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湿热气候下建筑设计模式语言探讨

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摘要:我国湿热区夏季炎热,湿度大,时间长。随着生活水平的提高,人们提高了对室内活动环境品质的要求,空调等机械通风的使用时间越来越长,而降低碳排放又刻不容缓。被动式节能设计是湿热气候区改善室内环境和节能减排的有效方法。文章从建筑遮阳,自然通风和平面设计三个方面对其被动式设计方法进行总结,探索湿热气候下建筑设计的模式语言。

关键词:湿热地区;被动节能设计方法

前言

我国湿热区主要集中在长江以南,特别是珠江和长江三角洲。这两个区域城市化进程迅猛,过快的城市化及气候特点,使城市热岛效应严重,城市千层一面,建筑碳排放居高不下。通过对广州15栋公共建筑全年的建筑设备运行记录进行调查,得出空调系统的能耗占建筑总能耗25.55%~65.04%,平均为43.67%[1]。可知人们对室内环境品质要求越来越高,而降低建筑碳排放又刻不容缓。被动式节能设计正是解决这一问题的有效手段,根据建设地所在区域的气候特征,遵循建筑环境控制技术基本原理,综合建筑功能、形态等需要,合理组织和处理各建筑元素,使建筑物具有较强的气候适应和气候调节能力[2]9-11。印度建筑师查尔斯•柯里亚吸取并改善了印度传统建筑中被动节能的设计方法,用于其建筑设计中。并提出了“形式追随气候”的口号。可见通过科学的被动节能设计不仅能降低能耗,还能改变建筑的面貌,形成当地特色,降低审美疲劳。湿热气候区夏季气温高,日温差小,降雨量大及空气湿度大,一般有一到两个主导风向。根据这些特征,国内外学者总结了几个能有效针对该气候区的策略。主要为自然通风,建筑遮阳隔热,雨水及太阳光的利用。本文总结了国内外湿热气候区被动节能的方法,包括建筑遮阳、通风及平面设计三个方面,为优化被动式节能技术提供基础。

1建筑遮阳

太阳辐射是导致室内过热最直接的原因。太阳辐射从透明的玻璃或洞口进入室内或通过加热外围护结构传热。减少太阳辐射得热是湿热地区降低室内温度的有效方法之一。华南理工教授夏昌世先生在屋顶和窗口的隔热设计,有效地改善室内环境,还丰富了立面,形成了新的风格,被称为“夏式遮阳”。建筑遮阳的形式和种类繁多,根据遮阳位置及构造的区别可以分为屋顶隔热遮阳、立面遮阳、建筑外表皮遮阳等。

1.1屋顶遮阳

屋顶作为建筑离太阳最近的部位,其接收太阳辐射热量比建筑上任何地方都多,可采用屋顶遮阳进行隔热,合理的屋顶遮阳能有效地阻挡夏季太阳直射,降低屋面温度。根据屋顶的形式可分为坡屋顶遮阳和平屋顶遮阳。

1.1.1坡屋顶遮阳

坡屋顶作为我国湿热地区传统屋面主要形式,经过优化发展,形成了新的风格。如陈嘉庚先生投资的嘉庚建筑,其巨大的坡屋面实现了对顶层的遮阳,合理的挖空使屋顶看起来显得轻盈,并兼顾了屋顶采光和通风,被称为嘉庚风格,体现了建筑的地域性;澳大利亚建筑师、普利茨克奖获得者格伦•默科特对坡屋顶的形式进行了改造和演变,通过对太阳高度角的分析,结合屋顶坡度进行精密的设计,使屋顶能更好地阻挡太阳辐射。(1)屋檐出挑,可以阻挡夏季正午太阳,并在建筑立面及地上形成阴影,使立面免受阳光直射,为居民活动提供阴凉的空间;(2)坡屋顶使建筑内部形成阁楼空间,形成隔热层,避免了顶层活动空间受太阳光直射。

1.1.2平屋顶遮阳

平屋顶是现代建筑常用的屋顶形式,其优点是施工简单、造价低,且可以形成屋顶平台供室外活动使用。传统的平屋顶在隔热方面不如坡屋顶,但是通过被动式节能设计,可以得到改善。(1)构架遮阳双层屋面:在屋面层上加盖一层隔热层,避免阳光直射屋面,并通过设置通风口排走隔热层的热量,降低隔热层与屋面的热交换,其优点是施工简单,造价低,但对屋面活动无改善。遮阳构架:在屋顶上搭建构架能有效阻挡太阳直射屋面,降低屋顶温度。构架还能根据夏季和冬季太阳角度的不同形成不同的倾斜角度,在夏季阻挡阳光直射屋面,冬季引入阳光。如杨经文自宅的屋顶挡板遮阳,通过观察总结当地太阳的运行轨迹设计格片的倾斜角度从而控制在不同时间段阻挡或引入阳光辐射的量,即使在炎热的时间段也可以在屋顶上活动。(2)屋顶绿化与蒸发冷却屋面屋顶绿化是通过在平屋顶上种植树木、灌木、草坪等形成屋顶花园,防止太阳直射楼板,植被的蒸腾作用也能有效地带走热量,降低屋面温度。这种方法在现代建筑上被广泛使用,既能增加城市绿化面积,又能改善建筑环境。蒸发冷却屋面通过在屋顶设置蓄水池、游泳池、水养殖等。利用水的比热容大,相对屋面材料温度上升缓慢,降低屋面与顶层的热交换;而且水体蒸发吸热,带走热量,并形成屋顶隔热层,防止屋面受阳光直射。

1.2立面遮阳

阳光从门窗直射屋内或是通过围护结构间接传热,是造成夏季室内高温的原因之一,所以不仅要对门窗洞口进行遮阳,在维护结构上也要做好防护的工作。研究证明出挑1m的遮阳板每年可节省20%的空调费用[3],可见合理的立面遮阳能有效地减少碳排放,降低能耗。(1)门窗遮阳门窗遮阳根据遮阳位置的不同可分为内遮阳、中间遮阳和外遮阳。经过研究发现,外遮阳最能有效地阻挡太阳辐射,降低室内温度。门窗外遮阳又可以分为水平、垂直和综合遮阳三种。根据不同的太阳轨迹设计不同的形式的外遮阳,水平遮阳主要阻挡来自建筑上方的太阳辐射,适用于南向附近的窗口或北回归线以南低纬度地区北向附近的窗口;垂直遮阳主要阻挡来自侧向的太阳辐射,适用于东北、北和西北向附近的窗口;综合遮阳则是前两种遮阳的叠加,适用于东南或西南向附近的窗口[4]。阳台作为室内空间的延伸,起着缓冲的作用,像加长版的水平遮阳。层层出挑的楼板能很好地挡住正午的太阳辐射,在室内投下阴影。通过对太阳高度角的计算,设计阳台出挑的高度及长度能做到夏季阻挡炎热的日晒,冬季使阳光进入建筑,提高室内舒适性。(2)廊道遮阳通过建筑出挑或是把交通空间设置在外面形成廊道,阻挡太阳直射,形成缓冲区域,降低室内温度,并在正午太阳高度角最大时在室外形成阴影空间。廊道遮阳在湿热地区运用广泛,骑楼就是最典型的代表之一。骑楼作为建筑外立面廊道形式的一种,集遮阳、避雨和延伸街道空间等功能于一体,适合南方炎热多雨的气候。(3)垂直绿化在建筑外表皮上进行植物栽培,通过绿色植被阻挡太阳直射围护结构,植物的蒸腾作用还能带走周边环境的热量,降低温度,改善室内热环境。外国学者通过模拟分析发现,垂直绿化能降低空调能耗10%~31%[5]。现在做法一般不在围护结构上直接种植绿植,而是在维护结构上加盖一层结构,形成中空层,在遮阳的同时,兼顾通风排热。(4)外表皮遮阳建筑外表皮遮阳是在外维护结构的基础上再覆盖一层表皮,两者之间形成空腔,并朝外界开口,当阳光照射外层并加热空腔内的空气,空气受热上升,从上方气口排出,形成对流,从而达到降温的目的。外表皮是现在很流行的一种遮阳方式,不仅是新建的建筑,对于那些缺乏遮阳、立面破败的旧项目改造更为适用。如同济大学建筑学院D楼的改造,就是在原立面的基础上进行外表皮遮阳。其中金属表皮是现在很流行的建筑外表皮材料。金属具有延展性好、可随意变形、色彩丰富、可穿孔等优点,可以很好地覆盖在建筑上,通过改变颜色和形成空腔而达到节能减排的作用。根据金属的形态不同,可分为金属外表皮、穿孔金属外表皮、折板金属外表皮等。

2建筑通风

良好的自然通风,可以加速人体表面汗液的蒸发,带来清爽感,并带走室内的废气,降低二氧化碳的浓度。北京大学夏伟通过软件分析,得出湿热气候中自然通风的有效性远高于其他措施[2]9-11。我国湿热气候区夏季多有一到两个主导风,利用被动设计能有效地引导风向进入建筑,改善室内微气候。通风原理主要分为风压通风和热压通风,所有的节能设计都是围绕这个原理展开的。根据内外设计可分为围护结构设计和室内空间设计两部分。

2.1外围护结构通风设计

外围护结构通风设计主要有两个作用:引导主导风进入建筑及通过引入低温空气降低围护结构与热空气的热交换。(1)双层维护结构通过在围护结构上加建第二层结构,形成中空区,中空区的空气受热上升,从排气口排出,底部下沉的冷空气从进风口补充,降低维护结构的热交换,其主要利用热压通风原理。如双层玻璃幕墙、金属表皮遮阳等。(2)导风墙导风墙是指当风向与开窗方向不一致时,通过导风板的设置,使迎风面与出风口风压差变大,引导风从正压进从负压出,根据不同的开窗类型及风向,设置不同的导风板。(3)迎风墙迎风墙是在风向吹来的方向设置改变风压大小,风压分布和风速的墙体。如凡丘里现象,原理就是把两道风墙设置成外宽内窄的形状,当风吹向建筑,宽大入口能捕捉大量的自然风,随着通道变窄,风将加速到窗口,吹向更深的室内。如杨经文的MenaraUmno大楼就是通过两道喇叭口立墙捕捉和加速自然风。(4)导风塔导风塔通过把导风口开向夏季主导风,使主导风进入导风塔里,经过导风塔中冷却装置对主导风进行冷却,冷空气下沉到室内,经室内人的活动加热从顶部或是窗户排出,达到通风降温的目的。其中冷却主导风的方法也可以将风管埋入一定深度的地面,利用土壤或水池冷却再送入室内。

2.2室内空间设计

不同的空间对通风的要求不同,对风速的要求也不同。同样的风速进入不同大小不同形状的空间,风速改变也是不一样的。在恰当的位置设置特殊的空间,能有效地组织风向和风速,满足人们的需求。(1)架空层包括底层架空和中间层架空。底层架空有利于近地空气的传播,改善住区风环境。在湿热地区得到广泛运用;中间层架空能改善架空层周边的房间通风,并形成通风口,使主导风能吹向后排建筑。(2)冷巷冷巷是湿热地区传统民居中一种特色的过渡及交通空间。它的形态窄且高,阳光很难照射进巷道,冷空气在这里聚集。当风从开敞的空间吹进冷巷时,由于空间变窄,形成了狭管效应,人们可以很明显地感觉到风速加快,且冷巷阴冷的特性降低了风的温度,使人感到舒适。(3)天井、中庭当外界无风时,天井或中庭利用“烟囱效应”进行通风,太阳辐射加热天井上方空气,空气受热上升,而下部空气由于阴影遮挡温度较低(可在天井底部种植绿植或水体进行降温),热空气上升,冷空气补充,带动室内空气流通交换;当外界起风时,风吹过天井上部,上部风压小,形成拔风效应,引导气流交换。通常情况天井的通风由风压和热压通风相互作用。天井(中庭)在中低层建筑应用较多,高层建筑由于安全及面积的限制,主要使用外天井,在增加采光的同时加强建筑通风的效果。

3建筑面设计

平面的被动节能设计主要在于如何通过对功能区的摆放减弱太阳直射及增强自然通风。

3.1流动空间湿热地区

建筑通风是室内热舒适度的重要条件之一,而流动的平面能更好地让空气平滑地穿过,带走室内热量。这就要求平面设计要通透,室内墙体顺应风向,增加墙体孔隙(格栅等)、流线型的空间等。“流动的空间”在建筑上的运用最早出现在密斯的巴塞罗那德国馆,隔而不断,半封闭半开敞。而密斯所提出的“少即是多”很符合湿热气候区建筑的平面设计。减少墙体的使用,能有效减少风能损耗,有利于风在建筑内部流通。

3.2西晒与功能

房西晒是造成建筑午后炎热的主要原因。如何解决西晒对建筑室内热环境的影响,除了在西晒面进行遮阳,还可以通过布置功能用房在平面上的位置来减少西晒的影响。在西晒面布置交通空间或辅助用房等次要空间,使之成为主要空间的热缓冲区,是一种有效的方法。杨经文在其建筑设计中多次用到此种方法,把核心筒和辅助用房布置在建筑的西面和东面,形成缓冲层,降低与主要功能房之间的热交换。

3.3建筑户型的选择

湿热地区建筑通风和遮阳是解决室内热、湿最重要的被动式方法,所以在户型的选择上应该以有利于通风和遮阳的户型为主,这里主要以多层及高层户型为例。一字形的板式住宅由于其南北通透被认为是湿热地区最好的户型之一,其面宽大,进深小,前后都有窗户与外界连通,空气易形成对流,从而达到高效换气的作用;当建筑为面宽小,进深大这种不利于通风采光的户型,应注意其平面功能布置是否流畅,主要功能房是否对外开窗(对天井开窗也能很好地改善室内通风环境):而对于建筑体形系数,并不是像北方建筑一样,越小越好。适当的凹凸变化或是户型的拼接,可以在立面上形成丰富的阴影,能有效地降低室内温度。结语湿热地区气候的特点,决定了该区的建筑被动节能设计应以遮阳和通风为主。从屋顶到立面再到平面的全方位被动节能设计,能有效地改善室内微气候,减少碳排放。通过这样的设计也能使建筑形态更加丰富多样,区别于其他气候区,改善城市千城一面的现状。

参考文献:

[1]周孝清,刘芳,陈伟青等.广州公共建筑能耗调查及研究[J].建筑科学,2007.

[2]夏伟.被动式设计策略的适用性研究[J].建筑学报,2009,卷缺失(S1):9-11.

[3]林宪德.热湿气候的绿色建筑计画—由生态建筑到地球环保[M].台北:詹氏书局,1996:22,23.

[4]巴鲁克吉沃尼.建筑设计和城市设计中的气候因素[IM].汪芳.阚俊杰,张书海.刘鲁译.北京:中国建筑工业出版社,2011.

作者:李建勇

湿热气候下建筑设计模式语言探讨责任编辑:张雨    阅读:人次