夏热冬暖地区建筑节能设计的研究黄险峰（广西大学土木建筑工程学院，广西南宁，530004）摘要：在通过对夏热冬暖地区的建筑特点、气候特征以及建筑热工分析，阐述了影响建筑能耗的各个因素，探讨了这一地区建筑节能设计方法和要点。并论述了夏热冬暖建筑节能的目标。前言：按《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》（JGJ75-2003）的划分：夏热冬暖地区分为北区和南区。例如在广西，百色、南宁、梧州、北海、凭祥、玉林等地区在南区；河池、柳州、贺州等地则位于北区；而桂林是属于夏热冬冷地区。夏热冬暖大部分地区为亚热带湿润季风气候，即湿热型气候，其气候特点其气候特点是：日照时间长，太阳辐射强度大，夏季时间长，温度和相对湿度高，降雨多，季风旺盛[1]。目前主要依赖制冷设备维持室内舒适温度和湿度。空调已成为居民住宅的主要降温手段，由1户1台发展到1户多台。高峰期住宅的总用电量为每月每户163-322kWh，而冬季用电低谷时为67-89kWh。2000年以来，伴随着住宅面积和家用电器数量的增加，上述指标增加了20%左右。在这一地区，空调能耗已经成为建筑能耗的大户，约占住户全年收入支出的10%以上。夏热冬暖地区的经济水平比较发达，未来空调装机容量还会继续增加，因此必须依托集约化的技术体系，通过改善设计来实现住宅节能，改善室内热环境，并减少空调装机容量及运行能耗。
由于种种原因，冬暖夏热地区的建筑节能实施得最晚，直到2003年才颁布的《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》（JGJ75-2003），然而这一标准的实施需要大量成熟可行的建筑技术和设计方法作为支撑。因而这一地区建筑节能方法仍需要进一步研究和探讨，所以开展夏热冬暖地区建筑节能策略的研究，具有重要和深远的战略意义。在这一地区，南区的建筑节能设计应主要考虑夏季空调节能。北区的建筑节能应主要考虑夏季空调，兼顾冬季采暖。夏季室内设计计算指标应：居住空间室内设计计算温度26。计算换气次数1.0次/h。北区冬季采暖室内设计计算指标为：居住空间室内设计计算温度16；计算换气次数1.0次/h[2]。夏热冬暖地区建筑热工性能和建筑能耗夏热冬暖地区的传统建筑比较重视通风遮阳，室内层高较高，建筑屋顶和外墙采用的重质材料居多，外墙采用240mm厚的黏土实心砖墙和黏土空心砖墙，屋面采用一定形式的隔热，如大阶砖通风屋面等，可起到良好的隔热效果。在上世纪70年代，由于片面强调节约工程造价，外墙普遍采用180mm厚黏土实心砖墙或空心大板，其热工性能不满足国家热工设计规范的要求，随着新型建材的发展，轻质高效保温隔热材料作为屋顶和墙体材料也日益增多。
另外女儿墙的增高，通风屋面起不到通风隔热的作用，片面强调容积率，提高建筑密度自然通风难以实现；外窗很少考虑遮阳，甚至推崇飘窗台。结果导致室内热环境较差。一般而言这一地区的建筑的热工性能普遍较差，在冬季没有良好的保温性能和气密性，这一地区冬季的室内热舒适度不佳，例在南宁冬季最冷月（1月份）的室内热舒适指标PMV值仅为-2.3至-1.7，感觉寒冷和不适，即使出太阳时也仅为-1.5。在夏季隔热又差：围护结构温度谐波的总衰减系数较小，总延迟时间过短。所以居住热舒适条件的改善完全依赖居民自行安装空调采暖和降温。统计表明：夏热冬暖地区冬季的用电量各种户型变化不大，而夏季空调期用电量的变化较大，变化幅度接近1倍以上，这主要是受空调使用时间等因素的影响，2000年以来，伴随着住宅面积和家用电器数量的增加，上述指标增加了20%左右。另外，根据统计发现，对于一些高档住宅而言，每有耗电量在3.2~7.6kWh/(m2月)之间，平均在5.3kWh/(m2月)；而空调季节的耗电量已经达到了5~10kWh/(m2月)。巨大的空调能耗导致该地区缺电，在用电高峰季节频繁出现拉闸限电现象，而建筑内部热环境的改善十分有限，能源严重浪费。
因此在此地区开展建筑节能政策的执行是经济发展和社会发展的必然选择，是发展节约型社会的重要途径，是改善人居环境质量的必由之路。2.夏热冬暖地区建筑节能设计方法由于种种原因，夏热冬暖地区建筑节能的实施比我国其他地区要晚，有许多建筑节能设计方法和规律还需要进一步深入研究和探讨。建筑节能设计应从节能的整体规划设计、节能建筑的单体设计两个主要方面开展：2．1整体节能规划节能的整体规划设计充分体现“建筑设计结合气候”的设计思想，分析构成气候的决定因素（如太阳因素、大气环流、地理等）的有利或不利影响，通过建筑的规划布局，创造有利于节能的微气候环境。主要从建设选址、建筑和道路布局、建筑朝向、建筑体型、建筑间距、冬季主导风向、太阳辐射、建筑外部空间环境构成等方面进行深入研究。其设计方法依靠建筑技术手段实现建筑与气候的和谐统一。小区住宅不同体量建筑的搭配，高低层错落有致的排列往往能使各居室获得最大的天然采光。充分利用天然采光，就可以减少人工照明的时间，也可以达到节能的目的。同时体量的搭配也能促使小区气流的合理流动，开成良好的小区气候。夏热冬暖地区的主要气候特征之一，表现在夏热季节的4-9月盛行东南风、南风，在住宅小区的总体规划设计上首先应考虑到充分利用东南风、南风这一有利条件，合理设计建筑朝向、间距及体量；合理组织小区内的空气流动。
另外，夏热冬暖地区亚热带地区有季风，因此在住宅设计中要充分考虑利用海风、江风的自然通风优越性，并按自然通风为主、空调为辅的原则来考虑建筑的朝向和布局。对建筑周围的风环境进行分析，并采取建筑措施改善室内风状况。以前往往强调风玫瑰图作为节能设计的依据，但建筑声场地的微气候因地理环境、地形地貌、周围建筑、绿化等不同，使得具体场地的风环境与当地的风玫瑰有较大差异，因此在具体设计中应对当地的宏观气候、间接气候和微观气候进行全面分析，找出风环境的显著特征，采取有效的节能设计策略，增加气候环境的有利影响，减少和修正不利影响。如现代中庭建筑的热环境是比较难处理的，所以在设计时，应对建筑周围的环境进行深入研究，充分考虑周围建筑对风的遮挡和干扰，建筑表面的风压分布状况、利用流体力学的基本原理，对中庭建筑进行剖面设计，在适当部位设置导风装置，形成“文丘里管”的竖向拔风效应[3]，改善和优化了建筑风压分布状况，合理地组织了室内通风。进而达到高舒适，低能耗的目的。适宜的住宅体型系数，合理的平面、立面、剖面设计都能极大的减少能耗。建筑物的体型系数（S）是一栋建筑的外表面积F0与其所包围的体积V0之比，即：S=F0/V0。
体型指数的大小影响建筑能耗。体型指数越大，单位体积对应的外表面面积越大，外围护结构的传热损失也越大，节能设计时控制建筑的体型系数非常关键。从降低建筑能耗的角度出发，应合理地考虑体型指数，在夏热冬暖地区的北区，单元式、通廊式住宅的体形系数不宜超过0.35，塔式住宅的体形系数不宜超过0.40；夏热冬暖地区的南部对体型指数不作具体要求，但也应在建筑设计中，从整体上考虑造型、采光通风、平面布局，适当地减少体形系数也是有利于节能的。2．2节能建筑的单体设计单体设计是从建筑设计本身出发，包括：建筑的平面布局、建筑体型体量设计、建筑内外空间设计，窗、地面积比或者窗、墙面积比的设计等方面。合理组织建筑内部的自然通风同样重要，对于夏热冬暖地区中的湿热地区，由于昼夜温差小，相对湿度高，因此可利用通风以改善室内热环境。要合理地选择建筑间距、朝向、房间开口的位置和面积，控制房间的进深以保证自然通风的有效性。使建筑物冬天可以保持室内的热量，避免冷风渗透，夏天能形成穿堂风，达到自然风降温，从而达到节能的目的。同时，在设计中还要防止片面追求增加自然通风效果，盲目开大窗而不注重遮阳设施设计的做法，因为这样容易把大量的太阳辐射得热带入室内，引起室内过热，得不偿失[4]。
在这一地区，设计中不仅应考虑如何有效防止夏季的太阳辐射，还应如何在冬季有效利用太阳辐射，因为太阳辐射是冬季主要热源，而建筑的体型和朝向不同，获得的日辐射量各异。在北区，冬季南向建筑其长宽比愈大，日辐射得热愈多。冬季晴好天气，南向房间的室内气温比北向房间的室外内气温要高2至4度，因此冬季建筑争取日照就成为改善室内阴冷环境的主要途径。居住建筑南北向或接近南北向的布局，有利于自然通风，增加居住的舒适度。另外太阳辐射的热量对建筑能耗影响很大。南北朝向的建筑夏季可以防止太阳辐射，冬季可以增加太阳辐射热，这对建筑节能十分有利，因此，南北朝向是最有利的朝向。 墙体和楼板等围护结构作为建筑表皮，是人类生活空间的保护者，势必成为节能设计的重点。在这一地区的北区，应采用内墙保温隔热形式，原因在于：将蓄热系数较小的轻质材料放置在围护结构的内侧，可减少围护结构所吸收的能耗，且调温快捷方便。有利于调节室内湿度，在夏季雨量大时，内保温材料层可以吸湿，防止冷凝，调节湿度，提高舒适度。此外，内保温对于旧房的节能改造比较方便，造价低廉，施工简单[5]。而在南区外围护结构的隔热设计主要在于控制内表面温度，防止对人体和室内过量的辐射传热，因此要同时从降低传热系数、增大热惰性指标、保证热稳定性等出发，合理选择结构的材料和构造形式，达到隔热保温要求。
围护结构的外表面采取浅色粉刷或光滑的饰面材料，以减少外墙表面对太阳辐射的吸收。 为了屋顶隔热和美化的目的的双重目的，应考虑通风屋顶、蓄水屋顶、植被屋顶、带阁楼层的坡屋子顶以及遮阳屋顶等多种多样式的结构形式。这些屋顶在城市绿化、调节小气候、美化环境、降低噪声等方面都有能发挥作用，是值得推广应用的节能措施。 窗口遮阳对于改善夏热冬暖地区住宅的热环境，减少太阳辐射热进入室内，降低空调能耗效果显著。是实现建筑节能的重要手段之一。其目的在于阻挡直射阳光进入室内，防止室内局部过热。在遮阳设计时，在考虑南面与西面的遮阳时也同时考虑东面、北面与屋顶的遮阳。由遮阳位置不同，可大致分为：外遮阳、内遮阳、中间遮阳。可调节外遮阳是对阳光辐射有效的防护措施。遮阳的形式和构造的选择，要充分考虑房屋不同朝向对遮挡阳光的实际需要和特点，综合平衡夏季遮阳和冬季争取阳光入内，设计有效的遮阳方式，例如根据建筑所在经纬度的不同，南向可考虑采用水平固定外遮阳，东西朝向可考虑采用一定倾角的垂直外遮阳。同时也可以考虑利用绿化和结合建筑构件的处理来解决，如利用阳台、挑檐、凹廊等。此外，采用固定百叶板遮阳和采用爬藤类植物遮阳都能对住宅外墙面、屋面起到很好的隔热保温作用，由于此地区的太阳高度角大，坡向正北面的遮阳板可以有效地遮挡太阳辐射。
而在冬季，由于太阳高度角较低，太阳辐射能通过百叶间隙照到屋面、墙体，从而达到夏季隔热的效果，冬季得热的热工设计效果。选择冬季落叶类攀爬植物遮阳也是同样的道理。 3、空调安装 如前所述，在今后一段时间空调仍将是这一地区改善建筑内热舒适的主要手段，所以如何通过合理的建筑设计和空调安装来降低能耗，提高能效比也是建筑节能的一个重要的方面。空调安装应注意以下两方面： 室外机位的设计影响到住宅能耗，在平面设计阶段，为避免空调器效率的下降，相邻的多台室外机吹出的气流射程应互不干扰。如果两个相对空调室外机的距离小于6m时，就应考虑室外机的偏转一定角度。 为提高建筑立面的艺术效果，有时对空调室外机进行防护和遮阳。往往采用百叶窗将空调室外机封起来，这样不利于室外机夏季排放热量，从而大大降低了空调能效比。装饰构造形式不应对空调室外机进气和排气通道形成障碍，避免室内外气流组织不畅和设备效率的下降。 4、结语 在目前的城市化进程中, 建筑节能可有效地节约能源、保护环境, 但大多数地方未对此予以高度重视, 因此在标准的制定和相关政策上未给与相应的指导。其次, 有许多人（包括一些专业建筑设计人员）在建筑过程中也未注重节能意识, 对这一地区的建筑节能不以为然，认为在南方湿热地区建筑节能不如建筑的外观重要，忽视了建筑节能带来的巨大效益。
针对夏热冬暖地区现状和存在的问题，应按以下步骤逐渐推广建筑节能： 首先建筑通过采用合理节能建筑设计，增加建筑围护结构的隔热性能和提高空调、采暖设备效能比的节能措施。建立建筑节能设计标准体系。初步形成相应的法规体系。初步形成了建筑节能的技术支撑体系。通过建筑节能试点示范工程，有效带动了建筑节能工作的发展。通过国际合作项目，引入国外先进的技术和管理经验。在政府部门、科研院所、高校启动绿色建筑技术研究，在一些公共建筑、高校图书馆、城市住宅小区、农村住宅进行绿色建筑实践，还进行了与此相关的“生态建筑”、“健康住宅”的理论研究和实践性探索[6]。
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