建筑天然采光的節(jié)能設(shè)計(jì)

建筑天然采光的節(jié)能設(shè)計(jì)

節(jié)約和節(jié)約能源是節(jié)能設(shè)計(jì)的兩個(gè)主題。減少對煤、石等不可能耗的利用，重視對能源能源能源、風(fēng)能等能耗的開發(fā)和利用。這是一種更積極的節(jié)能方法。建筑能耗約占社會(huì)總能耗1/3,照明、采暖和空調(diào)能耗是建筑用能的主要內(nèi)容。但目前我國建筑節(jié)能工作重點(diǎn)多放在熱環(huán)境節(jié)能設(shè)計(jì)方面,而忽略采光、照明等多方面的影響。建筑天然采光是綠色照明工程的主要內(nèi)容,綠色建筑觀要求具有系統(tǒng)、整體的思維方式,營造各方面都適宜的人居環(huán)境。因此,建筑采光節(jié)能不能停留在光環(huán)境的范疇中,而應(yīng)綜合分析光、熱環(huán)境的要求,體現(xiàn)采光節(jié)能一體化設(shè)計(jì)的“綠色”概念。1光熱環(huán)境中建筑節(jié)能的設(shè)計(jì)之間的矛盾太陽光輻射是建筑光、熱環(huán)境的主要影響因素。節(jié)能設(shè)計(jì)中對太陽輻射能的利用是一把雙刃劍,表現(xiàn)為兩者在分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求兩方面的矛盾。1.1城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)要求建筑設(shè)計(jì)按“中國光氣候分區(qū)圖”劃分的5個(gè)光氣候分區(qū)指導(dǎo)天然采光設(shè)計(jì);熱工方面以“全國建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)圖”為標(biāo)準(zhǔn)劃分了5個(gè)熱工分區(qū);城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)則按“中國建筑氣候區(qū)劃圖”將城市氣候劃分為2級區(qū)劃系統(tǒng)作為日照間距控制的標(biāo)準(zhǔn)。光氣候分區(qū)以照度為指標(biāo),熱工分區(qū)與建筑氣候分區(qū)則主要以溫度為指標(biāo)。后兩者的區(qū)劃范圍基本一致,但與光氣候分區(qū)卻差異較多,同一地區(qū)可能分屬不同區(qū)劃范圍,具有不同設(shè)計(jì)要求。因此須綜合考慮“光氣候分區(qū)”和“建筑熱工分區(qū)”及“建筑氣候區(qū)劃”要求,制定完善的光氣候分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)和物理環(huán)境參數(shù)。1.2供熱節(jié)能設(shè)計(jì)的影響采光節(jié)能要求建筑將天然光有效引入室內(nèi),滿足視覺功能要求,從而節(jié)約照明用電,這就需要建筑布局時(shí)加大間距,減少對天然光的遮擋,并合理增加采光口的數(shù)量和大小。熱工節(jié)能設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是冬季將陽光引入建筑,提高室內(nèi)溫度;同時(shí)夏季需有效防止熱輻射,減少空調(diào)制冷能耗,這就需要適當(dāng)控制建筑門窗洞口大小,減少建筑體型變化。由此可見,采光節(jié)能和熱工節(jié)能對建筑的不同要求勢必會(huì)在設(shè)計(jì)時(shí)產(chǎn)生矛盾。因此,建筑節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)全面分析不同環(huán)境中的影響因素,找出最佳平衡點(diǎn)。2太陽能系統(tǒng)的平衡思維觀整體思維是指對系統(tǒng)進(jìn)行整體上的分析,通觀全局,綜合影響事物的各種相關(guān)因素,以求達(dá)到系統(tǒng)平衡的思維觀。太陽能利用具有一體兩面的特性,建筑節(jié)能設(shè)計(jì)不是一項(xiàng)單一性工程,不能為滿足某一方面的節(jié)能設(shè)計(jì)而損害其它方面的要求。所以有必要采用系統(tǒng)整合的思維方式,提出合理的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方法。2.1建筑光照設(shè)計(jì)二級分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)體系建筑節(jié)能設(shè)計(jì)綜合考慮光、熱環(huán)境,提出合理的節(jié)能分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的前提。為此,我們針對不同地域氣候條件下建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的物理環(huán)境要求,從采光節(jié)電、采暖降溫節(jié)能出發(fā),提出同一光氣候區(qū)內(nèi)不同的建筑采光設(shè)計(jì)二級分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)體系。該標(biāo)準(zhǔn)在原有5個(gè)光氣候分區(qū)作為一級指標(biāo)基礎(chǔ)上,提出包括16個(gè)詳細(xì)分區(qū)的二級指標(biāo),并針對每個(gè)二級分區(qū)提出相應(yīng)的節(jié)能設(shè)計(jì)要點(diǎn)。2.2關(guān)于節(jié)能的設(shè)計(jì)措施在合理的節(jié)能分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下,建筑采光節(jié)能設(shè)計(jì)主要從整體規(guī)劃布局,建筑體型優(yōu)化,采光口設(shè)計(jì)及其材料選擇,反光遮陽處理四方面來控制。2.2.1建筑高度分區(qū)合理的朝向布局才能保證建筑適宜的光、熱環(huán)境。我國地處北半球,保證日照建筑理應(yīng)南向布局。從太陽熱輻射分布看,南向布置冬季日照最多夏季熱輻射最少,并且我國大部分地區(qū)夏季主導(dǎo)風(fēng)為東南向。綜合分析保溫、隔熱、日照和通風(fēng),南向布局利于冬季保溫夏季防熱的節(jié)能要求。但同時(shí)北向房間的采光節(jié)能也很重要,北向雖采光照度低,但照度均勻度好,通過在南向墻面設(shè)置高反射率的鏡面材料將光線引入北向,可改善北面房間的采光照度,節(jié)約照明用電。為保證室內(nèi)有足夠日照,建筑規(guī)范綜合考慮采光、通風(fēng)、消防等要求規(guī)定了建筑規(guī)劃布局的合理日照間距。根據(jù)不同設(shè)計(jì)分區(qū),要求建筑之間的距離在大寒日或冬至日的有效日照時(shí)間段里,有足夠的日照時(shí)數(shù)使陽光入射到建筑底層窗臺(tái)面。一般來講,日照間距容易滿足,然而這并不就保證日光能有效入射到室內(nèi),因?yàn)槿展馔赡鼙淮巴庥糜谡陉柕闹脖粨踝×?。增加綠化能改善熱環(huán)境,但綠樹植被的布置一定要綜合考慮采光的要求,以不能遮擋建筑日照采光為原則。2.2.2建筑體型比大,影響建筑質(zhì)量太陽對建筑外表面的輻射熱和直射光極大地影響建筑室內(nèi)光、熱環(huán)境能耗,建筑體型優(yōu)化是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的重要方面。建筑室內(nèi)采光通過窗地比來控制,開窗面積大、窗地比大,采光越有利,而且從采光均勻性考慮,天窗比側(cè)窗更好。但從熱工角度看,屋頂是得熱最多的部分,天窗對熱工節(jié)能是不利的。因此,在不同地域氣候環(huán)境下建筑外形開窗設(shè)計(jì)應(yīng)具體分析處理。建筑體型的長寬比大,得熱多。南方夏季防熱是節(jié)能的主要工作,建筑宜采用長寬比小(即小面寬大進(jìn)深)的體型;北方節(jié)能以冬季保溫為主,宜采用長寬比大(即大面寬小進(jìn)深)的建筑體型。可從采光考慮,建筑進(jìn)深越大光線越弱,因此建筑進(jìn)深不宜過長,并盡可能減少橫墻遮擋,以保證采光照度值和照度均勻度。所以確定建筑體型應(yīng)兼顧光熱環(huán)境節(jié)能要求,計(jì)算出最佳的長寬比值。2.2.3采光口面積折中值的確定采光口是個(gè)矛盾體,其溝通和隔絕作用同時(shí)并存,既提供采光日照又要防曬遮陽;既通風(fēng)換氣又要防風(fēng)雨和煙塵。從綜合節(jié)能角度分析,采光口的設(shè)計(jì)應(yīng)在加強(qiáng)構(gòu)件材料氣密性基礎(chǔ)上,根據(jù)不同區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算其滿足采光照度的節(jié)電量與夏季得熱和冬季失熱狀態(tài)下的耗能量,確定不同地域環(huán)境中采光口的面積折中值,并合理布置采光口位置,保證室內(nèi)自然通風(fēng)。與確定采光口面積大小同樣重要的是窗玻璃材料對節(jié)能的影響,因?yàn)殚T窗能耗占建筑總能耗約1/2,是節(jié)能的薄弱環(huán)節(jié)。門窗玻璃材料的選擇以多透光少傳熱為原則,建議南方炎熱地區(qū)采用低輻射玻璃,北方地區(qū)采用中空雙層玻璃。此外,還應(yīng)加強(qiáng)新型玻璃材料如液晶調(diào)光玻璃、光致變色玻璃,以及新型采光方式如導(dǎo)光管技術(shù)、光導(dǎo)纖維技術(shù)等的應(yīng)用,研制兼顧多功能的節(jié)能窗。2.2.4建筑不同方位改善光熱環(huán)境離不開節(jié)能設(shè)施的使用。為提高建筑內(nèi)部采光照度可采用在窗頂部擱置水平反光板的方法將日光引入室內(nèi)深處;在夏季為防陽光直射應(yīng)在建筑不同方位采用相應(yīng)的遮陽措施。采光節(jié)能整體策略要求將兩者有機(jī)結(jié)合,在適宜部位設(shè)置兼顧遮陽作用的反光擱板,既防止太陽直射和眩光干擾,又能有效將光線漫反射到室內(nèi),提高照度均勻性。作為主要采光口的側(cè)窗而言,高側(cè)窗比低側(cè)窗具有更好的照度均勻度。如果結(jié)合高側(cè)窗頂部安裝境面反射裝置,使日光經(jīng)一次反射入射到室內(nèi),甚至實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換,就可在提高房間照度和均勻度同時(shí)避免日光直射,減少室內(nèi)熱輻射量,并提供空調(diào)用電能量。2.3實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)控建筑采光節(jié)能設(shè)計(jì)的整體思維不僅強(qiáng)調(diào)綜合光、熱環(huán)境的節(jié)能要求,還強(qiáng)調(diào)節(jié)能的適時(shí)可變性。由于建筑光熱環(huán)境不僅隨地域氣候特點(diǎn)變化,而且隨人們不同時(shí)段使用需求和周圍環(huán)境的改變而變化,因此采光節(jié)能設(shè)計(jì)策略不是一種固定的單一模式,而必須考慮全壽命周期的變化,采用智能化管理方法實(shí)現(xiàn)適時(shí)自動(dòng)調(diào)控?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)和地理信息系統(tǒng)(GIS)的數(shù)字化技術(shù)為實(shí)現(xiàn)節(jié)電節(jié)能的智能化管理提供了可能性。在虛擬空間中,對建筑室內(nèi)天然采光條件下的光、熱環(huán)境進(jìn)行虛擬仿真,使之能在不同時(shí)段和環(huán)境條件下進(jìn)行身臨其境的采光可視化展現(xiàn)和節(jié)