被动式绿色建筑创作实践以邵阳学院艺术楼设计方案为例.docx
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被动式绿色建筑创作实践以邵阳学院艺术楼设计方案为例
被动式绿色建筑创作实践——以邵阳学院艺术楼设计为例-建筑论文
被动式绿色建筑创作实践——以邵阳学院艺术楼设计为例肖扬王志萍XiaoYangWangZhiping摘 要:
绿色建筑应是节能的。
建筑的被动式系统与主动式系统最大的区别是,后者需要借助设备和技术来创造舒适的建筑环境,而被动式系统则是“顺势而为”地利用场地自然条件达到人们感到舒适的环境需求,天然地带有了与自然和谐共存的绿色建筑属性。
本文试图借助笔者一些设计案例的被动式节能措施的分析设计过程,结合我国传统建筑低技节能措施提出对绿色建筑的一些思考。
关键词:
建筑;绿色;被动式;低技;传统;节能作者简介:
肖扬(1977-),男,湖南长沙人,湖南省建筑设计院建筑一院高级工程师;王志萍(1979-),女,湖南岳阳人,中南林业科技大学家具与艺术设计学院讲师。
中图分类号:
TU984.14文献标识码:
B文章编号:
1008-0422(2015)08-0114-061前言进入21世纪,全球气候变暖越来越明显,环境保护意识已经深入人心。
绿色和生态建筑正是在这样的时代背景下成为当前的一大热门设计趋势的。
我国人口基数庞大,虽然地大物博,而且尽管现有建筑能耗占社会总能耗仅20%-25%,离发达国家的30%-45%仍有差距[1],但现实中拉闸限电、供气不足时仍然经常发生。
能源短缺使建筑节能显得尤为重要。
绿色建筑的设计理念正是在这样的时代背景下诞生的。
2被动式绿色建筑简介及经典案例国际上“绿色建筑”概念的内涵发展历来与建筑主导思维的发展和能源形势息息相关。
1973年发生的世界性石油危机迫使发达国家因能源短缺提出了建筑节能概念,当时仅是通过限制用能减少能源消耗,不考虑人的舒适性要求。
后来建筑节能发展为“在建筑中保持能源”,力图在不增加能耗的同时提高建筑健康性和舒适性。
目前,国际上建筑理念已经发展到绿色建筑阶段,注重建筑与自然环境的协调和生态平衡,以达到可持续发展的目的[2]。
绿色建筑是针对建筑的全生命周期而言[3],能最大限度地节约资源(能源、用地、水电、建材),以保护环境和减少污染,为人们提供健康、适用和高效的使用空间,与自然和谐共生,这样的建筑称为绿色建筑。
气候引导下的绿色建筑创作是当代建筑面对的一个重要课题。
但现实情况下,绿色建筑常被异化成为一个节能技术的杂烩或集合体;而另一方面,作为一种建筑与自然之间能量关系的应对智慧,绿色建筑的潜力还远未被从分挖掘。
这种智慧是基于对气候,场地,功能的敏感与反应,将自然通风,遮阳,能量交换,场所营造等作为一种重要的设计目标,并将其作为建筑形式生成的激发性要素,是一种基于被动式概念的“顺势而为”的设计策略。
我国城市中解决建筑节能问题,主要从建筑设备的角度应用技术措施,如光伏发电、地源热泵、中水回收再利用措施等。
通常来说,这些都需要较高的初期投入,它的节能和经济性,要以全生命周期成本核算才能体现出来。
这对节能建筑的推广造成了一些困难。
相对来说被动式节能系统不使用机械电子设备,从源头上就具有明显的成本优势;主动设备从生产到使用都要消耗大量能源,因此在使用过程中也一定程度地减少了资源消耗。
下面从经典案例的角度来说明被动式绿色建筑设计的节能策略应用。
2.1窑洞窑洞是中国西北黄土高原上居民的古老居住形式,或以院落为单元,或以成排连成线,沿地形变化,随山顶势,成群,成堆,成线地镶嵌于山间,构图上形成台阶型空间,创造了最原初的被动式绿色建筑技艺(图1)。
2.2北京市四中房山校区这个项目的一个目标是成为中国第一个绿色三星级的学校(其标准超过LEED金级认证)。
为了最大化地利用自然通风和自然光线,并减少冬天及夏天的冷热负荷,被动式节能策略几乎运用在设计的方方面面中,大到建筑的布局和几何形态,小到窗户的细部设计(图2)。
2.3阿迪达斯德国餐会与会议中心丹麦COBE事务所在设计中保留基地所有树木,以最友好的姿态融入自然,创造出室内外最小的差别。
无论是阿迪达斯的员工,前来的体育明星还是观众,在这里聚餐和举行集会,都能够享受到优美而开放的景观绿色环境(图3)。
从上面的案例中可以看出,被动式绿色建筑设计策略充分利用场地既有环境、地形和气候等条件,用院落、退台、架空、遮阳等手法,不仅达到了节能环保的目的,还丰富了建筑的空间和形式,取得了一定的艺术效果。
由此我们可以总结出被动式绿色建筑创作的普遍性原则:
让人们在获得空间舒适感和愉悦感的同时,自发的以更健康的方式使用建筑,并自然达到低碳环保、节约能源的目的。
3被动式绿色建筑设计实践笔者在设计实践中慢慢地总结出了“顺势而为”的绿色建筑设计方法,并将之应用到邵阳学院艺术楼设计实践中,下面就具体地介绍该设计的具体过程。
3.1项目概况邵阳学院艺术设计大楼位于湖南省邵阳市邵阳学院七里坪小区,占地面积4500m2,建设规模13000m2,工程造价2590万元。
业主要求项目需提供专业课教学场地、实验室、实训室教学场地、教学展示与学生活动场地和教辅管理及办公场地。
项目总平面的布置和场址如图4。
3.2场地分析邵阳地区属于亚热带季风气候,终年四季分明,气候较湿润;过渡季节主导风北风。
夏季主导风向西南偏西风,高温多雨,冬季主导向风东北偏北风,寒冷潮湿。
冬季12月、1月温度最低,平均最低温度不超过-5℃,夏季6月底温度最高,平均最高温度不超过40℃(图5)。
年相对湿度逐时数据(图6)可以看出邵阳地区全年湿度都很大,因此设计时需考虑到自然通风,底层架空等防潮的措施。
全年直接辐射量分布情况(图7)可知邵阳地区阴、雨天较多,特别是春季和冬季这对利用太阳能较不利。
邵阳地区自然通风策略在夏季与过渡季节效果显著,高热容围护结构与夜间通风、间接蒸发降温在过渡季节作用明显。
综合运用各种被动式设计策略可以提高全年舒适度6倍时间左右。
邵阳地区夏季多西南偏西风,风向频率约为10%;过渡季多东北偏北风,风向频率约占21%;冬季多东北偏北风,风向频率约占21%。
场地设计时需要充分利用夏季西南风,而尽量减少冬季东北风的影响。
3.3朝向选择考虑夏季(图8)正南向布置时,压差值较大适宜于开设窗洞的区域集中在建筑的西、北两个立面,而南北立面的压差值不大于1.5Pa。
南偏西30°布置时,压差值较大适宜于开设窗洞的区域集中在建筑的西南、东北面,而东侧较弱,且气压分布不均,采用同一面积的开口方式时,东南及西北的通风效果有一定差异。
南偏西55°布置时,整个朝南的和朝北的迎风面背风面分布相对均匀,且压差均在2~3Pa上下,可获得较好的通风效果。
考虑冬季正南向布置时,压差值在4Pa上下,背风面的负压区绝大多数表面在-2Pa。
南偏西30°向布置时,三个方案中最不利于冬季防风的,压差值最高的区域达到了5Pa,冬季渗透风量将较大。
南偏西55°向布置时,压差较大的区域集中在东北角和西南角,而恰好这一对角线的通风路径最长,表面压差基本维持在3Pa左右,为最佳方案。
综合以上因素,可以确定建筑采用南偏西55°朝向时,可很好的利用夏季主导风,同时冬季可避免较强的冷风入渗。
在建筑体量还未确定时,需要把设计作为一个整体进行多角度分析,除了需要利用场地现有的环境资源气候条件,还需要考虑到对设计至关重要的因素——太阳辐射。
在已有的风环境分析的基础上,我们需要进行太阳辐射在冬夏两季对建筑布局的影响进行初步的分析,来判断之前对建筑的朝向设定是否同样满足冬季得热和夏季防热的需求。
偏转55°时,夏季降低为332Wh,冬季降低为150Wh,相对正南北向的建筑可明显减少夏季热辐射,且通过对阴影范围的观察可发现,这一角度的受影面积最大,可为周边行人和建筑提供一定的遮阳。
可进一步确定建筑整体朝向南偏西55°是最佳选择。
(图9)3.4空间与形态生成从尽可能减少开挖土方量的角度,方案空间最初构想希望建筑空间及形态从依山就势的退台为出发点,构件较小的体型系数的建筑空间。
黄色为教学空间,蓝色为实验及辅助用房,绿色为展厅。
但退台的形式难以满足采光要求较高的教学建筑,要使大进深的空间得到充足的自然光,必须对完整空间进行适当的拆分。
我们对最初的设计进行夏季室外的自然通风模拟,通过观察可以了解到,负压区集中在教学空间的西面,即使在下两层退台设置大面积的集中开窗,其通风路径较长,经过室内需要较长时间,对于自然通风而言,也是不利的。
通过把完整的空间拆分成平行的三个体量后,三个体块的南北侧都可以获得较好的自然光线。
当改变二三层退台的间距后,第二层背风向明显成为了负压区,且架空了展厅空间后,对第二层的遮挡明显减弱,场地整体的室外风环境获得较好的改善效果。
(图10)通过数据模拟,我们又发现平行的体块之间自然风的遮挡十分明显,尤其是通过流场的观察,体块之间都存在较明显的涡旋。
要解决这个问题需要体块间保持适当的间距,部分空间可以做架空处理(图11)。
通过对第一层退台的拉伸、架空获得既满足采光又利于通风的初步形体,总的形体生成过程如下图12。
设计效果图如图13。
4被动式绿色建筑技术在创作中的应用策略笔者由上面案例总结出的被动式策略如下:
4.1自然通风室内的气流通过内墙一侧的高窗在热压引导下流入通风井,最后经屋顶的负压风口流出。
(图14)除教学空间外,其余功能均为单廊式布局,在进深不大的前提下,有利的朝向和空间组织形式可保证较高效率的夏季通风量,因此方案中设计了竖向的自然通风井,贯通底层至顶层,尝试利用热压拔风,强化垂直方向的气流运动。
为验证自然通风的设计,采用IES对夏季教学楼的整体通风量进行了模拟,结果显示,增加风井前后增加了约5万l/S的流量。
4.2自然采光建筑各功能空间当中,对自然采光需求最高是教学区的教室。
我们对专业教室进行了采光的专项研究。
教室面宽为8.4m,进深为8.6m,因其有较高的自然采光要求,原本设计了一扇宽6.5m,高1.8m的外窗,已足够满足平均采光系数的要求,达到了5.23%,但由于进深较大,单侧采光使得室内的采光均匀度偏低,针对这一问题,最低成本的解决方案是增开内窗。
内墙一侧增开一扇2.7m宽0.9m高的条窗后,室内的采光均匀度提升了10%,整体的采光水平也得到相应的改善。
(图15)4.3遮阳为教学楼阳面大面积开启的外窗设计了固定外遮阳,水平的挑檐是最适宜的形式。
并且外遮阳还结合种植槽,将布置上垂直绿化。
夏季植物生长茂盛时,可充分发挥植被遮阳作用及蒸腾作用,起到一定程度的降温效果,冬季植物凋零,不会阻挡入射室内的阳光,利用植物的季节性变化,可对室内外环境进行与气候相适应的调节。
(图16)比较未采用遮阳的外窗,其夏季暴晒的比率为72%。
增加了出挑1.2m的水平遮阳后,外窗的暴晒比率下降至约33%。
通过遮挡计算可发现,尤其在夏季,外窗平均的综合遮阳系数SC为100%,若不采用外遮阳措施,室外辐射热只能通过外窗玻璃材料控制。
设计外遮阳后全年的综合遮阳系数SC为35.8%,夏季达到19.2%,冬季维持在53.1%,很好的平衡了建筑对太阳辐射热的需求。
(图17)4.4垂直绿化垂直绿化可以有效的阻挡太阳对建筑物的热辐射,植物对于太阳光的照射能起到遮挡、反射的作用,植物的光合作用能有效的吸收太阳能并进行转化,对于建筑室内环境具有明显的降温作用。
(图18)4.5屋顶绿化我们采取的简约式屋顶绿化在改善局部生态环境的同时,成本较低,利于后期维护,非常适合应用于学校类型建筑。
(图19)4.6创造小气候基地依山傍水,西南面正临人工湖,恰好可以充分利用水陆之间的气流循环,夏季可使凉爽的自然风引导入建筑室内(图20)。
4.7本地化营造寻找当地废旧材料进行加工再利用,进行建筑外立面及景观部分打造,力求实现材料的循环利用。
(图21)5结语各种技术或者建筑设计策略并无高下之分,所谓“高技术”或“低技术”只是就技术本身的科技含量而言,不等同与解决实际问题能力的高下。
另一方面,建筑节能须结合实际情况来考虑实施的可能性、经济性和耐久性。
在实践中,没有一种通用的节能设计方法可以随处套用。
我国幅员辽阔,传统民居种类非常多样。
四合院、碉楼、一颗印和窑洞等民居形式,对各地气候有各自不同的良好适应性,这些都值得建筑师结合节能设计的需要来思考和借鉴,做出经济而又舒适的真正“绿色建筑”。
建筑产生的本源是人与自然的和谐与抗争,人类古老的建筑形态都是绿色建筑杰出的代表,我们作为新时代的年轻建筑师,呼吁建筑本质的回归,呼吁被动式绿色建筑的发展。
被动式绿色建筑倡导低技,低价,低碳的设计原则。
作为当代建筑师,面对繁花似锦的社会表象,面对参差不齐的业主要求,我们的设计应从以人为本的角度作为设计出发点,更多的以使用者的需求来还原设计的本质,从自然通风、采光、交流活动场等人性化的方面进行建筑设计的研究探讨。
被动式绿色建筑设计应充分结合绿色建筑设计专业机构前端的多种技术手段,从绿色建筑的需求开始方案的最初思考,从方案之初即开始研判,利用风环境、光环境的模拟来辅助设计,做真正契合地域气候、契合场地条件、契合实际使用要求的绿色设计。
参考文献:
[1]王宗朝.建筑节能发展及目前国内现状刍议.[J].甘肃科技,2010,10:
19-26.[2]周烨恒,常荣杰.低技术化的节能建筑设计.[J].福建建筑,总第127期.[3]绿色建筑评价标准.GB/T50378-2006.[S].北京:
中国建筑工业出版社,2006.
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