地下建筑节能设计策略探讨

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  摘要:本文首先探讨了地下建筑的分类,然后就地下建筑节能设计从自然通风和防潮湿两个方面进行了探讨和分析,供参考。
  关键词:地下建筑;建筑分类;建筑节能;防潮湿处理;通风
  Abstract: this paper first discusses the classification of underground structures, and then underground building energy efficiency design natural ventilation and prevent moisture from two aspects that the discussion and analysis, for reference.
  Keywords: underground architecture; Building classification; Building energy efficiency; The wet processing; ventilation
  
  
  中图分类号:TU201.5文献标识码:A 文章编号:
  
   与地面建筑工程相比较,地下建筑运行中的能耗存在其特殊性,最主要的原因在于外扰产生的原因不同,地下建筑不受自然环境中风、雨、雪和太阳辐射的直接影响,建筑物内部温度的变化幅度很小冷热负荷比地面小的多。地下工程使用中的采暖、空调耗能量比地面建筑物少的多,约为地面同类建筑工程的10%左右。地下建筑围护结构散湿,又受不到太阳的照射,因此濕度比较严重。在夏季建筑物内部温度比外部低,外部空气进入后因温度较低,相对湿度会升高,当墙壁面温度低于露点温度时,室内壁面出现结露凝结水,造成夏季地下建筑潮湿问题比较严重。按照影响地下建筑运行能耗的主要因素:埋深和内部扰动的分类,节能的途径,自然通风和防潮是重点解决的问题。
   1地下建筑的分类
   掌握地下建筑物在使用中的能耗,首先要了解地下建筑的形式和分类,不同类型的建筑受外扰动影响的程度不相同,扰动的特点也是不尽相同。
   1.1埋深分类法
   地下建筑与地面建筑工程相比,受环境因素影响扰动程度较小。从围护结构传热的角度分析,由于埋深的不同,外部扰动的影响程度有所不同。地面温度的周期性变化对地下建筑围护传热的大小,是划分地下建筑埋的深浅的主要依据。若是把大地看作一个无限大平壁,用导热系数和地面温度周期变化作条件,求出大地温度,一般是随着地层深度和时间变化的关系。采取以年为周期,重点考虑日变化的温度波幅远比年变化的温度波幅减弱的快。年变化的温度波幅大概是埋深每增加1m,波幅将衰减1/2,而日变化的温度波幅每增加5cm则会衰减1/2。日变化的温度波幅在深度1.5m处几乎消失,而地下建筑物的覆土厚度绝对多数是大于1.5m以上,因此可以认为日变化的温度波幅对地下建筑传热不起作用。
   己建成的许多地下工程,埋深一般估计在6m左右,地温波幅可以不考虑,这个深度处的地温可长年保持在年平均温度。地层的这一深度可称为等温层,因此,可以把地下建筑分为两种情况:一种是埋设于等温层以下的深埋建筑,它周围的岩土的自然温度常年保持恒定,不会受到地面温度的影响;而另一种是埋设于等温层以上的浅埋建筑,它周围的岩土的自然温度受地温波动的影响出现周期性的变化,其波动随着深度的增加而减弱。需要说明的是,不同地区等温层的厚度是不同的,取决于该地区地温年波幅的大小,地温波幅越大等温层越厚,地温波幅越小等温层越浅。同时,即使是在同一地区,因岩土及土壤性质不同,等温层也是不同的,应用时要有所考虑。
   1.2内部扰动分类法
   影响地下建筑物运行能耗的主要因素是内部扰动,不同用途建筑物的内部扰动特点是不同的。根据内部热潮湿扰动的不同,按照地下热湿扰动的不同,可将地下建筑物按使用功能分为:地下仓储建筑、地下交通建筑、地下工业建筑、地下民用建筑和地下军事类建筑物。
   1)地下仓储建筑物包括地下粮库,蔬菜、水果仓库,武器装备库,各种制成品仓库等。仓储类建筑内一般长时间关闭,除了少数人员及装卸设备出入外,很少有热的扰动。地下仓储建筑物空气环境控制的主要任务是对湿的扰动采取处理。湿的扰动主要来自两方面,一是因防潮措施不到位所造成的壁面渗漏水,这是最常见和直接的湿来源;二是少数人员进出,或采取通风而由空气带入的水份,量很少。地下仓储建筑物一般空间较大,空气调节系统的气流组织是重点考虑的。
   2)地下交通建筑包括汽车隧道、车库及地下铁路等。汽车隧道包括穿越城市中心地带的路下穿越隧道、多山城市的穿山隧道、越江越海隧道等。此类地下建筑没有严格的使用温度和湿度要求,但是汽车排放的尾气污染是严重的,对空气质量的要求主要是通风。隧道通风可以分为:自然通风和机械通风两种。地下铁路的站台人员集中需要对空气环境进行综合控制,如气流组织、空气温度、湿度及污染物浓度的限制等。此类建筑的风环境含有列车运行形成的沿路通风;内部的热湿扰动因素也多,是当前和今后相当长一段时间对地下工程规范的重点。
   3)地下工业建筑系指工业厂房,枪支、弹药、飞机发动机、坦克等大型装备零部件的制造车间,轴承加工车间以及有一定温度和湿度要求的精细车间,食品及纺纱车间等。工业建筑的能耗在很大程度上与生产要求有关,对节能的要求必须结合工厂的生产规模和具体要求考虑。
   4)地下民用建筑包括地下居住建筑和地下公用建筑。我国地下建筑主要系指西北地区居住的窑洞,此类建筑历史悠久但规模小,设备简陋,用途单一,属于农村居住建筑,而商用建筑几乎没有。目前,国外也出现了一些现代化的地下居住建筑,如英国提出的绿色地下建筑,是利用了地下建筑“冬暖夏凉” 的特点。地下公用建筑包括旅馆、商店、剧场、食堂、展览厅、游艺场及综合性地下空间的利用。国内在建和规划的地下综合建筑较多,如奥运中心、中关村、上海世博园、广州珠江新城等,规模都比较大,有多层,集交通、市政和商业为一体。
   5)军事类建筑在此主要指地下通讯枢纽和地下指挥机构,这类地下建筑物对热湿的扰动影响有明显的要求。军事类建筑的空气质量控制必须考虑平时和战时两种不同需求。平时属于工程的保护期,多数情况下采取密闭处理,这种情况类似于仓储类建筑,空气质量的控制重点是湿环境问题。战时人员入住,各种通讯设备启动,热负荷及湿负荷都大,必须有除湿空调设备对现场空气质量进行控制。
   2地下建筑的节能处理
   现行的《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2005)中规定,采取两种方法进行节能设计,即规定性指标及性能性方法两种。与地面建筑相比,地下建筑的围护结构本身具有较好的保温和隔热效果,由维护结构传热而造成的负荷占的比重很小。作为地下建筑,即使是浅埋类型,其围护结构的热工性能也优于地面的保温建筑,同时也不需要遮阳考虑。从使用要求及设计方面考虑。地下建筑节能的重点是采取自然通风和利用围护结构的防潮构造。
   2.1地下建筑自然通风问题
   地下建筑自然通风是对能源的开发利用,也是使用的重点需要,自然通风与机械通风相比,自然通风更具系统简单、管理方便、减少设备安装及运行费用、无噪声污染的优势,对节能意义重大。一切可以利用地下通风条件的建筑,都必须在达到室内空气质量的前提下利用自然通风。建筑设计与自然通风密不可分,如建筑平面布置、风井位置、风口形式与朝向会直接影响到建筑物自然通风的效果。
   1)平面布置及风井设计,应确保自然通风气流能通畅经过每个房间,并且气流阻力要小。对高低风井位置的选择要注意到全局,避免出现气流短路使各房间气流均匀;同时还要充分利用地形及地物产生风压影响。
   对于平面布置形式,坑道式地下建筑的平面一般为通道式、多巷式、回廊式或平行通道式几种;对高低口的布置,由于形成自然通风的原因有热压及风压两种,使用热压作用的方向与风压方向的一致,是自然通风考虑的重点。
   组织半定向式自然通风,是利用热压作用所形成的气流,在夏季高口进、低口排,冬季则相反。设计时有目的地将水平出入口安排在山体两侧,并使两口形成高差,使高口朝向夏季的主导风向,低口朝向冬季主导风向,将垂直出入口设在山体迎向夏季主导风向一侧,使之成为高风口。而组织定向的自然通风,在工程内有余热时,利用余热加热高风井排风,使该排风温度始终高于夏季室外温度,这样可以在热压产生的气流方向是低口进风,高口排风。
   2)对风口的设计一般包括两个方面。一个是房间隔墙及顶棚上的自然通风口,其要求是风口装置阻力要小,出口面积要大;孔口气流速度一般小于0.5m/s,如设百叶铝板网风口时,要重视百叶的安放角度,顺气流方向引导出风。百叶铝板角度小于30°为宜。另一个是风井上室内风口和上地面风口,上室内风口面积应大于或等于风井的断面积。要重视的仍然是阻力小和利用风压两点。对于常用的百叶型风口,为减少百叶对气流的阻力,在条件许可情况下尽量加大百叶间距,将叶片厚度减薄,叶面尽量光滑。而地下建筑的自然进排风口设置风帽以利用风压,风帽要严格区分进风型和排风型。
   2.2地下建筑的防潮湿处理
   地下建筑同地面建筑相比较,最大的一个特点是潮湿,尤其是在夏季更明显。其潮湿的原因主要是:周围及覆盖层渗漏水、施工养护余水、工程内部的湿潮气、潮湿空气中带来的湿气等。其中周围及覆盖层渗漏水、施工养护余水、工程内部的湿潮气属于内扰;潮湿空气中带来的湿气属外扰动。解决潮湿的措施重点是防潮,其次才是除排潮湿。防潮主要是对内部湿源进行控制,也就是说重点防止建筑物主体墙体同大地接壤部分产生各种裂缝渗进入室内部。排潮是利用建筑设备使室内空气中湿气含量大幅降低。除湿实际上是對内外扰动的一种处理过程,以一定的建筑运行能耗为代价。因此实行严格的防潮处理措施,尽可能减少除湿设备负荷是地下建筑节能的重要问题。其防潮方法措施归结起来有以下几个方面,即总体布局、建筑设计和工艺布置。
   1)总体布置。首先是选择山形完整、岩性均一、裂缝不发展、无断裂层地下水和覆盖层厚的地段布置地下建筑。洞穴直线走向要沿山脊布置,尽量避开山体表面的外露岩石和地段,以减少山体裂缝水向洞内渗透。地下建筑上面的山体表面不应有大面积坑洼,防止积雨水产生渗漏。其次要对山体表面水进行疏导,地下建筑范围内的山体表面结合地质情况,有条件时要及时整修,使地表水不滞留在地下建筑上部。地质勘察遗留的深洞及影响地下建筑的溶洞、裂缝等应尽可能地回填密实,防止地表水大量渗入地下,给地下建筑物排水带来困难。当地下建筑物范围内有水渠或水管通过时,要特别注意水渠水管的防水问题,防止漏水危害地下建筑。
   当地下建筑范围内可能汇集部分山体地表水时,要设置截水沟,将地表水引至地下建筑物以外。为确保洞口安全和截住仰坡流下的地表水,地下建筑的引洞部分宜延伸出山体一段距离,以设置档栏墙和截水(渠)沟。最后考虑对自然通风的充分利用。
   2)建筑设计措施。对土建的最基本质量要求是围护结构不产生渗漏现象。做好地坪的防排水以确保地坪无渗漏;对建筑内部排水沟要排水畅通并做成暗沟;最重要的是采取技术上成熟、设计合理、材料优质、施工控制技术到位的围护结构形式,尤其要采取各种缝隙的综合处理,密闭,隔潮并按照成功经验采取抗渗保温技术。在施工过程中尤其要将养护用水及时排出室外,对洞窟全面烘烤,在入住时保证通风系统的正常使用。
   3)工艺布置问题。工艺布置一般要求是:对防潮要求高的设备采取局部防潮湿处理;尽量减少建筑内部工作人员数量;减少建筑物内部湿的源头,对于必须在洞内设置的生产生活用水做到:洗手及卫生间宜设在洞口或在洞内只设小便池;尽量不用消火栓;尽可能少设用水点,并做好用水点的排水系统防止堵塞;雨水存放在靠洞口部位;对可能出现结露的冷水管及其它冷表面作好保温处理,预防冷凝水。
   地下各类建筑工程在世界各国都有大量应用,而地下建筑具有冬暖夏凉的特性更是地面工程无法比拟的,且节能效果明显优于地上。地下建筑在国防、人防的应用更是广泛,但也存在能耗的问题不容轻视。设计和施工必须按照影响地下建筑运行能耗的主要因素:埋深和内扰同时还要根据工程使用功能分类。结合地下工程特点处理好通风和防潮是正常使用的关键所在。
  
   参考文献
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