地下建筑空間節能范文

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隨著地下建筑的不斷發展,城市里出現了多種功能類型的建筑形式,如:從公共建筑、交通建筑、辦公建筑、體育建筑以及居住建筑等。人類在地下建筑中的活動日益增加。我們一方面需要改善地下建筑內部空間環境,使其達到一定的舒適度標準,從而保障地下建筑的正常運行,另一方面也要有效控制地下建筑的運行能耗,節約運行成本。

地下建筑空間環境與地面建筑相比較,有非常顯著的特點,其中包含了一些有利因素與不利因素。我們在對地下建筑空間進行節能設計時,需要根據地下建筑空間的特點,有針對性地進行設計。

2地下建筑熱工環境分析

地下建筑空間環境受到室外和室內的雙重熱濕作用。與地面建筑不同的是,地下建筑圍護結構所接觸的是土壤或巖石,而不是地面環境中的太陽輻射、室外空氣的溫濕度、風、雨、雪等。土壤或巖石對地下建筑圍護結構的作用與地下建筑的熱工性能有密切關聯。

2.1地下建筑室外熱濕環境

建筑物外圍護結構將人們的生活與工作空間分為室內和室外兩部分,對地下建筑而言,土壤對其圍護結構的影響便相當于室外氣候對地面建筑的影響。

2.1.1土壤或巖體溫度作用

土壤的熱作用與地面自然環境的熱作用差別很大。一般認為從地面到地下10m左右的土壤是依靠太陽供給熱量的。隨著深度的增加,熱量對土地的影響也相應增加。白天,太陽的熱量影響到土壤的很淺的深度,通常在5～7cm之間,但這種熱量在一個大約10m的深度內作持續的季節性運動[1]。土壤隔熱性好而蓄熱量大,因而能在嚴酷多變的外界氣候條件下保持相對穩定的溫度。土壤的熱穩定性使得地下建筑的圍護結構擁有相對穩定的外界溫度,對于一些需要恒定季節性溫度和恒定晝夜溫度的特殊建筑,地下建筑將更具優勢。

2.1.2土壤或巖體濕度作用

在濕度方面,地下建筑的圍護結構受到土壤、巖石、地下水位高低等的影響,有時會出現較為嚴重表面散濕現象,再加上缺少陽光照射,和有效的自然通風,圍護結構往往比地面建筑潮濕。

2.2地下建筑室內熱濕環境

地下建筑中屬于室內的氣候因素主要包括三個方面:進入室內的陽光、空氣溫濕度、生產和生活所散發的熱量和水分。

2.2.1進入室內的陽光

地下建筑由于其圍護結構的限制,一般難以通過側窗獲取陽光,雖然可以通過采光天窗、采光井等方式進行自然采光,但大多數情況下仍無法與地面建筑相比。自然光線的不足對地下建筑室內環境造成了不利影響,如潮濕、陰暗。

2.2.2空氣溫度濕度

地下空間中的空氣溫度隨季節變化及晝夜變化的波動幅度較小,相對于地面,有著十分明顯的滯后現象。地面溫度變化引起地表層發生的熱波,由于地下建筑覆蓋層及周圍巖土的衰減作用,對室內空氣溫度影響不大。當覆蓋層厚度超過10m,這種影響可忽略不計,這對創造恒定的室內溫度十分有利。

在夏季,地下建筑內溫度比室外空氣溫度低,室外空氣進入地下建筑后,溫度下降,相對濕度升高,當壁面溫度低于露點時,即出現凝結水,致使地下建筑夏季雨季潮濕問題十分突出。

2.2.3生產和生活所散發的熱量與水分

地下建筑中的生產活動與生活同樣會散發熱量和水分。由于地下建筑的封閉性較強,很多情況下難以通過自然通風排除熱量與濕氣,因此,地下建筑空間內的生產和生活過程中所散發的熱量和水分會增加地下空間的溫度和濕度。

3地下建筑的主要能耗分析

分析地下公共建筑的環境特點及熱工性能可知,其圍護結構的保溫隔熱性能優于地面建筑,并且不需要遮陽。地下建筑主要能耗主要包括:采光能耗、空調能耗、動力能耗。根據徐州時尚大道地下商業街的能耗進行了測量,表明最大的能量消耗是在有高制冷負載的8月份。另一個最大值是在有高取暖負載的2月份。年耗能的最大份額是照明,占45%;第二位是空調能耗,占44%;電梯及其他能耗占11%(見圖1)。

可見地下建筑中的采光能耗占的比例巨大,空調能耗也十分驚人。我國的空調能耗中,新風能耗占空調能耗的25%-38%[2],在地下建筑中這個比例會更高。因此,自然采光與自然通風對地下建筑的節能意義重大。

4地下建筑節能策略

4.1充分利用自然采光

在地下建筑中應可能地利用自然采光,天然采光不僅節約了照明能耗,更重要的是能滿足人們的心理需求。在地下空間可以采用以下多種建筑形式來進行自然采光。

4.1.1天窗式

天窗采光適合于埋深較淺、地面部分為廣場或綠地的地下建筑,陽光可以通過頂棚的天窗很容易到達室內,采光效率高,并可選擇各種形式的天窗,如:平天窗、鋸齒形天窗等。天窗采光適合用于公共建筑和工業建筑,如展覽建筑、工業廠房等。

4.1.2庭院式

對于規模不大的地下建筑,可采用庭院式自然采光。地下建筑的各部分功能圍繞一個小庭院布置,并在與庭院相鄰的圍護結構上開設大面積玻璃門窗,從而可以攝取陽光和景觀。

庭院式采光方法較適于規模不大的文化娛樂建筑。

4.1.3下沉廣場式

對于城市中面積較大的開敞空間,常常使地面一部分下沉一定高度,使廣場出現空間形態變化,并且結合地下建筑(如地下商業建筑、地下交通建筑等)形成多層次的復合空間,同時還為廣場周圍的地下建筑提供大量的自然光線。

4.1.4地下中庭式

對于大深度的地下工程,地下中庭是一種改善空間環境的重要方法。中庭頂部可以由各種形態的空間網架加上采光玻璃面構成。中庭內可以種植植物,布置景觀,從而形成豐富的內部空間。因此,多層地下建筑可以通過共享中庭獲得自然光線以及景觀效果。

4.1.5技術應用

很多情況下,地下建筑沒有條件通過天窗、側窗或中庭等引入自然光線,此時就需要采用一些特殊方法將太陽光引入地下空間,這種采光方法同樣可以使地下空間獲得陽光照明,從而達到節能的目的[3]。常見的方法有:導光管采光(如圖2)、棱鏡導光裝置、光導纖維、光電效應間接采光等。

4.2自然通風

自然通風是利用室內外溫度差所造成的熱壓或風力作用所造成的風壓來實現換氣的一種通風方式,是對自然能源的有效開發和利用。經過合理設計的自然通風,對改善室內空氣質量和節約能耗都有重要意義。自然通風與建筑設計關系密切,平面布局、風井的設置及風帽的選擇等都會影響自然通風效果。

4.2.1平面布局

平面布局決定著自然通風系統的風路組織,直接影響自然通風效率。風路設計的重點是如何將新風引入地下建筑,與室內空氣進行置換后排出室外。在布置地下建筑平面時應盡量保證風路暢通,減少死角,避免氣流短路。

4.2.2風井設置

在地下建筑設計中,中庭的應用十分普遍。中庭受到陽光照射,會產生溫室效應,產生熱壓作用,有利于空氣排出。因此我們可以將其作為排風風井,必要時設置機械裝置,輔助排風(如圖3)。

進風井應根據自然通風的風路組織需求,圍繞作為排風井的中庭設置。進風井風口部分應該考慮周圍地面環境的影響,避開有空氣污染的位置,同時要加裝空氣凈化裝置[4]。為了有利于空氣進入,可以在風口內部設置冷卻裝置,促使空氣下沉。風口要盡量利用風壓,根據需要安裝進風型風帽或排風型風帽。

5可再生能源利用

可再生能源利用是近年來的熱點。可再生能源包括風能、太陽能、生物能、地熱能和海洋能等,它對環境無害或危害很小,資源分布廣泛,適宜就地開發利用。適合在地下建筑中使用的可再生能源主要有太陽能利用、風能利用和地熱能利用。

5.1太陽能應用

通過建筑設計手段和技術手段,可以利用太陽能為地下建筑提供自然照明。有條件接受較多陽光照射的地下建筑,同樣可以借鑒地上建筑利用太陽能的方式,為內部空間提供采暖所需的熱量。例如在共享中庭內部設置太陽能集熱裝置,在冬季為地下建筑冬季采暖提供熱量補充,在夏季可以起到除濕的作用。

5.2風能利用

風能的利用主要有兩方面:一是通過風壓作用輔助地下建筑空間進行自然通風,二是通過風力發電裝置進行發電。風力發電裝置要求有較好的風力資源,常見的做法是將發電裝置至于高處,因此適宜應用在附建于高層建筑的地下建筑。風力發電裝置可安裝在地面建筑頂部,以捕獲得更多的風力資源,但必須控制噪聲對周圍環境的影響。

5.3地源熱泵應用

地源熱泵系統與傳統的空調系統相比有很多不同,如不需要冷卻塔、不需要鍋爐、不需要機房等,這些特點有利于地源熱泵系統在地下建筑中的應用,但同時也需要增加一些設備和投資,如土壤熱交換器、循環水泵、低溫型熱泵機組等。對于較深的地下建筑,有足夠的空間敷設土壤熱交換器,非常適合用地源熱泵系統代替傳統的空調系統[5]。

6結語

地下建筑的應用日趨廣泛,人們在其中的活動逐漸增多,能耗問題不容忽視。建筑師在方案設計階段就應該考慮節能因素,將節能設計作為方案設計的一個重要部分。我們要通過借鑒先進的生態節能設計方法,結合地下建筑的特點,有針對性地進行研究,在保證舒適度的同時,最大限度地降低建筑能耗。