建筑節能的高層住宅建筑設計論文

　　摘要：隨著時代的發展,城市的高層建筑數量與日俱增,隨之也帶來了巨大的建筑能源消耗,究其主要原因是在進行建筑節能設計時存在部分缺陷和問題。擬從高層住宅建筑規劃設計、空間設計、維護結構設計和環境設計出發,探討建筑節能綠色環保的設計方案,以期獲得良好的經濟效益、環境效益和社會效益。

　　關鍵詞：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問題

　　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,并且隨著經濟的飛速發展和城市化的擴大發展,高層建筑的數目越來越多,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。如果不進行高層住宅建筑的節能設計,將會在未來發展時期內進一步擴大能源消耗,造成能源緊缺和能源危機。

　　2.常見問題

　　我國高層住宅在進行建筑設計時,在節能方面往往存在以下問題。

　　(1)在規劃設計方面,為了追求總平面布局形式和景觀效果,往往采用周邊圍合的建筑群體組合,但是這種圍合會造成有些戶型朝向呈東西向,增加了夏季空調使用的能耗。同時建筑設計核心筒布局各個戶型,使有些戶型形成不了良好的自然通風,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效果,設計出造型新穎奇特的建筑,使建筑的外輪廓線較為復雜,這樣就擴大了建筑的外表面積,增加了與外界環境熱傳導的機會。

　　(3)在外圍護結構方面(外圍護結構包括外墻、屋頂和門窗等),外墻和屋頂直接影響著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有關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,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行分析和調研后發現,高層建筑物的外部普遍缺少一個保溫層,例如某地一個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自于太陽輻射通過門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有遮陽措施,在夏季不能降低太陽光的輻射,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題,現提出以下改進策略。

　　1.規劃設計

　　在對高層住宅建筑進行規劃設計時,要注重太陽光輻射和空氣流通兩個方面,如果想要達到節約能耗的目的,就需要降低太陽光的輻射和提高住宅空間的自然通風效果。在對住宅進行規劃設計時,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向,根據具體的氣候條件科學合理地規劃建筑與建筑之間的進風口和出風口,從而形成良好的自然通風,增加住宅房屋的舒適感。建筑與建筑在進行排列時最好呈南北朝向,這樣在夏天受到較少的太陽光輻射,節省了空調制冷系統帶來的能源消耗,冬天就會接收較多的太陽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的流通及與外部空氣的熱交換,促進高層建筑及時散發出自身的溫度,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行設計時,最好選擇兩垂直墻面窗戶之間實現通風,并且選擇雙層玻璃來促進夏季降溫效果的實現,國外很多高層建筑的設計考慮到了通風的構造體系而實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題,從具體的環境因素和資金情況出發,確保高層住宅建筑物的采光、通風和防火都符合相關規范和標準。建筑物與建筑物之間的合理遮擋能夠減少夏季太陽光輻射帶來的溫度聚集,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行設計時,需要從立面和平面兩個角度出發去進行設計,確保建筑物的通風、采光和防火都滿足要求和標準。在對高層住宅建筑進行立面設計時,要關注出風口的安排,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口,并且高出住宅屋面。在進出口的高度問題上要確保符合建筑物的具體環境情況,進出風口的高度會直接影響到住宅內部空氣的流動方向,進而影響到住宅內部的空氣環境,所以進出風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窗的設置問題,住宅內部的空氣流通較好會推動室內空氣及時更新并形成良好的循環,對窗戶的朝向要進行科學合理的規劃,使之有利于形成穿堂風;還可以對窗戶的形式進行創新設計,提高進出風口的接觸面積,推動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意度。合適的窗墻比既可以滿足采光通風的需求,滿足節約能源的要求,還可以滿足作為建筑的個性及風格要素的要求。

　　3.圍護結構設計

　　在對高層住宅建筑的圍護結構進行設計時,要達到節省能源消耗的目的可以通過夏季降溫和冬季保溫的方式來實現,所以對圍護結構,包括屋頂、門窗、墻壁的設計要關注傳熱和空氣滲透問題。在對圍護結構的傳熱阻進行計算時,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要關注保溫材料的選擇,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,并且不會對施工環境產生影響和污染,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)門窗

　　在對高層住宅建筑的門窗進行設計時,要降低門窗的冷風滲透情況,提高建筑外部門窗在冬季的保溫效果來彌補熱量損失問題,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系數所決定,遮陽系數是由建筑外遮陽系數和窗本身遮陽系數所決定的,采用可見光透過率和可見光反射率都較為合理的玻璃材料,可見光透過率大于0.5,可見光反射率小于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,具備較大的可見光透過率和遮陽系數,在門窗材料的選擇上要科學合理,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降低冬季冷空氣的滲透,在門窗的邊部和中部熱量會產生損耗,要提高保溫效果就需要對門窗的形狀和材料選擇進行改進,例如,選擇鋼塑復合窗或者塑料窗來防止金屬材料引發的冷橋,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,在對門的選擇上可以采取多功能門和夾板門,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行設計時要關注墻體材料的保溫效果和質量,墻體是整個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分別為墻體周圍熱橋部位的面積,Kp為墻體主體部位的傳熱系數,單位為W/(m2.k),Kb1、Kb2、Kb3為墻體周圍熱橋部分的傳熱系數。一般來說要建立一個保溫隔熱層以便冬季儲存熱量,夏季散發熱量,在進行這一層的材料設計時要從抗氧強度、蒸汽滲透率、傳熱系數和燃燒性能等因素進行取舍。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,結合具體建筑環境和外部環境條件將導熱系數小的砌塊和加氣混凝土砌塊應用于實體圍護結構當中,結合墻體外部的保溫效果和窗墻大小尺寸來減少外部圍護結構給夏季保溫和冬季隔熱帶來的能源消耗,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,同時選擇合理的門窗材料,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,外飾面主要通過外部圍護結構面對太陽光輻射能的吸收系數來進行建筑節能設計,包括以下幾個方面:在使用空調制冷系統時太陽光輻射是否會增加住宅屋內溫度、墻體傳熱系數的具體大小和進行自然通風時墻體表面接收太陽光輻射的溫度,根據相關的標準要求和規定,太陽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.外環境設計

　　在對高層住宅建筑的周圍環境設計上,首先要注重綠化的節能設計。建筑周圍較好的綠化環境會調節冬夏兩季的溫度,良好的樹木覆蓋面積會減少夏季太陽光輻射和地面的反射熱量,通過調查測試綠化環境好的建筑物會比沒有綠化環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,從生態環境方面來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設計上,要避免夏季太陽光輻射直接通過窗戶照射到住宅內部,在夏季會引發屋內溫度升高,所以進行這樣的建筑外部設計是一種將太陽光與建筑物隔開的外圍結構設計,在外部遮陽上要科學、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,根據相關規定對外部的熱阻計算時要考慮到隔熱措施帶來的熱阻,尤其是對于東西外墻的遮陽,例如,使用簾式遮陽、擋板式遮陽、柵格遮陽等方式,不僅節約了建筑能源,還形成了較好的建筑景觀,遮陽板的設計直接會作用于屋內空氣的流動方向和流動速度,所以對屋面的遮陽板也要合理安排和設置。

　　第三,對高層住宅建筑進行設計時要充分利用周圍的可再生資源來達到節能效果。科學合理地利用風能、太陽能等無污染,綠色環保并且可再生的能源,為了促進高層住宅建筑的自然通風,可以設計一個以太陽能為吸收能源的煙囪。在供熱系統上也可以利用太陽能進行設計,使用螺旋桿水冷機組的高層住宅建筑設置蓄冷裝置,從而循環利用冷卻塔中的水,適當選擇熱泵新型建筑節能技術,高層建筑供電系統可以考慮以太陽能作為主要能源,不僅減少了電能的能源消耗,還不會對周圍環境產生污染,達到建筑節能的目的。

　　結語

　　隨著社會經濟的發展,越來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保生態化,在設計時注意與自然科學相結合進行節能,如果只靠砌塊的熱工性能來進行建筑節能設計,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發展的需求,具備較好的經濟收益、環境效益和社會效益,也是社會經濟發展的必然態勢和必然選擇。

　　參考文獻

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