談寒冷地區(qū)住宅建筑綠色設(shè)計(jì)

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摘要：節(jié)能環(huán)保、降低能耗已經(jīng)成為近年來建筑設(shè)計(jì)的主要話題，而寒冷地區(qū)住宅建筑以其高能耗的特點(diǎn)也成為建筑設(shè)計(jì)的重要關(guān)注點(diǎn)。本文從寒冷地區(qū)住宅建筑朝向、外墻保溫、屋面保溫、外窗保溫及采光的角度對寒冷地區(qū)住宅建筑綠色設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，得出寒冷地區(qū)住宅建筑綠色設(shè)計(jì)的建議性方案。

關(guān)鍵詞：寒冷地區(qū)；住宅建筑；綠色設(shè)計(jì)；保溫；采光

1研究意義

能源問題已經(jīng)成為全世界的焦點(diǎn)問題，能源問題在我國也越來越嚴(yán)重，如何充分有效地利用能源、節(jié)約能源早已成為現(xiàn)代社會(huì)重點(diǎn)關(guān)注的問題。目前，我國建筑能源消耗總量處于諸多領(lǐng)域耗能的榜首，而住宅建筑又是諸多建筑中的耗能大戶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，將全國住宅建筑使用過程中消耗的全部能源和建造過程中使用的建材耗能進(jìn)行整體考慮，住宅建筑產(chǎn)生的總體能耗幾乎占據(jù)全國所有能耗總量的37%，而且這一比例還在逐年增加。寒冷地區(qū)住宅建筑在冬季要采用不同的形式進(jìn)行采暖，使室內(nèi)溫度保持在一個(gè)特定的溫度范圍內(nèi)，這一溫度范圍比室外溫度要高出30℃左右，較大的溫差就需要消耗大量的能源。雖然我國早已實(shí)行一系列節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，并制定了很多節(jié)能構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)圖集、技術(shù)措施，同時(shí)也建立了監(jiān)管機(jī)制，但是其多數(shù)側(cè)重于施工和監(jiān)管層面，并不能從根本上解決住宅建筑高能耗的問題。目前，寒冷地區(qū)住宅建筑設(shè)計(jì)、建設(shè)水平參差不齊，部分住宅建筑能耗很高，難以滿足日益提升的高品質(zhì)和能源節(jié)約的要求。而為了改變傳統(tǒng)住宅能耗大的現(xiàn)狀，綠色住宅應(yīng)運(yùn)而生，綠色住宅可以通過合理的布局充分利用太陽能，還可以通過選用合適的材料來減少能源的浪費(fèi)，進(jìn)而節(jié)約能源、緩解能源緊缺的壓力。而合理的布局、合適的材料都要通過建筑設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，因此探索合理的綠色設(shè)計(jì)方法來進(jìn)行寒冷地區(qū)住宅設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

2住宅建筑使用能耗及存在的問題

寒冷地區(qū)住宅建筑能耗主要產(chǎn)生在使用過程中，住宅建筑體型、材料選取等設(shè)計(jì)方案是影響住宅建筑能耗的根本因素。因此要根據(jù)住宅建筑的特性，分析其使用過程中能耗的主要原因以及目前住宅建筑設(shè)計(jì)中存在的根本問題，并提出具有針對性的寒冷地區(qū)住宅建筑綠色設(shè)計(jì)路線。目前寒冷地區(qū)住宅建筑能耗及存在的主要問題有：（1）寒冷地區(qū)住宅建筑能耗具有一定的季節(jié)性。由于寒冷地區(qū)冬季時(shí)間相對較長，需要考慮四個(gè)月的采暖及保溫，在此過程中產(chǎn)生的能耗占據(jù)了全年能耗的2/3以上。目前寒冷地區(qū)部分住宅在建筑設(shè)計(jì)時(shí)平面設(shè)計(jì)不規(guī)律，導(dǎo)致建筑整體的體形系數(shù)過大，外墻散熱高；設(shè)計(jì)的門窗保溫性能一般，比如單側(cè)玻璃的窗戶冬季散熱嚴(yán)重，因此寒冷地區(qū)住宅設(shè)計(jì)應(yīng)以冬季保溫為主，采取合理的體形，盡量減少不規(guī)則變化；外圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用的保溫材料設(shè)計(jì)要合理，盡量減少熱量散失；朝向布置也要合理，以便于充分利用冬季日照進(jìn)行采暖。（2）住宅建筑的各個(gè)功能房間都要有良好的光照條件，這樣可以減少照明能耗。目前寒冷地區(qū)在進(jìn)行住宅設(shè)計(jì)時(shí)由于要考慮房間布局和保溫，導(dǎo)致開窗位置及大小不是很合理，同時(shí)底部三層由于綠化樹木的影響，使得室內(nèi)對自然光的利用率不高，對照明設(shè)備依賴性很強(qiáng)，甚至白天也需要開燈來滿足采光需求，這樣就大大增加了電能消耗。因此，要選擇合理的平面房間形式，優(yōu)化立面開窗，充分利用自然采光來降低照明能耗。

3寒冷地區(qū)住宅綠色建筑設(shè)計(jì)策略

3.1寒冷地區(qū)與綠色建筑設(shè)計(jì)相關(guān)的氣候條件

根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50176-2016）》，寒冷地區(qū)是指我國位于長城以南秦嶺以北的地區(qū)，主要包括天津、寧夏、山東全境，北京、山西、河北陜西大部，遼寧南部、新疆南部、甘肅中東部，河南、安徽、江蘇北部以及西藏南部等地區(qū)。寒冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)為：冬季干燥寒冷且歷時(shí)較長，不同季節(jié)的溫差較大，全年中氣溫低于或等于5℃的時(shí)間占全年總天數(shù)的25%～45%，冬季最冷時(shí)平均溫度處于0℃～（-10）℃之間，全年中高溫度高于或等于35℃的時(shí)間占全年總天數(shù)的近22%。該類地區(qū)全年日照時(shí)間約2000h～2800h，全年太陽總輻射照度大約為150W/m2～190W/m2。因此寒冷地區(qū)的住宅建筑在設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮冬季的采暖和保溫，同時(shí)還要兼顧夏季高溫時(shí)期的防熱。

3.2節(jié)能與能源利用設(shè)計(jì)

3.2.1朝向優(yōu)化朝向問題是寒冷地區(qū)住宅綠色建筑設(shè)計(jì)制定方案時(shí)需要考慮的首要問題。《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（GB50189-2019）》指出，建筑的總體規(guī)劃和總平面設(shè)計(jì)應(yīng)有利于自然通風(fēng)和冬季日照。根據(jù)建筑設(shè)計(jì)的基本原則，建筑的主朝向宜選擇項(xiàng)目所在地最佳朝向或適宜朝向，同時(shí)要避開當(dāng)?shù)囟局鲗?dǎo)風(fēng)向。全國寒冷地區(qū)代表性城市在建筑設(shè)計(jì)時(shí)適宜朝向見表1。在寒冷地區(qū)住宅建筑的最佳朝向是南向和東向。然而，寒冷地區(qū)在進(jìn)行住宅建筑設(shè)計(jì)時(shí)，受諸多制約因素的影響朝向不能正南或南偏東的方向。對此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況在適宜范圍內(nèi)對建筑主朝向進(jìn)行靈活、適宜的調(diào)整。寒冷地區(qū)住宅綠色建筑設(shè)計(jì)過程中建筑的適宜朝向范圍可采用WeatherTool工具來輔助確定。

3.2.2外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能寒冷地區(qū)住宅建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要節(jié)能研究對象為外墻、屋頂、門窗，研究過程中要結(jié)合國家或當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及工程項(xiàng)目實(shí)際的要求，綜合考慮選擇經(jīng)濟(jì)、高效的保溫設(shè)計(jì)方案。（1）外墻寒冷地區(qū)住宅建筑不僅要考慮冬季采暖的保溫效果，同時(shí)還要兼顧建筑整體的可靠性。外保溫構(gòu)造不僅熱穩(wěn)定性好，而且可以減少熱橋處熱損失值，同時(shí)還可以保護(hù)主體結(jié)構(gòu)使其避免出現(xiàn)內(nèi)部結(jié)露，因此目前寒冷地區(qū)住宅在建筑設(shè)計(jì)時(shí)以外保溫形式對外墻、屋頂進(jìn)行設(shè)計(jì)處理的較多。目前市場上可供寒冷地區(qū)住宅在建筑設(shè)計(jì)時(shí)使用的幾種保溫材料其性能特點(diǎn)對比見表2。在建筑設(shè)計(jì)階段，需要綜合考慮材料的保溫性能和價(jià)格，以及使用期間的運(yùn)維費(fèi)用。結(jié)合表2中的數(shù)據(jù)，對寒冷地區(qū)住宅建筑的外墻可以采用酚醛板作為保溫層。針對其黏結(jié)性一般、有脫落隱患、易開裂等問題，在施工時(shí)可選用高性能黏貼膠和粘聚性強(qiáng)的酚醛板粉刷涂料，這樣既可以保證其保溫性能，又解決了其工程應(yīng)用中的缺陷問題。（2）屋面將保溫材料設(shè)在防水層之上的倒置式保溫屋面是目前寒冷地區(qū)住宅建筑屋面設(shè)計(jì)中采用較多的一種構(gòu)造類型，這種構(gòu)造措施的設(shè)計(jì)可以有效保護(hù)防水層，同時(shí)又可以避免內(nèi)部結(jié)露，但其對保溫材料要求相對較高。寒冷地區(qū)住宅綠色建筑設(shè)計(jì)中可以采用XPS板、硬質(zhì)PU板、巖棉板等作為屋面保溫材料。屋頂綠化方案具有良好的節(jié)能和生態(tài)效益，也符合寒冷地區(qū)住宅綠色建筑設(shè)計(jì)的理念和社會(huì)發(fā)展的整體要求。覆土植被屋頂具有良好的保溫隔熱性能和隔熱性能，可以根據(jù)寒冷地區(qū)屋頂日照好、空氣濕度小、土層薄、植物夏季易被強(qiáng)光灼曬而冬季易遭凍害的特點(diǎn)，選擇那些喜光照、根系淺、抗寒能力強(qiáng)的植物進(jìn)行種植。（3）門窗寒冷地區(qū)住宅建筑常年經(jīng)受較大的溫差變化，外墻窗戶的熱性能會(huì)變差，保溫效果會(huì)降低，嚴(yán)重時(shí)部分門窗甚至?xí)芯植孔冃?，?dǎo)致外窗氣密性降低，冬季冷空氣嚴(yán)重滲透。因此寒冷地區(qū)住宅在進(jìn)行綠色建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用改善型保溫門窗，如表3。由表中數(shù)據(jù)可知，寒冷地區(qū)住宅在進(jìn)行綠色建筑設(shè)計(jì)時(shí)可以采用斷橋鋁合金Low-E中空玻璃制作的窗戶，這樣可有效減少冬季室內(nèi)熱量通過外窗的散失量。住宅在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)要注意充分利用自然采光，這樣才能最大限度減少電能消耗。而寒冷地區(qū)住宅的保溫和采光在窗戶上就體現(xiàn)出了矛盾對立面，為了降低熱量的散失，往往需要減小窗戶的面積，但是這樣做就會(huì)導(dǎo)致自然光利用不足，室內(nèi)光源依賴燈具照明，增加了電能消耗。結(jié)合上述寒冷地區(qū)住宅建筑朝向和常用窗戶傳熱系數(shù)的特點(diǎn)，在住宅綠色建筑設(shè)計(jì)時(shí)，住宅建筑的北面和西面可以采用普通方窗，這樣可在滿足一定的采光條件下盡可能減少熱量損失；南面和東面可采用面積較大的落地窗，以便于充分利用自然光進(jìn)行采光和集熱。

4結(jié)語

寒冷地區(qū)四季分明、溫差較大，其住宅建筑冬期采暖時(shí)間較長，整體能耗較高，同時(shí)在保證低損耗的前提下還要保證一定的采光，因此對寒冷地區(qū)住宅進(jìn)行綠色建筑設(shè)計(jì)時(shí)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選取方案和合適的開窗面積就顯得尤為重要。經(jīng)過綜合考慮和研究，寒冷地區(qū)住宅在進(jìn)行綠色建筑設(shè)計(jì)時(shí)可以采取下列方案：（1）建筑朝向應(yīng)盡量朝南向或東向，這樣可以最大限度利用自然光和太陽能，減少熱量損失。（2）外墻可采用酚醛板作為保溫層，同時(shí)在板外側(cè)涂刷保護(hù)層，這樣既可以保證良好的保溫效果，又可以解決其粉化掉渣、脆性大、強(qiáng)度低的缺點(diǎn)。（3）屋頂可采取倒置式保溫屋面，同時(shí)配合屋頂綠化方案，這樣既可以保溫，降低頂層熱量損失，又可以美化環(huán)境，增加城市綠化面積。（4）建筑北向和西向開普通方窗，南向和東向可以開面積較大的落地窗，窗戶均采用熱傳導(dǎo)系數(shù)較低的斷橋鋁合金Low-E中空玻璃的窗戶，這樣既可以滿足采光要求，又可以降低熱量損失。

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作者：李超 單位：安徽省建筑設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司