從氣候及建筑特點(diǎn)看中南大學(xué)的建筑節(jié)能

從氣候及建筑特點(diǎn)看中南大學(xué)的建筑節(jié)能2009xxxxxxXXX摘要：能源危機(jī)是21世紀(jì)各國面臨的最重要的問題之一，降低建筑能耗是緩解能源危機(jī)的一項(xiàng)極具潛力的節(jié)能措施。本文選取坐落在長沙市的中南大學(xué)新校區(qū)一些具有代表性的建筑物為研究對象，結(jié)合長沙市的氣候特點(diǎn)以及中南大學(xué)建筑物的特點(diǎn)，重點(diǎn)從保溫、隔熱、遮陽、采光、降溫幾個(gè)方面進(jìn)行建筑節(jié)能分析，為進(jìn)一步探索建筑節(jié)能技術(shù)提供相關(guān)資料。關(guān)鍵詞：氣候特點(diǎn)；冬冷夏熱；建筑節(jié)能；保溫隔熱；0引言長沙是個(gè)氣溫變化劇烈的冬冷夏熱的城市，在不保溫、高能耗的建筑里，大量寶貴的能源經(jīng)過多次低效轉(zhuǎn)換，加速對大自然排放二氧化碳，加劇溫室效應(yīng)的惡性循環(huán)。所謂建筑節(jié)能，就是在滿足居住舒適性要求的前提下，在建筑中使用隔熱保溫的新型墻體材料和高能效比的采暖空調(diào)設(shè)備，達(dá)到節(jié)約能源、減少能耗、提高能源利用效率之目的。建筑物如果能采用建筑節(jié)能技術(shù)，會(huì)使得建筑物更加適宜居住并節(jié)約大量的能量，適應(yīng)國家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。中南大學(xué)新校區(qū)建設(shè)時(shí)，很多建筑物就充分采用了建筑物的節(jié)能技術(shù)，體現(xiàn)了新時(shí)代建筑設(shè)計(jì)者環(huán)保節(jié)能的意識(shí)和勇于創(chuàng)新的精神。中南大學(xué)所在地長沙市的氣候特點(diǎn)長沙地理位置為北緯28.2度、東經(jīng)113度，位于湘江河谷地帶，地勢較低，相對濕度較大。夏季漫長悶熱，冬季短暫濕冷。影響長沙氣候和氣溫的原因主要有3個(gè)：其一是地形南高北低。南有五嶺、東有羅霄、西有雪峰、北為洞庭湖平原，使其地形為一向北開口的馬蹄形，阻隔了東、南海洋季風(fēng)的調(diào)節(jié)，使冬寒夏熱的特征尤為顯著。其二是受準(zhǔn)靜止鋒面影響。長沙位于內(nèi)陸，距海較遠(yuǎn)，每當(dāng)海面形成熱帶風(fēng)暴向我國大陸移動(dòng)時(shí)，將大量的熱空氣向內(nèi)陸擠壓，象推土機(jī)一樣，把海洋上和南方沿海地區(qū)的熱浪推到湘中、湘北地區(qū)這個(gè)特制的大盆子里。熱氣團(tuán)長久滯留在湘中至洞庭湖一帶，在降雨前一般有3?5天十分悶熱的時(shí)間，在這段持續(xù)悶熱的時(shí)間內(nèi)，潮熱的氣候讓人感覺十分沉悶壓抑。其三是城市熱島效應(yīng)。長沙近幾年在加緊城市化建設(shè)，城市總面積為1.18萬平方公里，其中主城區(qū)面積612.3平方公里。密布的鋼筋混凝土建筑白天蓄積了巨大的太陽能，晚上慢慢釋放出來，每立方混凝土至少釋放5kWh熱量。加上不斷增加的汽車尾氣和空調(diào)排氣，市區(qū)7?8月份夜晚的氣溫也會(huì)處于35°C以上，在空調(diào)的轟鳴和凝水滴嗒之聲中，市區(qū)居民再也不能像70年代之前那樣，在夏季可開窗納涼睡覺。鋼筋混凝土建筑群不僅夏季影響環(huán)境溫度，在冬季也同樣，不保溫的混凝土建筑夜間蓄積了大量的冷量，使得白天出太陽時(shí)市區(qū)也不暖和，加上空氣潮濕，長沙氣溫0C時(shí)體感比北京零下10C還要冷。溫度變化劇烈是夏熱冬冷地區(qū)的顯著特點(diǎn)。據(jù)氣象記錄，長沙市1969年4月5日的最低氣溫為2.5°C，而同年4月10日的最高溫為33.4°C,5天之中溫差達(dá)30多度。氣溫逐年增加是夏熱冬冷地區(qū)又一特點(diǎn)，據(jù)《瀟湘晨報(bào)》2009年7月19日報(bào)道：長沙洞井氣象觀測站測到的氣溫達(dá)43.2C，達(dá)到歷史之最。在午后用溫度計(jì)測量日光直射的地面，溫度可達(dá)60C以上。為了度過最炎熱的日子,人們不得不大量使用電扇和空調(diào)。1999年湖南城鎮(zhèn)居民每百戶擁有空調(diào)28.03臺(tái)，到2008年每百戶擁有空調(diào)達(dá)到178.5臺(tái)，不到10年時(shí)間增長了6倍多。由于大量使用空調(diào)，造成夏季經(jīng)常性的拉閘限電或停電。據(jù)長沙市經(jīng)委、長沙電業(yè)局的統(tǒng)計(jì)：2008年8月29日21時(shí)長沙市最高負(fù)荷163萬千瓦，而2009年7月10日上午11時(shí)26分長沙電網(wǎng)電力負(fù)荷首次突破260萬千瓦，達(dá)到261.8萬千瓦。每年的電力供應(yīng)總是面臨比上年更為嚴(yán)峻的考驗(yàn)。在夏季用電高峰過后，又形成發(fā)電廠和供配電設(shè)施的空閑。長沙地區(qū)溫度劇烈變化以及顯著的冬冷夏熱的氣候特點(diǎn)對建筑物的性能提出了更高的要求，新型的建筑物設(shè)計(jì)時(shí)要求設(shè)計(jì)者在建筑內(nèi)環(huán)境方面做出更多的考慮，在長沙地區(qū)如何設(shè)計(jì)出適合當(dāng)?shù)貧夂虻慕ㄖ锍蔀榱私ㄖO(shè)計(jì)師的一大課題。中南大學(xué)新校區(qū)的建筑物就充分體現(xiàn)出了建筑節(jié)能的理念，多處采用了建筑節(jié)能技術(shù)。中南大學(xué)采用建筑節(jié)能技術(shù)的建筑實(shí)例分析中南大學(xué)的新校區(qū)很多建筑設(shè)計(jì)新穎，不僅外觀優(yōu)美而且也很具有實(shí)用價(jià)值，多處體現(xiàn)出建筑設(shè)計(jì)者對節(jié)能環(huán)保的充分考慮。下面就中南大學(xué)新校區(qū)的體育場、教學(xué)樓、圖書館這三個(gè)典型建筑物作具體分析。2.1中南大學(xué)體育場圖1中南大學(xué)體育場外觀中南大學(xué)體育場（如圖1）是新校區(qū)最有特色的建筑物之一，也是長沙市第二大的體育場。體育場中是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場和田徑場，看臺(tái)能容納20000余人。看臺(tái)下建有室內(nèi)籃球館和羽毛球館，功能十分全面。2.1.1中南大學(xué)體育場的遮陽

中南大學(xué)體育場看臺(tái)上空的鋼屋架膜結(jié)構(gòu)遮陽板（如圖2），長90米，寬36.9米，高20米，覆蓋面積大，既能達(dá)到遮陽、擋雨和隔熱的效果，又能最大限度地減少場地在白天比賽時(shí)由于屋面投影造成的陰影。鋼屋架膜結(jié)構(gòu)是一種全新的建筑結(jié)構(gòu)形式，它集建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、精細(xì)化工與材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等為一體，具有很高技術(shù)含量。其優(yōu)美造型的鋼材、膜材配件和緊固件加上設(shè)計(jì)輕巧合理，表面處理嚴(yán)格的鋼結(jié)構(gòu)支撐，塑造出形式美觀，設(shè)計(jì)合理的鋼架膜結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮建筑師的想象力，又體現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件清晰受力之美，建造出標(biāo)志性的形象工程藝術(shù)性。體育場看臺(tái)上空巨大的鋼屋架膜橫跨整個(gè)看臺(tái)上空，起到很好的遮陽作用。2.1.2中南大學(xué)體育場的采光體育場看臺(tái)下的室內(nèi)籃球場和室內(nèi)羽毛球場對光線強(qiáng)度要求很高，這就強(qiáng)調(diào)了體育館的采光技術(shù)。室內(nèi)籃球管選擇建在體育場東南方向，并采取側(cè)面開大窗的措施，在不影響建筑美觀的前提下盡可能增大窗墻比（如圖2）。圖2中南大學(xué)體育場室內(nèi)球館2.2中南大學(xué)新校區(qū)教學(xué)樓圖2中南大學(xué)體育場室內(nèi)球館中南大學(xué)新校區(qū)教學(xué)樓（如圖3）,整體結(jié)構(gòu)優(yōu)美，A、B、C、D四座完美結(jié)合，渾然一體。圖3中南大學(xué)新校區(qū)教學(xué)樓模型圖廠［㈣r圖4中南大學(xué)新校區(qū)A座圖3中南大學(xué)新校區(qū)教學(xué)樓模型圖廠［㈣r圖4中南大學(xué)新校區(qū)A座中南大學(xué)新校區(qū)教學(xué)樓A座（如圖4）采光的最主要措施仍然是開側(cè)窗，窗墻比很大，南朝向。利用建筑物外墻上所開的采光口（側(cè)窗）進(jìn)行采光。A座選擇開單側(cè)窗（如圖5），單側(cè)窗構(gòu)造簡單，造價(jià)低廉，使用維護(hù)方便，光線具有很強(qiáng)的方向性，有利于顯現(xiàn)立體造型，易與室外聯(lián)系等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是光線分布不均勻,近窗處亮，遠(yuǎn)窗處暗，使房間進(jìn)深受到限制，采光的有效進(jìn)深一般不超過窗高的兩倍。另外，單側(cè)窗的位置較低，易形成直接眩光。圖5圖5單側(cè)窗采光曲線2.2.2中南大學(xué)新校區(qū)教學(xué)樓A座的保溫中南大學(xué)新校區(qū)教學(xué)樓A座采用了外保溫技術(shù)，外保溫不僅適用于北方需冬季保溫地區(qū)的采暖建筑，也適用于南方需夏季隔熱地區(qū)的空調(diào)建筑。既適用于新建建筑，也適用于既有建筑的節(jié)能改造。保溫效果明顯。由于保溫材料置于建筑物外墻的外側(cè)，基本上可以消除在建筑物各個(gè)部位的“熱橋”影響。從而充分發(fā)揮了輕質(zhì)高效保溫材料的效能，相對于外墻內(nèi)保溫和夾心保溫墻體，它可使用較薄的保溫材料，達(dá)到較高的節(jié)能效果。保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。置于建筑物外側(cè)的保溫層，大大減少了自然界溫度、濕度、紫外線等對主體結(jié)構(gòu)的影響。隨著建筑物層數(shù)的增加，溫度對建筑豎向的影響已引起關(guān)注。有利于改善室內(nèi)環(huán)境。外保溫不僅提高了墻體的保溫隔熱性能，而且增加了室內(nèi)的熱穩(wěn)定性。它在一定程度上阻止了雨水等對墻體的浸濕，提高了墻體的防潮性能，可避免室內(nèi)的結(jié)露、霉斑等現(xiàn)象。因而創(chuàng)造了舒適的室內(nèi)居住環(huán)境。2.2.3中南大學(xué)新校區(qū)教學(xué)樓D座的米光圖6中南大學(xué)新校區(qū)D座內(nèi)景圖中南大學(xué)新校區(qū)教學(xué)樓D座采用開天窗的方式采光（如圖圖6中南大學(xué)新校區(qū)D座內(nèi)景圖2.2.4中南大學(xué)新校區(qū)教學(xué)樓D座的保溫隔熱圖7中南大學(xué)新校區(qū)D座外景圖-坡屋面中南大學(xué)新校區(qū)教學(xué)樓D座采用坡屋頂?shù)男问奖馗魺?。屋頂是建筑上方、面向外部屋蓋空間的構(gòu)件。一般把坡度為10％以上的屋頂稱為坡屋頂。坡屋頂作為傳統(tǒng)建筑屋頂?shù)囊粋€(gè)分類，由于能減少建筑的日照間距，提高城市土地利用率，也較普通平屋頂能更有效的保溫隔熱，所以應(yīng)用最為廣泛。隨著社會(huì)的發(fā)展，在重新審視能源、資源和環(huán)境問題的今天，傳統(tǒng)的坡屋頂被賦予了新的功能、形式、諸多的技術(shù)設(shè)計(jì)及可持續(xù)的建筑設(shè)計(jì)理念。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步及人們對生態(tài)環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，對住宅坡屋頂保溫隔熱構(gòu)造研究和探討還要繼續(xù)下去。可以預(yù)見的是，未來的屋頂將會(huì)越來越多地采用節(jié)能環(huán)保的新材料、低能耗生態(tài)的新技術(shù)等手段，使得住宅建筑能降低能源消耗，資源充分利用，優(yōu)化人居生態(tài)環(huán)境。2.3中南大學(xué)圖書館圖8中南大學(xué)圖書館2.3.1中南大學(xué)圖書館的降溫隔熱

中南大學(xué)圖書館（如圖8）采用屋頂綠化技術(shù)對建筑物進(jìn)行降溫隔熱。屋頂綠化在炎熱的夏季具有降溫和隔熱作用，有助于降低能耗。屋頂花園顯而易見的有助于美化，增強(qiáng)都市視覺環(huán)境，是改善城市生態(tài)環(huán)境的重要途徑。隨著我國城市人口的增加，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越的土地卻很有限，屋頂花園則可以充分利用屋頂?shù)目臻g增大城市綠化率。2.3.2中南大學(xué)圖書館的遮陽中南大學(xué)圖書館雖然采用了玻璃幕墻（如圖9），但是它安裝在周圍建筑的陰影中，巧妙地利用了周圍建筑物的陰影進(jìn)行遮陽，避免了陽光直射，不僅沒有形成光污染，而且還具有良好的采光。樓下是人車通道，也為圖書館進(jìn)行了良好的防潮。圖9中南大學(xué)圖書館玻璃幕墻中南大學(xué)建筑節(jié)能技術(shù)的總體評(píng)估圖9中南大學(xué)圖書館玻璃幕墻中南大學(xué)新校區(qū)很多建筑物在設(shè)計(jì)時(shí)都充分考慮了建筑節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，順應(yīng)了新時(shí)代建筑物的發(fā)展趨勢，符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃。把建筑節(jié)能技術(shù)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用是中南大學(xué)新校區(qū)建設(shè)設(shè)計(jì)者一項(xiàng)大膽的創(chuàng)新與嘗試，在長沙這樣一個(gè)具有氣溫變化劇烈，冬冷夏熱明顯的氣候特點(diǎn)地區(qū)采用建筑節(jié)能技術(shù)，必然會(huì)獲得較好效益。但也存在一些方面的不足，很多建筑只能滿足在某一方面的節(jié)能技術(shù)，卻不能全面采取節(jié)能措施，這是現(xiàn)有的建筑節(jié)能技術(shù)本身存在的技術(shù)間的互相矛盾，也是建筑節(jié)能技術(shù)發(fā)展中必須解決的一個(gè)難題。4建筑節(jié)能技術(shù)的展望本文介紹了位于夏熱冬冷地區(qū)中南大學(xué)新校區(qū)的建筑氣候特點(diǎn)、建筑熱環(huán)境和能耗狀況，分析了建筑節(jié)能技術(shù)帶來的效益。建筑節(jié)能是一門新興科學(xué)，與原有專業(yè)分工不同，它包含有建筑、施工、采暖、通風(fēng)、空調(diào)、電照、家電、建材熱工、能源、環(huán)境、檢測、計(jì)算機(jī)軟件等許多專業(yè)內(nèi)容，是許多專業(yè)學(xué)科邊緣交叉并結(jié)合形成的，在社會(huì)需要的推動(dòng)下，許多高等院校、科研院所和生產(chǎn)單位都在圍繞不同方面進(jìn)行研究開發(fā)，正在出現(xiàn)蓬勃發(fā)展的新局面。建筑節(jié)能又是一門實(shí)踐科學(xué)與工程技術(shù)，從城市和小區(qū)的規(guī)劃、供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建筑物的設(shè)計(jì)和施工、房屋開發(fā)建設(shè)，到物業(yè)管理與設(shè)備運(yùn)行，從一個(gè)區(qū)域的建筑節(jié)能管理落實(shí)到居民的自覺節(jié)能行為，都是不可或缺的重要環(huán)節(jié)，都需要多方面的通力合作，配合協(xié)調(diào)。建筑節(jié)能又牽涉到一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)群體，它包括保溫隔熱材料與制品，節(jié)能門窗、采暖、通風(fēng)、空調(diào)、照明等節(jié)能設(shè)備、器件、管材與系統(tǒng)等等。隨著建筑節(jié)能規(guī)模的迅速擴(kuò)大，建筑節(jié)能相關(guān)產(chǎn)業(yè)越來越多，通過國外資本與技術(shù)的引進(jìn)，功能質(zhì)量與價(jià)格的市場競爭和優(yōu)勝劣汰，在規(guī)模日益擴(kuò)大的同時(shí)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)將趨于合理，技術(shù)也能取得不斷進(jìn)步。在市場經(jīng)濟(jì)的推動(dòng)下，隨著住房體制改革的前進(jìn)，房屋用能費(fèi)用理所當(dāng)然地