[夏热冬冷专题研究]基于建筑节能的自然采光优化方案研究

夏热冬冷地区的生态特点

夏热冬冷地区气候最主要的两个特征是:夏季炎热多雨,湿度大;冬季寒冷干燥。根据中国《民用建筑设计通则》GB50352-2005的规定,中国被划分为7个主气候区,20个子气候区,并对各个子气候区的建筑设计提出了不同的要求。

夏热冬冷地区的气候对建筑提出的基本要求是考虑建筑物的夏季防热、遮阳、通风,冬季兼顾防寒。

夏热冬冷地区的能耗特点

(1)照明能耗

电力照明的灯具中除了小部分电能转化为光能外,剩余75%都以其他能量的形式向外散发,若建筑内部长时间使用传统电力照明,所需的电力会造成大量二氧化碳、二氧化硫等多种有害物质的排放,不仅无法实现建筑节能反而增加环境负担。

(2)门窗能耗

传统采光策略中主要以窗户采光为主,而窗户是建筑围护结构中热工性能最差的部位,夏热冬冷地区气候条件不佳,夏季的炎热和冬季的严寒都影响着室内热环境。据相关统计数据显示,室内近50%的热量是通过门窗散失的,如果能够减少这部分的能量损失,每年可节约4.3亿吨标准煤。

(3)空调能耗

除了夏热冬冷地区的气候原因及空调各部分构件的运作能耗外,灯具照明散失的能量及门窗保温性能差间接增加了空调能耗。据相关数据显示,灯具照明散失的能量会被围护结构和室内家具所吸收并蓄存起来,当其温度高于室内温度时再以对流的方式传给室内空气,增加空调制冷负荷;在一些习惯安装大面积窗户的地区,建筑局部窗墙比不合理,致使空调负荷增加约5%-10%。

传统自然采光方案

根据建筑光学原理和各类建筑对自然采光的要求所采取的开窗方式,一般分为侧窗采光、天窗采光、混合采光三类。常见的具体采光方案包括设置侧窗、玻璃幕墙、采光板和采光天窗等。

传统自然采光在设计时会遇到多种不可控因素,由于光线具有很强的方向性,随着太阳角度的变化容易出现分布不均匀,加上直射的光线会对建筑物内部造成大量的热辐射,从而导致传统采光策略无法保证日间的光照质量和时间。尤其是针对一些特殊的行业,比如精纺或织布车间,还需要考虑解决日光直射的问题。在建筑设计时,可以考虑通过其他技术方式来增强建筑的自然采光,弥补不足。

自然采光优化方案实例研究

夏热冬冷地区常年平均日照一般为40%-50%,加上地理环境的差异,要解决上述问题,就要合理利用区域气候条件以最低的建筑能耗设计采光系统。

以中节能产业园耐世特汽车系统公司办公楼为例,项目位于典型的夏热冬冷地区。该办公楼始建于2010年,地上共二层。办公楼的正门门厅整个外立面采用了玻璃幕墙结构,门厅是约为15m×10m×10m的半开放式空间。门厅内侧设置了通往二层的直跑楼梯,门厅左右两侧也各安装了玻璃门通向办公区。门厅内侧墙壁全部使用白色涂料,再配以一些装饰,显得非常简洁、宽敞。

门厅的外立面都采用玻璃幕墙进行侧向采光,因此门厅入口处的光照度非常良好。但由于太阳高度角以及门厅自身的进深等因素,导致门厅内侧的照度偏低,与入口处形成照度强弱对比,光的不均匀引起人的观感非常不适。

为了解决这个问题,在门厅正上方布置了6套导光管采光系统。系统的集光器、防雨帽部分设置在了建筑物屋顶,导光管穿透顶板以及吊顶层进入门厅并连接漫射器。考虑到整个门厅需要的照射面积以及照度要求,导光管管道长度设计为4.8m。在安装完成后,整个门厅区域的照度实测值如下:

可以看出整个区域光照度充足,并且均匀、和谐。导光管采光系统是将自然光引入了室内,而玻璃幕墙是建筑的侧向采光形式之一,两者都是无需耗电采集自然光,相得益彰,节电环保的同时,现场观感效果极佳。同时,也可以在导光管漫射器上布置美化装饰,使整个门厅的效果不仅明亮、宽敞,并且极具现代感。

在夏热冬冷地区室外光照度充足,因此导光管采光系统的工作照度得到了有效的保证。而在热工性能上,其表现卓越。导光管采光系统的集光器为亚克力树脂材料注塑而成,金属的导光管部分与集光器之间通过PVC材质的导光管环连接。导光管整体设置在防水帽墩座的内部,不与外界环境直接接触,从而杜绝了金属热桥的可能性。导光管连结部位采用压敏性铝箔胶带,确保管道整体的密封性。因此整个导光管采光系统装置具有良好的保温隔热性能。

结语

传统采光方式在夏热冬冷地区和建筑采光节能的多重要求下,想要达到最优的自然采光效果,就需要新技术的介入。导光管采光系统作为一种新型的自然采光技术,符合夏热冬冷地区建筑节能的设计应用要求,与传统采光策略相结合,能够满足建筑日间照明要求的同时更好地减低建筑能耗,使健康舒适的自然光源重新回归到建筑设计中。

当你抬头感受自然光时,会在那里发现索乐图的故事!