1、民用建筑节能设计第2章建筑节能的基本问题第一节节能建筑与建筑节能材料第二节建筑保温与热工设计第三节建筑能耗指标及其计算方法第四节目录Contents太阳能住宅节能设计第五节绿色建筑与建筑节能第六节建筑节能设计实例第七节第八节建筑节能是指对建筑能耗的降低和建筑使用能量的减少。广义地说,建筑节能包括建筑物内建筑设备系统日常使用的节能、建材生产和建筑物建造过程中的节能、建筑物本体的节能特性等。本章所说的建筑节能特指建筑物本体的节能特性。1建筑节能的基本问题建筑节能的基本问题建筑节能是以满足建筑热环境和保护人居环境为目的,通过建筑设计手段及改善建筑围护结构的热工性能,并充分利用自然能,使建筑能耗最小化
2、的科学和技术手段。建筑节能是社会经济发展的需要。经济的发展依赖于能源的发展,发达国家建筑用能一般占全国总能耗的30%40%。我国煤炭和水力资源比较丰富,但石油依靠进口,据有关数据统计,2012年我国建筑总能耗(不含生物质能)为6.90亿t标准煤,占全国总能耗的19.1%。随着我国供暖面积的进一步扩大以及空调建筑的迅速增加,建筑能耗也将高速增长,这将加速我国能源消费逼近我国能源供应红线的进程,能源的无节制消耗将限制国家经济的发展。建筑节能的基本问题建筑节能是减轻大气污染的需要。近年来,由于燃料燃烧导致的环境污染成为危及人类生存的问题,大气污染物中的二氧化硫、氮化物、悬浮颗粒等污染因素指标均与供暖
3、燃煤有关,以煤炭为主的能源结构条件下更是如此。以我国北京市为例,每年在进入供暖期时都要进行环境的跟踪检测,结果相应的几个污染因素指标与非供暖期相比都不能达标,甚至大大超过标准。可见供暖能耗的节约有利于人居环境的改善。建筑节能是改善热环境的需要。随着经济的发展,人民生活水平的提高,舒适的热环境已成为人们生活的需要,发达国家适宜的室内温度已经成为基本的劳动需求,全球气候的改变使舒适的环境要求建立在能耗的基础上,我国大部分地区属于冬寒夏热气候,宜人的室内热环境常常依赖人工空调系统调节,需要消耗大量的电能。能源的紧缺、大气环境的改善,注定了只有在节能条件下改善热环境才有意义。建筑节能的基本问题建筑节能
4、设计的内容和标准既具有普遍性,也具有特殊性。针对不同的社会经济发展水平、不同的气候条件、不同的建筑种类及用途等都会对其建筑节能设计的内容和标准做出不同的具体规定。2012年5月,住房和城乡建设部颁布的“十二五”建筑节能专项规划(建科201272号),2012年8月,国务院出台的节能减排“十二五”规划(国发201240号),2013年1月,国务院印发的能源发展“十二五”规划(国发20132号)及严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准(JGJ 262010)、夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准(JGJ 1342010)、夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准(JGJ 752012)和公共建筑节能设计标准(GB
5、 501892005)等对此都进行了总体的和具体的规定和说明。1.提高建筑围护结构的热工性能3.建筑的可持续发展(绿色建筑)2.利用可再生能源2节能建筑与建筑节能材料节能建筑与建筑节能材料2.2.1建筑墙体的绝热材料绝热材料的特点是轻质、疏松、多孔或为纤维状,其品种很多,按材质可分为无机绝热材料、有机绝热材料和金属绝热材料三大类;按形态可分为纤维状、微孔状、气泡状和层状四种。主要绝热材料的分类见表2-1。建筑材料的选择对建筑节能有很大的影响,目前我国大部分建筑的建筑墙体保温隔热性能差,导致我国建筑的供暖空调负荷比较高,即在相同的室内环境舒适性要求的前提下,我国单位面积的建筑能耗需求大,高于发达
6、国家。与气候条件相近的发达国家相比,目前我国建筑供暖耗能量,外墙约为其45倍,屋顶为2.55.5倍。所以对建筑材料及其制品、建筑节能墙体的研究与开发是建筑节能工作中一项重要和迫切的任务。节能建筑与建筑节能材料表2-1主要绝热材料的分类节能建筑与建筑节能材料1 膨胀珍珠岩及制品膨胀珍珠岩是由酸性火山玻璃熔岩(即珍珠岩、松脂岩、黑曜岩)经破碎、筛分至一定粒度再经预热、瞬时高温焙烧膨胀冷却而制成的一种白色颗粒状的绝热材料。膨胀珍珠岩制品是以膨胀珍珠岩为骨料,配合适量的粘结剂,如水泥、水玻璃、沥青、石膏、树脂、磷酸盐等,经过搅拌、压制成型、干燥、养护而成的具有一定形状的制品。膨胀珍珠岩具有轻质、绝热、
7、吸声、不燃烧、使用温度广、化学稳定性强、无毒、无味等特性。膨胀珍珠岩在建筑业的主要用途如下:做墙体、屋面、吊顶等围护结构的散填保温隔热材料;配置轻骨料混凝土,预制各种轻质混凝土构件;以膨胀珍珠岩为骨料,用各种有机或无机胶结剂制成绝热吸声的膨胀珍珠岩制品。节能建筑与建筑节能材料2 聚苯乙烯泡沫塑料泡沫塑料是以合成树脂为原料,加入发泡剂,通过热分解放出大量气体,形成内部具有无数小气孔材料的塑料成品。其主要特点有:1)质轻,堆密度可小到20kg/m3以下,比水轻50倍以上。2)绝热性能好,热导率仅为0.044W/(mK),适合于保温-4070的介质。3)防潮性好,不易吸水。4)施工方便,易于切割,也
8、易于与各种材料结合。5)弹性好,形状保持比较稳定,适用于充当缓冲包装材料。6)加阻燃剂后,具有较好的阻燃性。但是聚苯乙烯泡沫塑料在阳光下易老化,影响使用寿命;而且能被一些有机溶剂溶解、溶胀,所以选用粘结剂要适当。节能建筑与建筑节能材料聚苯乙烯泡沫在建筑中应用广泛,在房屋建筑中,聚苯乙烯泡沫是一种理想的保温材料,它可以作为墙体、地面和屋面的保温隔热层。(1)做墙体的保温隔热层(2)做屋面的保温隔热层1)对于斜屋面,保温隔热的做法是将聚苯乙烯泡沫板直接固定在屋面椽子上,或做在吊平顶木搁栅上,也可以用聚苯乙烯泡沫颗粒松散地铺在吊平顶上。2)对于平屋面,保温隔热层的做法是在屋面上直接用乳化沥青或冷沥青
9、胶粘贴泡沫聚苯乙烯板,然后在泡沫板上做2.5cm厚的水泥砂浆找平层,适当抹光,并做适当的伸缩缝,最后用防水卷材或防水涂料做防水层处理。泡沫聚苯乙烯即可以保温又可以隔声,利用这一特点,常将它制成发泡装饰天花板,用作具有隔声性能的吊顶装饰材料。(3)做地面的保温隔热层节能建筑与建筑节能材料3 岩棉、矿渣棉、玻璃棉(1)岩棉及其制品岩棉纤维是将矿物岩石(玄武岩或辉绿岩)作为主要原料,按一定的颗粒要求,掺入少量的白云石、矿渣一并和燃料(焦炭)加入冲天熔化炉内,通入热风,在1500高温下熔化,熔化后的熔融物,从熔化炉内流出,经高速离心机的离心辊转动切向离心力作用将溶流分散牵引,形成很细的纤维(纤维直径为
10、47m,长度为45mm),借助高压风的压力将纤维吹入集棉室,同时在集棉室提供的负压状态下,使形成的纤维均匀分布在传送带上,沉积在传送带上的纤维状产品,即称为岩棉。(2)矿渣棉及其制品矿渣棉简称矿棉,是利用工业废渣矿渣为主要原料,经熔化,采用高速离心法或喷吹法工艺制成的棉丝状无机纤维,具有堆密度小、热导率低、不燃、耐腐蚀、防蛀以及化学稳定性好、吸声性能好等特点。节能建筑与建筑节能材料(3)玻璃棉及其制品玻璃棉及制品是矿物棉的一种,是采用天然矿石如石英砂、白云石、蜡石等,配以其他化工原料,如纯碱、硼酸等熔制玻璃,在熔融状态下借助外力拉制、吹制或甩成极细的纤维状材料。按其化学成分可分为无碱、中碱和高
11、碱玻璃棉;按生产方式可分为三种,一是火焰喷吹成棉,即火焰法玻璃棉;二是离心喷吹法玻璃棉;三是蒸汽立吹法玻璃棉,目前这种生产方法已逐渐被淘汰。世界各国生产玻璃棉的厂家,绝大多数采用离心喷吹法,其次是火焰法。玻璃棉制品品种较多,其基本产品有玻璃棉毡、玻璃棉板、玻璃棉带、玻璃毯和玻璃棉保温管。节能建筑与建筑节能材料2.2.2节能建筑的门窗材料在建筑能耗方面,我国居住建筑的单位总能耗为发达国家的3倍左右,外窗为1.52.2倍,门窗空气渗透为36倍;在节能标准方面,多数发达国家已经过多次节能标准的修订,相关的节能指标达到了较高水平,如德国北方地区要求外窗的热导率为1.08W/(m2K),法国要求为2.2
12、52.45W/(m2K);我国在现有的中英合作建筑节能示范工程中,最低也才2.05W/(m2K)。建筑门窗一般由门窗框材料、镶嵌材料和密封材料构成。门窗材料的选择对建筑节能的影响很大,现将我国主要的门窗材料以及与门窗节能相关的一些材料品种、性能介绍如下。节能建筑与建筑节能材料1 门窗框材料目前,我国常用的门窗框材料有木材、钢材、铝合金、塑料、复合材料等。表2-2给出了四种门 窗框材料的热导率。表2-2几种材料的热导率节能建筑与建筑节能材料2 镶嵌材料玻璃及其制品是最常用的镶嵌材料,按其性能不同可分为平板玻璃(包括浮法玻璃)、中空玻璃、镀膜玻璃和彩色玻璃(或吸热玻璃)四类,另外,还有一些新型功能
13、镀膜玻璃(如低辐射玻璃,Low-E玻璃)。平板玻璃的热导率为0.70.8W/(mK)(35mm厚),故单玻窗几乎没有明显的隔热保温性能。中空玻璃比平板玻璃的传热系数低得多,这是由于在中空玻璃中有一层静止空气或其他高热阻气体(如惰性气体)层,空气的热导率0.0259W/(mK)比玻璃的热导率0.8W/(mK)低得多,因而极大地提高了中空玻璃的热阻,即隔热保温性能。通常,这个空气间层的厚度在420mm可产生明显的阻热效果。在此范围内,随空气间层厚度增加,热阻增大,当空气层厚度大于20mm后,热阻的增加趋缓。在现有产品中,大多取6mm和12mm两种间层厚度。另外,这种空气间层的数量越多,保温性越好。
14、节能建筑与建筑节能材料除此而外,还有一些节能窗技术与产品正处在试验研究和商业开发阶段。从这些技术和产品中,可以看出降低窗户失热、控制窗户太阳辐射的新的可能的途径。下面介绍几种技术和产品。(1)抽真空玻璃(2)透明保温材料(3)可调节玻璃现在已有三类玻璃调节控制机制,即光致变色(光敏)、热致变色(热敏)和电致变色(电敏)。1)光致变色。2)热致变色。3)电致变色。建筑保温与热工设计建筑保温与热工设计2.3.1建筑保温 建筑是由围护结构,包括墙体、屋面、门窗、地面等围合起来的空间,这一空间热环境的优劣,取决于室外自然气候条件和围护结构的保温隔热性能。因此,改善建筑围护结构的热工性能是建筑节能的首要
15、问题。1 外墙 外墙是建筑物隔热保温的重要构件。提高建筑物外墙的隔热保温能力,通常有两个途径:一是增加外墙的厚度,二是降低外墙的传热系数。2 外窗 外窗整体传热系数相比于其他围护结构部件是最大的,故在供暖地区,窗的热损失在建筑物的总热损失中所占比例甚大,约为2/3,其中传热损失为1/3,冷风渗透为1/3,所以窗的保温性能格外重要。建筑保温与热工设计3 屋顶 在建筑物外围护结构中,根据屋顶的面积大小及所选用的构筑材料的不同,通过屋顶的传热耗能量有时会占建筑物整个外围护结构的传热耗能量的很大份额,因此做好屋顶保温也是十分重要的。4 围护结构的热桥部位应采取保温设计 在节能建筑中,因围护结构主体部分
16、的保温性能提高,热桥点就成了节能建筑绝热保温的薄弱环节,所以能否处理好热桥部分的保温设计,是节能建筑节能目标实现的关键问题之一,必须引起足够的重视。建筑保温与热工设计2.3.2节能建筑热工设计1 了解所设计的建筑的热工要求(1)夏季的要求1)一般的隔热要求:在自然通风的情况下,控制外围护结构内表面的最高温度,使之符合隔热标准。2)采用空调时,室温应控制在(282),外围护结构内表面的最高温度不大于32。(2)冬季的要求1)被动式供暖。2)集中式供暖,可分为节能50%或65%,目前国家标准要求节能65%。3)冬季采用热泵空调系统供暖,室温控制在16左右。建筑保温与热工设计2 根据选定的热工要求确
17、定节能设计指标(1)体形系数节能建筑其体形系数都不宜超过0.30,如若有超出,则应采取加强屋顶和外墙保温的做法,以便将建筑物耗热量指标控制在规定水平,总体上实现节能65%的目标。(2)屋顶根据选定的节能建材,确定其夏季及冬季所必需的热阻的最小值,并选择其中的大者为依据来计算其保温层或隔热层的厚度。还应注意以下几个问题:1)在确定屋顶冬季的最小热阻时,首先应了解屋顶现有的热惰性指标D,若D4,则可根据D=4.16来选择屋顶冬季的最小热阻:若D4,则可根据D=1.64来选择。这时应将保温层的D值与原有屋面结构的D值相加,若其相加值仍小于4则计算正确;若其相加值大于4,则应根据D=4.16来选择最小
18、热阻,重新计算保温层的厚度。建筑保温与热工设计2)在确定屋顶夏季的最小热阻时,首先应了解屋顶外表面对太阳辐射热的吸收系数,然后再根据现有热惰性指标D值的大小来选择屋顶夏季的最小热阻。3)应注意最小热阻有无附加值,例如,体形系数偏高时的附加,间歇空调或间歇供暖时的附加等。(3)外墙根据选定的节能建筑,确定其外墙夏季及冬季所必需的最小热阻,并根据其中大者来计算保温层或隔热层的厚度。选择确定最小热阻的方法与屋顶相同,并应注意最小热阻的附加值。例如,体形系数偏大时的附加,间歇空调时的附加。当外墙采用轻质复合材料时,材料的平均密度小于500kg/m3时,最小热阻应增加60%;材料的平均密度小于300kg
19、/m3时,最小热阻应增加80%。在JGJ 262010中规定了不同地区节能住宅外墙传热系数的上限值可供选择。建筑保温与热工设计(4)窗户1)根据建筑物建造地点,当地冬季的平均风速,建筑物是多层还是高层,初步确定门窗的气密性、保温性和水密性。2)计算各朝向墙面的窗墙面积比,若超出规定的面积比时,当超出的范围为1%5%,则按每超出1%,提高外墙的热阻2%;当窗墙面积比超出规定范围的5%10%,在按比例提高外墙热阻的同时,再将窗户的保温性能提高一级;当窗墙面积比超出规定范围的10%15%,在按比例提高外墙热阻的同时,再将窗户的保温性能提高二级。在提高窗户保温性能级别的同时,还应同时提高外墙的热阻。不
20、宜只提高外墙的热阻而不提高窗的保温性能,以免窗户的冷辐射引起人体的不舒适感。建筑能耗指标及其计算方法建筑能耗指标及其计算方法建筑物耗热量指标是指在供暖期室外平均温度条件下,为保持室内设计温度,单位建筑面积在单位时间内消耗的、需由室内供暖设备供给的热量。它是用来评价建筑物能耗水平的一个重要指标。不同地区的建筑物耗热量指标不同。1 建筑物耗热量指标的计算 qH=qH,T+qINF-qr,H式中qH建筑物耗热量指标(W/m2);qH,T单位建筑面积通过围护结构的传热耗热量(W/m2);qINF单位建筑面积的空气渗透耗热量(W/m2);qr,H单位建筑面积的建筑物内部得热(包括炊事、照明、家电和人体散
21、热),住宅建筑取3.80W/m2。建筑能耗指标及其计算方法2 单位建筑面积通过围护结构的传热耗热量的计算式中ti全部房间平均室内计算温度(),一般住宅建筑取18;te供暖期室外平均温度(),可从相关资料中查得;i某一围护结构传热系数的修正系数,可从相关资料中查得;Ki某一围护结构的传热系数W/(m2K),对于外墙应取其平均传热系数;Fi某一围护结构的面积(m2);A0建筑面积(m2);建筑能耗指标及其计算方法3 单位建筑面积的空气渗透耗热量的计算qINF=(ti-te)(cpNV)/A0式中cp空气比热容kg/(kgK),取1.01kJ/(kgK);空气密度(kg/m3),取te条件下的值;N
22、换气次数,住宅建筑取0.5L/h;V换气体积(m3)。建筑能耗指标及其计算方法4 建筑节能设计的性能性指标性能性指标在保证实现节能目标的前提下,使建筑节能设计标准具有了灵活性,为新技术的采用和具体工程项目的最优化创造了条件。性指标由建筑热环境的质量指标和能耗指标两部分组成,对建筑的体型系数、窗墙面积比、围护结构传热系数等技术参数不再做硬性规定。设计人可自行确定具体的技术参数,但必须同时满足建筑热环境质量指标和能耗指标的要求。建筑热环境质量指标为:卧室、起居室室内温度夏季不超过2628;冬季不低于1618,换气次数1.0次/h。建筑能耗指标及其计算方法 建筑热环境能耗指标按节能65%的要求确定了
23、各地的节能综合指标,包括建筑物耗热量、耗冷量指标和供暖空调全年用电量。其中供暖空调全年用电量是主要指标。耗热量指标qh和耗冷量指标qc,综合反映了建筑设计和围护结构热工性能的优劣,与供暖空调设备性能无关,它们是建筑和建筑热工设计的控制指标。即使不配备供暖空调设备,也必须满足这两个性能指标的要求。这将保证节能建筑在不配备供暖空调设备的条件下,室内冬夏季热环境质量也能达到基本的卫生要求,具有可居住性,并在配备了能效比满足要求的供暖空调设备后,室内热环境质量和能耗两方面均能达到性能性指标。节能建筑的能耗指标与供暖度日数、空调度日数之间呈近似线性关系。国家有关标准分别按供暖度日数HDD18和空调度日数
24、CD26给出了供暖年耗电量Eh和空调年耗电量Ec的限量值,供设计时参考选用。5太阳能住宅节能设计太阳能住宅节能设计 能源是人类生存的基础,人类对能源的开发、应用从无序走向有序,人们比以前更加关注能源的合理开采和有效利用。当前全球的非再生能源缺乏,而太阳能则是一个取之不尽、用之不竭的洁净能源。1939年美国麻省理工学院建成了世界上第一座用来供暖的太阳能建筑,到20世纪70年代世界性能源危机后,太阳能建筑的发展速度大大加快,目前世界上大约有几十万座太阳能建筑。早期的太阳能建筑是利用太阳热能与光能的自然传递使居室温暖明亮,通常称其为被动式太阳能建筑。而后,随着科学技术的发展和人们对居室环境要求的提高
25、,逐渐从被动式太阳能建筑发展成主动式太阳能建筑。主动式太阳能建筑是由太阳能集热器、热水槽、泵、散热器、控制器和储热器等组成的供暖系统与吸收式制冷机组组成的太阳能空调建筑。对太阳能的利用还体现在太阳能热水器、自然采光和绿色照明等方面。我国是太阳能资源十分丰富的国家,2/3的国土面积年日照在2200h以上,年辐射总量每年为33408360MJ/m2。太阳能住宅节能设计2.5.1太阳能住宅设计1 主动式太阳能建筑 主动式太阳能建筑需要一定的动力进行热循环。一般来说,主动式太阳能建筑能够较好地满足住户的生活要求,可以保证室内供暖和供热水,甚至制冷空调。但设备复杂、投资高,需要消耗辅助能源和电功率,而且
26、所有的热水集热系统都需要设置防冻措施,这些缺点造成主动式太阳能建筑目前在我国难以推广。图2-1主动式太阳能供暖系统1集热器2储热装置3散热器 4管道5水泵或风机太阳能住宅节能设计2 被动式太阳能建筑被动式太阳能建筑是一种让阳光射入室内,不需要附加供暖或制冷设备,不消耗常规能源,对自然提供的能量加以应用的完整的建筑节能系统。被动式太阳能建筑的类型很多,按照利用太阳能方式的不同,可以分为间接得热式和直接得热式两种。(1)间接得热式间接得热式的基本形式有特朗伯集热墙、水墙和附加阳光间。1)特朗伯集热墙。太阳能住宅节能设计图2-2特朗伯集热墙冬季工作状况太阳能住宅节能设计图2-3特朗伯集热墙夏季工作状
27、况太阳能住宅节能设计2)水墙。水是理想的显热储热物质,同一般的建筑材料相比,水的比热容大,用较少的水可以储存较多的热量,因此,水墙的研究得到普遍关注。图2-4太阳能水墙太阳能住宅节能设计(2)直接得热式在被动式供暖系统中,最简单的形式就是直接得热式。这种方式升温快,构造简单,不需增设特殊的集热装置,与一般建筑的外形无太大差异,建筑的艺术处理也比较灵活。同时,这种太阳能建筑的投资小,管理也比较方便。因此,这种形式是一种最易推广的太阳能供暖方式。许多传统民居的设计中就含有直接得热式的设计思想。图2-5直接得热式太阳房工作状况太阳能住宅节能设计2.5.2太阳能热水器太阳能热水器是最基本的,并且是比较
28、经济的太阳能热利用装置,正在广泛推广应用。它直接吸收太阳辐射并通过温室效应把水加热,为居民生活及工农业生产提供热水。太阳能热水器的设计制造技术比较成熟,已有多年的使用经验。随着新的科研成果不断涌现,太阳能热水器技术将更加趋于完善。太阳能热水器一般由集热器、储热装置、循环管路和辅助装置组成。图2-6平板集热器的基本结构太阳能住宅节能设计2.5.3太阳能住宅应用实例1 香港长洲岛明爱明晖营地节能建筑(1)实践与目标1)工程概况。明爱明晖营地改建工程建筑规模为4800m2,位于香港长洲岛山顶,四面环海,为青少年的营地建筑,拟通过改建设计成暑期活动营地。并将建筑物本身作为科普活动的内容之一,在建筑改建
29、设计和建造中融入“可观察到的”先进技术实物、概念和系统,其中节能技术和建筑体系作为本建筑工程的主要内容,项目局部平剖面示意图如图2-7所示。太阳能住宅节能设计图2-7项目局部平剖面示意图太阳能住宅节能设计2)设计策略。以节能建筑领域自然通风的“诱导”作用,通过量化指标来评价建筑室内热环境的改善程度。针对香港夏季日照丰富、气候炎热的特点,借助于钢质构造形成遮阳体系,协调好钢材与混凝土之间的材料连接性与可调节性的关系,作为一项体系建筑技术融入建筑造型之中。充分考虑新建与原有建筑两部分的连接问题,建造过程中处理好新旧建筑可能发生的变形、施工缝等敏感问题,在施工中尽量不影响原有建筑的使用。建筑采光系统
30、的优化设计,强调自然采光,减少人工照明以节约电能。充分挖掘各项“被动致凉”控制技术在项目中运用的可能性,充分考虑将地下蓄冷、“树叶屏蔽致凉”、水的蒸发制冷等技术手段融入建筑设计之中的可能性。以计量表读数和人体感受相结合的方法充分表现建筑本身的技术含量和使用效果。太阳能住宅节能设计(2)设计与创新1)节能体系。建立建筑外围的“双层体系”,在普通板壁的外侧建立一个利用钢质材料制成的“可控”遮阳体系,在满足“可控”的前提下,解决好轻质、维修、美观等问题,利用不锈钢管在两侧通过螺栓固定,并由一定的可控系统来调整遮阳板的倾斜角度,对阳光进行适当的控制,达到室内舒适的目的。2)太阳能系统。整体自然通风致凉
31、系统,如图2-8所示。在原中庭夏季下风侧位置(建筑的东北角)专设一个具备“烟囱效应”的竖向拔风空间,用以改变建筑室内整体的通风条件,并兼作自然采光口。人们可通过调整竖向空间上部窗口的开启大小控制自然通风。为加强热压对通风的促进作用,在竖向空间顶端设一蓄热墙,吸收热能。在夜间通过室内的平面温度分布的不均匀性来强化内部的自然通风,又可兼作冬季供暖。太阳能住宅节能设计图2-8整体自然通风致凉系统太阳能住宅节能设计2 北京大兴区新能源住宅北京大兴区新能源住宅是由清华大学和法国联合设计的联列式两层农村住宅,是技术与理念比较领先的被动式太阳能住宅之一。该新能源住宅南向设跨越两层的阳光间,在南侧卧室的外墙设
32、特朗伯墙系统,北侧由楼梯、门斗、贮藏室组成“双外壁”体系,正确利用“温度分区法”,并且将厨房的烟道设于住宅的“几何中心”以利用灶间的余热等。北京大兴区新能源住宅示意图如图2-9所示。太阳能住宅节能设计2.5.4太阳能建筑一体化节能设计1 太阳能建筑一体化基本概念所谓的太阳能建筑一体化是指在建筑规划设计之初,利用屋面构架、建筑屋面、阳台、外墙及遮阳等,将太阳能利用纳入设计内容,使之成为建筑的一个有机组成部分。太阳能利用包括太阳能热水系统、太阳能供暖系统、太阳能光电系统、太阳能空调系统等。太阳能建筑一体化主要分为太阳能与建筑光热一体化和太阳能与建筑光电一体化。太阳能建筑一体化,现阶段主要有两种体现
33、形式:一是光热建筑一体化(BIST);二是光伏建筑一体化(BIPV)。此外还有光伏/光热建筑一体化(BIPV/T)(热电联产)。光伏/光热一体化组件PV/T,集光伏发电与太阳能热利用为一体。一方面能通过温度较低的介质冷却光电池使电池发电效率得到提高(太阳硅电池的效率在温度超过25时,每增加1,效率下降约0.4%);另一方面也能同时回收集热片产生的热量。太阳能住宅节能设计太阳能与建筑光热一体化是利用太阳能转化为热能的利用技术,在建筑上直接利用的方式有:利用太阳能空气集热器进行室内供暖;利用太阳能热水器提供室内生活热水;基于集热-储热原理的间接加热的被动式太阳房:利用太阳能加热空气产生的热压增强建
34、筑通风。太阳能与建筑一体化设计应遵循的原则:充分考虑当地自然环境气候特点和地理特性;提出合理的太阳能利用方案;使太阳能技术与建筑空间美学相结合;太阳能系统与建筑构造一体化。后两条原则可以概括为:功能部件装饰化,装饰部件功能化。太阳能住宅节能设计2 太阳能建筑一体化应用实例(1)荷兰Amersfoort社区荷兰Amersfoort社区占地约600万m2,是世界最大的太阳能居住型社区,包括大部分的住宅以及公共设施(体育中心、学校、幼儿园等)都使用了太阳能光伏系统,计划年发电量1.5MW。建筑师把光伏板作为一个美的元素运用于建筑从而增加了建筑的附加价值,如图2-10所示。社区的日常用电基本上达到自给
35、自足,太阳照射不足的时候,由当地公共电网予以补充供电。同时社区绝大部分房屋的太阳能光伏板采集的过余电能都统一输进当地的公共电网,这样也防止了绿色能源的流失。太阳能住宅节能设计图2-10荷兰Amersfoort社区太阳能住宅节能设计(2)山东德州皇明科技园区2002年山东德州皇明科技园区建立起一栋栋独特的太阳能建筑,这是我国现代太阳能建筑发展的雏形。太阳能热水系统在建筑中处于核心地位,通过在建筑屋面和立面安装排放整齐的太阳能集热器,为建筑提供热水和供暖。同时,在建筑中还采用了太阳能遮阳、太阳能除湿空调以及太阳能游泳池等技术。其中,由于太阳能凉亭、太阳能水雾喷泉和太阳能墙等产品同时具备了美观性与艺
36、术性,使建筑收到了节能和美观的双重效果,如图2-11所示。太阳能住宅节能设计图2-11皇明科技园区太阳能建筑6绿色建筑与建筑节能绿色建筑与建筑节能2.6.1绿色建筑的由来 随着人类在地球上的急速繁衍和人类物质活动规模的加速膨胀,人类在对自然资源的开发和利用的同时,生态环境急剧恶化,出现了全球性的环境危机,如温室效应、酸雨、臭氧层破坏、气候异常、热带雨林破坏、荒漠化、物种灭绝等;再加上能源危机,水资源短缺的沉重压力,使得居住在地球上的人类不得不重新审视自己的生活方式和经济的发展模式。人类对居住场所的营造,即建筑活动是人类最主要的生存活动之一,城市环境与建筑环境是地球上规模最大、分布最广的人工环境
37、。长期以来,由于我国在建筑开发中对环境的破坏与污染,特别是一些对人体有害、对环境有害的建筑材料被大量使用,使生态环境急剧恶化。面对环境的恶化问题,越来越多的有识之士开始关注居住环境,关注建筑物与自然之间的关系,更加注重建筑环境与自然环境的改善,“绿色建筑”的概念应运而生。绿色建筑与建筑节能2.6.2绿色建筑设计的目标与原则 绿色建筑设计所追求的目标和原则就是消耗最少的能源和资源,给环境和生态带来的影响最小,同时为居住和使用者提供健康舒适的建筑环境与良好的服务,以实现人、建筑、环境健康协调的可持续性发展。总之,绿色建筑归纳起来就是“资源有效利用的建筑(Resource Efficient Bui
38、ldings)”。有人把绿色建筑归结为具备“4R”的建筑,即“Reduce”,减少建筑材料、各种资源和不可再生能源的使用;“Renewable”,利用可再生能源和材料;“Recycle”,利用回收材料,设置废弃物回收系统;“Reuse”,在结构允许的条件下重新使用旧材料。因此,绿色建筑就是能源有效利用、保护环境、亲和自然、舒适、健康、安全的建筑。绿色建筑与建筑节能1 人居环境的营造更新观念和技术手段,摒弃盲目提高密闭性和盲目提高固定的室内环境设计参数的建筑与建筑环境的设计原则与习惯,实施动态的室内环境设计参数,贴近自然环境的变化规律;充分利用自然手段和可再生能源,充分享受阳光、空气、水等大自然
39、的高清新性,做到人与自然和谐共存。2 合理利用资源应该尽可能减少对不可替代资源(包括矿物、土壤、土地和原始条件下景观等,它们是经过复杂的地球物理化学变化而形成的,具有恒定的数量)的耗费,控制对不可耗尽资源(如空气、水、太阳能等)及可替代和可维持资源(包括特定场所的水资源和和动植物群落)的利用强度,保护资源再生所必需的环境条件。绿色建筑与建筑节能3 能源利用的原则(1)提高能源效率。1)通过对基地自然条件的分析,尽可能地利用基地的有利因素以减少建筑运作能耗,如自然通风、自然空调系统、自然采光。2)对建筑外围护结构的设计。3)提倡对建筑能量系统进行集成,对建筑物内部能流与物流进行深入分析与合理规划
40、。4)能源效率的提高必须考虑所使用建筑材料在生产、运输、加工过程中的蕴能量。(2)尽可能使用可再生的能源4 保护生态环境的问题建筑设计要与周围生态环境相融合,减少由于建筑的营造和使用对地球、自然、环境负荷的影响。节约资源,减少污染,保护环境,主要体现在对噪声、建材污染、垃圾污染、水污染、对生态景观的破坏和由于对常规能源的消耗而产生的环境负荷等的控制上。绿色建筑与建筑节能2.6.3绿色建筑的评估图2-12绿色建筑的评估7建筑节能设计实例建筑节能设计实例2.7.1法兰克福商业银行建筑师:Foster&Partners位置:德国,法兰克福建造时间:1999年委托人:德意志联邦议会在一年的大多数时间里
41、,该银行大厦通过自然通风维持建筑内部舒适性条件。如果空调系统放弃不用,自然通风和冷却肯定会在节能和舒适性方面有所作为(图2-13图2-18)。在法兰克福商业银行中,环境控制的概念是根据这种原则进行的:方案需要一套包括自然通风、建筑保温和隔离结合在一起的机械装置。建筑节能设计实例 建筑是一栋50层的三角形塔楼,高约190m。转角部位抹成圆弧。建筑为中空,形成一个通高的中庭。这个中庭又被玻璃天花每12层分为一段,以阻断气流或烟的聚集。在每一层,两片办公区和1/3的花园结合在一起。每个花园占据4层高的空间,并沿着塔楼呈螺旋形排列。由于植物对空气有净化作用,这些花园能提供一个高质量的小环境,并随着所处
42、高度和位置的不同而变化。中庭和花园的自然通风是整个方案中的一个重要因素。在满足不同区域的功能要求的同时,也提供了自然采光(从顶部或水平方向)和丰富的景观变化(向外的、向花园和中庭的)。办公室可向中庭开窗这一设计,意味着在一年的大部分时间里都可以采用自然通风。对于周边的办公室而言也同样如此:立面的3层覆层系统与室外的空气建立起一种独特的关系,同时也和建筑投下的投影相结合。立面的覆层系统包括一层延伸的隔热玻璃和一层简单的由外面构成的双层外壳,以及其间的多孔通风层,它们保护建筑不受任何天气变化所带来的影响。建筑节能设计实例图2-14法兰克福商业银行室内效果图图2-15法兰克福商业银行剖面图建筑节能设
43、计实例图2-16法兰克福商业银行平面图 空气通过立面上的连续槽进入通风层。办公室内的控制板使自然通风系统得到完善,通过它可以用手工或机械的方式打开或关闭通风系统,当气候条件不允许使用自然通风时可以使用一套机械送风系统。在冬天还有一个带温度控制装置的外围加热系统可供使用。其立面还有精心设计的热学装置以减少直射阳光的影响以及对空调的需求,同时,也就减少了能量的消耗。建筑节能设计实例图2-18法兰克福商业银行外部景观图建筑节能设计实例2.7.2清华大学超低能耗楼清华大学超低能耗楼位于清华大学校园东区,紧贴建筑馆南楼的东墙。建筑地下1层,地上4层,总建筑面积约2930m2,地下1层为试验及设备用房,地
44、上4层均为开放式的展示和办公用房建筑节能设计实例图2-20总平面图作为清华大学绿色建筑的科研基地,开放式实验室及高新技术、产品的示范展台,超低能耗楼汇集了多种国内外最新的科研成果,使这一建筑尽可能少地消耗不可再生资源,尽可能利用可再生资源,降低对外界环境的污染,并为使用者提供健康、舒适、自然和谐的工作及生活空间。在此基础上,将开展各项与绿色建筑相关的科学研究,示范世界上各种先进的绿色建筑技术,展示各种绿色建筑的相关产品并进行有关绿色建筑技术的培训和宣传工作。建筑节能设计实例图2-22建筑技术方案总览图2-21首层平面图建筑节能设计实例图2-23外围护系统轴测图1 围护结构方案设计 外围护系统轴
45、测图如图2-23所示。从建筑全生命周期的观点出发,超低能耗楼采用了钢结构和高性能玻璃幕墙,使地面以上建筑材料的可再生利用率超过80%。利用各层的结构高度形成1.2m高的架空楼面,并将其作为设备夹层,在其中布置设备和管道。建筑物内部为灵活隔断,空调和强弱电系统为模块化结构,从而可根据不同使用要求极其方便地改变空间布局。建筑节能设计实例图2-24热压通风和阳光传导剖面图2 室内环境控制方案设计 室内环境控制系统设计包括自然通风设计和空调系统设计,从节能舒适角度考虑,优先采用被动方式,用自然手段维持室内热舒适环境。大换气量的自然通风,可带走室内的余热,保证室内较为舒适的热环境,从而缩短空调系统运行时
46、间;通过合理的建筑设计,可以优化自然通风效果。自然通风主要驱动力是风压和热压,风压通风具有通风量大,冷却效果好的特点,但由于室外自然风的不确定性,风压具有不确定性;与风压通风相比,热压通风换气量比较小,但却更为稳定。图2-24所示为热压自然通风。建筑节能设计实例图2-25能源系统3 能源系统方案设计 超低能耗楼的能源主要来自太阳能和天然气。天然气通过SOFC固体燃料电池转化为电能、热能、CO2和水,热能再进一步作为新风温湿度处理的动力。太阳能再生器用于浓缩溴化锂溶液,为新风干燥、杀菌系统提供动力;阳光传导系统可以充分地利用自然光照明;另外,智能化的围护系统也可以最大限度地利用太阳能补充冬季的供
47、暖。建筑节能设计实例4 自控测量方案设计 超低能耗楼的控制系统本着舒适、节能的原则,根据建筑环境的变化调节建筑物各部分状态,实现建筑智能化控制和实时测量。控制系统可以自动采集各室外测点的日照情况,根据不同的朝向方位调节遮阳百叶的状态,减少建筑负荷;也可以采集室外气象参数,决定外窗的开启状态和热压通风竖井的开启状态;另外,还可以控制建筑中采光系统、能源输配管理系统、智能新风系统等的工作状态。测量系统在屋顶布置气象参数测点,测量室外温度、湿度、风速、太阳辐射强度、太阳高度角和方位角等;在建筑的围护结构内布置测点,测量各种围护结构的表面温度、热流、气流等参数;在建筑内部布置测点,测量房间、楼梯间、通风竖井中的温度、湿度、风速等参数。超低能耗楼的建筑设计是基于各项绿色建筑技术而形成的,所以其建筑形式也遵循了各项技术本身的规律,充分地表达了绿色建筑技术的特点。在设计中对形式不做过多的主观艺术处理,而是客观理性地把各项技术映射到建筑形式上,从而也就塑造了其自身的形式特征。思考题1.试阐述建筑节能的必要性、重要性和可操作性。2.在节能建筑的设计中,应注意哪些主要问题?3.试阐述在节能建筑的设计中,门窗设计和材料选择的重要性。4.试阐述太阳能建筑一体化节能设计的意义和主要方法。5.试阐述节能建筑与绿色建筑的关系。Thank you
