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建筑工程生态环境

2011/03/13 阅读:

摘要:本文介绍了清华大学在建筑生态环境与节能效果综合评价的方法、策略等,提出建筑生态环境与节能效果综合评价理念,并通过实例介绍了具体的评价内容,以期为我国实施建筑“星级”评价标准进行有益的探索。

1前言

在可持续发展成为全世界所追求的目标时,建筑行业也在关注能源以及环保的可持续发展问题。在中国,建筑能耗目前占国民经济总能耗的25%左右,且呈递增趋势,因此开展建筑节能工作有巨大潜力。建筑能耗不仅仅影响国家能源供应,而且能源使用效率的高低还影响环境,例如据有关测试[1]表明:在城市内建筑四周挂满分体式空调时,将造成局部“热岛”现象,空调机的运行能效比COP显著下降,建筑周围热环境也被严重恶化。也就说,建筑节能和居住环境是两个相互关联、相互影响的问题。

随着人民对生活质量要求的快速提高,建筑能耗以更高的速度增加,例如冬季供热地区正迅速南扩,而北方地区空调器拥有量也迅速增加。建筑物寿命一般较长,建筑节能改造难度很大,因此在设计之初便考虑建筑能耗与环境影响便显得至关重要。而我国广大地区、不同气候、不同类型的建筑节能不是依靠墙体保温等措施就可以解决的[2],更需要从建筑设计到建筑细布构造处理以及环境控制设备及系统等各种技术的集成来解决。

另一方面,建筑环境特别是居住环境质量受到越来越多的重视,居住区内的空气质量、办公或居室内的空气品质、噪声水平以及交通状况都是人们关注的问题。一些房地产开发商也注意到这一现象,相继推出了以“绿色”、“生态”为宣传点的建设项目,但真正的“绿色生态”建筑或住区不仅仅是依靠多绿化就能解决的,更重要的是要考虑建筑物理环境中综合因素的影响,包括声、光、气流、热、能耗等诸多方面。

利用信息技术,以计算机模拟为主要手段,从建筑声学、光学、气流、微气候、空气品质、能耗等角度,对建筑设计方案进行全面的评价,不仅有助于房地产开发商提高建设水平、增强项目市场竞争力,也有助于提高普通消费者的生态意识、节能意识和环保意识,对于促进我国可持续发展具有重要意义。本文简要介绍由清华大学提出的建筑生态环境与节能效果综合评价的方法、策略等,并通过实例介绍了具体的评价内容,以期为我国实施建筑“星级”评价标准进行有益的探索。

2评价系统简介

2.1国外经验

关于建筑节能的评价,国外已经有了一些已经成熟并在实施的规范,并且有相应的标准模拟软件来评价建筑的节能状况以保证规范的实施。在美国有“节能之星”标准(EnergyStar),这个标准实施已经有10年了。它比美国“标准能源法案”(ModelenergyCode)要求更加节能30%。通过这套标准的实施,在不增加初投资的前提下可以节省30~50%能源消耗,可以节省50%的建造时间。也是因为有了这套标准,可以创造出激励一些具有创新意义的节能技术和建材发明的氛围。由于这套标准针对美国某地区而专门制订的,因此在美国并没有一个全国性的统一标准,例如Title-24标准主要在加州实施。

芬兰建立了一套叫做“能耗认证系统”的标准(EnergyCertificationSystem)。在香港也通过授予“建筑认证证书”(BuildingPass)的方式来对建筑的能耗情况进行规范。俄罗斯在莫斯科也实行了一种叫做“能耗护照”(EnergyPassport)的建筑节能规范。它包括一套新的节能标准MGSN,希望能够控制建筑设计、建造以及运行的质量,而且它可以为节能建筑提供潜在的购买者等信息,从而来促进节能建筑的良性发展。这些规范中都没有包括环境质量的评价内容,然而实际上节能的最终目的是为了提高环境水平,减少污染排放,从而真正做到可持续发展,所以完整的建筑生态环境与节能评价标准中应将环境质量的评价纳入其中。

2.2主要内容

建筑生态环境和节能效果评价系统是对建筑生态环境进行综合分析,从技术、经济、环境、能源及社会等角度给予研究,从而对建筑环境给出客观的评价和可行的建议。建筑生态环境的评价系统涉及内容广泛,包括小区规划评价、建筑单体评价、环境控制系统方案评价等等;牵涉到的关键技术较多,如建筑热环境模拟、计算流体力学(CFD),建筑日照分析与采光技术,噪声控制以及建筑材料技术等。这些内容的有机结合和相互交叉形成了建筑生态环境评价系统的技术核心。

开发成熟的软件系统实施建筑生态环境评价方法的基础。在我国形成可实施的评价系统,最终可能的有效途径之一,就是开发一套可以广泛运用的评价建筑生态与节能效果的软件平台,并形成相应的激励、保障实施措施,从而形成体系。

2.3评价方法

一个重要的工作是研究住区生态与节能效果评价指标,以及如何从模块化软件的模拟仿真结果中提炼出能充分反映建筑生态环境、能耗特征的评价参数,从而建立一套可操作的建筑环境评价软件平台的评价方法。

评价方法可采用的是模拟其运行状况的方法。这个方法有两个层次的标准,首先对于规划设计层次来说,可以通过模拟其日照、噪声、空气流场以及微气候等,对其规划和建筑设计直接进行评价。第二个层次,对于节能效果,需要对其进行全年模拟分析,而不是仅仅依靠稳态计算或者是设计计算,从而给出节能效果星级评价等级。这两个层次应该是必须同时满足的。

2.4评价策略

对于评价策略,可以分两步:

一、在房屋建造之前,运用评价软件对规划和设计图纸进行模拟,给出相应审核评价(Plansreview);

二、在建造完成之后,对建筑进行实地抽查考核,以确定建造是否与审核后的图纸相一致,如果是一致的,可相应授予一定的环境和节能效果星级等级。

2.5系统特点

归纳起来,这一评价系统具有以下主要特点:

a、清晰明了,易于理解与实施

b、相对灵活,可允许通过不同的手段达到相同的环境和节能效果;;

c、数据丰富且准确,能给予用户和房地产开发商明确的结论和指导依据;

d、激励机制完善,可操作。

3评价实例

以下通过实例,简要介绍建筑生态环境与节能效果综合评价的主要内容。

3.1居住小区声环境

某居住小区位于北京东四环路东侧,距四环路约400m,被现状住宅区和规划的城市干道分成东、西两区。小区总面积26公顷,容积率2.0,户型以一梯两户或三户的高层、小高层单元(11~18层)组成的板楼为主,边角处辅以一梯四户或六户的点式高层(14~18层),板楼前后间距40至60m。小区的周边环境好,交通便捷,但是随着小区及周边道路、用地建设的完善,过境交通量可能会增大,小区的安静可能会受到干扰,为此业主要求进行声环境评价。

经现场实测,图中的三个主要带状噪声源可能影响到居住小区声环境,为此分别进行了模拟分析。

图1—居住小区声环境分析

在分析的基础上,得到居住小区内的噪声分布,可以看到,颜色愈深的建筑所处的声环境越差,在没有采取设防噪绿带等降噪措施的情

况下,其临街一面的室外噪声级不能满足居住区室外白天低于55dB、夜晚低于45dB的国家标准。为此,笔者对合理降噪提出了建议。

图2—居住小区噪声分布及小区示意图

3.2建筑群空气流场分析

仍以前述居住小区为例,这种高层建筑、多层建筑混合存在的小区,其建筑群内部的空气流动情况对其微气候有着重要的影响,局部风速太大可能对人们的生活、行动造成不便,也有可能在某些地方形成旋涡和死角,不利于室内的自然通风。因此,业主提出在规划设计阶段预测居住小区内的空气流动状况,以对小区内微气候作出合理的评价。

图3—建筑群空气流场分析

上图给出了该居住小区在北京冬季典型工况(北风,风速5m/s)下,1m水平高度上的空气流速分布图,暖色调表示风速高。原本业主担心在建筑群中部的南北大通道上会有较强的气流,但由于建筑布局比较合理,模拟分析显示在这一大通道区域内风速基本小于1.2m/s,适于居民走动、生活。倒是在建筑群的一些其他局部发现,由于绕流等的影响会形成局部气流过强,笔者对此也提出了合理的建议。值得说明的是,此分析结果可以多媒体三维动画显示,效果更加逼真。

3.3建筑群日照分析

当现代建筑越来越密集,从钢筋水泥的丛林中穿过的一缕阳光显得弥足珍贵,因此建筑群日照分析被越来越重视,人们不满足于冬至日一小时日射这样的要求,而更关心在周围建筑物遮挡和建筑物自身遮挡的情况下,究竟自己等实实在在接受多少阳光。下图给出某建筑群在夏季清晨的日照与遮挡状况,而利用多媒体技术的三维动画效果可将分析结果表现得更加逼真。

图5—建筑群日照分析

3.4居住小区微气候与热环境分析评价

居住小区微气候与热环境的评价内容,主要是考察人们在室外生活时切身感受到的诸如室外温度、湿度、太阳辐射、气流组织和绿化状况等微气候参数。其中温度作为人们感受居住环境好坏的主要参数,对评价小区热环境至关重要,也是影响人们在室外生活质量的主要因素,它同时综合反映了诸如小区的太阳辐射及绿化状况等其它因素的作用,也是就目前的技术手段而言相对较容易进行预测和比较的热环境参数。

值得指出的是,即便是同一个地区的气候情况也并不是处处相同的。“城市热岛”现象就是其中一个很好的例子。它是城市化对气温影响的最突出特征,显著反映了由于城市化的结果使得城市气温与郊区或其它地区气温的不同,并将给城市居民的工作生活带来深刻影响。一般说来,认为某个区域的实际气温是由基础气温、太阳辐射、长波辐射的线性叠加得到的。区域地貌、建筑密度、建筑材料、建筑布局、绿地率等因素决定了区域温度。即:M(I,t,x)=C(I,t,x)+L(I,t,x)+E(I,t,x)

其中M是区域气温,C是基础气温,L是局地地貌,E是城市化程度,I是天气状况,t是时间,x是地点。具体来说,在建筑群集地区,小区不同地方的温度环境在受相邻位置的建筑的材料结构和布局、小区的下垫面(如沙土或水泥路面)、绿化情况(包括水景布置)、以及交通和家电等人为排热因素的影响下,可能使得局地气温出现热岛或冷岛、以及滞后或提前等现象。

结合建筑群空气流动分析,在相关研究的基础上,笔者预测居住小区不同位置小范围内的逐时气温,同时进行比较并给出评价;所得结果既可供居民选择适合个人习惯的工作生活环境提出参考意见,同时也能为改善居住小区热环境指明方向。

下图是某居住小区中不同位置的“热岛强度”变化情况。从中可以看出,居住小区内热岛强度小,温度适宜,利于人们的室外活动以及室内持续进行自然通风,温度环境令人满意。其中的原因在于居住小区建筑布局合理,建筑间距选择合适(天空视角系数较高而利于长波辐射冷却);且集中绿地多,绿化好,并或多或少地采用了人工水景布置(使得其与空气的热湿交换加强,有效地降低了空气的温度)。值得一提的是,环境最好的区域均为小区居民日常生活、起居、休憩、娱乐等活动的主要场所,该区域内的健康适宜的温度环境将极大地利于居民的室内外的生活质量的提高。

图6—居住小区微气候与热环境分析评价

4小结

目前,该项目以被列为建设部国家十五科技攻关项目,并逐步开展整合软件系统、实际检验使用情况的工作,从对建筑生态环境和节能效果综合评价的项目入手,在实践中完善这一评价系统,并通过将建筑环境和节能效果综合评价理念的应用,明晰建筑生态环境的真正内涵,推广建筑节能概念,并为我国可持续发展做一定的探索。

参考文献

[1].T.T.Chow,Z.Lin,ThermalProblemsofSplit-typeAir-conditioningUnitsInstalledatHigh-riseBuildingsofHongkong,ProceedingsofInternationalConferenceofAirConditioninginHighRiseBuildings’97,pp108-113.

[2].清华大学建筑环境与设备研究所,中国建筑节能调查分析报告,2000年1月

[3].陈义雄,浅说绿化建筑与绿化绿化发展,暖通空调,第2期,2000年4月

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