地下建筑空間節(jié)能策略

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1、引言

　　隨著地下建筑的不斷發(fā)展，城市里出現(xiàn)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(nèi)部空間環(huán)境，使其達(dá)到一定的舒適度標(biāo)準(zhǔn)，從而保障地下建筑的正常運(yùn)行，另一方面也要有效控制地下建筑的運(yùn)行能耗，節(jié)約運(yùn)行成本。

　　地下建筑空間環(huán)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(jìn)行節(jié)能設(shè)計時，需要根據(jù)地下建筑空間的特點，有針對性地進(jìn)行設(shè)計。

　　2、地下建筑熱工環(huán)境分析

　　地下建筑空間環(huán)境受到室外和室內(nèi)的雙重?zé)釢褡饔?。與地面建筑不同的是，地下建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)所接觸的是土壤或巖石，而不是地面環(huán)境中的太陽輻射、室外空氣的溫濕度、風(fēng)、雨、雪等。土壤或巖石對地下建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的作用與地下建筑的熱工性能有密切關(guān)聯(lián)。

　　2.1 地下建筑室外熱濕環(huán)境

　　建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)將人們的生活與工作空間分為室內(nèi)和室外兩部分，對地下建筑而言，土壤對其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響便相當(dāng)于室外氣候?qū)Φ孛娼ㄖ挠绊憽?/p>

　　2.1.1 土壤或巖體溫度作用

　　土壤的熱作用與地面自然環(huán)境的熱作用差別很大。一般認(rèn)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(yīng)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(nèi)作持續(xù)的季節(jié)性運(yùn)動[1]。土壤隔熱性好而蓄熱量大，因而能在嚴(yán)酷多變的外界氣候條件下保持相對穩(wěn)定的溫度。土壤的熱穩(wěn)定性使得地下建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)擁有相對穩(wěn)定的外界溫度，對于一些需要恒定季節(jié)性溫度和恒定晝夜溫度的特殊建筑，地下建筑將更具優(yōu)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(hù)結(jié)構(gòu)受到土壤、巖石、地下水位高低等的影響，有時會出現(xiàn)較為嚴(yán)重表面散濕現(xiàn)象，再加上缺少陽光照射，和有效的自然通風(fēng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)往往比地面建筑潮濕。

　　2.2 地下建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境

　　地下建筑中屬于室內(nèi)的氣候因素主要包括三個方面：進(jìn)入室內(nèi)的陽光、空氣溫濕度、生產(chǎn)和生活所散發(fā)的熱量和水分。

　　2.2.1 進(jìn)入室內(nèi)的陽光

　　地下建筑由于其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的限制，一般難以通過側(cè)窗獲取陽光，雖然可以通過采光天窗、采光井等方式進(jìn)行自然采光，但大多數(shù)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(nèi)環(huán)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(jié)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(xiàn)象。地面溫度變化引起地表層發(fā)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(nèi)空氣溫度影響不大。當(dāng)覆蓋層厚度超過10m，這種影響可忽略不計，這對創(chuàng)造恒定的室內(nèi)溫度十分有利。

　　在夏季，地下建筑內(nèi)溫度比室外空氣溫度低，室外空氣進(jìn)入地下建筑后，溫度下降，相對濕度升高，當(dāng)壁面溫度低于露點時，即出現(xiàn)凝結(jié)水，致使地下建筑夏季雨季潮濕問題十分突出。

　　2.2.3 生產(chǎn)和生活所散發(fā)的熱量與水分

　　地下建筑中的生產(chǎn)活動與生活同樣會散發(fā)熱量和水分。由于地下建筑的封閉性較強(qiáng)，很多情況下難以通過自然通風(fēng)排除熱量與濕氣，因此，地下建筑空間內(nèi)的生產(chǎn)和生活過程中所散發(fā)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(huán)境特點及熱工性能可知，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能優(yōu)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(diào)能耗、動力能耗。根據(jù)徐州時尚大道地下商業(yè)街的能耗進(jìn)行了測量，表明最大的能量消耗是在有高制冷負(fù)載的8月份。另一個最大值是在有高取暖負(fù)載的2月份。年耗能的最大份額是照明，占45%；第二位是空調(diào)能耗，占44%；電梯及其他能耗占11% 。可見地下建筑中的采光能耗占的比例巨大，空調(diào)能耗也十分驚人。我國的空調(diào)能耗中，新風(fēng)能耗占空調(diào)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(fēng)對地下建筑的節(jié)能意義重大。

　　4、地下建筑節(jié)能策略

　　4.1 充分利用自然采光

　　在地下建筑中應(yīng)可能地利用自然采光，天然采光不僅節(jié)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(jìn)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(dá)室內(nèi)，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(yè)建筑，如展覽建筑、工業(yè)廠房等。

　　4.1.2 庭院式

　　對于規(guī)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(hù)結(jié)構(gòu)上開設(shè)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(guī)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(xiàn)空間形態(tài)變化，并且結(jié)合地下建筑（如地下商業(yè)建筑、地下交通建筑等）形成多層次的復(fù)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(huán)境的重要方法。中庭頂部可以由各種形態(tài)的空間網(wǎng)架加上采光玻璃面構(gòu)成。中庭內(nèi)可以種植植物，布置景觀，從而形成豐富的內(nèi)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(shù)應(yīng)用

　　很多情況下，地下建筑沒有條件通過天窗、側(cè)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(dá)到節(jié)能的目的[3].常見的方法有：導(dǎo)光管采光、棱鏡導(dǎo)光裝置、光導(dǎo)纖維、光電效應(yīng)間接采光等。

　　4.2 自然通風(fēng)

　　自然通風(fēng)是利用室內(nèi)外溫度差所造成的熱壓或風(fēng)力作用所造成的風(fēng)壓來實現(xiàn)換氣的一種通風(fēng)方式，是對自然能源的有效開發(fā)和利用。經(jīng)過合理設(shè)計的自然通風(fēng)，對改善室內(nèi)空氣質(zhì)量和節(jié)約能耗都有重要意義。自然通風(fēng)與建筑設(shè)計關(guān)系密切，平面布局、風(fēng)井的設(shè)置及風(fēng)帽的選擇等都會影響自然通風(fēng)效果。

　　4.2.1 平面布局

　　平面布局決定著自然通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)路組織，直接影響自然通風(fēng)效率。風(fēng)路設(shè)計的重點是如何將新風(fēng)引入地下建筑，與室內(nèi)空氣進(jìn)行置換后排出室外。在布置地下建筑平面時應(yīng)盡量保證風(fēng)路暢通，減少死角，避免氣流短路。

　　4.2.2 風(fēng)井設(shè)置

　　在地下建筑設(shè)計中，中庭的應(yīng)用十分普遍。中庭受到陽光照射，會產(chǎn)生溫室效應(yīng)，產(chǎn)生熱壓作用，有利于空氣排出。因此我們可以將其作為排風(fēng)風(fēng)井，必要時設(shè)置機(jī)械裝置，輔助排風(fēng)。

　　進(jìn)風(fēng)井應(yīng)根據(jù)自然通風(fēng)的風(fēng)路組織需求，圍繞作為排風(fēng)井的中庭設(shè)置。進(jìn)風(fēng)井風(fēng)口部分應(yīng)該考慮周圍地面環(huán)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(jìn)入，可以在風(fēng)口內(nèi)部設(shè)置冷卻裝置，促使空氣下沉。風(fēng)口要盡量利用風(fēng)壓，根據(jù)需要安裝進(jìn)風(fēng)型風(fēng)帽或排風(fēng)型風(fēng)帽。

　　5、可再生能源利用

　　可再生能源利用是近年來的熱點?？稍偕茉窗L(fēng)能、太陽能、生物能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽艿龋鼘Νh(huán)境無害或危害很小，資源分布廣泛，適宜就地開發(fā)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(fēng)能利用和地?zé)崮芾谩?/p>

　　5.1 太陽能應(yīng)用

　　通過建筑設(shè)計手段和技術(shù)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(nèi)部空間提供采暖所需的熱量。例如在共享中庭內(nèi)部設(shè)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(bǔ)充，在夏季可以起到除濕的作用。

　　5.2 風(fēng)能利用

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

　　5.3 地源熱泵應(yīng)用

　　地源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比有很多不同，如不需要冷卻塔、不需要鍋爐、不需要機(jī)房等，這些特點有利于地源熱泵系統(tǒng)在地下建筑中的應(yīng)用，但同時也需要增加一些設(shè)備和投資，如土壤熱交換器、循環(huán)水泵、低溫型熱泵機(jī)組等。對于較深的地下建筑，有足夠的空間敷設(shè)土壤熱交換器，非常適合用地源熱泵系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)[5]。

　　6、結(jié)語

　　地下建筑的應(yīng)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(shè)計階段就應(yīng)該考慮節(jié)能因素，將節(jié)能設(shè)計作為方案設(shè)計的一個重要部分。我們要通過借鑒先進(jìn)的生態(tài)節(jié)能設(shè)計方法，結(jié)合地下建筑的特點，有針對性地進(jìn)行研究，在保證舒適度的同時，最大限度地降低建筑能耗。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 吉迪恩·S·格蘭尼。城市地下空間設(shè)計[M]. 中國建筑工業(yè)出版社。

　　[2] 趙阜東，陳保健，焦冠然。 地下建筑可持續(xù)性設(shè)計方法-地下建筑自然通風(fēng)設(shè)計研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報，2006，（04）：532-538。

　　[3] 劉柯，鮑家聲。光纖采光照明系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用[J]南方建筑，2006，（09）：91-94。

　　[4] 郭春信。地下空間自然通風(fēng)[M].中國建筑工業(yè)出版社。1994。

　　[5] 黃強(qiáng)。城市地下空間開發(fā)利用關(guān)鍵技術(shù)指南[M]. 中國建筑工業(yè)出版社。