地下建筑空間節(jié)能策略研究

摘 要:地下建筑的熱工環(huán)境與地面建筑有著諸多不同，因此在建筑耗能方面也有其特殊性。從地下建筑的熱工環(huán)境入手，分析了地下建筑的耗能特點(diǎn)，并從自然采光、自然通風(fēng)、可再生能源利用三方面提出針對(duì)地下建筑的節(jié)能策略。

關(guān)鍵詞:地下建筑;熱工環(huán)境;節(jié)能策略

Abstract:There are many differents between underground buildings and ground-level buildings on the thermal environment.So their energy consumption is different too. Through the analysis on the energy consumption of underground buildings， some strategies of energy conservation are suggested from natural lighting，natural ventilation ，and the application of renewable energy.

Keywords:Underground Construction; Thermal Environment; Energy Conservation Strategies

中圖分類號(hào):TU984.11+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1008-0422(2009)07-069-02

1引言

隨著地下建筑的不斷發(fā)展，城市里出現(xiàn)了多種功能類型的建筑形式，如:從公共建筑、交通建筑、辦公建筑、體育建筑以及居住建筑等。人類在地下建筑中的活動(dòng)日益增加。我們一方面需要改善地下建筑內(nèi)部空間環(huán)境，使其達(dá)到一定的舒適度標(biāo)準(zhǔn)，從而保障地下建筑的正常運(yùn)行，另一方面也要有效控制地下建筑的運(yùn)行能耗，節(jié)約運(yùn)行成本。

地下建筑空間環(huán)境與地面建筑相比較，有非常顯著的特點(diǎn)，其中包含了一些有利因素與不利因素。我們?cè)趯?duì)地下建筑空間進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)地下建筑空間的特點(diǎn)，有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2地下建筑熱工環(huán)境分析

地下建筑空間環(huán)境受到室外和室內(nèi)的雙重?zé)釢褡饔?。與地面建筑不同的是，地下建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)所接觸的是土壤或巖石，而不是地面環(huán)境中的太陽(yáng)輻射、室外空氣的溫濕度、風(fēng)、雨、雪等。土壤或巖石對(duì)地下建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的作用與地下建筑的熱工性能有密切關(guān)聯(lián)。

2.1地下建筑室外熱濕環(huán)境

建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)將人們的生活與工作空間分為室內(nèi)和室外兩部分，對(duì)地下建筑而言，土壤對(duì)其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響便相當(dāng)于室外氣候?qū)Φ孛娼ㄖ挠绊憽?/p>

2.1.1土壤或巖體溫度作用

土壤的熱作用與地面自然環(huán)境的熱作用差別很大。一般認(rèn)為從地面到地下10m左右的土壤是依靠太陽(yáng)供給熱量的。隨著深度的增加，熱量對(duì)土地的影響也相應(yīng)增加。白天，太陽(yáng)的熱量影響到土壤的很淺的深度，通常在5～7cm之間，但這種熱量在一個(gè)大約10m的深度內(nèi)作持續(xù)的季節(jié)性運(yùn)動(dòng)[1]。土壤隔熱性好而蓄熱量大，因而能在嚴(yán)酷多變的外界氣候條件下保持相對(duì)穩(wěn)定的溫度。土壤的熱穩(wěn)定性使得地下建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)擁有相對(duì)穩(wěn)定的外界溫度，對(duì)于一些需要恒定季節(jié)性溫度和恒定晝夜溫度的特殊建筑，地下建筑將更具優(yōu)勢(shì)。

2.1.2土壤或巖體濕度作用

在濕度方面，地下建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到土壤、巖石、地下水位高低等的影響，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重表面散濕現(xiàn)象，再加上缺少陽(yáng)光照射，和有效的自然通風(fēng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)往往比地面建筑潮濕。

2.2地下建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境

地下建筑中屬于室內(nèi)的氣候因素主要包括三個(gè)方面:進(jìn)入室內(nèi)的陽(yáng)光、空氣溫濕度、生產(chǎn)和生活所散發(fā)的熱量和水分。

2.2.1進(jìn)入室內(nèi)的陽(yáng)光

地下建筑由于其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的限制，一般難以通過側(cè)窗獲取陽(yáng)光，雖然可以通過采光天窗、采光井等方式進(jìn)行自然采光，但大多數(shù)情況下仍無法與地面建筑相比。自然光線的不足對(duì)地下建筑室內(nèi)環(huán)境造成了不利影響，如潮濕、陰暗。

2.2.2空氣溫度濕度

地下空間中的空氣溫度隨季節(jié)變化及晝夜變化的波動(dòng)幅度較小，相對(duì)于地面，有著十分明顯的滯后現(xiàn)象。地面溫度變化引起地表層發(fā)生的熱波，由于地下建筑覆蓋層及周圍巖土的衰減作用，對(duì)室內(nèi)空氣溫度影響不大。當(dāng)覆蓋層厚度超過10m，這種影響可忽略不計(jì)，這對(duì)創(chuàng)造恒定的室內(nèi)溫度十分有利。

在夏季，地下建筑內(nèi)溫度比室外空氣溫度低，室外空氣進(jìn)入地下建筑后，溫度下降，相對(duì)濕度升高，當(dāng)壁面溫度低于露點(diǎn)時(shí)，即出現(xiàn)凝結(jié)水，致使地下建筑夏季雨季潮濕問題十分突出。

2.2.3生產(chǎn)和生活所散發(fā)的熱量與水分

地下建筑中的生產(chǎn)活動(dòng)與生活同樣會(huì)散發(fā)熱量和水分。由于地下建筑的封閉性較強(qiáng)，很多情況下難以通過自然通風(fēng)排除熱量與濕氣，因此，地下建筑空間內(nèi)的生產(chǎn)和生活過程中所散發(fā)的熱量和水分會(huì)增加地下空間的溫度和濕度。

3地下建筑的主要能耗分析

分析地下公共建筑的環(huán)境特點(diǎn)及熱工性能可知，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能優(yōu)于地面建筑，并且不需要遮陽(yáng)。地下建筑主要能耗主要包括:采光能耗、空調(diào)能耗、動(dòng)力能耗。根據(jù)徐州時(shí)尚大道地下商業(yè)街的能耗進(jìn)行了測(cè)量，表明最大的能量消耗是在有高制冷負(fù)載的8月份。另一個(gè)最大值是在有高取暖負(fù)載的2月份。年耗能的最大份額是照明，占45%;第二位是空調(diào)能耗，占44%;電梯及其他能耗占11% (見圖1) 。

可見地下建筑中的采光能耗占的比例巨大，空調(diào)能耗也十分驚人。我國(guó)的空調(diào)能耗中，新風(fēng)能耗占空調(diào)能耗的25%-38%[2]，在地下建筑中這個(gè)比例會(huì)更高。因此，自然采光與自然通風(fēng)對(duì)地下建筑的節(jié)能意義重大。

4地下建筑節(jié)能策略

4.1 充分利用自然采光

在地下建筑中應(yīng)可能地利用自然采光，天然采光不僅節(jié)約了照明能耗，更重要的是能滿足人們的心理需求。在地下空間可以采用以下多種建筑形式來進(jìn)行自然采光。

4.1.1天窗式

天窗采光適合于埋深較淺、地面部分為廣場(chǎng)或綠地的地下建筑，陽(yáng)光可以通過頂棚的天窗很容易到達(dá)室內(nèi)，采光效率高，并可選擇各種形式的天窗，如:平天窗、鋸齒形天窗等。天窗采光適合用于公共建筑和工業(yè)建筑，如展覽建筑、工業(yè)廠房等。

4.1.2 庭院式

對(duì)于規(guī)模不大的地下建筑，可采用庭院式自然采光。地下建筑的各部分功能圍繞一個(gè)小庭院布置，并在與庭院相鄰的圍護(hù)結(jié)構(gòu)上開設(shè)大面積玻璃門窗，從而可以攝取陽(yáng)光和景觀。

庭院式采光方法較適于規(guī)模不大的文化娛樂建筑。

4.1.3下沉廣場(chǎng)式

對(duì)于城市中面積較大的開敞空間，常常使地面一部分下沉一定高度，使廣場(chǎng)出現(xiàn)空間形態(tài)變化，并且結(jié)合地下建筑(如地下商業(yè)建筑、地下交通建筑等)形成多層次的復(fù)合空間，同時(shí)還為廣場(chǎng)周圍的地下建筑提供大量的自然光線。

4.1.4 地下中庭式

對(duì)于大深度的地下工程，地下中庭是一種改善空間環(huán)境的重要方法。中庭頂部可以由各種形態(tài)的空間網(wǎng)架加上采光玻璃面構(gòu)成。中庭內(nèi)可以種植植物，布置景觀，從而形成豐富的內(nèi)部空間。因此，多層地下建筑可以通過共享中庭獲得自然光線以及景觀效果。

4.1.5 技術(shù)應(yīng)用

很多情況下，地下建筑沒有條件通過天窗、側(cè)窗或中庭等引入自然光線，此時(shí)就需要采用一些特殊方法將太陽(yáng)光引入地下空間，這種采光方法同樣可以使地下空間獲得陽(yáng)光照明，從而達(dá)到節(jié)能的目的[3]。常見的方法有:導(dǎo)光管采光(如圖2)、棱鏡導(dǎo)光裝置、光導(dǎo)纖維、光電效應(yīng)間接采光等。

4.2自然通風(fēng)

自然通風(fēng)是利用室內(nèi)外溫度差所造成的熱壓或風(fēng)力作用所造成的風(fēng)壓來實(shí)現(xiàn)換氣的一種通風(fēng)方式，是對(duì)自然能源的有效開發(fā)和利用。經(jīng)過合理設(shè)計(jì)的自然通風(fēng)，對(duì)改善室內(nèi)空氣質(zhì)量和節(jié)約能耗都有重要意義。自然通風(fēng)與建筑設(shè)計(jì)關(guān)系密切，平面布局、風(fēng)井的設(shè)置及風(fēng)帽的選擇等都會(huì)影響自然通風(fēng)效果。

4.2.1 平面布局

平面布局決定著自然通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)路組織，直接影響自然通風(fēng)效率。風(fēng)路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是如何將新風(fēng)引入地下建筑，與室內(nèi)空氣進(jìn)行置換后排出室外。在布置地下建筑平面時(shí)應(yīng)盡量保證風(fēng)路暢通，減少死角，避免氣流短路。

4.2.2 風(fēng)井設(shè)置

在地下建筑設(shè)計(jì)中，中庭的應(yīng)用十分普遍。中庭受到陽(yáng)光照射，會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)，產(chǎn)生熱壓作用，有利于空氣排出。因此我們可以將其作為排風(fēng)風(fēng)井，必要時(shí)設(shè)置機(jī)械裝置，輔助排風(fēng)(如圖3)。

進(jìn)風(fēng)井應(yīng)根據(jù)自然通風(fēng)的風(fēng)路組織需求，圍繞作為排風(fēng)井的中庭設(shè)置。進(jìn)風(fēng)井風(fēng)口部分應(yīng)該考慮周圍地面環(huán)境的影響，避開有空氣污染的位置，同時(shí)要加裝空氣凈化裝置[4]。為了有利于空氣進(jìn)入，可以在風(fēng)口內(nèi)部設(shè)置冷卻裝置，促使空氣下沉。風(fēng)口要盡量利用風(fēng)壓，根據(jù)需要安裝進(jìn)風(fēng)型風(fēng)帽或排風(fēng)型風(fēng)帽。

5可再生能源利用

可再生能源利用是近年來的熱點(diǎn)?？稍偕茉窗L(fēng)能、太陽(yáng)能、生物能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽艿?，它?duì)環(huán)境無害或危害很小，資源分布廣泛，適宜就地開發(fā)利用。適合在地下建筑中使用的可再生能源主要有太陽(yáng)能利用、風(fēng)能利用和地?zé)崮芾谩?/p>

5.1 太陽(yáng)能應(yīng)用

通過建筑設(shè)計(jì)手段和技術(shù)手段，可以利用太陽(yáng)能為地下建筑提供自然照明。有條件接受較多陽(yáng)光照射的地下建筑，同樣可以借鑒地上建筑利用太陽(yáng)能的方式，為內(nèi)部空間提供采暖所需的熱量。例如在共享中庭內(nèi)部設(shè)置太陽(yáng)能集熱裝置，在冬季為地下建筑冬季采暖提供熱量補(bǔ)充，在夏季可以起到除濕的作用。

5.2 風(fēng)能利用

風(fēng)能的利用主要有兩方面:一是通過風(fēng)壓作用輔助地下建筑空間進(jìn)行自然通風(fēng)，二是通過風(fēng)力發(fā)電裝置進(jìn)行發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電裝置要求有較好的風(fēng)力資源，常見的做法是將發(fā)電裝置至于高處，因此適宜應(yīng)用在附建于高層建筑的地下建筑。風(fēng)力發(fā)電裝置可安裝在地面建筑頂部，以捕獲得更多的風(fēng)力資源，但必須控制噪聲對(duì)周圍環(huán)境的影響。

5.3 地源熱泵應(yīng)用

地源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比有很多不同，如不需要冷卻塔、不需要鍋爐、不需要機(jī)房等，這些特點(diǎn)有利于地源熱泵系統(tǒng)在地下建筑中的應(yīng)用，但同時(shí)也需要增加一些設(shè)備和投資，如土壤熱交換器、循環(huán)水泵、低溫型熱泵機(jī)組等。對(duì)于較深的地下建筑，有足夠的空間敷設(shè)土壤熱交換器，非常適合用地源熱泵系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)[5]。

6結(jié)語(yǔ)

地下建筑的應(yīng)用日趨廣泛，人們?cè)谄渲械幕顒?dòng)逐漸增多，能耗問題不容忽視。建筑師在方案設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該考慮節(jié)能因素，將節(jié)能設(shè)計(jì)作為方案設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分。我們要通過借鑒先進(jìn)的生態(tài)節(jié)能設(shè)計(jì)方法，結(jié)合地下建筑的特點(diǎn)，有針對(duì)性地進(jìn)行研究，在保證舒適度的同時(shí)，最大限度地降低建筑能耗。

參考文獻(xiàn):

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