从气候及建筑特点看中南大学的建筑节能

从气候及建筑特点看中南大学的建筑节能2009xxxxxx XXX摘要：能源危机是21 世纪各国面临的最重要的问题之一，降低建筑能耗是缓解能源危 机的一项极具潜力的节能措施。本文选取坐落在长沙市的中南大学新校区一些具有代表性的 建筑物为研究对象，结合长沙市的气候特点以及中南大学建筑物的特点，重点从保温、隔热、 遮阳、采光、降温几个方面进行建筑节能分析，为进一步探索建筑节能技术提供相关资料。关键词：气候特点；冬冷夏热；建筑节能；保温隔热；0 引言长沙是个气温变化剧烈的冬冷夏热的城市，在不保温、高能耗的建筑里，大 量宝贵的能源经过多次低效转换，加速对大自然排放二氧化碳，加剧温室效应的 恶性循环。所谓建筑节能，就是在满足居住舒适性要求的前提下，在建筑中使用 隔热保温的新型墙体材料和高能效比的采暖空调设备，达到节约能源、减少能耗、 提高能源利用效率之目的。建筑物如果能采用建筑节能技术，会使得建筑物更加 适宜居住并节约大量的能量，适应国家的可持续发展战略。中南大学新校区建设 时，很多建筑物就充分采用了建筑物的节能技术，体现了新时代建筑设计者环保 节能的意识和勇于创新的精神。1 中南大学所在地长沙市的气候特点长沙地理位置为北纬 28.2 度、东经113度，位于湘江河谷地带，地势较低， 相对湿度较大。夏季漫长闷热，冬季短暂湿冷。影响长沙气候和气温的原因主要 有3 个：其一是地形南高北低。南有五岭、东有罗霄、西有雪峰、北为洞庭湖平原， 使其地形为一向北开口的马蹄形，阻隔了东、南海洋季风的调节，使冬寒夏热的 特征尤为显著。其二是受准静止锋面影响。长沙位于内陆，距海较远，每当海面形成热带风 暴向我国大陆移动时，将大量的热空气向内陆挤压，象推土机一样，把海洋上和 南方沿海地区的热浪推到湘中、湘北地区这个特制的大盆子里。热气团长久滞留 在湘中至洞庭湖一带，在降雨前一般有35天十分闷热的时间，在这段持续闷 热的时间内，潮热的气候让人感觉十分沉闷压抑。其三是城市热岛效应。长沙近几年在加紧城市化建设，城市总面积为 1.18 万平方公里，其中主城区面积612.3平方公里。密布的钢筋混凝土建筑白天蓄积 了巨大的太阳能，晚上慢慢释放出来，每立方混凝土至少释放5kWh热量。加上 不断增加的汽车尾气和空调排气，市区78月份夜晚的气温也会处于35C以上， 在空调的轰鸣和凝水滴嗒之声中，市区居民再也不能像 70年代之前那样，在夏 季可开窗纳凉睡觉。钢筋混凝土建筑群不仅夏季影响环境温度，在冬季也同样， 不保温的混凝土建筑夜间蓄积了大量的冷量，使得白天出太阳时市区也不暖和， 加上空气潮湿，长沙气温0C时体感比北京零下10C还要冷。温度变化剧烈是夏热冬冷地区的显著特点。据气象记录，长沙市 1969 年 4 月5日的最低气温为2.5C，而同年4月10日的最高温为33.4C, 5天之中温差 达30多度。气温逐年增加是夏热冬冷地区又一特点，据潇湘晨报2009年7 月19日报道：长沙洞井气象观测站测到的气温达43.2C，达到历史之最。在午 后用温度计测量日光直射的地面，温度可达60C以上。为了度过最炎热的日子, 人们不得不大量使用电扇和空调。 1999 年湖南城镇居民每百户拥有空调 28.03 台，到2008年每百户拥有空调达到178.5台，不到10年时间增长了6倍多。由 于大量使用空调，造成夏季经常性的拉闸限电或停电。据长沙市经委、长沙电业 局的统计： 2008年8月29日21时长沙市最高负荷163万千瓦，而2009年7月 10日上午11时26分长沙电网电力负荷首次突破260万千瓦，达到261.8万千瓦。 每年的电力供应总是面临比上年更为严峻的考验。在夏季用电高峰过后，又形成 发电厂和供配电设施的空闲。长沙地区温度剧烈变化以及显著的冬冷夏热的气候特点对建筑物的性能提 出了更高的要求，新型的建筑物设计时要求设计者在建筑内环境方面做出更多的 考虑，在长沙地区如何设计出适合当地气候的建筑物成为了建筑设计师的一大课 题。中南大学新校区的建筑物就充分体现出了建筑节能的理念，多处采用了建筑 节能技术。2 中南大学采用建筑节能技术的建筑实例分析中南大学的新校区很多建筑设计新颖，不仅外观优美而且也很具有实用价 值，多处体现出建筑设计者对节能环保的充分考虑。下面就中南大学新校区的体 育场、教学楼、图书馆这三个典型建筑物作具体分析。2.1 中南大学体育场图 1 中南大学体育场外观中南大学体育场（如图 1）是新校区最有特色的建筑物之一，也是长沙市第 二大的体育场。体育场中是一个标准足球场和田径场，看台能容纳20000余人。 看台下建有室内篮球馆和羽毛球馆，功能十分全面。2.1.1 中南大学体育场的遮阳中南大学体育场看台上空的钢屋架膜结构遮阳板（如图 2），长90米，宽36.9 米，高20 米，覆盖面积大，既能达到遮阳、挡雨和隔热的效果，又能最大限度 地减少场地在白天比赛时由于屋面投影造成的阴影。钢屋架膜结构是一种全新的 建筑结构形式，它集建筑学、结构力学、精细化工与材料科学、计算机技术等为 一体，具有很高技术含量。其优美造型的钢材、膜材配件和紧固件加上设计轻巧 合理，表面处理严格的钢结构支撑，塑造出形式美观，设计合理的钢架膜结构， 充分发挥建筑师的想象力，又体现结构构件清晰受力之美，建造出标志性的形象 工程艺术性。体育场看台上空巨大的钢屋架膜横跨整个看台上空，起到很好的遮 阳作用。2.1.2 中南大学体育场的采光体育场看台下的室内篮球场和室内 羽毛球场对光线强度要求很高，这就强 调了体育馆的采光技术。室内篮球管选 择建在体育场东南方向，并采取侧面开 大窗的措施，在不影响建筑美观的前提 下尽可能增大窗墙比（如图 2）。图 2 中南大学体育场室内球馆2.2 中南大学新校区教学楼中南大学新校区教学楼（如图3）,整体结构优美，A、B、C、D四座完美结合，浑然一体。图 3 中南大学新校区教学楼模型图厂r图 4 中南大学新校区 A 座2.2.1中南大学新校区教学楼A座的采光中南大学新校区教学楼A座（如图4）采光的最主要措施仍然是开侧窗，窗 墙比很大，南朝向。利用建筑物外墙上所开的采光口（侧窗）进行采光。A座选择 开单侧窗（如图 5），单侧窗构造简单，造价低廉，使用维护方便，光线具有很 强的方向性，有利于显现立体造型，易与室外联系等优点。缺点是光线分布不均 匀,近窗处亮，远窗处暗，使房间进深受到限制，采光的有效进深一般不超过窗 高的两倍。另外，单侧窗的位置较低，易形成直接眩光。图 5 单侧窗采光曲线2.2.2中南大学新校区教学楼A座的保温中南大学新校区教学楼 A 座采用了外保温技术，外保温不仅适用于北方需 冬季保温地区的采暖建筑，也适用于南方需夏季隔热地区的空调建筑。既适用于 新建建筑，也适用于既有建筑的节能改造。保温效果明显。由于保温材料置于建 筑物外墙的外侧，基本上可以消除在建筑物各个部位的“热桥”影响。从而充分 发挥了轻质高效保温材料的效能，相对于外墙内保温和夹心保温墙体，它可使用 较薄的保温材料，达到较高的节能效果。保护主体结构。置于建筑物外侧的保温 层，大大减少了自然界温度、湿度、紫外线等对主体结构的影响。随着建筑物层 数的增加，温度对建筑竖向的影响已引起关注。有利于改善室内环境。外保温不 仅提高了墙体的保温隔热性能，而且增加了室内的热稳定性。它在一定程度上阻 止了雨水等对墙体的浸湿，提高了墙体的防潮性能，可避免室内的结露、霉斑等 现象。因而创造了舒适的室内居住环境。2.2.3中南大学新校区教学楼D座的米光图6 中南大学新校区 D 座内景图中南大学新校区教学楼D座采用开 天窗的方式采光（如图 6）。进深大的建 筑采取侧窗采光方式不能满足房间深处 的采光要求，宜在屋顶开设天窗采光。 由于天窗安装位置和数量不受墙面限 制，因此能在工作面上形成较高而均匀 的照度，并且不易形成直接眩光。2.2.4中南大学新校区教学楼D座的保温隔热图 7 中南大学新校区 D 座外景图-坡屋面中南大学新校区教学楼D座采用坡屋顶的形式保温隔热。屋顶是建筑上方、 面向外部屋盖空间的构件。一般把坡度为 10以上的屋顶称为坡屋顶。坡屋顶 作为传统建筑屋顶的一个分类，由于能减少建筑的日照间距，提高城市土地利用 率，也较普通平屋顶能更有效的保温隔热，所以应用最为广泛。随着社会的发展， 在重新审视能源、资源和环境问题的今天，传统的坡屋顶被赋予了新的功能、形 式、诸多的技术设计及可持续的建筑设计理念。随着科学技术的不断进步及人们 对生态环保意识的不断加强，对住宅坡屋顶保温隔热构造研究和探讨还要继续下 去。可以预见的是，未来的屋顶将会越来越多地采用节能环保的新材料、低能耗 生态的新技术等手段，使得住宅建筑能降低能源消耗，资源充分利用，优化人居 生态环境。2.3 中南大学图书馆图 8 中南大学图书馆2.3.1 中南大学图书馆的降温隔热中南大学图书馆（如图 8）采用屋 顶绿化技术对建筑物进行降温隔热。屋 顶绿化在炎热的夏季具有降温和隔热 作用，有助于降低能耗。屋顶花园显而 易见的有助于美化，增强都市视觉环 境，是改善城市生态环境的重要途径。 随着我国城市人口的增加，经济的发 展，越的土地却很有限，屋顶花园则可 以充分利用屋顶的空间增大城市绿化 率。2.3.2 中南大学图书馆的遮阳中南大学图书馆虽然采用了玻璃 幕墙（如图 9），但是它安装在周围建 筑的阴影中，巧妙地利用了周围建筑物 的阴影进行遮阳，避免了阳光直射，不 仅没有形成光污染，而且还具有良好的 采光。楼下是人车通道，也为图书馆进 行了良好的防潮。图 9 中南大学图书馆玻璃幕墙3 中南大学建筑节能技术的总体评估中南大学新校区很多建筑物在设计时都充分考虑了建筑节能技术的应用，顺 应了新时代建筑物的发展趋势，符合国家可持续发展战略规划。把建筑节能技术 进行实际应用是中南大学新校区建设设计者一项大胆的创新与尝试，在长沙这样 一个具有气温变化剧烈，冬冷夏热明显的气候特点地区采用建筑节能技术，必然 会获得较好效益。但也存在一些方面的不足，很多建筑只能满足在某一方面的节 能技术，却不能全面采取节能措施，这是现有的建筑节能技术本身存在的技术间 的互相矛盾，也是建筑节能技术发展中必须解决的一个难题。4建筑节能技术的展望本文介绍了位于夏热冬冷地区中南大学新校区的建筑气候特点、建筑热环境 和能耗状况，分析了建筑节能技术带来的效益。建筑节能是一门新兴科学，与原 有专业分工不同，它包含有建筑、施工、采暖、通风、空调、电照、家电、建材 热工、能源、环境、检测、计算机软件等许多专业内容，是许多专业学科边缘交 叉并结合形成的，在社会需要的推动下，许多高等院校、科研院所和生产单位都 在围绕不同方面进行研究开发，正在出现蓬勃发展的新局面。建筑节能又是一门实践科学与工程技术，从城市和小区的规划、供热系统的 设计、建筑物的设计和施工、房屋开发建设，到物业管理与设备运行，从一个区 域的建筑节能管理落实到居民的自觉节能行为，都是不可或缺的重要环节，都需 要多方面的通力合作，配合协调。建筑节能又牵涉到一个庞大的产业群体，它包括保温隔热材料与制品，节能 门窗、采暖、通风、空调、照明等节能设备、器件、管材与系统等等。随着建筑 节能规模的迅速扩大，建筑节能相关产业越来越多，通过国外资本与技术的引进， 功能质量与价格的市场竞争和优胜劣汰，在规模日益扩大的同时，产业结构和产 品结构将趋于合理，技术也能取得不断进步。在市场经济的推动下，随着住房体制改革的前进，房屋用能费用理所当然地 要由住户承担，节约建筑用能势必逐渐成为广大居民的自觉要求，加上改善大气 环境愈来愈迫切要求减轻建筑用能带来的污染，建筑节能将是大势所趋，人心所 向，既是国家民族利益的需要，又是亿万群众自己的切身事业，它必将克服目前 存在的各种困难，在新世纪得到跨越式的发展。参考文献1 . 谢晓平,施少伟,金津.长沙地区气候特征与建筑外遮阳中外建筑2 . 肖坚.夏热冬冷地区住宅坡屋顶隔热保温构造研究3 .百度百科(4 . 李文辉,马嘉斌建筑物室内环境采光设计分析5 . 徐玉萍,张尧龙从建筑遮阳谈建筑节能设计