建筑节能的高层住宅建筑设计论文
摘要：随着时代的发展,城市的高层建筑数量与日俱增,随之也带来了巨大的建筑能源消耗,究其主要原因是在进行建筑节能设计时存在部分缺陷和问题。拟从高层住宅建筑规划设计、空间设计、维护结构设计和环境设计出发,探讨建筑节能绿色环保的设计方案,以期获得良好的经济效益、环境效益和社会效益。
关键词：建筑节能;高层住宅;围护结构;
BuildingDesignofHigh-riseResidentialBuildingBasedonBuildingEnergySaving
WangYaZhangCheng
HefeiUniversity
Abstract：
WiththedevelopmentofChina'economy,moreandmorehigh-risebuildingsincitiesarebuilt,buttherearesomeproblemsinbuildingenergy-savingdesign.Fromtheperspectiveofthespacedesignofhighriseresidentialbuildings,themaintenanceandstructuredesign,wediscussdesignofbuildingenergy-savingsystemtoobtaingoodeconomic,environmentalandsocialeffectbymakingoutabetterenvironmentalprotectiondesignforhigh-risebuildings.
Keyword：buildingenergysaving;high-riseflats;exterior-protectedconstruction;
一、高层住宅建筑的能源消耗概况及常见问题
1.能源消耗概况
目前我国在高层住宅建筑上的能源消耗达到了总能耗的三分之一,并且随着经济的飞速发展和城市化的扩大发展,高层建筑的数目越来越多,每年新增建筑面积达到了20亿平方米。由于在建筑设计阶段对可再生资源的利用考虑得不充分,所以与世界上其他国家相比能源消耗多达两到三倍。如果不进行高层住宅建筑的节能设计,将会在未来发展时期内进一步扩大能源消耗,造成能源紧缺和能源危机。
2.常见问题
我国高层住宅在进行建筑设计时,在节能方面往往存在以下问题。
(1)在规划设计方面,为了追求总平面布局形式和景观效果,往往采用周边围合的建筑群体组合,但是这种围合会造成有些户型朝向呈东西向,增加了夏季空调使用的能耗。同时建筑设计核心筒布局各个户型,使有些户型形成不了良好的自然通风,需要空调制冷缓解夏季的炎热。
(2)在形体设计方面,形体系数越大,越不利于节能,单位建筑面积热损失越大。研究表明:形体系数每增大0.01,耗热指标约增加2%~5%。在高层住宅建筑设计中为了追求视觉效果,设计出造型新颖奇特的建筑,使建筑的外轮廓线较为复杂,这样就扩大了建筑的外表面积,增加了与外界环境热传导的机会。
(3)在外围护结构方面(外围护结构包括外墙、屋顶和门窗等),外墙和屋顶直接影响着建筑的保温和隔热效果。目前很多高层住宅建筑在节能设计上没有取得良好的降低能源消耗的效果,就是因为在围护结构的保温材料选择上有所缺陷,造成了建筑物的保温隔热能力较差。建筑物在对外墙和屋顶的设计上没有关注保温材料的选择和传导热量的能力,这些因素都影响了高层住宅建筑的整体保温和隔热能力。在节能设计中最重要的是建筑材料的选择,尤其是墙体材料的选择,需要确保墙体材料成本的同时,也要具有较好的保温隔热能力。在对现有的各种高层住宅建筑进行分析和调研后发现,高层建筑物的外部普遍缺少一个保温层,例如某地一个大厦的外墙使用了符合国家标准要求的加气混凝土块,但却没有安装双层玻璃的保温层,该大厦的供暖空调系统能源消耗占到总体能源消耗的60%。除此以外,在对高层住宅建筑的外部采取了保温层,但是玻璃幕墙与挂铝塑板的组合结构也造成了较高的空调能源消耗。外窗的传热系数是外墙的2倍,保温隔热性能更差。大量的调查和测试表明,夏季室内主要热量来自于太阳辐射通过门窗照射入室内的热量。目前高层住宅建筑为了追求外立面效果,采用大面积的落地窗,使建筑窗墙比过大,导致传热系数大和空气渗透严重,并且大多数的高层住宅建筑没有遮阳措施,在夏季不能降低太阳光的辐射,增加了空调制冷系统的能源消耗。
二、高层住宅建筑的节能设计策略
根据高层住宅建筑在节能设计中出现的问题,现提出以下改进策略。
1.规划设计
在对高层住宅建筑进行规划设计时,要注重太阳光辐射和空气流通两个方面,如果想要达到节约能耗的目的,就需要降低太阳光的辐射和提高住宅空间的自然通风效果。在对住宅进行规划设计时,第一位的考虑因素是建筑的朝向,高层住宅建筑的朝向最好符合当地夏季的主导风向,根据具体的气候条件科学合理地规划建筑与建筑之间的进风口和出风口,从而形成良好的自然通风,增加住宅房屋的舒适感。建筑与建筑在进行排列时最好呈南北朝向,这样在夏天受到较少的太阳光辐射,节省了空调制冷系统带来的能源消耗,冬天就会接收较多的太阳光辐射起到保暖的作用。
其次在对建筑间距规划设计上,在保证基本距离的程度上尽可能的加大,较大的空间距离有利于自然风的流通及与外部空气的热交换,促进高层建筑及时散发出自身的温度,从而在夏季有效达成降低能源消耗的目标。在对高层住宅建筑平面进行设计时,最好选择两垂直墙面窗户之间实现通风,并且选择双层玻璃来促进夏季降温效果的实现,国外很多高层建筑的设计考虑到了通风的构造体系而实现了建筑节能的目的。
再者要考虑高层住宅建筑之间的布局问题,从具体的环境因素和资金情况出发,确保高层住宅建筑物的采光、通风和防火都符合相关规范和标准。建筑物与建筑物之间的合理遮挡能够减少夏季太阳光辐射带来的温度聚集,从而有效降低空调制冷系统的使用,达到降低能耗的目的。
2.空间设计
在对高层住宅建筑的空间进行设计时,需要从立面和平面两个角度出发去进行设计,确保建筑物的通风、采光和防火都满足要求和标准。在对高层住宅建筑进行立面设计时,要关注出风口的安排,最好是在高层住宅建筑的中间部位安排能够连接上下部分的垂直空间作为通风口,并且高出住宅屋面。在进出口的高度问题上要确保符合建筑物的具体环境情况,进出风口的高度会直接影响到住宅内部空气的流动方向,进而影响到住宅内部的空气环境,所以进出风口的高度要符合住宅内部房间的高度,不能太低也不能太高。在高层住宅建筑的平面设计上要注重门窗的设置问题,住宅内部的空气流通较好会推动室内空气及时更新并形成良好的循环,对窗户的朝向要进行科学合理的规划,使之有利于形成穿堂风;还可以对窗户的形式进行创新设计,提高进出风口的接触面积,推动住宅内部的空气流通较为流畅和均匀,提高高层住宅空间的舒适感和满意度。合适的窗墙比既可以满足采光通风的需求,满足节约能源的要求,还可以满足作为建筑的个性及风格要素的要求。
3.围护结构设计
在对高层住宅建筑的围护结构进行设计时,要达到节省能源消耗的目的可以通过夏季降温和冬季保温的方式来实现,所以对围护结构,包括屋顶、门窗、墙壁的设计要关注传热和空气渗透问题。在对围护结构的传热阻进行计算时,内表面换热阻为Ri,外表面换热阻为Re,维护结构的热阻用R表示,单位为:m2.k/w,计算公式为:R0=Ri+R+Re。
(1)屋顶
在对住宅屋顶的设计时要关注保温材料的选择,尤其是保证保温材料的密度与吸水性,一般采取膨胀珍珠岩保温芯板保温层来弥补其他保温材料和措施的局限性,保温材料的吸水性要较少,避免雷雨天气时保温层吸入大量水分而达不到理想的保温效果。如果使用了吸水性较好的保温材料,需要安排排气孔将吸入的水分有效排出。在密度的选择上,保温材料需要使用导热系数低和密度小的材料,避免屋顶重量太大、厚度太大,膨胀珍珠岩保温芯板就是在吸水性和密度上都符合要求的保温材料,并且不会对施工环境产生影响和污染,成本较低,保温效果又好,在高层住宅建筑上使用这种材料能获得较好的效果与舒适感。
(2)门窗
在对高层住宅建筑的门窗进行设计时,要降低门窗的冷风渗透情况,提高建筑外部门窗在冬季的保温效果来弥补热量损失问题,在窗墙比的设计上要符合采暖居住设计标准要求和规定,建筑物的北向、南向、东向、西向窗墙比分别小于20%、35%、30%、30%。外窗的热量传导能力和保存能力都由传热系数和遮阳系数所决定,遮阳系数是由建筑外遮阳系数和窗本身遮阳系数所决定的,采用可见光透过率和可见光反射率都较为合理的玻璃材料,可见光透过率大于0.5,可见光反射率小于0.2,根据南北地区的不同在玻璃的选择上也略有差异,例如,在南方地区可以使用低辐射镀膜玻璃,具备较大的可见光透过率和遮阳系数,在门窗材料的选择上要科学合理,选择气密性较好的保温材料。采用绝热效果好的边部密封材料来降低冬季冷空气的渗透,在门窗的边部和中部热量会产生损耗,要提高保温效果就需要对门窗的形状和材料选择进行改进,例如,选择钢塑复合窗或者塑料窗来防止金属材料引发的冷桥,如果选择双玻璃或者三玻璃,使用低辐射暴力和镀膜玻璃都能有效提高窗的保温效果,在对门的选择上可以采取多功能门和夹板门,从而达到建筑围护结构节省能源的目的。
(3)墙体
在对高层住宅建筑物墙体进行设计时要关注墙体材料的保温效果和质量,墙体是整个围护结构中最主要的部分,墙体的节能效果主要受到保温效果和热传导系数的影响,墙体的平均传热系数Km计算公式为:
Fp为墙体的面积,Fb1、Fb2、Fb3分别为墙体周围热桥部位的面积,Kp为墙体主体部位的传热系数,单位为W/(m2.k),Kb1、Kb2、Kb3为墙体周围热桥部分的传热系数。一般来说要建立一个保温隔热层以便冬季储存热量,夏季散发热量,在进行这一层的材料设计时要从抗氧强度、蒸汽渗透率、传热系数和燃烧性能等因素进行取舍。以南方地区的高层住宅建筑为例子,对墙体材料的设计上选择了实心粘土砖和厚粘土空心砖,但是距离国家要求的墙体传热系数还有一定的差距,节能效果也不甚理想,国内的保温构造能力有限,所以最好选择0.2-0.3的加气混凝土块作为墙体的主要材料来达到节能目的。
(4)外部结构
高层住宅建筑的外部围护结构不是承重结构,为了达到建筑节能的目的在材料选择上一般以实体围护结构和透明围护结构作为主体。材料的`选择上灵活多变,结合具体建筑环境和外部环境条件将导热系数小的砌块和加气混凝土砌块应用于实体围护结构当中,结合墙体外部的保温效果和窗墙大小尺寸来减少外部围护结构给夏季保温和冬季隔热带来的能源消耗,如果高层住宅建筑处于夏热冬冷地区或者冬季极其寒冷的地方,在外墙应该尽量避免玻璃幕墙的使用,减少窗墙面积,同时选择合理的门窗材料,最好具有较好的气密性。高层住宅建筑的外部围护结构中的墙体外饰面是阻止外部恶劣环境影响的重要部分,墙体外饰面的材料传热性能直接决定了围护结构的传热性能,高层住宅建筑的墙体外饰面包括涂料、石材、金属幕墙材料、瓷砖等,并且一般选择使用颜色较浅的材料,外饰面主要通过外部围护结构面对太阳光辐射能的吸收系数来进行建筑节能设计,包括以下几个方面:在使用空调制冷系统时太阳光辐射是否会增加住宅屋内温度、墙体传热系数的具体大小和进行自然通风时墙体表面接收太阳光辐射的温度,根据相关的标准要求和规定,太阳辐射的吸收系数必须小于0.6才能达到节能设计的要求,所以对于高层住宅建筑可以使用厚度为200mm的钢筋混凝土。
4.外环境设计
在对高层住宅建筑的周围环境设计上,首先要注重绿化的节能设计。建筑周围较好的绿化环境会调节冬夏两季的温度,良好的树木覆盖面积会减少夏季太阳光辐射和地面的反射热量,通过调查测试绿化环境好的建筑物会比没有绿化环境的建筑物平均低两到三度,在夏季下午的升温速度上也有较为明显的影响,通过墙体绿化、屋面绿化、楼间绿化等方式直接作用于高层住宅内部的温度,在绿化的设计上可以使用高大常绿乔木与灌木结合的绿化带,从生态环境方面来提高高层住宅建筑的节能效果和住宅舒适度。
其次,在高层住宅建筑的外部遮阳设计上,要避免夏季太阳光辐射直接通过窗户照射到住宅内部,在夏季会引发屋内温度升高,所以进行这样的建筑外部设计是一种将太阳光与建筑物隔开的外围结构设计,在外部遮阳上要科学、合理,结合立面设计注意西向设计对建筑节能起到的重要作用,根据相关规定对外部的热阻计算时要考虑到隔热措施带来的热阻,尤其是对于东西外墙的遮阳,例如,使用帘式遮阳、挡板式遮阳、栅格遮阳等方式,不仅节约了建筑能源,还形成了较好的建筑景观,遮阳板的设计直接会作用于屋内空气的流动方向和流动速度,所以对屋面的遮阳板也要合理安排和设置。
第三,对高层住宅建筑进行设计时要充分利用周围的可再生资源来达到节能效果。科学合理地利用风能、太阳能等无污染,绿色环保并且可再生的能源,为了促进高层住宅建筑的自然通风,可以设计一个以太阳能为吸收能源的烟囱。在供热系统上也可以利用太阳能进行设计,使用螺旋杆水冷机组的高层住宅建筑设置蓄冷装置,从而循环利用冷却塔中的水,适当选择热泵新型建筑节能技术,高层建筑供电系统可以考虑以太阳能作为主要能源,不仅减少了电能的能源消耗,还不会对周围环境产生污染,达到建筑节能的目的。
结语
随着社会经济的发展,越来越多的高层住宅建筑出现在了城市中,这种建筑可容纳人数较多,扩大了城市对人数的包容性和信息处理速度,可持续理念的大力发展对以框剪墙体结构为主的高层住宅建筑的节能目标的达成提出了新的挑战,如何将高层建筑绿色环保生态化,在设计时注意与自然科学相结合进行节能,如果只靠砌块的热工性能来进行建筑节能设计,节能效果甚微,所以要建立符合钢筋混凝土结构的外墙保温体系,在规划设计、空间设计、围护结构设计、环境设计上都采取节能的方案措施,保证高层住宅建筑物符合《居住建筑节能设计标准》中的规定和要求,高层住宅建筑的节能设计符合社会发展的需求,具备较好的经济收益、环境效益和社会效益,也是社会经济发展的必然态势和必然选择。
参考文献
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