湿热气候条件下的建筑立面节能设计策略,本文是节能设计方面论文怎么撰写与湿热气候条件和立面和节能类论文怎么撰写.
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【摘 要】 通过对于湿热气候类型的分析,归纳提炼湿热气候的环境特点,通过结合当代建筑节能技术,对湿热地区的建筑立面节能设计进行新的思考,提出湿热气候条件下的建筑立面节能设计策略.
【关键词】湿热气候；建筑节能；建筑立面；节能设计
1 综述
有数据指出,目前世界范围内许多国家的能耗结构中,建筑产业能耗约占整体能源消耗的40％.因此,在建筑的全生命周期内实现建筑节能,已在全世界范围内成为政府部门实现城市可持续发展的重要议程之一.
一个完整的建筑体系是由不同的组成部分构成的人工环境,包括建筑结构体系,建筑空间体系,以及建筑维护体系等等.这其中,建筑维护体系作为室内空间与室外空间的分隔界面,起到室内外环境之间沟通平衡的重要作用.首先,从建筑设计的角度来看,立面是建筑物中展示建筑美学价值和建筑表现力的最重要的组成部分之一；其次,从工程角度来看,以建筑外墙为代表的建筑围护结构,在维持室内物理环境稳定及舒适等方面发挥着重要的作用.因此,建筑护结构的技术突破直接影响了建筑的能耗表现.简而言之,建筑立面设计应当在其艺术表现力以及功能性之间找到平衡点,做到技术与艺术的统一.优秀的建筑立面设计,既可以创造出更加舒适的室内环境,同时又能够起到改善城市环境的作用.
相比于干热气候,湿热气候对于建筑热环境的主要影响因素包括：相对较强的太阳辐射、相对较高的空气温度以及较高的空气湿度等.本文便是针对“湿热环境”的气候特点,结合相关的建筑技术,总结归纳适用于湿热气候下的建筑立面设计策略.
2 湿热气候的气候特点
湿热气候是以气温高、湿度高、雨量大、日温差小、无风或少风为特点的气候.湿热气候最热月月均温度很高,年平均相对湿度在60% 以上.年平均降水量超过1 000mm,风速较低.由于天空经常多云,太阳直射辐射量减少而散射量增加.例如重庆的夏季,是我国典型的湿热气候地区之一,当地平均年降水量为1 151mm,各月多是静风,最热月14:00 的平均气温达33℃,月平均相对湿度为71%,日照很少.湿热气候条件下,居住环境过潮,皮肤蒸发排汗困难,昼夜闷热,人体感到不舒适.
3 湿热地区的建筑立面设计原则
对于湿热地区而言,建筑热环境控制主要以降低温度以及湿度为主.具体到立面节能设计策略,应侧重于减少太阳辐射和做到对室内与室外热交换的有效控制.同时,还需注意在上述前提之下保障自然采光,并尽可能使用自然通风进行冷却,减少空调的使用.具体分为以下几点：①减少太阳辐射所产生的温度升高；②有效控制眩光；③在保障室内热环境舒适的前提下提高自然采光对于室内的覆盖深度；④保障自然采光在室内的均匀分布.
针对建筑立面节能设计,需要考虑到众多环境因素对于建筑立面的影响.建筑立面的节能设计成功与否,将直接影响建筑物的室内通风效率、室内自然采光、室内热舒适环境以及建筑整体的能耗.目前,国内对于建筑立面节能设计的研究已经取得了一定的成果,确定了建筑立面设计时需要考虑的一些重要因素,其中主要包括建筑的形式、体量,建筑所在的地理位置、朝向、外部环境,建筑立面所使用的材料,建筑立面的窗墙比以及遮阳等等.近年来,随着参数化设计以及BIM 技术逐渐走向成熟,建筑师可以掌控更加复杂夸张的立面形式,从而引导建筑立面设计以极快的速度进行着革新.建筑立面形式的飞速发展也使建筑立面设计的技术研究面临着新的挑战.因此,我们建议采用基于气候“适应性”的立面设计方法,来确保建筑立面实现更好的节能效果.
笔者根据现有的文献资料,总结归纳了以下几条针对湿热气候环境中建筑立面设计的基本指导原则：①通过各种方式有效抑制建筑在白天得热,并同时增强建筑在夜间的散热能力.②以当地气候和小气候条件为参照对建筑的朝向进行调整,并针对朝向对每个建筑立面进行适应性的调整.其中需要特别注意太阳的照射角度以及当地的主导风向.③改善建筑护结构的热工性能,使用适宜的建筑隔热材料以及安装方式.④根据室内环境需求以及城市需求选择建筑外立面材质,确保适宜的建筑外立面反射率.⑤通过技术手段对太阳光进行控制,要保障太阳光线有足够的照射深度,为尽可能多的室内空间提供自然采光.同时,还要使得室内自然采光均匀分布,并在满足室内自然采光的前提下,做到对太阳辐射传热的有效控制.⑥优化室内风环境,确保室内风环境具有稳定适宜的风速,同时还要尽量扩大室内通风的覆盖面.
需要强调的是,以上所列举的仅仅是指导层面的设计原则,在建筑立面的实际设计工作中,难免会造成技术层面的矛盾和冲突.例如,为了加强自然采光,减少照明能耗,将建筑的窗墙比（WWR）增大,可能会使得太阳辐射大幅度提高,造成巨大的热负荷,进而增加制冷能耗.同样,如果单纯为了提升通风效率而忽视了对空气进行干燥处理,也会由于湿度增加而降低室内空间的热舒适度.这就需要建筑师在进行节能设计的时候有意识地对各方面进行平衡,对各种节能手段进行灵活的变化和综合利用,找到其间相互作用的最佳平衡点.
4 湿热气候条件下建筑立面的节能策略
确保室内热环境舒适的根本在于实现对于室内外热量交换的有效控制,建筑室内与室外之间的热量交换主要通过以下三个途径实现：①透过窗户进入室内的直接太阳辐射；②室内与室外之间的空气渗透形成的对流传热；③墙体以及窗户本身的热传导.
通常情况下,节能效果受到“立面材料”以及“窗墙比”的影响较为显著.窗墙比（WWR）的提高,会导致建筑室内得热量增加.所以,在湿热地区通常倾向于降低主要被照面窗墙比的立面做法.
4.1 提高墙体本身的隔热性能
选择适合的隔热材料作为隔热层,可以很大程度上改善建筑立面的热工性能,提高能源使用效率.在湿热气候条件下,建筑围护结构所使用的隔热措施直接影响到建筑整体的节能效果,其影响因素主要包括隔热材料、材料厚度以及安装方式的选择等.隔热材料厚度的增加有助于提升墙体的隔热性能,然而当隔热材料厚度增加到一定程度的时候,继续增加材料厚度对于隔热能力的提升并不显著.通常情况下,使用外保温可以有效避免热桥,综合保温效果优于内保温.隔热材料除了传统的岩棉、聚苯乙烯之外,近年来也出现了各种新型隔热材料,例如多孔隔热材料SiO2 气凝胶等.
对于传统建筑立面节能设计而言,隔热层的设置以及墙体材料和构造方式的选择,对于提高整体建筑节能效果和提高建筑室内空间热舒适条件有着重要意义.建筑材料的热质量是评价建筑材料热工性能的重要指标,热质量有时被称为热飞轮效应.一般情况下,选择使用具有高热质量的材料作为建筑立面材料,能够为建筑提供更加稳定的热舒适环境,达到建筑节能的效果.
近年来,许多研究将目光投向了相变材料（PCM）在建筑中的应用,相变材料能够在相对恒定的温度下储存和释放热量,利用其特点,将其与建筑材料的结合,可以显著提高建筑的蓄热能力.目前,在技术层面上已经可以实现相变材料与砌块相结合.有资料显示,在湿热气候条件下的建筑立面设计中应用相变材料,可以在很大程度上保障室内热舒适环境的稳定.但同时其劣势也相当明显,由于相变材料在建筑中的应用研究尚处于起步阶段,还有大量的问题有待解决.例如,设法增强相变材料的化学稳定性,解决材料在相变过程中的体积变化,以及探索更加可靠的封装方式以防止泄漏等等.
在实际的建筑设计中,需要对上述各种影响墙体绝热性能的因素进行综合考虑,根据实际情况提出适应性的具体方案.例如,居住建筑的使用特点决定了其在湿热气候条件下的节能设计,重点在于降低夜间室内环境的温度及湿度,提高夜间的室内热舒适条件.经过模拟实验发现,在居住建筑立面设计中,使用具有较高热质量的建筑材料,并配合内保温的立面形式,最有利于提高建筑夜间的室内热舒适条件,实现建筑节能.同时发现,在居住建筑中窗墙比的变化对于建筑节能影响不大,具体的原因尚且不能完全确定,但推测与夜间建筑处于散热状态有关.
4.2 适宜的外墙反射率
外立面墙体部分的反射率对于建筑室内的热环境有着重要的影响.在针对湿热气候条件下的建筑立面节能设计中,推荐使用具有一定反射效果的外部涂层,或是使用颜色相对较浅的外部涂料,从而减少对于太阳辐射的吸收并将其反射到大气中去.这种方式很适用于老旧房屋的节能改造.需要指出的是,当墙体本身热阻增加到一定程度时,提高外表面反射率对于改善室内热舒适条件的作用就变得相对有限,同时,墙体反射率的增加会在一定程度上导致建筑周围温度的升高,需要在设计过程中对于反射率的度进行准确的拿捏.
4.3 双层通风玻璃幕墙
玻璃幕墙是由金属构架与玻璃板材组成的幕墙体系,是一种透明的不承担主体结构荷载与作用的建筑护结构.目前玻璃幕墙的种类有很多,可以根据不同的使用情况进行选择,例如,就使用的玻璃种类可以分为安全玻璃、夹层玻璃、中空玻璃等等.而每一个玻璃种类还可以进行细分,例如,中空玻璃为了适应不同的用途,可以在其中充入不同的气体并以此来进行细分等等.
由于玻璃幕墙施工简单快捷,外形美观,同时又能够为室内空间提供良好的自然采光,目前中国大多数的高层办公建筑会选择使用玻璃幕墙体系.但是正如之前所说的,虽然玻璃幕墙能为室内环境提供良好的室内采光,大幅度降低室内照明能耗,但同时也会增加太阳辐射,使得室内的热负荷升高.
在中国早期使用玻璃幕墙作为建筑外立面的建筑中便存在着这样的问题,有相当一部分建筑由于使用单层玻璃的玻璃幕墙,使室内产生了极大的热负荷,并造成制冷能源极大的浪费.
目前,传统意义上对于建筑玻璃幕墙的节能设计主要从以下两个方面展开：①研究如何提升玻璃本身热工性能；②针对玻璃幕墙的遮阳体系展开研究.这两方面对于玻璃幕墙体系的节能效果提升有着重要意义.由于遮阳体系的作用仅仅是阻止室外的太阳辐射进入到室内,而玻璃的热工性能除了影响到外部的太阳辐射对于室内造成的升温之外,还影响着室内长波辐射降温方面.所以,仅从理论上来看,提升玻璃本身的热工性能对于建筑节能的影响更为巨大.
但是,仅仅依靠对于玻璃和遮阳体系的研究还远远不能保证玻璃幕墙实现真正意义上的节能,结合目前的建筑技术的发展水平以及建筑施工水平,最适宜在湿热气候环境下进行普及的节能立面形式为双层通风玻璃幕墙.外界热量在进入室内之前首先到达两层玻璃之间的空气间层,随着空气间层中的空气温度升高,可以很大程度上改善表皮之间的通风效率,配合有效的通风技术手段,实现与外界空气之间的循环.通过这种方式可以阻挡大量的热量直接进入室内.目前,已经通过计算机模拟实验证明了其在湿热气候条件下的合理性.
在针对双层玻璃幕墙（D）进行设计的时候需要考虑到诸多因素,玻璃的类型、厚度、层数的不同会衍生出各种不同的双层幕墙组合形式.经过大量的研究和实验发现,对于双层玻璃幕墙,外层使用双层反射玻璃,内层使用单层白片玻璃效果相对较好,相较于单层的玻璃幕墙,其对于能源的需求可以降低26%（图1）.除了对于玻璃本身的研究之外,针对双层表皮的另一个研究方向便是在两层玻璃之间设置遮阳系统.在两层玻璃之间的空腔内设置遮阳系统,可以有效地进一步阻止太阳辐射直接进入室内.一份来自Gratia和De Herde 的试验,对表皮间的遮阳位置以及材质进行了详细的测试,试验结果表明,相对于偏向其中的一侧,将遮阳置于两层玻璃幕墙正中间的位置效果较好.同时实验还表明,轻质材料的遮阳体系在节能效率上优于重质材料.原因在于相比于重质材料而言,轻质遮阳在受到太阳辐射时升温较快,有利于加速空气间层内的空气流通.这其中还需要相应的流体力学方面的计算,以确定最有利于通风的间隙尺寸.
遮阳系统可以结合一定的控制技术实现可变遮阳.在调查研究中发现,可变遮阳对于建筑节能而言意义重大.一方面,可变遮阳降低了夏季间隙温度,减少了传统双层立面中由于间隙过热而导致的室内温度升高；另一方面,可以在冬季通过调整遮阳角度有效利用太阳直射为室内空气升温.在条件允许的前提下,将可控遮阳与双层立面实现合理的结合,可以大幅降低全年的建筑能耗.
除了双层通风玻璃幕墙之外,还可以使用其他类型的板材替代玻璃面板,形成其他类型的“双层立面”体系,同样也可以实现良好的节能效果.我们对于使用双层非玻璃建筑立面进行了模拟分析,结果显示,使用双层立面,窗墙比为0.911 的建筑能耗与窗墙比为0.32 的单层立面的能耗相当.换言之,在传统立面的基础上加设双层立面,可以在保持能耗不变的前提下将窗墙比提高三倍.
总结起来,双层立面的优势在于有效降低建筑能耗,加强建筑室内的空气流通,改善室内的热舒适条件,为室内提供良好的自然采光环境,同时还能有效隔绝外界噪音.目前双层立面的主要弊端在于,相较于传统立面,建筑建造成本与维护成本有所增加.另外,由于两层立面之间需要留有空气间层,这也在一定程度上增加了建筑占地面积.但即便如此,双层立面依旧是湿热气候条件下建筑立面节能研究的主要方向.
前文所述的双层立面系统目前多应用于办公建筑,对于办公建筑来说,双层玻璃幕墙凭借其优秀的节能效果,可以有效提高生产力并降低能耗成本.但是相较于办公建筑而言,双层立面体系并非完全适用于居住建筑,这与两种建筑类型的使用方式有着密切的关系.人们在办公建筑中的活动大多是在日间发生的,而居住建筑则恰恰相反,有相当一部分的居住建筑在日间是处于空置状态.而双层玻璃幕墙最主要的作用是减少日间的建筑得热,提升日间室内空间的热舒适条件,这也就导致了双层玻璃幕墙在现阶段并非与居住建筑完全契合.
4.4 慎用垂直绿化
在建筑立面设计中应用垂直绿化越来越受到建筑师们的青睐,在建筑立面外侧使用垂直绿化,一方面, 可以为建筑提供良好的隔热,通过绿色植物自身的蒸腾作用可以大大增加潜热交换量,缓解城市热岛效应；另一方面,垂直绿化的应用也能够很好地满足现今城市生态修复的要求,可谓一举多得（图2）.但是研究表明,相对于湿热气候而言,垂直绿化更加适用于干热气候环境条件.首先,在湿热气候条件下,除湿是与降温同等重要的,而垂直绿化的蒸腾作用,在降低空气温度的同时,也使得空气湿度相应增高,同样会造成舒适度的下降；其次,与干热气候条件下的建筑致凉策略不同,湿热气候条件下的致凉策略是以加强建筑自然通风为主,而垂直绿化的铺设,在很大程度上对建筑自然通风效率以及建筑本身的夜间散热造成负面影响.例如,有资料显示,在曼谷的湿热气候区,一些建筑的西侧立面应用当地的一种藤曼植物作为垂直绿化,以降低西晒对于室内热环境的影响.经过实验测试得知,建筑内部与外部的日间最高温差达到6.78K,平均温差为2.27K,但是导致相对湿度接近最高值,使得实际舒适度并没有大幅度的提高.不仅如此,由于外立面的垂直绿化的存在,一定程度上影响了建筑的夜间散热,实验结果显示,夜间室内空气温度竟然远高于室外温度.所以,建筑师在湿热气候条件下对于垂直绿化的应用应当保持一定的谨慎态度.
5 结语
作为城市应对气候变化可持续发展战略的一部分,人们对于提高建筑物节能性能的意识不断提高,节能建筑设计也受到来自社会各界的关注.研究表明,建筑外立面作为城市建筑环境的基本组成部分之一,在改善建筑以及城市的能耗方面发挥着关键作用.建筑外立面节能设计策略研究的目的,不仅是为了实现能源消耗的可持续性,同时也是为了营造更加适宜的热舒适环境,进一步提高人们的满意度.
本文介绍了湿热气候条件下建筑立面的节能设计策略,但是考虑到湿热气候条件较为复杂,影响建筑的因素也相对较多,需要根据实际情况对于建筑立面设计策略做出适应性调整.这就需要依靠设计师对设计策略进行灵活的运用,力求将建筑节能设计的理念贯彻到设计过程的每个阶段,只有这样才能真正实现建筑节能和可持续发展.
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