夏季建筑室內(nèi)外降溫研究
關(guān)鍵詞:夏季,建筑,降溫
隨著工業(yè)的發(fā)展城市密度的提高,溫室效應(yīng),熱島效應(yīng),使城市的夏天越來(lái)越炎熱.建筑作為人類(lèi)生存的保障,怎樣才能創(chuàng)造一個(gè)舒適,健康,高效的室內(nèi)熱環(huán)境?成為當(dāng)代建筑學(xué)者共同的研究對(duì)象,建筑降溫問(wèn)題已經(jīng)成為一個(gè)刻不容緩需要解決的問(wèn)題.由于建筑的存在,人體生活的環(huán)境可劃分為室內(nèi)熱環(huán)境和室外熱環(huán)境.要想對(duì)建筑降溫就要從室內(nèi)與室外兩方面著手.從宏觀和微觀兩方面來(lái)研究:
一、宏觀方面:建筑基地的各種氣候因素,通過(guò)建筑物的維護(hù)結(jié)構(gòu),外門(mén)窗及各類(lèi)開(kāi)口,直接影響室內(nèi)的氣候條件.為了獲得良好的室內(nèi)熱環(huán)境,必須了解當(dāng)?shù)馗髦饕獨(dú)夂蛞蛩氐母艣r及變化規(guī)律特征,以作為建筑設(shè)計(jì)的依據(jù).
一個(gè)地區(qū)的氣候狀況是許多因素綜合作用的結(jié)果.與建筑物密切相關(guān)的因素有:太陽(yáng)輻射,空氣溫度,風(fēng)和降水.我國(guó)地域遼闊,各地氣候差異很大.我國(guó)炎熱地區(qū)指常年最熱月份平均氣溫高于或等于25℃的地區(qū).其范圍主要包括長(zhǎng)江流域的江蘇、浙江、安徽、江西、湖南、湖北和四川盆地；東南沿海的福建、廣東、海南和臺(tái)灣及廣西、云南、貴州。
這些地區(qū)因受東南季風(fēng)和海洋暖氣團(tuán)北上的影響，以及強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射和下墊面共同作用，使得氣候炎熱，夏季時(shí)間長(zhǎng)，如不采取防熱措施，勢(shì)必造成室內(nèi)過(guò)熱，嚴(yán)重影響人們的生活、工作，甚至人體健康。
炎熱地區(qū)的熱氣候特征
▲熱氣候有干熱和濕熱之分。溫度高、濕度大的熱氣候稱(chēng)濕熱氣候；溫度高而濕度低的熱氣候稱(chēng)干熱氣候。
▲氣溫高且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。日平均氣溫≥25℃的天數(shù)，每年約有100~200d。
▲太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大，水平輻射強(qiáng)度最高約為930~1045W/m2。
▲相對(duì)濕度大（75~95%），年降水量大。
▲季風(fēng)旺盛。
干熱區(qū)建筑特色
▲干熱區(qū)氣候干燥、氣溫高、溫度日差較大，晴朗少云，吹熱風(fēng)并帶沙塵。
▲建筑特色：墻厚少開(kāi)窗或開(kāi)小窗；外圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱要求高；內(nèi)庭周?chē)嘣O(shè)走廊，庭院內(nèi)種植物和設(shè)置水池以調(diào)節(jié)干熱的氣候；
▲在干熱地區(qū)，生土建筑對(duì)調(diào)節(jié)室內(nèi)氣溫起的作用很大。如一晝夜室外氣溫波動(dòng)在40℃~18℃之間，而室內(nèi)氣溫的波動(dòng)僅在29℃~24℃之間，房間內(nèi)部溫度較為穩(wěn)定，具有一定的空調(diào)作用。
●干熱地區(qū)建筑特色
●濕熱區(qū)建筑特點(diǎn):
濕熱區(qū)建筑設(shè)計(jì)防熱措施：
▲防止日輻射：周?chē)h(huán)境要綠化；窗口要遮陽(yáng)；外圍護(hù)結(jié)構(gòu)要隔熱；朝向要合理。
▲爭(zhēng)取自然通風(fēng)：房屋間距、布局要合理；建筑低層架空；設(shè)通風(fēng)屋頂、通風(fēng)幕墻。
通過(guò)分析造成建筑過(guò)熱的室外主要來(lái)源有:
(1)在太陽(yáng)輻射和室外氣溫的作用下，使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面及室內(nèi)空氣溫度升高。
(2)通過(guò)窗口進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射熱（包括建筑物墻面、地面吸收太陽(yáng)輻射熱溫度升高后，又向外輻射的熱量），使部分地面、家具等吸熱升溫，加熱室內(nèi)空氣。
(3)自然通風(fēng)過(guò)程中帶進(jìn)帶出的熱量。
(4)鄰近建筑物,地面,路面的反射熱及長(zhǎng)波輻射熱.
二、微觀方面(室內(nèi)環(huán)境影響):
建筑的服務(wù)對(duì)象是人,人類(lèi)的活動(dòng)也或多或少的影響著建筑,尤其是內(nèi)部環(huán)境.人和環(huán)境之間要進(jìn)行熱交換,人體新陳代謝會(huì)不斷發(fā)出熱量,但人體并非唯一的熱源,各種機(jī)器設(shè)備和人工照明都會(huì)產(chǎn)生很大的影響.尤其是近些年來(lái)家電設(shè)備的增多,使用中都會(huì)散發(fā)出一定的熱量,也使室內(nèi)溫度有所升高.
通過(guò)研究,室內(nèi)熱環(huán)境狀況包括物理和心理兩個(gè)方面,與人的熱舒適密切相關(guān)的環(huán)境物理因素有:空氣溫度,空氣濕度,空氣流動(dòng)和平均輻射溫度.
1.空氣溫度:空氣溫度給人冷熱的感覺(jué),對(duì)人體的舒適感最為重要,在人工空調(diào)環(huán)境下夏季控制在24℃~28℃時(shí),能耗比較經(jīng)濟(jì),同時(shí)又比較舒適.
2.空氣濕度:在夏季氣候炎熱,當(dāng)溫度升高時(shí)人體需要出汗來(lái)散熱降溫是,空氣濕度將對(duì)熱舒適造成較大的影響.一般認(rèn)為最適宜的相對(duì)濕度應(yīng)為50％~60％.
3.空氣流動(dòng)形成了風(fēng),是改善熱環(huán)境的有效辦法,如在廣州,上海等地對(duì)一般居室在夏季使用空調(diào)的情況下調(diào)查測(cè)試結(jié)果為:室內(nèi)風(fēng)速在0.3m/s~1m/s之內(nèi)多數(shù)人感到愉快,只有室內(nèi)風(fēng)速大于1.5m/s時(shí),多數(shù)人才認(rèn)為風(fēng)速太大不舒適.
建筑防熱的途徑
▲減弱室外的熱作用，其方法主要有：正確選擇朝向；綠化環(huán)境，降低輻射；淺色外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，減少輻射吸收。
▲外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的（白天）隔熱與（夜間）散熱。
▲房間的自然通風(fēng)，排除房間余熱。
▲窗口遮陽(yáng)，阻擋直射陽(yáng)光進(jìn)入室內(nèi)。
▲利用夜間對(duì)流、被動(dòng)蒸發(fā)冷卻、地冷空調(diào)等自然能防熱降溫。
三、方法：
通過(guò)這些途徑，從物理角度出發(fā)進(jìn)行深入的研究，找到建筑降溫的方法：
1.減弱室外的熱作用的方法
通過(guò)實(shí)例的研究
平屋頂、西墻、東墻、西南向墻和東南向墻所受室外熱作用較大。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)他們進(jìn)行隔熱是非常必要的。室外綜合溫度是以一天為周期波動(dòng)的，用tsa表示的公式只是一般表達(dá)式，為了進(jìn)行隔熱計(jì)算，還必須確定綜合溫度的最大值、晝夜平均值和晝夜溫度波動(dòng)振幅。
因此按照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50176—93）要求，自然通風(fēng)房屋的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)足如下隔熱控制指標(biāo)：
屋頂和東（西）外墻內(nèi)表面最高溫度θi,max≤夏季室外計(jì)算溫度最大值te,max。θi,max≤te,max
對(duì)于夏季特別炎熱地區(qū)（南京、武漢、長(zhǎng)沙、重慶等），屋頂和東西墻內(nèi)表面最高溫度值θi,max應(yīng)＜室外氣溫最高值。θi,max＜te,max
當(dāng)外墻和屋頂采用輕型結(jié)構(gòu)時(shí)θi,max應(yīng)滿(mǎn)足下式：
θi,max≤te,max+o.5℃
▲當(dāng)外墻和屋頂內(nèi)側(cè)用復(fù)合輕質(zhì)材料（巖棉、泡沫塑料、石膏板），θi,max應(yīng)滿(mǎn)足下式：
θi,max≤te,max+1℃
▲對(duì)于夏季炎熱，冬季又寒冷的地區(qū)，建筑設(shè)計(jì)應(yīng)考慮屋頂和外墻冬季防寒夏季防熱。
▲對(duì)于自然通風(fēng)的房間，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱設(shè)計(jì)主要控制其內(nèi)表面溫度值。要求外圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有一定的衰減度和延遲時(shí)間。
2．外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的（白天）隔熱設(shè)計(jì)
●外圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱的重點(diǎn)在屋面，其次是西墻與東墻。
●降低室外綜合溫度：結(jié)構(gòu)外表面采用淺色飾面，減少對(duì)太陽(yáng)輻射吸收；屋頂或外墻采用遮陽(yáng)結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)外表面選用特殊材料（對(duì)太陽(yáng)短波輻射的吸收率少而對(duì)長(zhǎng)波發(fā)射率大），降低表面溫度。
●在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置通風(fēng)間層。（特適合要求白天隔熱好，夜間散熱快的房間）
●依據(jù)氣候特點(diǎn)和房屋使用情況合理選擇外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料要求和衰減延遲能力。
●利用水的蒸發(fā)和植被對(duì)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化作用降溫。
●屋頂和東西墻應(yīng)當(dāng)進(jìn)行隔熱計(jì)算，使內(nèi)表面最高溫度滿(mǎn)足隔熱設(shè)計(jì)指標(biāo)。
屋頂?shù)母魺嵩O(shè)計(jì)：
�、賹�(shí)體材料層和帶有封閉空氣層的隔熱屋頂。
應(yīng)用隔熱材料（隔熱層）提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻（R）和熱惰性指標(biāo)（D）值，從而加大對(duì)波動(dòng)熱作用的阻尼作用，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有較大的衰減倍數(shù)和延遲時(shí)間值，可以降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的平均溫度和最高溫度。
在炎熱多雨地區(qū)，應(yīng)用隔熱層+蓄熱系數(shù)較大的粘土磚或混凝土板，可增強(qiáng)熱穩(wěn)定性，特別是雨后,粘土方磚吸水，水分蒸發(fā)散熱，從而可提高隔熱效果。
應(yīng)用封閉空氣間層隔熱，特別是在間層內(nèi)加鋪反射系數(shù)大、輻射系數(shù)小的材料如鋁箔，隔熱效果顯著。
3．外逸長(zhǎng)波輻射降溫
外逸長(zhǎng)波輻射降溫是指利用建筑表面的長(zhǎng)波輻射來(lái)使建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身散熱降溫，分為被動(dòng)式和混合式兩類(lèi)，第一種主要使用建筑的屋頂墻體和開(kāi)啟的窗戶(hù)作為輻射條件，第二種包括改用在長(zhǎng)波輻射的波長(zhǎng)范圍內(nèi)輻射能力較強(qiáng)的金屬表面。
實(shí)例：需冷屋頂（墻體）利用在屋頂上放置裝有水或其他液體的容器，夏季白天以隔熱材料覆蓋，防止熱獲得，夜間拿開(kāi)隔熱材料，，將被水吸收的熱量通過(guò)外逸長(zhǎng)波輻射散熱到夜空中，冷卻建筑。
4.自然通風(fēng)和夜間通風(fēng)降溫
�、庞行ЫM織自然通風(fēng)氣流，安排好進(jìn)風(fēng)口和排氣孔的位置控制氣流的方向及速度
�、评瞄_(kāi)啟式天窗，在必要時(shí)打開(kāi)天窗降溫除濕；
⑶設(shè)置采風(fēng)裝置例如捕風(fēng)塔，引導(dǎo)氣流流經(jīng)建筑需要通風(fēng)降溫的部位；
�、壤脤�(dǎo)風(fēng)設(shè)施強(qiáng)化自然風(fēng)，包括導(dǎo)風(fēng)墻體，綠化，建筑內(nèi)外形體，導(dǎo)風(fēng)板等。
5．蒸發(fā)冷卻
蒸發(fā)冷卻可分為被動(dòng)直接，被動(dòng)間接，混合直接及混合間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)。被動(dòng)直接蒸發(fā)冷卻（PDEC）系統(tǒng)包括依靠植物的蒸發(fā)冷卻，使用噴泉，噴水池，室內(nèi)或半室內(nèi)水面以及容積式或塔式蒸發(fā)冷卻技術(shù)。建筑周?chē)恼舭l(fā)效應(yīng)可以有效促進(jìn)自然通風(fēng)，還能用來(lái)冷卻建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)。
6．土壤供冷
土壤供冷最常用的辦法是將PVC塑料管或水泥管埋入地下1m~3m深處，將室內(nèi)空氣通入其中冷卻后抽送至室內(nèi)。空氣直接與土壤或地道接觸的冷卻方式，如地道風(fēng)降溫，因空氣質(zhì)量較差，使用受到限制。土壤供冷利用生土建筑來(lái)降溫，不僅在使用過(guò)程中可以節(jié)約大量日常運(yùn)行能源，同時(shí)，由于使用原始材料，因而生產(chǎn)和建造過(guò)程中能耗也很少。
四、后記
通過(guò)研究，建筑物可以采用不同的設(shè)計(jì)手法達(dá)到降溫的效果，實(shí)踐證明，在提高維護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱性能以大大減小空調(diào)負(fù)荷的基礎(chǔ)上，配以自然冷卻的技術(shù)和措施，對(duì)許多地區(qū)是非常有效的。建筑的自然冷卻的基本思路可歸納為防止或盡量減少建筑得熱以及加大散熱量?jī)蓷l，這些方法和技術(shù)有不少是古老的，但又因現(xiàn)代科技發(fā)展而得到了新的發(fā)展。
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