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        基于氣候適應性的嶺南地區(qū)綠色建筑低碳設計策略

        2023-11-22 08:36:46楊韶馨
        廣東土木與建筑 2023年10期
        關鍵詞:綠色建筑設計

        楊韶馨

        (中譽設計有限公司 廣東 清遠 511518)

        0 前言

        “碳達峰”和“碳中和”目標的提出,給我國實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展提出了更為嚴峻的考驗。建筑作為三大終端消費之一,碳排放占CO2總排放量的1/4[1],綠色低碳化設計是我國綠色發(fā)展的重要一環(huán)。

        風、光、熱、濕是氣候的基本元素,不同元素有不同存在的方式,且受到地理位置、地表形態(tài)和人類活動的影響。嶺南地區(qū)氣候濕熱、多雨,夏季持續(xù)時間長,冬季暖潤溫和,夏季制冷需求多,導致建筑能耗高,對綠色建筑的發(fā)展提出了嚴峻的挑戰(zhàn)?;谠摎夂蜻m應性的通風隔熱與遮陽技術的發(fā)展和應用也成為彰顯嶺南現(xiàn)代建筑的鮮明特色[2]。尤其是在居民對高質(zhì)量生活要求和“雙碳”目標的雙重形勢下,對嶺南地區(qū)的綠色建筑發(fā)展提出了更高的要求[3]。如果建筑項目在規(guī)劃-設計-運行全生命周期開展節(jié)能技術,即針對嶺南地區(qū)亞熱帶氣候區(qū),從建筑空間布局形態(tài)開始,到建筑設計,再到運行時的被動式節(jié)能設計措施和當?shù)鼐用袷褂眯袨榈?,則會更有效的推動綠色建筑低碳化發(fā)展。

        綠色建筑是城市、能源、自然的高度協(xié)調(diào),是人與自然共同發(fā)展的必然路徑[4]。在此過程中,需要專業(yè)人員不僅要有低碳化的思維設計模式,還需要對當?shù)氐臍夂?、生態(tài)和行為習慣較為熟稔,才能把綠色建筑低碳化貫徹其中[5]。

        圍繞綠色建筑各方面,學者進行了大量的研究,劉剛[6]總結(jié)了綠色建筑材料的應用現(xiàn)狀以及節(jié)水、冷屋頂、最低新風等節(jié)能技術;田慧峰等人[7]介紹了國內(nèi)綠色建筑的相關標準、政策,旨在鼓勵政府、開發(fā)商、施工單位等對綠色建筑重視,推動綠色技術和產(chǎn)品的應用;湯文?。?]從建筑的全生命周期出發(fā),參考《綠色建筑評價標準:GB/T 50378—2006》,得到不同星級下的綠色建筑增量成本,與總投資比較后選擇項目的綠色建筑技術,從技術和經(jīng)濟兩方面考慮綠色建筑的設計實踐。

        針對夏熱冬暖地區(qū)綠色建筑發(fā)展方面,李東和[9]在充分考慮氣候因素條件下,把研究重點放在被動式建筑與設計策略上,主要有建筑體形復雜化,建筑間距以節(jié)能為原則,采用天庭、天井等加強建筑通風,設置遮陽設施,此外還有建筑圍護結(jié)構和資源利用等方面的建議;黃惠菁[10]基于嶺南氣候,探究了不同形式的遮陽構件及其與光伏發(fā)電技術、再生水蒸發(fā)、太陽追蹤自動遮陽、防眩光等技術的綜合應用;此外,嶺南地區(qū)空調(diào)能耗占到建筑總能耗的一半以上,對建筑空調(diào)形式和管理必不可少。楊虎等人[11]探討了廣州某教育建筑空調(diào)采用溫濕度精確控制和探測是否使用的控制空調(diào)開關的措施。

        本文基于地塊建筑的全生命周期,即從規(guī)劃開始,到設計到后期運行的空調(diào)系統(tǒng)形式等,通過調(diào)研不同階段已有建筑實例和發(fā)表的文獻等,全面梳理適應于嶺南氣候的各項綠色建筑技術,為后續(xù)綠色建筑技術的實際應用提供參考。

        1 建筑形態(tài)布局

        1.1 形態(tài)布局概念

        顧名思義,建筑形態(tài)布局即建筑與建筑、周圍環(huán)境形成的樣式。通過基本形態(tài)設計進行建筑周圍氣候調(diào)節(jié)是綠色建筑設計方法的內(nèi)涵之一。

        建筑形態(tài)的設計體現(xiàn)在3 個方面:①要體現(xiàn)對土地的最佳利用,不浪費土地資源;②要建造適應于當?shù)貧夂虻慕ㄖ问?,在嶺南地區(qū)要特別注意通風、遮擋和采光三者之間的平衡;③體現(xiàn)建筑與人的交互,即居民與外界的通達性,保證居民生活便利。

        因此,不同氣候區(qū)和文化地區(qū)的建筑形態(tài)千差萬別,如圖1所示。

        圖1 不同氣候區(qū)建筑形態(tài)Fig.1 Architectural Forms in Different Climate Zones

        1.2 形態(tài)布局設計策略

        從廣義來說,形態(tài)布局不僅考慮建筑與周圍環(huán)境的和諧、節(jié)約能源,還要表達出人文情懷,Serge Salat博士[12]對巴黎的始建于19 世紀中葉的奧斯曼式建筑情有獨鐘。

        奧斯曼式建筑在自然光可利用率、被動空間占比、街區(qū)的可達性和連接性,都表現(xiàn)得極為優(yōu)越,實現(xiàn)建筑、環(huán)境、人和諧統(tǒng)一,如圖2所示。

        圖2 巴黎奧斯曼式建筑形態(tài)Fig.2 Paris Ottoman Architectural Form

        嶺南地區(qū)的通風帶走建筑聚集的大部分熱量,在設計形態(tài)布局時要注重通風走廊的形成。胡顯軍[13]對嶺南舊街區(qū)進行微改造時,重新梳理了形態(tài)肌理,提出了對堵塞通風的建筑構件進行拆除,以還原街區(qū)原始的氣候適應性肌理,如圖3所示。

        圖3 街區(qū)肌理疏通[13]Fig.3 Street Texture Dredging

        增強通風的方式不僅表現(xiàn)在平面布局,還可以在垂直方向上,形成上下相通的樓井,更符合用地緊張以高層建筑為主的現(xiàn)代城市設計,如圖4所示。

        圖4 天井內(nèi)院疏通與優(yōu)化[13]Fig.4 Drainage and Optimization of the Courtyard

        除了建筑布局、空間結(jié)構之外,形態(tài)設計還包含其他建筑構件,比如雨棚、遮陽,在嶺南地區(qū)不僅要應對多雨天氣,還要抵擋炎熱酷暑。

        從上面的分析可以看出,形態(tài)布局的設計重點在于適應氣候從空間的橫向和縱向兩個維度,圍繞通風和遮擋兩個核心開展。具體的設計策略為平行于主流風速形成通風廊道,豎直方向設置天庭、天井對建筑抽風;平面布局沿用傳統(tǒng)騎樓的方式設置遮擋構件、樓與樓間隔設置雨棚,豎向空間在中段形成架空、空中庭院,既能貼近自然又能節(jié)約能耗(見圖5~圖6)。

        圖5 街巷改造增加綠化和遮陽設施[13]Fig.5 Greening and Shading Facilities in Street Space Design

        圖6 建筑架空示意圖[13]Fig.6 Building Overhead Schematic Diagram

        2 建筑設計

        結(jié)合當?shù)貧夂驐l件,通過設計可以改變建筑空間功能、使用者行為,達到滿足居民對生活空間的要求和減少能源消耗的目標。

        建筑設計的綠色低碳策略主要為抵抗?jié)駸釟夂蜻M行建筑的被動式設計,減少建筑人工環(huán)境的耗能。沈馳[14]提出了5 種以空間塑造引導行為的綠色設計策略,總結(jié)如下:

        ⑴利用自然采光和自然通風減少對能源依賴,具體措施是把建筑“切薄”,讓建筑與周圍環(huán)境的接觸面增加,充分利用自然光和通風。這種方式增加了建筑的體型系數(shù),在以制冷為主的嶺南地區(qū)比較實用;

        ⑵公共空間室外化,減少能源使用,這要是針對非主要使用的公共空間,比如大堂、中庭、走廊、電梯廳等,可采用架空的狀態(tài)營造陰涼的環(huán)境,與嶺南地區(qū)傳統(tǒng)騎樓設計有異曲同工之妙,還可以增加與室外的交互,體現(xiàn)建筑的開放;

        ⑶創(chuàng)造“冷巷”,加強自然通風,這是傳統(tǒng)嶺南建筑塑造環(huán)境的精髓,嶺南地區(qū)濕熱,通風甚至比遮陽、隔熱更為重要,既可以帶走建筑熱量,還可以作為空調(diào)新風的來源,減少能源的使用,同時傳承歷史建筑風格;

        ⑷圍護界面機動設置,應對不同季節(jié)氣候的變化,比如報告廳正面墻采用轉(zhuǎn)門,氣候舒適的時候,轉(zhuǎn)門打開,與外界的綠植相連,不僅身心愉悅,還可以減少機械通風消耗的能量,遮擋組件的靈活應用,冬季增加太陽輻射,夏季減少室內(nèi)得熱;

        ⑸消極空間的再造,猶如廢棄物再利用,疏散樓梯使用頻率低,如果不放在核心筒,而是與外界相通,且覆蓋通透的遮陽格柵,就可以更加吸引使用者上下樓,不僅可以消食交談,還減少電梯的使用頻率。

        賀珉[15]在針對夏熱冬暖地區(qū)辦公建筑綠色設計中,把建筑的通風當成重點,設置拔風井盡量增加建筑的引風,此外,圍護結(jié)構的靈活設計以應對氣候變化,生態(tài)設計增加建筑空間的自然氣息,空調(diào)系統(tǒng)應用可再生能源等設計策略也值得借鑒;李鑫強[16]在建筑設計中提出設置退臺式獨立露臺,增加立體綠化突出遮陽,被動式設計中采用倒置式屋面和外墻保溫系統(tǒng),注重門窗節(jié)能設計減少能耗。

        在建筑設計方面,為適應亞熱帶氣候區(qū),要充分發(fā)揮被動式建筑設計優(yōu)勢,包含建筑外形設計充分利用自然光和通風;建筑功能布局優(yōu)化與自然環(huán)境和諧互動;遮擋和隔熱構件合理設置,減少室內(nèi)得熱;靈活設置部分構件,增加建筑空間的多樣性等。

        在對清遠民族工業(yè)園企業(yè)生產(chǎn)發(fā)展基地進行改造時,從3個方面進行設計(見圖7):

        圖7 清遠工業(yè)園區(qū)建筑形態(tài)和布局Fig.7 Architectural Form and Layout of Qingyuan Industrial Park

        ⑴ 項目地形與建筑體量和周邊建筑肌理相結(jié)合,建筑之間布置綠化及活動空間,把建筑體量解構為更小的基本型,建筑與自然更為和諧,消除建筑對城市造成的壓迫感;

        ⑵工業(yè)園區(qū)建筑體量大類型多,建筑形態(tài)和布局以人為本進行設計,將辦公綜合樓置于沿街面反映企業(yè)文化和生活氣息,辦公綜合樓弧線設計以增加地標性,把建筑分解為有趣的基本形體,形成了一系列的綠化花園,滿足人們的生活和工作需求;

        ⑶在為建筑遮擋陽光的同時,使它能受到盛行風的吹拂,讓建筑獲得良好的遮蔭通風效果。屋頂具備太陽能板和隔熱設計,有助于實現(xiàn)可再生能源的目標。同時,設計對于整體水資源管理與景觀美化進行了規(guī)劃,以保護和恢復本地植物群落。

        3 空調(diào)策略

        3.1 現(xiàn)有狀況

        嶺南地區(qū)暖通空調(diào)消耗的能源占到建筑總能耗的一半以上,綠色建筑設計繞不過暖通設計。暖通系統(tǒng)包含供能、通風和空氣調(diào)節(jié)3個方面,在嶺南地區(qū)主要是通風、去濕和制冷。

        蘇海東[17]針對建筑裝修階段,提出了在低碳背景下空調(diào)系統(tǒng)應采用太陽能技術、變頻技術、綠色材料技術和能源分析與循環(huán)利用技術的建議;賀珉[15]提出不同功能區(qū)空調(diào)分區(qū)設計、空調(diào)風系統(tǒng)要注意熱回收和地板送風、空調(diào)水系統(tǒng)種要數(shù)字化調(diào)節(jié)等措施。學者對以上空調(diào)系統(tǒng)措施的研究已經(jīng)很多,下面以嶺南地區(qū)氣候為背景,著重強調(diào)的空調(diào)節(jié)能措施。

        3.2 除濕制冷分步

        嶺南地區(qū)房間熱舒適不達標,除了溫度高之外,很多時候是濕度太高。在廣州大學采用集中供冷能源費用較高,是廣受詬病的原因之一,其中一項就是為達到室內(nèi)熱舒適,設置的空調(diào)室內(nèi)溫度過低,但經(jīng)過調(diào)研是室內(nèi)的濕度太高,造成了室內(nèi)不舒適且能源浪費的結(jié)果[18]。

        秦翠翠[19]采用機械通風的方式在住宅可以明顯的改善房間環(huán)境。除了住宅之外,采用多聯(lián)機和其他集中空調(diào)形式的建筑,可設計除濕和制冷分開以滿足室內(nèi)環(huán)境標準,同時減少空調(diào)能耗。

        3.3 監(jiān)測和控制

        建筑空調(diào)使用行為不當可使建筑能耗費用翻倍[20],因此,監(jiān)測和基于行為對空調(diào)系統(tǒng)的控制在多聯(lián)機和中央空調(diào)中必不可少。不同功能建筑的具體措施如下:

        ⑴針對教室有固定上課時間的建筑功能,可通過自控系統(tǒng)設置空調(diào)的開啟時間段,如果是中小學,在體育課或其他活動時間設置空調(diào)關閉,如果是大學間歇性上課的教室,可增加空調(diào)使用終止時間指令才允許開啟的控制。

        ⑵如果是辦公室,可采用紅外線等監(jiān)測技術對在室人員行為實施監(jiān)測,可設置離開15 min 后自動關閉等控制方法,也可根據(jù)固定上下班時間對系統(tǒng)進行管控。

        在數(shù)字化當?shù)赖默F(xiàn)代社會,除了使用行為監(jiān)測之外,結(jié)合房間溫度的精確控制和設置空調(diào)能耗管理系統(tǒng),可以實現(xiàn)運維過程中空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能。

        4 結(jié)論

        本文從嶺南地區(qū)熱濕、多雨的氣候出發(fā),以建筑綠色低碳設計為目標,從建筑形態(tài)布局、建筑設計和空調(diào)系統(tǒng)3個方面進行了論述,結(jié)論如下:

        ⑴建筑布局基于當?shù)氐南募局鲗эL向,形成通風走廊帶走建筑內(nèi)的熱量,局部細節(jié)考慮遮陽、遮雨設施和綠化,形成人、自然和建筑的和諧。

        ⑵建筑設計主要采用分區(qū)精細化設計和被動式設計策略,針對不長時間停留和消極功能,可多與外界自然相連,常用空間多接觸自然采光,參考騎樓中部架空設計,建筑活動門靈活設計等。

        ⑶空調(diào)方面在現(xiàn)有的綠色技術上,依托于數(shù)字化技術,基于室內(nèi)環(huán)境和行為使用監(jiān)測基礎上,對空調(diào)系統(tǒng)可采用除濕制冷分步,對功能房間設置開啟時間和自動關閉等措施。

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