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我国寒冷地区住宅绿色建筑设计的问题与策略
发布时间:2021-06-01

  摘    要: 节能环保、降低能耗已经成为近年来建筑设计的主要话题,而寒冷地区住宅建筑以其高能耗的特点也成为建筑设计的重要关注点。本文从寒冷地区住宅建筑朝向、外墙保温、屋面保温、外窗保温及采光的角度对寒冷地区住宅建筑绿色设计进行研究,得出寒冷地区住宅建筑绿色设计的建议性方案。

  关键词: 寒冷地区; 住宅建筑; 绿色设计; 保温; 采光;

  1、 研究意义

  能源问题已经成为全世界的焦点问题,能源问题在我国也越来越严重,如何充分有效地利用能源、节约能源早已成为现代社会重点关注的问题。目前,我国建筑能源消耗总量处于诸多领域耗能的榜首,而住宅建筑又是诸多建筑中的耗能大户。据统计,将全国住宅建筑使用过程中消耗的全部能源和建造过程中使用的建材耗能进行整体考虑,住宅建筑产生的总体能耗几乎占据全国所有能耗总量的37%,而且这一比例还在逐年增加。寒冷地区住宅建筑在冬季要采用不同的形式进行采暖,使室内温度保持在一个特定的温度范围内,这一温度范围比室外温度要高出30℃左右,较大的温差就需要消耗大量的能源。虽然我国早已实行一系列节能标准,并制定了很多节能构件的标准图集、技术措施,同时也建立了监管机制,但是其多数侧重于施工和监管层面,并不能从根本上解决住宅建筑高能耗的问题。

  目前,寒冷地区住宅建筑设计、建设水平参差不齐,部分住宅建筑能耗很高,难以满足日益提升的高品质和能源节约的要求。而为了改变传统住宅能耗大的现状,绿色住宅应运而生,绿色住宅可以通过合理的布局充分利用太阳能,还可以通过选用合适的材料来减少能源的浪费,进而节约能源、缓解能源紧缺的压力。而合理的布局、合适的材料都要通过建筑设计来实现,因此探索合理的绿色设计方法来进行寒冷地区住宅设计就显得尤为重要。

  2、 住宅建筑使用能耗及存在的问题

  寒冷地区住宅建筑能耗主要产生在使用过程中,住宅建筑体型、材料选取等设计方案是影响住宅建筑能耗的根本因素。因此要根据住宅建筑的特性,分析其使用过程中能耗的主要原因以及目前住宅建筑设计中存在的根本问题,并提出具有针对性的寒冷地区住宅建筑绿色设计路线。目前寒冷地区住宅建筑能耗及存在的主要问题有:

  (1)寒冷地区住宅建筑能耗具有一定的季节性。由于寒冷地区冬季时间相对较长,需要考虑四个月的采暖及保温,在此过程中产生的能耗占据了全年能耗的2/3以上。目前寒冷地区部分住宅在建筑设计时平面设计不规律,导致建筑整体的体形系数过大,外墙散热高;设计的门窗保温性能一般,比如单侧玻璃的窗户冬季散热严重,因此寒冷地区住宅设计应以冬季保温为主,采取合理的体形,尽量减少不规则变化;外围护结构采用的保温材料设计要合理,尽量减少热量散失;朝向布置也要合理,以便于充分利用冬季日照进行采暖。
 

我国寒冷地区住宅绿色建筑设计的问题与策略
 

  (2)住宅建筑的各个功能房间都要有良好的光照条件,这样可以减少照明能耗。目前寒冷地区在进行住宅设计时由于要考虑房间布局和保温,导致开窗位置及大小不是很合理,同时底部三层由于绿化树木的影响,使得室内对自然光的利用率不高,对照明设备依赖性很强,甚至白天也需要开灯来满足采光需求,这样就大大增加了电能消耗。因此,要选择合理的平面房间形式,优化立面开窗,充分利用自然采光来降低照明能耗。

  3、寒冷地区住宅绿色建筑设计策略

  3.1、 寒冷地区与绿色建筑设计相关的气候条件

  根据《民用建筑热工设计规范(GB 50176-2016)》,寒冷地区是指我国位于长城以南秦岭以北的地区,主要包括天津、宁夏、山东全境,北京、山西、河北陕西大部,辽宁南部、新疆南部、甘肃中东部,河南、安徽、江苏北部以及西藏南部等地区。

  寒冷地区的气候特点为:冬季干燥寒冷且历时较长,不同季节的温差较大,全年中气温低于或等于5℃的时间占全年总天数的25%~45%,冬季最冷时平均温度处于0℃~(-10)℃之间,全年中高温度高于或等于35℃的时间占全年总天数的近22%。该类地区全年日照时间约2 000 h~2 800 h,全年太阳总辐射照度大约为150 W/m2~190W/m2。因此寒冷地区的住宅建筑在设计时不仅要考虑冬季的采暖和保温,同时还要兼顾夏季高温时期的防热。

  3.2 、节能与能源利用设计

  3.2.1、 朝向优化

  朝向问题是寒冷地区住宅绿色建筑设计制定方案时需要考虑的首要问题。《公共建筑节能设计标准(GB50189-2019)》指出,建筑的总体规划和总平面设计应有利于自然通风和冬季日照。根据建筑设计的基本原则,建筑的主朝向宜选择项目所在地最佳朝向或适宜朝向,同时要避开当地冬季主导风向。全国寒冷地区代表性城市在建筑设计时适宜朝向见表1。

  在寒冷地区住宅建筑的最佳朝向是南向和东向。然而,寒冷地区在进行住宅建筑设计时,受诸多制约因素的影响朝向不能正南或南偏东的方向。对此,应根据实际情况在适宜范围内对建筑主朝向进行灵活、适宜的调整。寒冷地区住宅绿色建筑设计过程中建筑的适宜朝向范围可采用Weather Tool工具来辅助确定。

  3.2.2 、外围护结构节能

  寒冷地区住宅建筑外围护结构的主要节能研究对象为外墙、屋顶、门窗,研究过程中要结合国家或当地相关建设标准及工程项目实际的要求,综合考虑选择经济、高效的保温设计方案。

  (1)外墙

  寒冷地区住宅建筑不仅要考虑冬季采暖的保温效果,同时还要兼顾建筑整体的可靠性。外保温构造不仅热稳定性好,而且可以减少热桥处热损失值,同时还可以保护主体结构使其避免出现内部结露,因此目前寒冷地区住宅在建筑设计时以外保温形式对外墙、屋顶进行设计处理的较多。目前市场上可供寒冷地区住宅在建筑设计时使用的几种保温材料其性能特点对比见表2。

  在建筑设计阶段,需要综合考虑材料的保温性能和价格,以及使用期间的运维费用。结合表2中的数据,对寒冷地区住宅建筑的外墙可以采用酚醛板作为保温层。针对其黏结性一般、有脱落隐患、易开裂等问题,在施工时可选用高性能黏贴胶和粘聚性强的酚醛板粉刷涂料,这样既可以保证其保温性能,又解决了其工程应用中的缺陷问题。

  (2)屋面

  将保温材料设在防水层之上的倒置式保温屋面是目前寒冷地区住宅建筑屋面设计中采用较多的一种构造类型,这种构造措施的设计可以有效保护防水层,同时又可以避免内部结露,但其对保温材料要求相对较高。寒冷地区住宅绿色建筑设计中可以采用XPS板、硬质PU板、岩棉板等作为屋面保温材料。屋顶绿化方案具有良好的节能和生态效益,也符合寒冷地区住宅绿色建筑设计的理念和社会发展的整体要求。覆土植被屋顶具有良好的保温隔热性能和隔热性能,可以根据寒冷地区屋顶日照好、空气湿度小、土层薄、植物夏季易被强光灼晒而冬季易遭冻害的特点,选择那些喜光照、根系浅、抗寒能力强的植物进行种植。

  (3)门窗

  寒冷地区住宅建筑常年经受较大的温差变化,外墙窗户的热性能会变差,保温效果会降低,严重时部分门窗甚至会有局部变形,导致外窗气密性降低,冬季冷空气严重渗透。因此寒冷地区住宅在进行绿色建筑设计时应采用改善型保温门窗,如表3。

  由表中数据可知,寒冷地区住宅在进行绿色建筑设计时可以采用断桥铝合金Low-E中空玻璃制作的窗户,这样可有效减少冬季室内热量通过外窗的散失量。

  表1 寒冷地区代表性城市适宜朝向
表1 寒冷地区代表性城市适宜朝向

  表2 常见保温材料性能特点对比
表2 常见保温材料性能特点对比

  表3 住宅建筑常用窗户的传热系数
表3 住宅建筑常用窗户的传热系数

  住宅在进行建筑设计时要注意充分利用自然采光,这样才能最大限度减少电能消耗。而寒冷地区住宅的保温和采光在窗户上就体现出了矛盾对立面,为了降低热量的散失,往往需要减小窗户的面积,但是这样做就会导致自然光利用不足,室内光源依赖灯具照明,增加了电能消耗。结合上述寒冷地区住宅建筑朝向和常用窗户传热系数的特点,在住宅绿色建筑设计时,住宅建筑的北面和西面可以采用普通方窗,这样可在满足一定的采光条件下尽可能减少热量损失;南面和东面可采用面积较大的落地窗,以便于充分利用自然光进行采光和集热。

  4、 结语

  寒冷地区四季分明、温差较大,其住宅建筑冬期采暖时间较长,整体能耗较高,同时在保证低损耗的前提下还要保证一定的采光,因此对寒冷地区住宅进行绿色建筑设计时外围护结构的选取方案和合适的开窗面积就显得尤为重要。经过综合考虑和研究,寒冷地区住宅在进行绿色建筑设计时可以采取下列方案:

  (1)建筑朝向应尽量朝南向或东向,这样可以最大限度利用自然光和太阳能,减少热量损失。
  (2)外墙可采用酚醛板作为保温层,同时在板外侧涂刷保护层,这样既可以保证良好的保温效果,又可以解决其粉化掉渣、脆性大、强度低的缺点。
  (3)屋顶可采取倒置式保温屋面,同时配合屋顶绿化方案,这样既可以保温,降低顶层热量损失,又可以美化环境,增加城市绿化面积。
  (4)建筑北向和西向开普通方窗,南向和东向可以开面积较大的落地窗,窗户均采用热传导系数较低的断桥铝合金Low-E中空玻璃的窗户,这样既可以满足采光要求,又可以降低热量损失。

  参考文献

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