同,所以建筑规划设计中应以当地主导气候为基础调节微气候,组织自然通风:①在湿热地区,规划应满足最佳通风条件;②在严寒、寒冷地区的冬季,强风会降低围护结构的保温性能、加速热损失,规划应致力于防风;③夏热冬冷地区,建筑既要考虑夏季的隔热和降湿,又要能适应冬季保温、保湿,这就要求建筑的通风设施应具有很强的可调性;④在干热风沙地区,对风的控制应着眼于防风,而不是要求最好的通风。

3.2.5 基地不利因素

(1)避免霜冻,选址时不宜布置在山谷、洼地、沟底等凹地处。

(2)避免不利风向,在严寒地区,规划设计时,充分考虑到封闭西北向,合理选择封闭或半封闭周边式布局,建立气候防护单元体系,使建筑群达到避风节能的目的。

(3)避免基地急风。(4)避免风雪堆积。

3.3 体型设计与节能

节能建筑的形态要求体型系数小,冬季日辐射得热多,同时对避寒风有利。具体选择节能体型时受多种因素制约,包括当地冬季气温、日照辐射量与照度、建筑朝向和局部风环境状况等等,因此体型设计需权衡建筑得热和失热的具体情况,优化组合各影响因素才能确定。

3.3.1 控制体型系数

建筑物的体形系数是指建筑物接触室外大气的外表面积与其所包围的体积之比。研究表明,体形系数在0.3的基础上每增加0.01,能耗约增加2.5%。因此从节能的角度出发,应该将体形系数控制在一个较低的水平上。我国建筑规范规定:多层居住建筑的体型系数不能超过0.35,大于 0.35时则需要用增加围护结构热阻来进行节能设计。

一般控制体型系数的方法有:加大建筑体量,增加长度与进深;体型变化尽可能少,尽量规整;设置合理的层数和层高;单独的点式建筑尽可能少用或尽量拼接以减少外墙面。

3.3.2 风向和体型设计

当严冬的寒风直吹建筑物的外围护结构时,可使房间的暖气温度大幅度下降。为了尽量减少风压力对房间气温的影响,应使建筑物的外轮廓设计尽量避免与当地冬季的主导风向发生正交。所以规划朝向应与夏季主导风向形成一个角度,最好控制在 30°～60°之间。

4 可再生能源

可再生能源是指从自然界中获得的,可以不断再生,永久利用的非矿物能源,主要指风能、太阳能、生物能和海洋能等,它们对环境无害或危害极小,而且资源分布广泛,适宜就地开发利用。生态建筑在规划设计中应充分利用可再生能源,尽量减少消耗常规能源,利用可再生能源代替常规能源的消耗。

利用太阳能减少建筑能耗和改善建筑物理环境是生态建筑节能设计的主要手段。一般来说,生态建筑的太阳能应用主要是通过被动式太阳能设计方式进行,主要有:①直接得热式,即利用阳光透过窗户照入室内并设置一定的贮热体,调整室内的温度;②对流环路式,是将建筑围合体设计成“双壁系统”,通过向阳侧开口部分玻璃后的空气层在太阳能作用下形成热循环,整体性地加热建筑外壁;③蓄热墙式,主要由混凝土、空气层、密闭玻璃部分组成了太阳能“空气加热器”,在夜晚可以持续向室内供热;④附加日光间,是结合封闭南向阳台和顶部的露台,设置贮热体及保温板系统来利用太阳能。在阳光间可以种植植物,形成循环的富氧室内空间,增加室内空气中的氧气含量。

5 结语

生态建筑的节能设计是一项综合性的系统工程,应体现在设计的全过程中,从建筑选址到单体设计,从围护结构到通风、采光、可再生能源利用等方面都应贯彻节能技术。它涉及建筑材料、建筑设计、建筑构造与施工、政策法规等多个专业领域,需要多个行业部门协同行动下才能实现。如今我国的建筑节能设计标准已经开始实施,一些相应的地方法规也相继制定,开发商和建筑师也应及时强化生态节能意识,大胆创新,积极实践,将生态技术和建筑节能科学运用到建筑设计中,以提高能源利用率,保护生态环境。

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TU984.12

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1674-6341(2010)01-0057-02

2009-09-27

刘宇衡 (1958-),男,吉林榆树人,工程师,从事建筑工程技术管理研究。

责任编辑:尚尔辉