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1、第三章 节能建筑的规划设计原理,3.1 气候地理环境条件与节能设计3.2 合理的节能热工设计指标和技术措施3.3 朝向与间距3.4 建筑体型3.5 绿化环境设计3.6 遮阳设计,3.1 气候地理环境条件与节能设计,建筑的地域性首先表现为地理环境的特殊性，它包括建筑所在地点和地区自然环境特征，如气候条件、地形地貌、自然资源等,其中气候条件所起的作用最为重要。在进行节能建筑设计时，应先全面了解建筑所在位置的：气候条件、地形地貌、地质水文资料、当地建筑材料情况以及这一地区人们的生活习惯等。设计人员应从建筑选址、居住区规划开始，分析以上各种因素,综合不同资料作为节能建筑设计的前期准备工作。,3.1.1
2、气候条件,节能建筑设计必须了解当地太阳辐射强度、冬季日照率、降水、冬夏两季最冷月和最热月平均气温、极端最低温度、极端最高温度、空气湿度、冬夏两季主导风向频率等,建筑所在位置小区域环境的微气候条件：城市热岛效应，周围建筑群高度、人口的疏密程度,交通组织、环境植被、水域等影响因素。,3.1.2地形条件,建筑所在位置的地形地貌，平地或坡地、山谷或山顶、江河或湖泊水系,建筑选址将直接影响建筑室内外热环境和空调能耗的大小。建筑的选址、朝向，应选择有利于通风的位置。应重视因地形变化而产生的地方风对住宅建筑防寒、保温的影响，合理地利用山谷风、水陆风等自然能源。水陆风对于位于江河湖泊地区，因地表水陆分布，地势
3、起伏，表面覆盖材料等不同，在白天太阳辐射作用下和地表长波辐射的影响，产生水陆风而形成气流的流动。在进行建筑设计时，充分利用水陆风以取得建筑穿堂风的效果，对于改善夏季热环境，节约空调能耗是不言而喻的。山谷风是山区经常出现的现象，只要周围气压场比较弱，这种局地热力环流就表现得十分明显。有不少利用山谷风的例子。,3.1.3地表环境,居住区表面覆盖层会影响小气候环境 表面植被或水泥地面都直接影响建筑采暖和空调能耗的大小。由于市区大气透明度远小于郊区，使得市区中直接辐射量减小，而散射辐射量增加，总辐射量减弱。同样市区覆盖层表面对太阳辐射的反射系数小于郊区，加上市区建筑物排列的几何形状对反射率的影响，使建
4、筑外墙、屋顶、路面组成极为复杂的多次反射，使居住区覆盖层长波辐射与天空的热量交换量减少，其结果是部分热量仍留在地表和居住区近地下垫面内，如果居住区植被少，CO2含量大，地表长波向上辐射受到限制，大气长波辐射向下而造成大气逆辐射，在通风不良的情况下，造成市区温度日较差变小，平均温度上升。应有足够的绿地和水面，严格控制建筑密度，尽量减少水泥地面 由于下垫面性质的改变，建筑物和铺砌的坚实路面大多为不透水层（部分建筑材料能够吸收一定量的降水，亦可变成蒸发面，但为数不多），降雨后雨水很快流失，地面水份在高温下蒸发到空气中，形成夏热冬冷地区夏季典型的高温高湿闷热气候，多消耗能源。因此，节能居住小区规划设计
5、时，并且要求合理分布,利用植被和水域减弱热岛效应，改善居住区热湿环境。,城市下垫面的辐射性质 表3.1.3-1,3.2 合理的节能热工设计指标和技术措施,地区的气候特征和人们的气候适应性是节能住宅热工设计首先必须研究和考虑的问题。建筑节能的具体节能措施和热工设计指标理应反映不同地区的气候特征，依据该地区的气候条件及室内热环境质量要求，而提出外围结构的平均传热系数、窗墙面积比、体形系数等 夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准中有关热工设计指标是节能设计的基本指导原则，但各地区应结合本地区具体气候条件和经济状况来确定热工设计指标和节能技术措施。我国夏热冬冷地区涉及10多个省市，地方气候条件差别仍很大。
6、,3.2 合理的节能热工设计指标和技术措施,一、首先考虑国家对节能建筑所提出的节能目标（如节能50%）、建筑造价、采暖空调设备价格、社会环境费用等；,3.2 合理的节能热工设计指标和技术措施,二、注意气候条件。由于建筑热过程特性，尤其在夏季太阳辐射条件下，室外综合温度作用在围护结构外表面，温度可达55以上，温度波有较大影响。要考虑冬季白天太阳辐射时建筑墙体的得热、贮热，还应考虑夏季夜间气候凉爽时或二个连续高温晴天之间的阴雨天条件下自然通风散热和贮冷，因此围护结构应有合适的蓄热系数和热惰性指标；,3.2 合理的节能热工设计指标和技术措施,三、建筑小区规划。体型系数、窗墙比以及自然通风。大量的调查
7、和测试表明，太阳辐射通过窗进入室内的热量是造成室内过热的主要原因，占建筑空调冷负荷的40%以上，因此提高窗的热工性能和阳光控制是这一地区建筑节能非常重要的措施，日本九州、美国南方、法国、香港等国家和地区把提高窗的热工性和阳光控制作为住宅节能的重点。,3.2 合理的节能热工设计指标和技术措施,适当的窗口面积，有利于自然通风改善室内空气质量，同时冬季可以获得更多的太阳辐射，夏季在夜间或气候凉爽宜人时，带走室内余热蓄冷。而且南北向窗墙比面积相差过大不宜于穿堂风的形成，窗口面积过小，容易造成室内采光不足，象重庆、四川、黔东等地冬季平均日照1315%，全年阴雨天很多，在纬度低的这一地区夏季窗口受太阳直接
8、辐射时间有限，不宜过份强调减少窗墙比，重点应是提高其热工性能、采用遮阳，提高窗的气密性等技术措施来达到节能的目的。给建筑师进行设计创作提供了更大的灵活性。,3.3 日照环境设计,3.3.1日照的作用和日照标准由于日照有杀菌抗病的能力，建筑争取适宜的日照，可温暖和干燥环境，从卫生角度看，每天至少有24小时的日照才能获得良好的杀菌效果。所以，相邻住宅之间必须有足够的日照间距。过量的日照，容易造成室内过热，对人体来说，则是不利的。在建筑日照设计时，应考虑日照时间、面积及其变化范围，以保证必需的日照或避免阳光过量射入太阳能的利用是建筑节能的重要因素。,太阳能资源利用的一级区划指标 表3.3.1-1,3
9、.3.1日照的作用和日照标准,日照设计中，有一个衡量日照效果的最低限度的指标来作为设计的依据，这个指标就称为日照标准。建筑日照环境中的日照时间，住宅设计规范GB50096-1999规定：每套住宅至少应有一个居室空间能获得日照。当一套居住空间总数超过四个时，其中定有二个获得日照。日照标准是要底层居室的窗台面在大寒日应保证有效连续日照时间不得小于2小时。,3.3.2建筑的日照间距,在规划设计时，就必须在建筑物之间留出一定的距离，以保证阳光不受遮挡，直接照射到建筑室内。这个间距就是建筑物的日照间距。建筑物的日照间距是由日照标准，当地的地理纬度、建筑朝向、建筑物的高度、长度以及建筑用地的地形等因素决定
10、的。夏热冬冷地区若以冬至日获得日照1小时的要求，日照间距系数应大于1.2，2小时的日照间距系数应大于1.3。在这一地区，不同城市根据纬度、土地资源及经济发展水平等条件，规定日照间距为1.11.3H（H为建筑高度），即日照间距系数为1.11.3。,3.3.2建筑的日照间距,在居住区平面规划中，建筑群体错落排列，不仅有利于内外交通的疏畅和丰富空间景观，也有利于改善日照时间。高层点式住宅不仅有加大建筑的南北进深，增加电梯服务量，减少交通面积等优点，在充分保证采光日照条件下可以大大缩小建筑物之间的间距系数，以达到节约用地的目的。一幢20层约60米高的塔楼，若南北楼间的间距为30米，间距系数仅0.5，大
11、寒日后排住房仍有3个多小时的日照时间。这种分析不仅是对单幢建筑的孤立分析，而是对包括已建成建筑在内的所有建筑的综合分析。,平地日照间距的计算公式,式中：H建筑总高；H2底层窗台高；H1=H-H2；hs冬至日正午太阳高度角。,向阳坡日照间距计算公式,背阳坡日照间距计算公式,D-两建筑物的日照间距（m);H-前面建筑物的高度(m);W-后面建筑物底层窗台离设计基准点（或室外地面)高差;-建筑物法线面的太阳投射角;-建筑物法线面的地面坡度角;o,o-分别为前后建筑物地面设计基准标高点;-建筑方位角;h-太阳高度角;d,d-分别为前后建筑物地面设计基准标高点外墙距离(m);A-太阳方位角;-建筑方位与
12、太阳方位差角=-A。(或A。-);d-地形坡向与墙面的夹角,夏热冬冷地区主要城市日照间距系数L0 表3.3.2-1,注：日照间距D=L0H，H为前栋建筑计算高度,3.3.3适宜的朝向,朝向是指建筑物主立面（或正面）的方位角，一般由建筑与周围道路之间的关系确定。朝向选择的原则是冬季能获得足够的日照，主要房间宜避开冬季主导风向，但同时必须考虑夏季防止太阳辐射与暴风雨的袭击。然而建筑的朝向，方位以及小区规划应考虑多方面的因素，要想做到夏季防热，冬季保温等方面要求理想的朝向是困难的，因此，我们只能权衡各个因素之间的得失轻重，选择出这一地区建筑的最佳朝向和较好的朝向。,3.3.3适宜的朝向,在自然通风或
13、空调条件下，太阳辐射、室外空气温度是影响室内热环境的主要因素.夏季，尤其是夜间当室外气温低于室内气温之后，建筑应尽可能利用此时室外风向，加强自然通风降低室内气温，排除潮气，保持室内空气清新.但同时建筑朝向的设计又要在白天气温高时太阳辐射条件下减少对室内的辐射，降低空调的能耗.而在冬季阳台又要抵御室外冷空气的侵入，尽可能获得阳光。,不同朝向太阳辐射特性,冬季不同朝向墙面太阳辐射强度的日变化特征 南向墙面峰值日射强度为最大，出现在12时；西南（东南）向墙面峰值日射强度次之，出现在1314时（1011时）,西（东）向墙面峰值日射强度较小，出现在1415时（910时），北向墙面峰值日射强度最小.不同朝
14、向墙面日射强度峰值一般是随纬度增高而增大，但也与各地天气气候特点有关。,冬季不同朝向墙面峰值强度和出现时间 表3.3.3-1,夏季 不同朝向墙面日射强度峰值强度和出现时间 表3.3.3-3,一、不同朝向太阳辐射特性,南向垂直表面冬季日辐射量最大，而夏季反而变小，东西向垂直表面最大，这与在夏热冬冷地区低纬度条件下实际状况相符合，也就是为什么这一地区尤其是夏季防止东西向日晒，冬季尽可能争取南向日照的理由。正是由于朝向引起的太阳辐射得热和天空辐射失热的不同，北方采暖地区的节能建筑才提出了围护结构传热系数与有效传热系数的区别。对于夏热冬冷地区，特别是像重庆、长沙、南昌等冬季日照率低的地区，是否有必要考
15、虑因朝向引起的对围护结构的有效传热系数，是值得研究的问题。例如重庆地区冬夏的主导风向都是北（N），为了组织良好的自然通风，朝向上应使纵轴（及主立面）尽可能垂直于夏季的主导风向。但考虑到太阳辐射，防止夏季暴雨的袭击以及房屋不可能是单排而是多排，适当偏离主导风向仍是有利的，综合冬夏日照环境与夏季有利于组织良好的自然通风分析，重庆地区建筑的最佳朝向是南偏东10至南偏西10，适宜朝向是南偏东30至南偏西30,夏热冬冷地区部分地区最佳和适宜的建筑朝向 表3.3.3-4,3.4 建筑体型,体型系数就是指建筑物与室外大气接触的外表面积F0（m2）和与其所包围的（包括地面）体积V0（m3）之比值，住宅建筑中的
16、形体系数计算时，外表面积F0不包括地面和楼梯间墙及分户门的面积。体型系数越大，说明单位建筑空间的热散失面积越大，能耗就越高，研究表明，体型系数每增大0.01，能耗指标约增加2.5%。建筑体型的变化直接影响建筑采暖空调的能耗大小。在夏热冬冷地区夏季白天要防止太阳辐射，夜间希望建筑有利于自然通风、散热。因此，与北方寒冷地区节能建筑相比，在体型系数上没有控制那么严，而且建筑形态也非常丰富。但从节能的角度讲，单位面积对应的外表面积越小，外围护结构的热损失越小，从降低建筑能耗的角度出发，应该将体型系数控制在一个较低的水平。,3.4 建筑体型,提出体形系数要求的目的，是为了使特定体积的建筑物在冬季和夏季冷
17、热作用下，从面积因素考虑，使建筑物外围护部分损失的冷、热量最少。据此就要求住宅建筑在平面布局上外形不宜凸凹太多，尽可能力求完整，以减少因凸凹太多形成外墙面积大而提高形体系数。组合上最好是两个单元以上组合，由一个单元形成一幢建筑物就有可能使其形体系数超过0.30（m2/m3）。北方寒冷地区曾对形体系数与耗热量指标作过计算分析，表明在建筑物各部分围护结构传热系数和窗墙面积比不变条件下，房屋的耗热量指标随形体系数成直线上升。低层和少单元住宅对节能不利，即体积较小的建筑物，其外围护结构的热损失量要占建筑物总热损失量的大部分。当建筑物体积小于1300m3时，外围护结构的热损失量随体积的减少而迅速增大。对
18、于高层建筑，在建筑面积相近条件下，高层塔式住宅的耗热量指标比高层板式住宅的高10%14%。形体复杂、凸凹面过多的塔式建筑对节能更为不利。,3.4 建筑体型,体形系数不只是影响建筑物外围护结构的传热损失，它还与建筑造型、平面布局，采光通风等紧密相关。体形系数过小，将制约建筑师的创造性，使建筑造型呆板，平面布局困难，甚至损害建筑功能。因此权衡利弊，兼顾不同类型的建筑造型，尽可能减少房间的外围护面积，使体形不要太复杂，凹凸面不要过多。,3.5 绿化环境设计,绿化对居住区气候条件起着十分重要的作用，它能调节改善气温，调节碳氧平衡，减弱温室效应，减轻城市大气污染，减低噪音，遮阳隔热，是改善居住区微小气候
19、，改善建筑室内热环境，节约建筑能耗有效的措施。,3.5.1调节气温和增加空气湿度,居住区绿化具有良好的调节气温和增加空气湿度的效应。这主要是因为植物（尤其是乔木）有遮阳蔽荫，减低风速和蒸腾作用的原因。植物在生长的过程中，根部不断地从土壤中吸收水分，又从叶面蒸发水分，这种现象称为“蒸腾”。同时，植物吸收阳光作为动力，把空气中的二氧化碳和水进行加工变成有机物作养料，这种现象称为“光合”。蒸腾作用和光合作用都吸收太阳辐射热。树林的树叶面积大约是树林种植面积的75倍；草地上的草叶面积大约是草地面积的2535倍。这些比绿化面积大上几十倍的叶面面积都是起蒸腾作用和光合作用的。所以，就起到了吸收太阳辐射热，
20、降低空气温度的作用。,3.5.2绿化的遮阳防辐射作用,据调查资料，茂盛的树木能挡住50%到90%的太阳辐射热。草地上的草可以遮挡80%左右的太阳光线，据实地测定：正常生长的大叶榕、橡胶榕、白兰花、荔枝和白千层树下，在离地面1.5m高处，透过的太阳辐射热只有10%左右；柳树、桂木、刺桐和芒果等树下，透过的是40%和50%。由于绿化的遮荫，可使建筑物和地面的表面温度降低很多，绿化了的地面比一般没有绿化的地面辐射热低4至15倍。不同地面的表面温度在午后，混凝石和沥青地面最高表面温度竟达到50以上，草地仅有40左右。2000年8月在武汉华中科技大学校园内对草坪、混凝土表面、泥土以及树荫下的实验测试值。
21、在太阳辐射情况下，混凝土表面温度最高，其次干泥土、草坪，最高温度分别高出气温26、19、10。草坪的初始温度最低，在午后下降也较快，到18：00时后低于气温，说明种植植被在太阳辐射下由于植被的蒸腾和蒸发作用，降低了对土壤的加热作用，相反在没有太阳辐射时，在长波辐射冷却下能迅速将热量从土壤深部传出，说明种植植被是较为理想的地表覆盖材料自然湿球温度在太阳辐射与树荫下相差不大，但黑球温度相差很大。说明树荫对黑球温度影响较大。,3.5.3改善室内热环境重庆夏季种植屋面室内温度的实测值。,注：1、测试时间周期为24小时；2、测试在白天关窗，夜间开窗的自然通风条件下进行。研究表明，种植屋面是集环境生态效益
22、，节能效益和热环境舒适效益一体的，最佳的住宅屋顶形式之一，它最适宜于夏热冬冷地区的住宅建筑。,3.5.4降低噪声,噪声的危害，已成为侵扰市民，使人疲劳,降低工作效率的严重因素。重则使人引起心血管或中枢神经系统方面的疾病。因此，防止噪声是居住区一个急待解决的环境问题。绿化对噪声具有较强的吸收衰减作用，其主要原因是树叶和树枝间空隙可以像多孔吸声材料吸收部分声能，同时通过与声波发生共振吸收部分声能。特别是能吸收高频噪声。有文献表明公路边30m到15m左右的林带，能够减低噪声610dB，相当于减少声能量的54%。树木减噪作用与叶片密度、林带结构和绿化带分布方式有关。如果重叠排列的大面积高大阔叶林比针叶
23、树林具有更好的降噪作用，在城市居住区内难以保证大面积种植植被，可采用面积不大的草坪和行道树获得吸声减噪效果.从多孔材料吸声机理出发，叶片小而密。植物的空隙率较高可以较好地达到这一目的。就单株树木的吸声效果而言，因交通噪声源为贴地线源，并在街谷中处于较低的位置，故灌木较乔木好，常绿树优于落叶树，针叶树则又比阔叶树有效。树的选择还应考虑到降低街谷噪声的要求，采用常青针叶林配以灌木和草坪是一种较佳的方案。,3.5.5减轻空气污染,植物，特别是树木有吸收有害气体，吸滞烟灰、粉尘和细菌的作用，因此居住区绿化建设还可以减轻城市大气污染，改善大气环境质量。树木以其特有的生理功能，通过叶片上的气孔和枝条上的皮
24、孔吸收有害气体（当然不能超过其所能忍受的浓度），积累于某一器官内，或由根系排出体外。在城市有害气体中，以二氧化硫（SO2）的数量较多，分布较广，危害亦较大。研究表明，绿地上的空气中二氧化硫浓度低于未绿化地区的上空，污染区树木叶片的含硫量高于清洁区许多倍。不同植物种类其吸收二氧化硫的能力及其耐受大气中二氧化硫的浓度是各不相同的。,几种针叶树和阔叶树中的含硫量（占叶片干量%）表3.5.5-1,城市绿地对降尘的净化作用 表3.5.5-2,3.6 遮阳设计,窗户隔热主要是隔离太阳辐射热和室外温差传热 在强烈的太阳辐射下，阳光直射到室内，将严重地影响建筑室内热环境，增加建筑空调能耗；冬季通过窗口进入室内
25、的太阳辐射有利于建筑的节能。窗的热工性能差造成夏季空调、冬季采暖室内外温差的热量损失的增加。窗的温差传热是冬季窗口热损失的主要因素；而夏季的能耗损失中，太阳辐射是其主要因素。,3.6 遮阳设计,通常采用遮阳和提高气密性方式。在进行遮阳设计时，应根据日照设计原理，合理设计窗户挑檐和横向、纵向遮阳措施，同时还应把遮阳措施和建筑立面造形结合起来考虑，即要考虑建筑整体的艺术效果，又要起到遮阳、挡风雨、安全等多种功能，而且形式要简单、美观、便于清洗和安装。为了夏季减少玻璃面的日照面积，降低空调能耗，冬季尽可能得到日照，宜采用活动式遮阳措施。,3.6 遮阳设计,遮阳的措施主要分为三类：利用绿化的遮；结合建
26、筑构筑件处理的遮阳；专门设置的遮阳。在总体规划和建筑方案设计时，就应在平面布置和立面处理上，考虑炎热季节避免直射阳光照射到房间内，还要充分利用绿化遮阳及建筑构件遮阳，如果这些措施还不能满足遮阳要求时，才宜采取专设的窗户遮阳。建筑物采取遮阳措施后，往往对室内的通风、采光产生不利的影响。因此在遮阳设计时，应根据建筑本身的要求和建筑条件，适当注意通风、采光和防雨等问题的处理。同时要注意不遮挡从窗口向外眺望的视野以及它与建筑立面造型之间的协调，并且力求遮阳系统构造简单，经济耐用。,3.6.1遮阳的形式,一、水平式遮阳 这种形式的遮阳能够有效地遮挡高度角较大的、从窗口上方投射下来的阳光。故它适用于接近南
27、向的窗口，低纬地区的北向附近的窗口。二、垂直式遮阳 垂直式遮阳能够有效地遮挡高度角较小的、从窗侧斜射过来的阳光。但对于高度角较大的、从窗口上方投射下来的阳光，或接近日出、日没时平射窗口的阳光，它不起遮挡作用。故垂直式遮阳主要适用于东北、北和西北向附近的窗口。三、综合式遮阳 综合式遮阳能够有效地遮挡高度角中等的、从窗前斜射下来的阳光，遮阳效果比较均匀。故它主要适用于东南或西南向附近的窗口。四、挡板式遮阳 这种形式的遮阳能够有效地遮挡高度角较小的、正射窗口的阳光。故它主要适用于东、西向附近的窗口。,3.6.2遮阳形式的选择,遮阳形式的选择，应从地区气候特点和窗口朝向来考虑。夏热冬冷地区宜采用热反射玻璃、软百页、布篷等作临时性可拆除的活动式遮阳。活动式遮阳多采用铝合金、工程塑料等，而且质轻，不易腐蚀，且表面光滑，反射阳光辐射性能好。利用绿化和结合建筑构件的处理来解决遮阳问题。结合构件处理的手法，常见的有：加宽挑檐、设置百页挑檐、外廊、凹廊、阳台、旋窗等。利用绿化遮阳是一种经济有而效的措施，特别适用于低层建筑，或在窗外种植蔓藤植物，或在窗外一定距离种树。根据不同朝向的窗口选择适宜的树形很重要，且按照树木的直径和高度，根据窗口需遮阳时的太阳方位角和高度角来正确选择树种和树形及确定树的种植位置。树的位置除满足遮阳的要求外，还要尽量减少对通风、采光和视线阻挡的影响。,
