建筑节能--节能建筑的规划设计原理

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表面反射率α发射率ε表面反射率α发射率ε道路窗沥青0.05~0.200.95清洁玻璃0.10~0.160.13~0.28墙壁天顶角小于40°0.080.87~0.94混凝土0.10~0.350.71~0.90天顶角40°~80°0.09~0.520.87~0.92砖0.20~0.400.90~0.92涂漆石0.20~0.350.85~0.95白色、白涂料0.50~0.90.85~0.95木材——0.90红、棕、绿0.20~0.350.85~0.95屋顶黑0.02~0.150.90~0.95柏油和砾石0.08~0.180.92城市区域瓦片0.10~0.350.90范围0.10~0.270.85~0.95石板瓦0.100.90平均0.15——茅草屋顶0.15~0.20————————波纹瓦0.10~0.16————————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。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13~15%，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2~4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名称符号指标（w/m2·y）资源丰富带I≥2024资源较丰富带II1628—2024资源较贫穷带III1349—1628资源贫乏带IV≤13493.3.1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1.1~1.3H（H为建筑高度），即日照间距系数为1.1~1.3。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。DHHtg2shhs1tgHD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。cossincossin)'(0tgitghWtgiddHDcossincossin)'(0tgitghWtgiddHD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;θ--建筑物法线面的太阳投射角;γ--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;β--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;ω--建筑方位与太阳方位差角ω=β-A。(或A。-β);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地区南向南偏东（西）10°20°30°40°50°60°上海1.421.431.411.331.221.070.89南京1.471.481.451.381.261.110.92合肥1.461.471.441.371.251.100.91南昌1.291.311.281.221.120.980.82武汉1.391.401.381.311.201.050.87长沙1.271.291.261.201.100.970.80成都1.391.411.381.311.201.050.87注：日照间距D=L0·H，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13~14时（10~11时）,西（东）向墙面峰值日射强度较小，出现在14~15时（9~10时），北向墙面峰值日射强度最小.不同朝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武汉时间强度南墙12:00410西南（东南）墙13:00~14:00（10:00~11:00）370西（东）墙14:00~15:00（9:00~10:00）245西北（东北）墙北墙12:00102南京时间强度南墙12:00430西南（东南）墙13:00~14:00（10:00~11:00）395西（东）墙14:00~15:00（9:00~10:00）267西北（东北）墙/北墙12:00116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汉口时间强度南墙12：00279西南（东南）墙15：00（9：00）476