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超低能耗建筑的设计优化策略

日期: 2020-07-09
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  一、引言

  现阶段,随着现代科学技术发展,被动式超低能建筑作为建筑行业的新兴产物,该能耗方式起源于德国,在制冷与供暖等方面的具体操作提出了更高的要求,同时也在环保理念、技术水平以及舒适性等方面展示出了显著优势,例如,建筑良好的保温性能可以满足人们对居住温度的需求。

  综合我国建筑发展历程,传统建筑形式存在诸多制约因素,包括耗费大量的资金以及人力、物力资源,且需要面临资源浪费与环境污染两大难题,因此不利于建筑行业的稳定可持续发展。

  而超低能耗建筑可以有效克服上述问题,在先进技术与节能方式的推动下,在节约生产成本的同时,促进了建筑建设整体水平的大幅度提升,以热回收家居通风技术为例,该技术为保障内部流通空气质量等方面提供了有效途径,再借助热回收装置技术实现废气与新鲜空气的持续交换,从而提高对热量的利用率。综上不难看出,对于建筑行业现代化发展而言,被动超低能耗建筑具备充分的必要性与重要性。

  二、被动式超低能耗建筑节能设计原理

  建筑节能设计的最终目标为,在节约与充分利用资源的前提下,保障居住环境的舒适度,在不同环境下的室内温度与湿度有着明显的差异,因此气候与室内环境是建筑设计的重要影响因素,即建筑节能设计需要立足于具体的气候与室内环境条件合理开展。

  例如,当整体环境为夏暖冬热的状态时,在门窗关闭且无其它通风措施的情况下,会严重影响居民的居住体验。适宜居住的环境条件是:室内温度不超过28℃,室内空气相对湿度不超过60%。

  根据适合居住的环境条件要求,在进行设计的时候,要保障室内正常的空气流动,并且要加强室外的遮阳程度促使环境达到舒适的居住环境。

  此外,被动式建筑空间设计需要减少现代设备的数量,从而达到节省资源的目的,具体设计原理下图所示:

  

 超低能耗建筑的设计优化策略


  被动房设计原理

  三、当前被动超低能耗建筑在发展过程中存在的问题

  (1)由于我国国土资源辽阔,再加上经济发展不平衡,各个地区的气候存在较大的差异,特别是对于一些经济较为落后地区而言,资金以及先进技术的引入不到位,致使整个建筑设计水平不高,给被动式超低能耗建筑的工作带来了较大的挑战。

  (2)我国横跨纬度较多,各个地区的气候变化也存在着较大的差异,不同气候区域采用统一被动超低能耗建筑并不能充分发挥出自身最大的作用,这也是当前被动超低节能建筑存在的主要问题,只有有效的考虑到因地制宜才能进行后续的工作。

  四、被动式超低能耗建筑的优化设计

  1 通风设计

  被动式建筑节能设计中通风设计是非常关键的设计,通风设计包含着不同种类的设计,其中包括总体规划通风设计、建筑平面通风设计、建筑立体通风设计:

  (1)总体规划的通风设计。

  通风性是影响居民居住体验与舒适度的重要因素,也是建筑设计的重点,在规划设计过程中,需要综合房间分布、采光以及气候环境等多种因素,对风势走向等进行科学合理的把握。

  (2)建筑平面通风设计。

  为了保障居住环境舒适度,需要对基础设施布置与安排的合理性加以重视。以人员集中活动、流动性较大的客厅为例,该区域的设计需要重视空气对流的设计部分,充分保障气体的正常流动,并借助“空气龄”这一指标科学衡量室内空气的流动性。

  (3)建筑立体的通风设计。

  外墙设计的工作内容包含了以下方面:在不影响建筑功能的情况下,尽量减少外墙设计的表面积;勘查并掌握当地气候环境及其带来的影响,从而在居住需求的基础上对门窗等部分进行设计,解决室内上层热空气与外界气体的交换问题,有效提升室内环境的质量,并缓解外界温度对室内环境的影响,减少资源浪费等不良现象的存在,如下图所示:

  


超低能耗建筑的设计优化策略
图片来源:北京中汇能宜居



  通风设计

  2 保温隔热设计

  在我国的大多数地区,通常会采用双墙隔热设计,通过中间的隔层,保证室内的温度,不同方向的外墙采用的方式也不同,要根据不同的方向采用不同的材料。

  另外一种保温隔热的方式就是采用节能屋面保温隔热技术,就是在屋顶的上面进行绝热板的铺设,这种设计能够有效阻断热量的传播。对于斜面的房屋来说,要采用双隔面的方式,在原本的基础上加上一层通风百叶,有益于空气的流动,确保夏天室内温度的适宜,通过这种方式,能很好的改善室内温度,有效的降低能源使用,如下图所:

  


超低能耗建筑的设计优化策略
图片来源:北京中汇能宜居



  保温隔热设计

  3 采光设计

  退台空间建筑的退台空间指的是,建筑立面或是内部的中庭空间呈逐层退进或是逐层外挑。

  逐层退进的目的是为了使建筑上层对下层尽量少的遮挡,让每一层尽量多地接受自然采光,并加强热量的获得,对寒冷地区建筑的采光极为有利。

  逐层外挑的目的是为了让建筑上层对下层有稍微的遮挡,避免眩光的产生,并加强建筑的遮阳效果,对炎热地区的建筑比较有利。

  由于太阳高度角和日照方向的不同,基于建筑采光优化的退台空间也不尽相同。而建筑剖面,则为退台空间提供了一种“可调节”的设计方法。

  建筑南立面,为了防止其在夏季受到阳光强烈的照射,可以将其剖面外墙在沿太阳入射的方向进行稍微调整。这样一来,不仅解决了强光照射的问题,也没有影响到冬季的采光(由于冬季太阳的入射角较低),而且可以缩短建筑之间的日照间距。

  中庭空间对于大进深或大开间的建筑,建筑难免会存在自然光很难照射到空间。这时,一般的解决方法是,在建筑跨度大的地方加入中庭空间,调节其周围内部空间的采光。

  光是由上至下射入建筑中,平面图可以确定中庭的进深和面宽,但不能从光的入射方向对中庭的竖向空间进行调整。

  剖面是对空间的描绘,是将空间从二维提升到三维的一种图示表达。剖面不仅仅作为一种结果,它更是一个过程、一种方法。若从剖面对建筑的中庭空间进行设计和优化,必定会带来更加准确且有效的结果。以顶部采光的中庭空间为例,其高度与宽的比值就决定了这个空间的类型与适用范围。

  当比值较小的时候,其空间较为低矮和开敞,有利于获得更多的自然采光,可以解决进深过大而造成的自然采光不足等问题,适用于寒冷地区的气候特点;当比值较大的时候,其空间较为高大和狭窄,有利于减少太阳光的直接照射,减少热量的获得,较大的高度有利于温室效应的发挥,加强自然通风的效果,适合于炎热地区的气候特点。

  五、促进被动式超低能耗建筑发展的措施

  1 立足于当地气候环境合理调节控制标准

  对于被动式超低能耗建筑发展而言,受不同地区在气候环境等方面存在较大差异性的影响,实现控制标准的动态合理调节与进行优化设计有着重要的意义。

  具体而言,建筑行业的相关部门可以根据当地的年供暖量以及供冷量等标准对其进行满足和调节,保证被动式超低能耗建筑可以具备高节能性能,从而有效发挥出建筑设计自身优势。例如,被动式超低节能技术有助于改善严寒地区的供暖工作与酷热地区的制冷问题。

  2 加强被动技术的应用力度

  就目前而言,我国被动超低能耗技术在应用力度方面较为欠缺,为了进一步完善技术水平,建筑施工团队可以直接采用太阳能、自然风以及地理地形等天然条件进行充分的利用,并通过高性能的维护结构和良好的气密性以及遮阳可调节技术来进一步完善以往被动式超低能建筑技术中存在的不足,有利于充分发挥技术指导作用。

  其次,需要重视太阳能辐射采暖以及蓄热等被动技术的应用,从而达到减少能耗、节约资源的目的,这在一定成熟上也有效提升了建筑环境的质量。

  此外,需要加强对科学技术研究与应用等方面的资金投入,积极借鉴其他先进成熟的建筑特点,并在此基础上提升自身超低耗能建筑的建设水平。

  六、结语

  在我国各个地区进行被动式建筑节能设计,要适当的考虑遮阳设计、通风设计、保温隔热的设计,然后再根据具体的环境因素,采用合适的建筑设计。

  通过这种方式促进节能设计运用,可以降低我国在进行房屋设计时的能源消耗,保证能源可持续发展。

  作者:姜帆 华南理工大学建筑设计研究院有限公司


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