我国东南沿海地区节能建筑设计探索

圃辙赠娇oFARcMEcTURALDEsIGN ·建筑节能· 我国东南沿海地区节能建筑设计探索 ResearchonEnergy—SaVingArchiteCtureDesignintheSeasideAreasinSOutheastChina 徐 畴 XuFang 中国分类号Tu2015 文献标识码A 摘要 当前节能建筑的研究与设计在 我国方兴未艾。然而我国适合东南沿海 地区的节能建筑设计却得不到应有的重 视。该文以一个竞赛设计方案为例探讨 了在该地区进行节能建筑设计的策略和 具体手段，此外，澄清了节能建筑的概 念并对该地区的环境特点进行了分析和 总结。 关键词 节能建筑我国东南沿海地区 节能建筑设计 AbstractTheresearchOfenergy— saVingarchitectureanddesignare intheascendantinChina nowadavs．Butcons}derationjs rareIygiVent0thespeci州cenergy— saVingdesignintheseasideareas inS0utheastChina．Thisarticle probesintothestrategjesand meansofenergy—saVingdesignin thoseareasbyexplicat．ngadesign cOntestprOp0SaIandadd⋯ona¨y， clarifiesthedef}n计jonofenergy— saVingarchitectureandproVides ananaIVSiSOftheenVironmentaI charaCteristicsofthisregion． KeyWordsEnergy—saVing architecture Seasideareasin SOutheastChinaEnergy—saVjng architeCturedesjgn 作 者上海同济大学建筑与城规学院 硕士研究生 邮 编 200092 收稿日期 20040228 文章编号1003—739x(2005)01一0085—04 我国东南沿海地区，包括浙江，福建，广东三省以及上 海市及其周边地区，是我国经济发展的前沿，建设活动十分 频繁。然而节能建筑的研究与设计目前还很不足，远不能适 应形势发展的需要。在此，我想就如何在我国东南沿海地区 进行节能建筑的设计谈谈自己的看法。 1 对节能建筑的认识 工业化以来200多年间，人类以前所未有的速度改变着 地球的面貌，以大量消耗地球不可再生资源(煤，石油，天 然气等化石燃料)和不断恶化地球生态环境为代价建立起辉 煌的物质文明。长期以来，这样一种发展模式从未受到过质 疑。直到20世纪80年代，人类在全球领域遭遇的环境恶化 与经济停滞问题才促使人们冷静下来，思考解决环境与发展 问题的良策。1987年，联合国“环境与发展委员会”在《我 们共同的未来》一书中正式提出可持续发展的概念——“既 满足当代人的需求，又不对后代人满足其自身需求的能力构 成危害的发展”后，迅速成为地理、环境、经济、规划等学 科研究的焦点和前沿课题。可持续发展的概念在建筑学界也 产生了深远的影响。西方发达国家的建筑学者与建筑师开展 了大量理论与实践工作，探索可持续发展的建筑。 可持续发展建筑是一个很基本的概念，具有广泛的意义。 它要求建筑在满足自身使用功能的基础上还要满足两个方面 的要求：①尽可能少消耗甚至不消耗不可再生的资源；②尽 可能少排放甚至不排放有毒、有害、或不可降解、不可循环 的废物。上述两方面的要求必须贯彻建筑生产，使用，废弃 的全过程。对于可持续发展的建筑，各国学者有许多不同的 述，诸如：生态建筑，这种表述进一步强调建筑在生产， 使用的过程中，其物质与能量的流动与自然环境的物质与能 量流动有机结合，成为整个生态系统的一部分。 目前，节能建筑的概念在我国建筑界十分流行，然而不 少人顾名思义，对这一概念存在着片面的认识。我个人认为 这一概念固然强调了减少能耗的要求，但仍然是可持续发展 建筑的另一种表述，应当包括前述的两个方面的要求。有些 人只谈到了减少能耗这一个方面，这是不科学的，因为这样 就无法把一幢安装有节电空调的建筑物与真正的节能建筑区 别开来。 2我国的现状 我国是一个发展中的大国，也是一个能源消耗大国。建 筑能耗尤其庞大。据统计，全国的建筑，从材料采集，构配 件生产，运输与现场建设到使用期完结的总能耗占全国总能 耗的40％以上。期间，对环境的污染亦十分严重。现在我国 的温室气体排放量已居世界第二位，其中一半是建筑生产与 使用过程中的排放。严峻的形势迫使我国加快进行节能建筑 的研究、设计。但就目前的状况而言，总体水平不高且发展 不平衡。由于在研究过程中过多的借用国外的成果，而不注 意独立思考，因地制宜的发展适合自身气候特点的设计理 论，造成节能建筑研究局限于北方寒冷地区的状况(节能建 筑研究的先进国家大多位于高纬度地区)。而我国东南沿海 大片地域，气候独特，国外没有相应的研究，结果无论是节 能建筑的理论探索还是设计实践都严重滞后。 3东南沿海地区的环境特点 在我国东南沿海地区进行节能建筑的设计研究，必须了 解这一地区的自然环境特点。首先，了解自然环境的特点， 就能够了解造成建筑能耗与污染的根源，因为建筑设计本质 上是为了克服自然环境的局限，创造适合人类生活的热环 境，光环境，声环境等等人工环境；其次，了解自然环境的 特点，就可以设法利用自然中的清洁，安全的可再生资源(太 阳能，风能，水动力能，核聚变能等)，代替不可再生资源， 从而减少能耗与保护环境。这也是目前进行节能建筑设计的 主要思路。 我国东南沿海地区，包括浙江，福建，广东i省及上海 市及其周边地区。纬度介于北纬23．5。(北回归线)与33。 之间，距海岸200km以内。这一区域具有许多共同的而又独 特的气候，植被，土壤，地形特点，因此在探索节能建筑时 可以作为一个整体的研究对象。 (1)气候特点 该地区的纬度范围决定了其太阳辐射的基本状况，图1 反映了与该地区南北端同纬度的美国亚利桑那州菲尼克斯 (Phoenix)市和佛罗里达州迈阿密(Miami)市的冬、夏季日 照及气温状况，可以用来反映了我国东南沿海地区典型的四 季辐射状况。从中可见，夏季辐射量远大于冬季，冬夏季太 阳辐射分布很不相同(图1)。 根据苏联气象学家阿利索夫(Alisof)的气象分区法，我 国东南沿海地区几乎全部位于亚热带。这一地区冬季很少受 到寒流的影响而由于靠近海洋，夏季受到台风的影响并且具 有明显的季风性气候特征(图2)，主要表现为冬干夏湿。这 一地区的降水主要集中在夏季。例如上海，年降水量l139rm， MI^Mf-FL^ 图1 同纬度地区的太阳辐射资料 (左边的两幅图表示冬季某一天的辐射状况和温度状况，右边的两 幅图表示夏季。图中的箭头代表一定能量值的辐射。圆环代表相 等的气温，两个相邻的圆环代表的气温相差1摄氏度。箭头标H{了 当天的最高气温和最低气温及其m现方向。需要说明的是，两地 的气温指标因受海陆关系，地形等的影响而与同纬度的我国地区 有一定的差别+仅供参考。) 日，建筑 第23卷01，2005畸 万方数据 图2我国冬季的寒流走向和夏季受台风影响的区域 6到9月占52％，11月到2月仅占17％。同时该地区 全年降水总量较大，年平均降水量1000mm～3000mm。 总的来说，这一地区的气候特征是，夏季炎热多 雨，冬季凉爽干燥。其中的临海城市还受到海洋性气 候影响，有一些独有的气候特点，如海陆风现象，这 是一种由于水陆间热力性质不同而形成的以一日为周 期的方向相反的地方性风系。由于这些气候特点，该 地区建筑物夏季用于制冷降温的能耗远大于冬季采暖 的能耗。从另一方面看，该地区在夏季又具有良好的 利用蒸发和通风进行散热制冷的自然条件。 (2)植被特点 这一地区在土壤类型和气候特点止的相似性在植 被特点上有明显的反映(冈3)。同时，该地区具有独 特的植被特点，主要表现为植物种类繁盛，生长迅速， 水稻等农作物能一季两熟。此外，由于季风的作用，形 成“雨热同季”现象，对植物的生长发育十分有利。 总的而言，我国东南沿海地区夏季炎热，这是节 能建筑设计必须面对的不利因素，同时该地区又拥有 丰富的可再生资源。季风与降水都可以加以利用，适 于植物生长的环境与丰富的植物种类十分有利于建筑 盎寻fp”。⋯ 图3我国植被区划圈 4节能建筑设计的目标与手段 (从图中可见我国东南沿海地区的植被主要是亚热带阔叶林(IVA系列)，广东省南部地区以热带雨林植被(VA系列)为主) 由于我国东南沿海地区夏季日照强烈，气温较高， 建筑物在夏季的制冷降温是造成建筑能耗与环境污染 主要原因。因此，我认为在该地区进行节能建筑设计 主要目标是：减少夏季建筑制冷过程中的能耗与环境 污染。 在手段上，一个总的原则是，充分利用当地的可 再生资源，代替原先的不可再生资源实现夏季建筑的 制冷降温，同时，在这一过程中，不能产生新的能耗 与污染。在此原则下，我认为适用于该地区的节能建 筑设计手段可分成两大类：建筑的手段和构造的手 段。建筑的手段就是通过环境设计和建筑的平面布局 与剖面设计来降温节能；构造的手段，就是通过构造 层次，节点的设计来降温节能。此外还有设备的方法， 但此方法技术要求高，难以普及推广，且使用过程还 是要耗费能源，节能水平不易评估，这里不作讨论。 表l总结了上述两大类节能设计手段的运用方法， 其中强调对风，水，植物绿化等可再生资源的利用以 BB皿鼻建筑第23卷01／2005 及不同设计的有效时段。 一个理想状态下的节能建筑在夏季的典型工作状 况应是：白天，室外气温高，而室内气温低，通过遮 阳手段和高热阻的围护结构阻止室内升温，利用雨水 和绿化尽量冷却受热的墙体和屋面。夜间，室外气温 低，室内气温高，尽量利用通风手段降温，低热容建 筑的围护结构能少向室内放热。另外，设计合理的环 境，能营造建筑周围的小气候，使建筑附近无论是日 间还是夜间都气温较低。 当然，在这一地区进行节能建筑设计，对冬季的 保温要求还是要有一定的考虑，比如，设计建筑体型 时尽量减少不必要的凹凸，以减少热量的散失。 5具体的设计案例 笔者想以最近完成的一个节能住宅设计，具体的 说明本人对节能建筑设计的看法。该设计方案获首届 中国生态建筑设计大赛二等奖。 建筑基地位于福建省永安市，永安市位于闽中偏 西，大约界于东径116。56’～117047’，北纬25。33’ —26012’，东西宽82km，南北长约7lkm。永安属亚 热带季风山地气候，夏长冬短，气候温暖，年均气温 19．10c，雨量充沛，平均年降水量l580．7mm，无霜 期3叭d，年均日照1766．1h。永安市的一大特点是竹 子资源十分丰富，全市共有毛竹林面积70余万亩，农 民人均拥有毛竹面积3．9亩，居全国首位。 (1J建筑设计的节能措施 这是一个合院式与联排式相结合的住宅，两户组 成一个基本单元，这个单元在东西方向上排列并拼接 起来。单元平面几乎呈正方形，其内部包含了一个约 8m见方的内院。规整的外形和联排拼接的形式有利 于节约建筑材料，减少在生产和建造过程中不可避免 的能源消耗，而且较少外墙面积有利于减少在冬季时 的热量散失(图4～5)。 基本单元的平面设计与剖面设计十分强调利用夏 万方数据 季夜间的海陆风进行降温。单元的南向部分底层架 空，不阻挡来风。庭院具有拔风作用，加快风速。此 外，房间的排列设置也考虑了气流的通畅，二层的南 北向走道保证了风可以深入建筑的内部；一层的厨房 上方设置的采光井兼有拔风作用，有利于餐厅与书房 的通风(图6)。 单元设计充分考虑了遮阳措施。起居室，主卧室 等房间通过设置凹阳台遮挡阳光，阳台的进深与高 度的比例，保证了在夏季起到遮阳作用而在冬季能 使阳光顺利射人。此外，将二层的交通空间设在靠 内院一侧，避免了东西向的阳光直接照射使用空间。 而一层的厨房主要利用其上部采光井的内壁反射光， 也避免了直接照射造成过热。单元设计十分重视屋 顶的防热，因为资料显示，夏季太阳对建筑物的辐 射大部分集中在屋顶部分，单元设计除了采用构造 措施外，坡屋顶下面的空间用吊顶封闭，可以阻止 热量向室内传递。 内院的布置强调了景观效果与节能意义的有机结 合。中央部分设置水池，蓄积雨水，以利于蒸发散热。 在内院中因地制宜的种植棕榈等植物，由于棕榈的树 冠较高，既可遮阳，又不妨碍通风(图7)。 (2)构造设计的节能措施 该建筑的外墙与屋顶的构造较有特色，充分利用 当地盛产的毛竹，刚竹作为建筑材料。既创造了独特 的建筑形式，又达到了隔热保温的目的，而且不会对 环境产生额外的压力。 墙体的主承重结构采用的是混凝土封底砌块， 自重较轻，可以节约基础的建设，而且，本身具有 较高的热阻值。聚丙乙烯的隔热保温层设置在其外 部，然后是铝箔反射层和空气间层，最外层是由竹 片，竹管组合成的遮阳层。多种手段相结合，阻止 太阳辐射与室外热空气向室内传热。竹片组成的遮 阳层实际上是由一个个单元拼接而成的。每个单元 都是预制后在现场装配的，通过一些铝型材来定位 并相互连接。一旦其中一个单元损坏，还可以很方 便的更换，保证整个外墙体的热工性能。此外，竹 片的不同朝向还造成了两种不同的肌理效果，丰富 立面的设计(图8)。 屋顶采用一种独特的“竹瓦种植”的构造，密排 的大竹管内用锯末黄土的混合而成的种植土填充，作 为绿化种植的基础。竹节的天然构造能起到固定土层 的作用。竹管下钻孔并设置滤水层，排水道，满足植 物正常生长的需要。屋顶自身的排水，隔热保温层构 造设在绿化层的下方，它们之间还有一层空气层。这 样的一种布置，既可以阻挡，吸收太阳的辐射热，又 能阻止室外空气的传导热(图9)。 屋面种植的植物选择了牵牛花，因为这种植物能 自己落种，繁殖能力强，保证绿化的延续性。此外，屋 图4节能住宅群体组合与基本单元的计算机渲染图Pi兰匠干j午 E!竺兰蔷=竺!土二竺二盘世!!型 图5基本单元的平面 图6基本单元的通风分析图 表1 节能建筑设计的目标与手段 设计手段 控制热源 减少得热 进行散热 (日间，夜间进行环境设 (日间)利用植物遮阳减少 (夜间)利用通风设计，冷却建筑外围护结构。 建筑设计 计，通过绿化，水体营造 辐射传热。 (夜间)利用通风设计．降低室内气温。 的手段 局部小气候，降低室外 建筑本身体型形成遮阳。 (日问，夜间)利用雨水，冷却建筑外围护结构。 气温。 (日间，夜间)利用地层低温，降低室内气温。 构造设计 (夜间)选用低热容建筑 (日间)遮阳设计，减少辐射传热。 (夜间)构造层次包含通风层，利用通风降温。 的手段 材料，减少围护结构向室 (日间)墙体设计，提高热阻。 (日间，夜间避行屋顶种植与垂直绿化的构造设 内放热。 (日间)屋面设计，提高热阻。 计，利用植物的蒸腾散热作用． 面还设有T作走道，便于住户自己维护绿化层。 所有这些设计手段都强调了一个目的，即实现降 低夏季室内气温，减少空调负荷，以节约能源和减少 污染。设计中也兼顾了冬季保温的要求。 节能建筑设计是一项十分复杂，困难的工作=它 涉及到各方面设计因素的平衡，费用与收效的平衡， 先进性与可靠性，维护性的平衡等等。再加上我国东 南沿海各地区又有各自不同的气候特点，设计中所面 临的挑战十分巨大。我个人的看法仅仅是抛砖引玉， 吾辈同侪还需要开展更多，更有成效的工作，才能实 ●西建筑 第23卷01／2005盯 旷¨忆㈠H∽沁¨旧矿可刊引圳川 ◇ 万方数据 图7内院图 现我国在节能建筑设计领域的真正突破。 参考文献 ／ ■ 1 WorIdEnvironmentandDeveloDmentCommisSion． “ourCommonFutLlre”．1987． 2 SimVanderRvn&StuartCowan，“Ecolo画cal Desi卿”，IslandPress，1995． 3 lohnBarrieAssociatesArchitectsInc(1BA)． “SustainableFacilicvGuide”．2000． 4 “ArchitecnlralGRAPHIcstandards”(光盘版) Copyright02()()()，IohnWikv&Sons，Inc，2r)∞ 5 中国大百科全书——中国地理北京：中国大百科 全书出版社，2f)03 6 中国大百科全书——大气科学·海洋科学·水文 科学．北京：中国大百科全书出版社．2rJn3 7 夏云等译著生态与可持续建筑北京：中国建筑 工业出版社．2(⋯1． 8 金招芬等编著建筑环境学北京：中国建筑工业 蚰 皿建筑 第23卷01／2005 图9屋顶的复合构造 常游憩去处。隔层设置交往平台的做法，这在寸土寸 金，高层林立的香港地区应用很多，平台花园能够很 自然将塔楼聚居总体在竖向上划分为若干单元，住户 能够驻留并管理自己范围的花园，增强其公共场所的 ．． 责任感，又能够在共同的管理活动中建立起密切的邻 图8外墙的复合构造 电羊磊 不同的地域对于不同的空间模式具有不同的情感。 援用当地的空间模式加强地域特征可建立丰富的聚合 性公共空间，尤其是那些能够使人放松身心，享受自 然的场所。像重庆国贸大厦就是从“饮茶”文化中，将 高层住户凝聚到隔层设置的“屋檐”意象的三层高的 缘侧空间下；而北京建成的s0H0现代城三层高的空 中四合院，是根据北京的气候特征将四合院作为设计 的蓝本。从城市、生态以及人文出发的聚合性刭司设 计，应当在遵循空间自身规律的基础上，运用现代空 间技术，将这种空间处理得当，包括空间的规模与形 式。在具体的空间设置中，这种空间并非以规模彰显 起聚合效果，空洞的空间，反而使住户产生抵触心理， 还浪费了面积。 出版社．20(Ⅵ 9 宋德萱编著建筑环境控制学．南京：东南大学出 版社．2003 10宋晔皓“生态建筑设计需要建立整体生态建筑 观”．建筑学报，2001(11) 11李宛华，吴耀东．可持续的建筑与可持续的环境． 世界建筑，1998(1) 12宋晔皓．“欧美生态建筑理论发展概述”．世界建 筑．1998(1) 13『德1麦哈德·冯·格康“建筑与可持续性——走 向未来的建筑”世界建筑，2()(Jo(4) 结语 随着住宅的商品化，实现高层建筑的公共空间设 计问题，只有建筑技术的支撑，而没有空间实践，是 不实际的。目前，高层住宅户数已明显减少，在从根 本上保证了住宅的私密性，也为公共空间提出了更高 要求。高层住宅行为学、社会学以及地方人文特色、气 候特征是可资借鉴的活水源头。可持续发展观，也成 为高层居住环境的进一步改善的理论支撑。公共空间 的设计涉及到开发商能否牺牲一层面积或者更多，用 来搞室内温室绿化空间；或设计人员是否能够密切观 察人们的日常行为规律等多方面的现实问题。虽然要 得到真正人性的环境还需要更多的努力，但我们并不 应当停止探索，本着扎根城市环境，扎根于地域文化， 扎根于生态环境的原则，高层聚合环境的人性化设计 必将实现。 一 (上接82面) 现在在很多毫层住毫下警，风势堡劲的空置涡流使地 注 释 面层的局部气候不断恶化，无法有效地绿化与建设， 有效的方法如在形体上设计为具有屋面花园的退台 (1)内部公共空间：居住、交通以外的小范围的交往 式，这样即疏导了风向，又给高楼居住的人们提供了 和游憩空间，住宅中的公共和半公共空间都属 室外交往的场所，解决了部分住户的老人、儿童的日 于这种类型c 万方数据 我国东南沿海地区节能建筑设计探索 作者： 徐昉， Xu Fang 作者单位： 上海同济大学建筑与城规学院,200092 刊名： 华中建筑 英文刊名： HUAZHONG ARCHITECTURE 年，卷(期)： 2005,23(1) 参考文献(13条) 1.中国大百科全书--大气科学·海洋科学·水文科学 2003 2.中国大百科全书--中国地理 2003 3."Architectnral GRAPHIC Standards" (光盘版)Copyright 2000 2000 4.John Barrie Associates Architects Inc.(JBA) Sustainable Facility Guide 2000 5.Sim Van der Ryn;Stuart Cowan Ecological Design 1995 6.麦哈德·冯·格康 建筑与可持续性-走向未来的建筑[期刊论文]-世界建筑 2000(04) 7.宋晔皓 欧美生态建筑理论发展概述 1998(01) 8.李宛华;吴耀东 可持续的建筑与可持续的环境 1998(01) 9.宋晔皓 生态建筑设计需要建立整体生态建筑观[期刊论文]-建筑学报 2001(11) 10.宋德萱 建筑环境控制学 2003 11.金招芬 建筑环境学 2001 12.夏云 生态与可持续建筑 2001 13.World Environment and Development Commission Our Common Future 1987 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hzjz200501033.aspx