建筑節能的高層住宅建筑設計論文
摘要：隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展,城市的高層建筑數量與日俱增,隨之也帶來(lái)了巨大的建筑能源消耗,究其主要原因是在進(jìn)行建筑節能設計時(shí)存在部分缺陷和問(wèn)題。擬從高層住宅建筑規劃設計、空間設計、維護結構設計和環(huán)境設計出發(fā),探討建筑節能綠色環(huán)保的設計方案,以期獲得良好的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會(huì )效益。
關(guān)鍵詞：建筑節能;高層住宅;圍護結構;
BuildingDesignofHigh-riseResidentialBuildingBasedonBuildingEnergySaving
WangYaZhangCheng
HefeiUniversity
Abstract：
WiththedevelopmentofChina'economy,moreandmorehigh-risebuildingsincitiesarebuilt,buttherearesomeproblemsinbuildingenergy-savingdesign.Fromtheperspectiveofthespacedesignofhighriseresidentialbuildings,themaintenanceandstructuredesign,wediscussdesignofbuildingenergy-savingsystemtoobtaingoodeconomic,environmentalandsocialeffectbymakingoutabetterenvironmentalprotectiondesignforhigh-risebuildings.
Keyword：buildingenergysaving;high-riseflats;exterior-protectedconstruction;
一、高層住宅建筑的能源消耗概況及常見(jiàn)問(wèn)題
1.能源消耗概況
目前我國在高層住宅建筑上的能源消耗達到了總能耗的三分之一,并且隨著(zhù)經(jīng)濟的飛速發(fā)展和城市化的擴大發(fā)展,高層建筑的數目越來(lái)越多,每年新增建筑面積達到了20億平方米。由于在建筑設計階段對可再生資源的利用考慮得不充分,所以與世界上其他國家相比能源消耗多達兩到三倍。如果不進(jìn)行高層住宅建筑的節能設計,將會(huì )在未來(lái)發(fā)展時(shí)期內進(jìn)一步擴大能源消耗,造成能源緊缺和能源危機。
2.常見(jiàn)問(wèn)題
我國高層住宅在進(jìn)行建筑設計時(shí),在節能方面往往存在以下問(wèn)題。
(1)在規劃設計方面,為了追求總平面布局形式和景觀(guān)效果,往往采用周邊圍合的建筑群體組合,但是這種圍合會(huì )造成有些戶(hù)型朝向呈東西向,增加了夏季空調使用的能耗。同時(shí)建筑設計核心筒布局各個(gè)戶(hù)型,使有些戶(hù)型形成不了良好的自然通風(fēng),需要空調制冷緩解夏季的炎熱。
(2)在形體設計方面,形體系數越大,越不利于節能,單位建筑面積熱損失越大。研究表明:形體系數每增大0.01,耗熱指標約增加2%~5%。在高層住宅建筑設計中為了追求視覺(jué)效果,設計出造型新穎奇特的建筑,使建筑的外輪廓線(xiàn)較為復雜,這樣就擴大了建筑的外表面積,增加了與外界環(huán)境熱傳導的機會(huì )。
(3)在外圍護結構方面(外圍護結構包括外墻、屋頂和門(mén)窗等),外墻和屋頂直接影響著(zhù)建筑的保溫和隔熱效果。目前很多高層住宅建筑在節能設計上沒(méi)有取得良好的降低能源消耗的效果,就是因為在圍護結構的保溫材料選擇上有所缺陷,造成了建筑物的保溫隔熱能力較差。建筑物在對外墻和屋頂的設計上沒(méi)有關(guān)注保溫材料的選擇和傳導熱量的能力,這些因素都影響了高層住宅建筑的整體保溫和隔熱能力。在節能設計中最重要的是建筑材料的選擇,尤其是墻體材料的選擇,需要確保墻體材料成本的同時(shí),也要具有較好的保溫隔熱能力。在對現有的各種高層住宅建筑進(jìn)行分析和調研后發(fā)現,高層建筑物的外部普遍缺少一個(gè)保溫層,例如某地一個(gè)大廈的外墻使用了符合國家標準要求的加氣混凝土塊,但卻沒(méi)有安裝雙層玻璃的保溫層,該大廈的供暖空調系統能源消耗占到總體能源消耗的60%。除此以外,在對高層住宅建筑的外部采取了保溫層,但是玻璃幕墻與掛鋁塑板的組合結構也造成了較高的空調能源消耗。外窗的傳熱系數是外墻的2倍,保溫隔熱性能更差。大量的調查和測試表明,夏季室內主要熱量來(lái)自于太陽(yáng)輻射通過(guò)門(mén)窗照射入室內的熱量。目前高層住宅建筑為了追求外立面效果,采用大面積的落地窗,使建筑窗墻比過(guò)大,導致傳熱系數大和空氣滲透嚴重,并且大多數的高層住宅建筑沒(méi)有遮陽(yáng)措施,在夏季不能降低太陽(yáng)光的輻射,增加了空調制冷系統的能源消耗。
二、高層住宅建筑的節能設計策略
根據高層住宅建筑在節能設計中出現的問(wèn)題,現提出以下改進(jìn)策略。
1.規劃設計
在對高層住宅建筑進(jìn)行規劃設計時(shí),要注重太陽(yáng)光輻射和空氣流通兩個(gè)方面,如果想要達到節約能耗的目的,就需要降低太陽(yáng)光的輻射和提高住宅空間的自然通風(fēng)效果。在對住宅進(jìn)行規劃設計時(shí),第一位的考慮因素是建筑的朝向,高層住宅建筑的朝向最好符合當地夏季的主導風(fēng)向,根據具體的氣候條件科學(xué)合理地規劃建筑與建筑之間的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口,從而形成良好的自然通風(fēng),增加住宅房屋的舒適感。建筑與建筑在進(jìn)行排列時(shí)最好呈南北朝向,這樣在夏天受到較少的太陽(yáng)光輻射,節省了空調制冷系統帶來(lái)的能源消耗,冬天就會(huì )接收較多的太陽(yáng)光輻射起到保暖的作用。
其次在對建筑間距規劃設計上,在保證基本距離的程度上盡可能的加大,較大的空間距離有利于自然風(fēng)的流通及與外部空氣的熱交換,促進(jìn)高層建筑及時(shí)散發(fā)出自身的溫度,從而在夏季有效達成降低能源消耗的目標。在對高層住宅建筑平面進(jìn)行設計時(shí),最好選擇兩垂直墻面窗戶(hù)之間實(shí)現通風(fēng),并且選擇雙層玻璃來(lái)促進(jìn)夏季降溫效果的實(shí)現,國外很多高層建筑的設計考慮到了通風(fēng)的構造體系而實(shí)現了建筑節能的目的。
再者要考慮高層住宅建筑之間的布局問(wèn)題,從具體的環(huán)境因素和資金情況出發(fā),確保高層住宅建筑物的采光、通風(fēng)和防火都符合相關(guān)規范和標準。建筑物與建筑物之間的合理遮擋能夠減少夏季太陽(yáng)光輻射帶來(lái)的溫度聚集,從而有效降低空調制冷系統的使用,達到降低能耗的目的。
2.空間設計
在對高層住宅建筑的空間進(jìn)行設計時(shí),需要從立面和平面兩個(gè)角度出發(fā)去進(jìn)行設計,確保建筑物的通風(fēng)、采光和防火都滿(mǎn)足要求和標準。在對高層住宅建筑進(jìn)行立面設計時(shí),要關(guān)注出風(fēng)口的安排,最好是在高層住宅建筑的中間部位安排能夠連接上下部分的垂直空間作為通風(fēng)口,并且高出住宅屋面。在進(jìn)出口的高度問(wèn)題上要確保符合建筑物的具體環(huán)境情況,進(jìn)出風(fēng)口的高度會(huì )直接影響到住宅內部空氣的流動(dòng)方向,進(jìn)而影響到住宅內部的空氣環(huán)境,所以進(jìn)出風(fēng)口的高度要符合住宅內部房間的高度,不能太低也不能太高。在高層住宅建筑的平面設計上要注重門(mén)窗的設置問(wèn)題,住宅內部的空氣流通較好會(huì )推動(dòng)室內空氣及時(shí)更新并形成良好的循環(huán),對窗戶(hù)的朝向要進(jìn)行科學(xué)合理的規劃,使之有利于形成穿堂風(fēng);還可以對窗戶(hù)的形式進(jìn)行創(chuàng )新設計,提高進(jìn)出風(fēng)口的接觸面積,推動(dòng)住宅內部的空氣流通較為流暢和均勻,提高高層住宅空間的舒適感和滿(mǎn)意度。合適的窗墻比既可以滿(mǎn)足采光通風(fēng)的需求,滿(mǎn)足節約能源的要求,還可以滿(mǎn)足作為建筑的個(gè)性及風(fēng)格要素的要求。
3.圍護結構設計
在對高層住宅建筑的圍護結構進(jìn)行設計時(shí),要達到節省能源消耗的目的可以通過(guò)夏季降溫和冬季保溫的方式來(lái)實(shí)現,所以對圍護結構,包括屋頂、門(mén)窗、墻壁的設計要關(guān)注傳熱和空氣滲透問(wèn)題。在對圍護結構的傳熱阻進(jìn)行計算時(shí),內表面換熱阻為Ri,外表面換熱阻為Re,維護結構的熱阻用R表示,單位為:m2.k/w,計算公式為:R0=Ri+R+Re。
(1)屋頂
在對住宅屋頂的設計時(shí)要關(guān)注保溫材料的選擇,尤其是保證保溫材料的密度與吸水性,一般采取膨脹珍珠巖保溫芯板保溫層來(lái)彌補其他保溫材料和措施的局限性,保溫材料的吸水性要較少,避免雷雨天氣時(shí)保溫層吸入大量水分而達不到理想的保溫效果。如果使用了吸水性較好的保溫材料,需要安排排氣孔將吸入的水分有效排出。在密度的選擇上,保溫材料需要使用導熱系數低和密度小的材料,避免屋頂重量太大、厚度太大,膨脹珍珠巖保溫芯板就是在吸水性和密度上都符合要求的保溫材料,并且不會(huì )對施工環(huán)境產(chǎn)生影響和污染,成本較低,保溫效果又好,在高層住宅建筑上使用這種材料能獲得較好的效果與舒適感。
(2)門(mén)窗
在對高層住宅建筑的門(mén)窗進(jìn)行設計時(shí),要降低門(mén)窗的冷風(fēng)滲透情況,提高建筑外部門(mén)窗在冬季的保溫效果來(lái)彌補熱量損失問(wèn)題,在窗墻比的設計上要符合采暖居住設計標準要求和規定,建筑物的北向、南向、東向、西向窗墻比分別小于20%、35%、30%、30%。外窗的熱量傳導能力和保存能力都由傳熱系數和遮陽(yáng)系數所決定,遮陽(yáng)系數是由建筑外遮陽(yáng)系數和窗本身遮陽(yáng)系數所決定的,采用可見(jiàn)光透過(guò)率和可見(jiàn)光反射率都較為合理的玻璃材料,可見(jiàn)光透過(guò)率大于0.5,可見(jiàn)光反射率小于0.2,根據南北地區的不同在玻璃的選擇上也略有差異,例如,在南方地區可以使用低輻射鍍膜玻璃,具備較大的可見(jiàn)光透過(guò)率和遮陽(yáng)系數,在門(mén)窗材料的選擇上要科學(xué)合理,選擇氣密性較好的保溫材料。采用絕熱效果好的邊部密封材料來(lái)降低冬季冷空氣的滲透,在門(mén)窗的邊部和中部熱量會(huì )產(chǎn)生損耗,要提高保溫效果就需要對門(mén)窗的形狀和材料選擇進(jìn)行改進(jìn),例如,選擇鋼塑復合窗或者塑料窗來(lái)防止金屬材料引發(fā)的冷橋,如果選擇雙玻璃或者三玻璃,使用低輻射暴力和鍍膜玻璃都能有效提高窗的保溫效果,在對門(mén)的選擇上可以采取多功能門(mén)和夾板門(mén),從而達到建筑圍護結構節省能源的目的。
(3)墻體
在對高層住宅建筑物墻體進(jìn)行設計時(shí)要關(guān)注墻體材料的保溫效果和質(zhì)量,墻體是整個(gè)圍護結構中最主要的部分,墻體的節能效果主要受到保溫效果和熱傳導系數的影響,墻體的平均傳熱系數Km計算公式為:
Fp為墻體的面積,Fb1、Fb2、Fb3分別為墻體周?chē)鸁針虿课坏拿娣e,Kp為墻體主體部位的傳熱系數,單位為W/(m2.k),Kb1、Kb2、Kb3為墻體周?chē)鸁針虿糠值膫鳠嵯禂�。一般�?lái)說(shuō)要建立一個(gè)保溫隔熱層以便冬季儲存熱量,夏季散發(fā)熱量,在進(jìn)行這一層的材料設計時(shí)要從抗氧強度、蒸汽滲透率、傳熱系數和燃燒性能等因素進(jìn)行取舍。以南方地區的高層住宅建筑為例子,對墻體材料的設計上選擇了實(shí)心粘土磚和厚粘土空心磚,但是距離國家要求的墻體傳熱系數還有一定的差距,節能效果也不甚理想,國內的保溫構造能力有限,所以最好選擇0.2-0.3的加氣混凝土塊作為墻體的主要材料來(lái)達到節能目的。
(4)外部結構
高層住宅建筑的外部圍護結構不是承重結構,為了達到建筑節能的目的在材料選擇上一般以實(shí)體圍護結構和透明圍護結構作為主體。材料的選擇上靈活多變,結合具體建筑環(huán)境和外部環(huán)境條件將導熱系數小的砌塊和加氣混凝土砌塊應用于實(shí)體圍護結構當中,結合墻體外部的保溫效果和窗墻大小尺寸來(lái)減少外部圍護結構給夏季保溫和冬季隔熱帶來(lái)的能源消耗,如果高層住宅建筑處于夏熱冬冷地區或者冬季極其寒冷的地方,在外墻應該盡量避免玻璃幕墻的使用,減少窗墻面積,同時(shí)選擇合理的門(mén)窗材料,最好具有較好的氣密性。高層住宅建筑的外部圍護結構中的墻體外飾面是阻止外部惡劣環(huán)境影響的重要部分,墻體外飾面的材料傳熱性能直接決定了圍護結構的傳熱性能,高層住宅建筑的墻體外飾面包括涂料、石材、金屬幕墻材料、瓷磚等,并且一般選擇使用顏色較淺的材料,外飾面主要通過(guò)外部圍護結構面對太陽(yáng)光輻射能的吸收系數來(lái)進(jìn)行建筑節能設計,包括以下幾個(gè)方面:在使用空調制冷系統時(shí)太陽(yáng)光輻射是否會(huì )增加住宅屋內溫度、墻體傳熱系數的具體大小和進(jìn)行自然通風(fēng)時(shí)墻體表面接收太陽(yáng)光輻射的溫度,根據相關(guān)的標準要求和規定,太陽(yáng)輻射的吸收系數必須小于0.6才能達到節能設計的要求,所以對于高層住宅建筑可以使用厚度為200mm的鋼筋混凝土。
4.外環(huán)境設計
在對高層住宅建筑的周?chē)h(huán)境設計上,首先要注重綠化的節能設計。建筑周?chē)^好的綠化環(huán)境會(huì )調節冬夏兩季的溫度,良好的樹(shù)木覆蓋面積會(huì )減少夏季太陽(yáng)光輻射和地面的反射熱量,通過(guò)調查測試綠化環(huán)境好的建筑物會(huì )比沒(méi)有綠化環(huán)境的建筑物平均低兩到三度,在夏季下午的升溫速度上也有較為明顯的影響,通過(guò)墻體綠化、屋面綠化、樓間綠化等方式直接作用于高層住宅內部的溫度,在綠化的設計上可以使用高大常綠喬木與灌木結合的綠化帶,從生態(tài)環(huán)境方面來(lái)提高高層住宅建筑的節能效果和住宅舒適度。
其次,在高層住宅建筑的外部遮陽(yáng)設計上,要避免夏季太陽(yáng)光輻射直接通過(guò)窗戶(hù)照射到住宅內部,在夏季會(huì )引發(fā)屋內溫度升高,所以進(jìn)行這樣的建筑外部設計是一種將太陽(yáng)光與建筑物隔開(kāi)的外圍結構設計,在外部遮陽(yáng)上要科學(xué)、合理,結合立面設計注意西向設計對建筑節能起到的重要作用,根據相關(guān)規定對外部的熱阻計算時(shí)要考慮到隔熱措施帶來(lái)的熱阻,尤其是對于東西外墻的遮陽(yáng),例如,使用簾式遮陽(yáng)、擋板式遮陽(yáng)、柵格遮陽(yáng)等方式,不僅節約了建筑能源,還形成了較好的建筑景觀(guān),遮陽(yáng)板的設計直接會(huì )作用于屋內空氣的流動(dòng)方向和流動(dòng)速度,所以對屋面的遮陽(yáng)板也要合理安排和設置。
第三,對高層住宅建筑進(jìn)行設計時(shí)要充分利用周?chē)目稍偕Y源來(lái)達到節能效果�？茖W(xué)合理地利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等無(wú)污染,綠色環(huán)保并且可再生的能源,為了促進(jìn)高層住宅建筑的自然通風(fēng),可以設計一個(gè)以太陽(yáng)能為吸收能源的煙囪。在供熱系統上也可以利用太陽(yáng)能進(jìn)行設計,使用螺旋桿水冷機組的高層住宅建筑設置蓄冷裝置,從而循環(huán)利用冷卻塔中的水,適當選擇熱泵新型建筑節能技術(shù),高層建筑供電系統可以考慮以太陽(yáng)能作為主要能源,不僅減少了電能的能源消耗,還不會(huì )對周?chē)h(huán)境產(chǎn)生污染,達到建筑節能的目的。
結語(yǔ)
隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展,越來(lái)越多的高層住宅建筑出現在了城市中,這種建筑可容納人數較多,擴大了城市對人數的包容性和信息處理速度,可持續理念的大力發(fā)展對以框剪墻體結構為主的高層住宅建筑的節能目標的達成提出了新的挑戰,如何將高層建筑綠色環(huán)保生態(tài)化,在設計時(shí)注意與自然科學(xué)相結合進(jìn)行節能,如果只靠砌塊的熱工性能來(lái)進(jìn)行建筑節能設計,節能效果甚微,所以要建立符合鋼筋混凝土結構的外墻保溫體系,在規劃設計、空間設計、圍護結構設計、環(huán)境設計上都采取節能的方案措施,保證高層住宅建筑物符合《居住建筑節能設計標準》中的規定和要求,高層住宅建筑的節能設計符合社會(huì )發(fā)展的需求,具備較好的經(jīng)濟收益、環(huán)境效益和社會(huì )效益,也是社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展的必然態(tài)勢和必然選擇。
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