自然能高效利用與夏熱冬冷地區(qū)居住建筑布局特點(diǎn)

朱煒亮

(常州市規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江蘇常州 213002)

夏熱冬冷地區(qū)居住建筑受到氣候特征、民俗特點(diǎn)和建筑文化等影響，逐漸形成了其特有的建筑特點(diǎn)。其居住建筑要求冬季能避風(fēng)并盡量獲取較多的太陽輻射;夏季則需保證室內(nèi)通風(fēng)和遮蔽來自室外的較強(qiáng)太陽輻射。所有這些傳統(tǒng)建筑的設(shè)計(jì)無一不是為了保證室內(nèi)更好的舒適環(huán)境即更高的室內(nèi)舒適度，而更多的利用自然能。夏熱冬冷地區(qū)的居住建筑自然能利用方式除了傳統(tǒng)的利用太陽能和自然通風(fēng)外，近年來也越來越多地采用了太陽能熱水、地源熱泵等可再生能源利用形式。本文將從自然采光、自然通風(fēng)等方面介紹建筑的特點(diǎn)，也從主動(dòng)節(jié)能模式——可再生能源設(shè)備利用方面介紹建筑的特點(diǎn)。

1 利于被動(dòng)節(jié)能模式的建筑布局

建筑布局應(yīng)統(tǒng)籌考慮建筑選址、朝向、間距等，對建筑規(guī)模、密度、間距、高度、綠化以及交通組織、路網(wǎng)結(jié)構(gòu)等基本參數(shù)合理確定，使總平面布置、建筑形態(tài)、方位朝向等與自然氣候、地形、地貌、周邊建筑、河湖水面及自然植被等相適應(yīng)。夏季調(diào)節(jié)建設(shè)區(qū)域風(fēng)環(huán)境，改善室內(nèi)自然通風(fēng)狀況，控制太陽輻射熱的影響;冬季最大程度利用太陽能提供室內(nèi)熱源，改善室內(nèi)熱環(huán)境，并且考慮建筑物外表面的風(fēng)速，減少熱量的散發(fā)，保證日照時(shí)數(shù)。充分考慮節(jié)能、利于被動(dòng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用的建筑布局將為建筑單體節(jié)能設(shè)計(jì)提供良好的基礎(chǔ)。

1．1 建筑選址

建筑所處位置的地形地貌將直接影響建筑的日照得熱和通風(fēng)，從而影響室內(nèi)外熱環(huán)境和建筑耗能。傳統(tǒng)建筑的選址通常涉及“風(fēng)水”的概念，重視地表、地勢、地物、地氣、土壤及方位、朝向等。傳統(tǒng)民居常常依山面水而建，剔除“風(fēng)水”中的迷信、非科學(xué)的因素，其利用了山體阻擋冬季的北面的寒風(fēng)，利用了水面冷卻夏季南面的季風(fēng)，在建筑選址時(shí)因地制宜地滿足了日照、采暖、通風(fēng)、給水、排水的需求。建筑的位置宜選擇良好的地形和環(huán)境，如向陽的平地和山坡上，并且盡量減少冬季冷氣流的影響。但是，在當(dāng)今現(xiàn)代社會，對建筑選址的可操作范圍常常很有限，建筑節(jié)能理念更多的是根據(jù)場地周邊的地形地貌，因地制宜地通過區(qū)域總平面布局、朝向設(shè)置、區(qū)域景觀營造等來實(shí)現(xiàn)。

1．2 建筑朝向

影響建筑朝向的主要因素是日照和通風(fēng)。良好的建筑布局可以使建筑更多的房間朝向南向，充分利用冬季太陽輻射熱，節(jié)約采暖能耗;也可以減少建筑東、西向的房間，減弱夏季太陽輻射熱的影響，節(jié)約制冷能耗。建筑最佳朝向一般取決于日照和通風(fēng)兩個(gè)主要因素。就日照而言，南北朝向是最有利的建筑朝向。從建筑單體夏季自然通風(fēng)的角度來看，建筑的長邊最好與夏季主導(dǎo)風(fēng)向垂直;但從建筑群體通風(fēng)的角度來看，建筑的長邊與夏季主導(dǎo)風(fēng)向垂直將影響后排建筑的夏季通風(fēng);故建筑規(guī)劃朝向與夏季主導(dǎo)季風(fēng)方向一般控制在30°～60°之間。如DGJ 32/J71-2008江蘇省居住建筑熱環(huán)境和節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求:居住建筑朝向宜為南偏西5°至南偏東30°之間。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可以先根據(jù)日照和太陽入射角確定建筑朝向范圍后，再按當(dāng)?shù)丶撅L(fēng)主導(dǎo)方向進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化時(shí)應(yīng)從建筑群整體通風(fēng)效果來考慮，使建筑物的迎風(fēng)面與季風(fēng)主導(dǎo)方向形成一定的角度，保證各建筑都有比較滿意的通風(fēng)效果，也可以使室內(nèi)的自然通風(fēng)效果更好。如南京地區(qū)，夏季的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，這樣南北朝向布置的條形建筑是有利于自然通風(fēng)的。

1．3 建筑間距

影響建筑間距的主要因素有日照、通風(fēng)、防火、防噪、衛(wèi)生、通行通道、工程設(shè)施布置、抗震要求等。

建筑物有充分的日照時(shí)間和良好的日照質(zhì)量，不僅是建筑冬季充分得熱的前提，也是使用者的身體健康和心理健康的需求。日照時(shí)間和質(zhì)量主要取決于總體規(guī)劃布局，即建筑的朝向和建筑間距。較大的建筑間距可以使建筑物獲得滿意的日照，有利于建筑節(jié)能，但常常會與節(jié)地要求相矛盾。因此，在總平面設(shè)計(jì)時(shí)，對單體建筑而言，應(yīng)坐北朝南，在其南側(cè)應(yīng)盡量留出開闊的空間，有利于冬季更多的日照;對建筑群而言，要合理布置各建筑物的位置和朝向，使其達(dá)到有良好日照和建筑間距的最優(yōu)組合，如建筑群采取交叉錯(cuò)排行列式，以利用斜向日照和山墻空間日照等。從豎向布局來說，建筑群的前排建筑采用斜屋面或把較低的建筑布置在較高建筑的陽面方向都能夠縮小建筑的間距。在體量較大的大型建筑單體設(shè)計(jì)中，也可以采用退層處理、合理降低層高等方法達(dá)到這一目的。如DGJ 32/J71-2008江蘇省居住建筑熱環(huán)境和節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求:居住建筑的日照間距，按DB 32/380-2000江蘇省住宅設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及“江蘇省城市規(guī)劃管理規(guī)定”的日照環(huán)境執(zhí)行;冬至日底層南向房間宜保證日照時(shí)數(shù)1 h以上。

1．4 總平面布局

建筑群的位置、分布、外形、高度以及道路的不同走向?qū)︼L(fēng)向、風(fēng)速、日照有明顯的影響，考慮建筑總平面布局時(shí)，應(yīng)盡量將建筑體量、角度、間距、道路走向等因素合理組合，以期充分利用自然通風(fēng)和日照。

傳統(tǒng)民居大多坐北朝南，比較密集，相鄰建筑東西山墻夏季能相互遮擋，起到遮陽的效果。巷道大多幽深狹長，夏季比較陰涼，常?？梢孕纬蓻鏊南锏里L(fēng)，是納涼的好去處;但這種布局在冬季巷道內(nèi)難有陽光進(jìn)入。

當(dāng)建設(shè)區(qū)總平面布置不規(guī)則，建筑體型和立面復(fù)雜，條式住宅長度超過50 m時(shí)，建筑密度很高(如高層點(diǎn)式住宅布置過密)時(shí)，建筑日照間距系數(shù)難以作為標(biāo)準(zhǔn)，必須用計(jì)算機(jī)進(jìn)行嚴(yán)格的模擬計(jì)算。由于現(xiàn)在不封閉陽臺和大落地窗的不斷涌現(xiàn)，根據(jù)不同的窗臺標(biāo)高來模擬分析建筑外墻各個(gè)部位的日照情況，精確求解出無法得到直接日照的地點(diǎn)和時(shí)間，分析是否會影響室內(nèi)采光也很重要。因此在容積率已經(jīng)確定的情況下，利用計(jì)算機(jī)對建筑群單體建筑和日照進(jìn)行模擬分析，可以對不滿足日照要求的區(qū)域提出改進(jìn)建議，提出控制建筑的采光照度和日照小時(shí)數(shù)的方案。此外，利用計(jì)算機(jī)模擬分析日照，可以對冬季單體建筑被動(dòng)采暖和夏季遮陽的效果進(jìn)行預(yù)先評估。

2 適宜太陽能應(yīng)用的建筑布局

1)太陽能光熱與建筑一體化設(shè)計(jì)。為了建筑一體化的要求，太陽能熱水系統(tǒng)必須采用分體承壓，并在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上容易和建筑完美結(jié)合。對太陽能熱水系統(tǒng)要求，分體承壓，合理布局，集中或一對一的形式都可以。但對于水管布置要求建筑提供豎井，保證系統(tǒng)質(zhì)量和性能上滿足高效、長壽命等要求。2)當(dāng)不能滿足所有住宅建筑要求時(shí)，可對部分住戶進(jìn)行太陽能光熱設(shè)計(jì)(滿足局部要求)。長江中下游地區(qū)，多數(shù)省份明確指出了多層建筑或12層建筑應(yīng)將太陽能利用與建筑進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。因此對于12層(包括12層)以下的新建居住建筑能夠保證采用太陽能熱水系統(tǒng)。而對于12層以上的高層建筑，可對部分樓層的住戶統(tǒng)一設(shè)計(jì)太陽能光熱系統(tǒng)，達(dá)到充分利用太陽能光熱的目的。3)建筑布局。a．由于目前太陽能集熱器多布置于屋頂，因此要求建筑屋頂部分嚴(yán)禁設(shè)置高大遮擋物(如廣告牌等)。b．建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮配合太陽能熱水系統(tǒng)和管路的布置空間。

3 適宜土壤源應(yīng)用的建筑布局

建筑布局時(shí)宜考慮建筑可用土地面積。

1)建筑布局特點(diǎn)——建筑容積率。對于地源熱泵系統(tǒng)在居住建筑中的應(yīng)用，應(yīng)考慮建筑容積率。由于地源熱泵需要一定量的場地用于布置換熱管。因此，對于可利用土地面積較少的建筑，不適宜采用地源熱泵系統(tǒng)。2)建筑當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況。長江流域巖土資源豐富，上、中、下游地區(qū)分布不平衡。又由于長江流域橫跨我國大陸三大地勢階梯，因而具有巖土水平地帶性分布與垂直地帶性分布相互交錯(cuò)的特點(diǎn)。不同區(qū)域巖土水物性參數(shù)差別較大，故須詳細(xì)了解建筑當(dāng)?shù)貛r土地質(zhì)情況。地質(zhì)情況可結(jié)合地質(zhì)勘探部門，并做地下?lián)Q熱試驗(yàn)，科學(xué)的分析需要打井的數(shù)量和成本。通過以上工作進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較分析后確定地源熱泵方案。

4 適宜水源熱泵應(yīng)用的建筑布局

1)水源熱泵系統(tǒng)方案之前的工作。目前，長江中下游地區(qū)對地下水源的使用控制較為嚴(yán)格。因此，在長江中下游地區(qū)主要利用地表水源進(jìn)行水源熱泵利用。在具體進(jìn)行地源熱泵系統(tǒng)方案確定之前，必須首先作好基礎(chǔ)資料的收集與可行性論證工作。基礎(chǔ)資料除了與普通中央空調(diào)系統(tǒng)相同的要求之外，對于地源系統(tǒng)部分還需要以下一些內(nèi)容:總平面布置和地表情況，包括:a．項(xiàng)目范圍的大小和形狀。b．項(xiàng)目周圍現(xiàn)存和規(guī)劃建筑。c．道路，綠地，人工景觀和附屬設(shè)施的情況。d．現(xiàn)有的可利用水源情況。水文和地表水的調(diào)查報(bào)告，包括:地表水應(yīng)用調(diào)查報(bào)告。

2)建筑布局要求。由于水源熱泵系統(tǒng)要求建筑周圍有充足的水源，因此采用水源熱泵系統(tǒng)的建筑布局要求:a．離水源的距離不宜太長，由于將利用的水從水源地輸送到制冷機(jī)組附近需要消耗能源，距離越遠(yuǎn)，能耗越大。因此，控制水源到機(jī)組或建筑的距離尤為重要;b．住宅建筑需提供獨(dú)立的機(jī)房。

5 自然能充分應(yīng)用和能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置

推廣可再生能源在建筑中的應(yīng)用是提高能源利用效率、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全的必然要求。適宜夏熱冬冷地區(qū)居住建筑使用的可再生能源種類有太陽能光熱、地源熱泵和水源熱泵。在進(jìn)行建筑規(guī)劃時(shí)應(yīng)充分考慮到其自然能使用形式的多用化。

為了保證自然能源充分應(yīng)用，并且將能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化同建筑布局完美結(jié)合，則需要考慮以下方面的內(nèi)容:

1)建筑規(guī)劃前應(yīng)綜合規(guī)劃可再生能源，并進(jìn)行評估?？稍偕茉丛诮ㄖ袘?yīng)用量的評估是根據(jù)建筑規(guī)劃的參數(shù)，可再生能源建筑應(yīng)用資源情況的調(diào)查，包括太陽總輻射量、靜止水域資源情況、流動(dòng)水域資源、地質(zhì)情況。通過對可再生能源建筑應(yīng)用資源情況的調(diào)查，計(jì)算建筑采用太陽能光熱、地源熱泵或水源熱泵等可再生能源的應(yīng)用量，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較分析，最終評估可再生能源在居住建筑中應(yīng)用的水平。為自然能充分應(yīng)用，優(yōu)化建筑能源結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)。

2)對于采用集中空調(diào)的居住建筑，應(yīng)考慮采用高效節(jié)能的冷熱源方式，并考慮采用地源熱泵、水源熱泵等技術(shù)。

6 結(jié)語

根據(jù)上文的分析，自然能利用下，被動(dòng)式建筑節(jié)能和主動(dòng)式建筑節(jié)能的建筑布局如下:

1)被動(dòng)節(jié)能模式的建筑布局中應(yīng)考慮選擇良好的地形和環(huán)境;建筑規(guī)劃朝向與夏季主導(dǎo)季風(fēng)方向一般控制在30°～60°之間;建筑間距應(yīng)滿足日照需求;總體布局錯(cuò)落有致。2)太陽能光熱建筑應(yīng)用。設(shè)計(jì)上應(yīng)保證太陽能熱水系統(tǒng)與建筑一體化設(shè)計(jì);根據(jù)建筑屋面利用情況充分利用太陽能熱水;同時(shí)建筑布局避免外界對太陽能熱水的遮擋。3)土壤源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用應(yīng)考慮建筑容積率，分析出可提供地源熱泵打井的土壤面積與建筑需求的匹配;檢測分析地下巖土換熱性能，分析打井成本和數(shù)量。4)水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用應(yīng)考慮建筑與水源的距離。自然能在建筑中的應(yīng)用是提高建筑能源利用的必然要求，在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)評估建筑自然能利用潛力，分析建筑與自然能利用的優(yōu)勢。

［1］DGJ 32/J71-2008，江蘇省居住建筑熱環(huán)境和節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］．

［2］DB 32/380-2000，江蘇省住宅設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］．

［3］李 思．太陽能利用與建筑表皮結(jié)合的發(fā)展研究［J］．山西建筑，2013，39(13):196-197．