綠色建筑設計概論 節選

第1章 氣候與建筑 1.1 建筑的起源 建筑原本就是人類為了抵御嚴酷的自然氣候而建造的改善生存條件的“遮蔽所(shelter)”，其微氣候適合人類生存。隨著技術與文明的進步，在生存問題解決后，如今人們追求的是舒適、健康的室內環境。無論在嚴寒的冬季，還是在酷熱的夏季，舒適、健康的室內環境，是人類對生活及工作環境的基本需求。良好的室內環境不僅有益于身體健康，*重要的是還可以提高工作效率。因此，創造舒適、健康的工作和居住環境是建筑物的基本功能之一，是建筑師在設計時必須要考慮的問題。 舒適室內環境的獲得可以通過兩個層面的設計來完成，如圖1-1所示。**個層面是建筑物自身的建筑學設計，如合理的朝向選擇有利于充分利用太陽能，良好的平面和剖面設計有助于自然通風的形成等，也就是通常所說的被動式設計。從城市規劃到建筑群體布局，從建筑平面、剖面設計到建筑構件的細部設計，應盡量減少冬季熱量損失和夏季熱量獲取，并盡可能利用天然采光。當這一層面的設計完成后，室內環境仍達不到舒適要求時或者在極端氣候的情況下，可以通過第二個層面的設計，也就是機械設備的輔助調節來完成。但是靠第二個層面的設計來實現室內的熱舒適是需要付出代價的，即增加能耗量。**個層面的設計完成得越少，第二個層面的設計耗費的能量就越多，因此**個層面的設計決策的好壞將直接影響到建筑能耗量的大小。好的建筑設計決策是指不需耗能或耗費少量的能源就能獲得理想的室內環境，欠佳的決策會使建筑*終能耗量增加2倍甚至3倍。可見，建筑方案設計的好壞將會直接影響建筑運行能耗量的大小，也就是說在整個節能建筑的設計中擔負主要責任的不是別人，正是建筑師。 圖1-1 舒適室內環境的獲得途徑 圖1-2 赫爾佐格設計的建筑工業養老基金會擴建項目 但很多建筑師在通過改進建筑物自身來改善室內環境方面做得很少，或者對此漠不關心，甚至設計出完全與氣候要求相違背的建筑，設備工程師完全依賴第二個設計層面來解決建筑的室內環境問題。例如，在酷熱或嚴寒地區設計帶有大片玻璃的建筑，迫使設備工程師不得不采用那些吞噬能源的巨大降溫或采暖設備來保證舒適的室內環境。但是如果建筑師可以對**個層面的設計加以重視，那么就可輕而易舉地使機械設備投資降低50%，如果再多花些心思的話，甚至可以使這部分投資降低90%。在某些氣候條件下，建筑設計中甚至可以完全不使用機械設備。而當建筑師真正可以把室內環境的好壞和建筑本身的設計結合起來考慮的時候，建筑形式往往也會變得更加豐富，因為不同于被隱藏起來的設備系統，類似遮陽板這樣的建筑構件可以帶來相當大的審美價值，有些甚至可以成為標志性設計，正如赫爾佐格設計的建筑工業養老基金會擴建項目中，遮陽構件是其外立面的主要特征，如圖1-2所示。 建筑節能是一個系統的工程，作為建筑師，應在方案設計前期就樹立環保節能的觀念，融合一些綠色建筑的理念和技術，主動采納采暖、通風、采光、照明、材料、聲學等多個技術工種的專業意見。單靠后期的調整，建筑的節能設計是很難完善的。在設計中，建筑師除了應該利用先進適用的節能方法和材料來滿足節能設計標準外，還必須從本專業要求出發，在總體規劃上，應更多地關注地域和氣候特點的研究，通過建筑物的朝向布局、日照分析、通風研究、綠化布置、透水地面等方式，在總體布局、生物氣候設計上，控制和改善氣候與環境要素對建筑的不利影響。在建筑設計中，應細致規劃各種交通流線和交通設施，使流線方便快捷，減少人力物力的浪費，交通設施數量和位置應適宜，提高效率；應認真推敲室內空間的大小、比例和各空間的位置關系，研究其空氣流動關系，避免能源的浪費；應關注一些可以替代的適宜技術與方法，如屋頂花園代替屋面隔熱、立面造型結合遮陽等。因為建筑在構筑室內外空間的同時，也在創造一個供人居住、生活的環境，所以無論哪一種生活形態，都必須以舒適、有效、安全為前提。人居環境的形成和維持也必須通過可持續技術來完成，建筑節能則是可持續建筑永恒的主題。 相對于現代建筑，傳統民居建筑在**個設計層面上就解決得非常巧妙：在選址、朝向、平面布局、空間組合、建筑用材、構造處理等方面，積淀了千百年來人們適應與利用自然、保護自然，以*簡潔靈巧且經濟的方式創造居住環境的思想和經驗。例如，我國北方地區的合院式民居的平面布局與空間組織利于在冬季收集太陽能和防止冷風滲透；南方地區的庭院式民居則利于夏季的自然通風和蒸發吸熱降溫；過渡地區的合院式民居，往往同時具備自然采暖與降溫特性。以現代建筑技術科學的觀點來審視民居建筑所呈現的這些效應，可以發現人們自發且巧妙地在民居建筑中考慮了自然條件和氣候特征，運用了“煙囪效應”原理、相變蒸發(冷凝)吸(放)熱原理、土壤蓄熱(冷)原理、太陽能熱利用原理以及地表風場的分布規律等，獲得了合理的室內空氣流場。在國家自然科學基金的資助下，西安建筑科技大學綠色建筑研究中心在大量實地考察和測試研究的基礎上，將這些“被動式”環境控制的科學原理和技術運用于建筑平面和空間的設計當中，在沒有現代采暖空調技術，不需要運行能耗的條件下，創造出了適宜的室內外物理環境。這個研究在現代建筑領域是開創性的，它有利于將我國優秀的傳統建筑經驗傳承下去。 為了滿足社會發展的要求，現代建筑需要在空間中筑起一個人工環境，并使室內環境保持舒適和穩定，因此需要付出很大的代價。建筑環境設計應該正視室外環境對室內環境的影響，通過相應的技術手段和控制方法做到尊重氣候。利用氣候條件的有利因素，調整環境對建筑的影響程度，可以營造出符合現代社會要求的更舒適、更有效的空間環境，從而成為真正人性化的建筑。 1.2 影響建筑設計的氣候要素 室外熱環境是指作用在建筑外圍護結構上的一切熱物理量的總稱，在設計建筑外圍護結構時，要想得到令人滿意的室內熱環境，就必須熟悉作用在其上的各種室外熱作用。 在研究人體熱舒適感及建筑設計時，涉及的主要氣候要素有太陽輻射、長波輻射、空氣溫度、風、空氣溫度、降水等。這些要素是相互聯系的，共同影響著建筑的設計和節能。 1.2.1 太陽輻射 太陽輻射是來自太陽的電磁波輻射，是地球上熱量的基本來源，是決定氣候的主要因素，也是建筑物外部*主要的氣候條件之一。冬季應盡可能地應用太陽能采暖，在夏季應盡量避免太陽輻射，以免室內過熱，從而達到舒適、節能的目的。 太陽以輻射的方式不斷地向地球供給熱量，太陽輻射的波長范圍很廣，但絕大部分輻射能量的波長為0.15～4μm，占太陽輻射總能量的99%。其中，可見光的波長為0.38～0.78μm，其輻射能量占太陽輻射總能量的50%，紅外線的波長大于0.75μm，其輻射能量占太陽輻射總能量的43%，紫外線的波長小于0.4μm，其輻射能量占太陽輻射總能量的7%。 當太陽輻射透過地球的大氣層時，其強度將減弱，而且光譜的分布也會因大氣層的吸收、反射與散射而改變。太陽輻射波長不同，因此在大氣層內被有選擇地吸收：大部分紫外線和輻射線均被臭氧所吸收，還有相當一部分紅外線被水蒸氣及二氧化碳所吸收。反射主要發生在小水滴表面，并且實際上是無選擇性的。另外，空氣分子和塵埃微粒可以有選擇性地擴散那些與其大小相當的太陽輻射，故天空會呈現出藍色、黃色或乳白色等不同顏色。 1.2.2 長波輻射 由地表向大氣及外層空間放射的是長波輻射，其強度取決于地表溫度與大氣或外層空間中吸收輻射的介質溫度的差值。大氣層中的各種氣體也會向各個方向放射長波輻射，地面則吸收了向下放射的部分。在大氣所含的各種氣體中，水蒸氣是主要的長波吸收體，其次是二氧化碳。 由地表放射出的輻射量與大氣對地表放射的逆輻射量的差值稱為凈輻射散熱量。陰天時，這個值會降至極低的水平，這是因為云層中的水滴能吸收并反射由地表所放射的全部長波光譜。因此，地表所散發的全部輻射在云層底部就已被充分吸收了。在明凈干燥的大氣中，凈輻射散熱量*大，且隨著水蒸氣、微塵，特別是云量的增加而減小。 1.2.3 空氣溫度 地球表面加熱或冷卻的速率是決定其上部空氣溫度的主要因素。與溫暖的地表直接接觸的空氣層，由于導熱的作用而被加熱，此熱量又主要靠著對流的作用而轉移至上層空氣，由此，氣流和風帶著空氣團不斷與地表接觸而被加熱。在冬季及夜間，地表空氣較冷。這樣，就產生了反向的凈熱交換，與地表接觸的空氣就會變冷。 在不同地點、不同高度、不同時間、不同朝向，空氣的實際溫度都會有所變化。氣象學中所指的空氣溫度是距離地面1.5m、背陰處空氣的溫度。室外空氣通過建筑門窗的通風作用進入室內，給室內帶來或者帶走熱量，改變室內的空氣溫度，影響室內熱平衡。 1.2.4 風 風是由于空氣流動而形成的，了解風形成的原因及其受地面物體的制約，對建筑設計有很大的指導意義。因此，了解地方風的形成比大氣環流有更大的實用價值。 風是由高氣壓的空氣向低氣壓的空氣流動而產生的結果。空氣的溫度不同導致了空氣氣壓的高低變化：氣溫高，則空氣膨脹，密度變低，此時的空氣稀薄，氣壓也較低；反之，氣溫低，則空氣密度較高，氣壓也較高。由于空氣受太陽輻射的強弱不同，以及空氣對熱量吸收率是變化的，氣溫產生高低變化，從而形成了風。 風速和風向從兩個方面來影響建筑物的熱狀態：一方面，它們決定著建筑物外表面的熱阻，因而決定了建筑物外圍護結構的隔熱性能；另一方面，它們影響了通過開口的換氣量，從而影響了建筑物總的熱平衡。 根據其成因、范圍和規模，風可分成大氣環流、季風、地方風等類型。 1. 大氣環流 在地球的赤道地帶，由于氣溫高，空氣受熱膨脹上升，氣壓的垂直梯度變小；而在兩極地帶，由于氣溫低，氣壓的垂直梯度變大。這樣，在赤道上空的氣壓比同一水平面上的極地處高，在上空形成由赤道指向極地的氣流。在極地上空積聚了來自赤道的空氣，向下沉降，使地面的空氣密度增大、氣壓升高；而赤道地面因空氣上升，地面的空氣密度減小，氣壓降低，在地面上就形成了由極地流向赤道的氣流。在赤道地區，空氣以上升運動為主；在兩極地區，空氣以下沉運動為主，從而形成赤道和極地之間的大氣環流。 大氣在赤道受熱上升，從高空流向南北半球，由于受地轉偏向力的影響，到南、北緯30°的地方，氣流運動方向大致與緯圈平行，形成壓力很大、風速很小的地帶。從這一帶開始，地面的氣流向南北流動。例如，在北緯30°以南形成北風，在北緯30°以北形成南風，這種風進到北緯60°時抬頭向上，在地面造成低壓吸引兩極氣流，形成了整個大氣的完整環流。 2. 季風 大氣環流的產生是以假定地球表面結構均一為條件的，但實際上地表是不均勻的，有海洋和大陸的分異。夏季，大陸受熱強烈，近地面層形成熱低壓；而在海洋上，副熱帶高壓范圍大大擴展，從而使氣流由海洋流向大陸。冬季，大陸迅速冷卻，近地面層形成冷高壓，而海洋上的副熱帶高壓范圍逐漸縮小，大陸低壓范圍擴展，氣流由大陸向海洋運動。這樣，一年中盛行風向隨季節有規律地變化，從而形成季風。對我國氣候影響*大的就是季風，在南方地區，夏季主要受東南季風和西南季風影響。 3. 地方風 受局部環境，如地形起伏、水陸分布、綠化地帶的影響，某些局部地區加熱與冷卻不均，引起小范圍氣流，稱為局地環流或地方風。地方風主要包括水陸風、山谷風、林原風、街巷風、天井風、庭園風等。 水陸風是在江岸、湖濱、海濱等水陸相接處，由于水面與陸地加熱、冷卻速率不一，出現了由水到陸的水風(白天)，以及由陸到水的陸風(夜晚)。 山谷風是由于山坡受日照的時間較早且長，日輻射強，升溫快，白天，風沿坡而上形成谷風，夜晚，風順坡而下形成山風。 林原風是由于綠化地帶的茂密森林與開闊的田園兩地受熱不均，白天風從林中吹來，夜間，風向林中吹去。 同理，街巷風、天井風和庭園風等都是因為建筑設計中采取了不同的處理方法，造成局部環境和溫差不同而產生的。 1