时间：2022-07-31 10:52:14
【摘 要】随着城市化进程的不断加快以及城市人口的不断增长，城市用地面积变得日益紧张。为了更好的适应城市化的进程，地下建筑及空间的开发逐渐受到人们的重视。地下建筑空间的开发和利用是建设集约型城市以及实现城市可持续发展的重要途径。本文结合地下建筑空间特点，对地下建筑设计应注意的问题以及如何合理利用等方面展开了全面的分析探讨。
【关键词】地下建筑；空间特点；设计；注意问题
1 地下建筑空间的环境特点分析
1.1 地下建筑易受土壤及其结构的影响
人们的工作与生活通常被建筑物护结构分割成不同的部分，建筑工程也是一样。和一般的建筑工程相比，地下建筑空间更容易受到土壤及其围护结构的影响，将相当于地面建筑容易受到室外气候的影响一样。
1.1.1 土壤或岩体温度作用
土壤的热作用与地面自然环境的热作用差别很大。一般认为从地面到地下10m左右的土壤是依靠太阳供给热量的。随着深度的增加,热量对土地的影响也相应增加。白天,太阳的热量影响到土壤的很浅的深度,通常在5～7cm 之间,但这种热量在一个大约 10m 的深度内作持续的季节性运动。土壤隔热性好而蓄热量大,因而能在严酷多变的外界气候条件下保持相对稳定的温度。土壤的热稳定性使得地下建筑的围护结构拥有相对稳定的外界温度, 对于一些需要恒定季节性温度和恒定昼夜温度的特殊建筑,地下建筑将更具优势。
1.1.2 土壤或岩体湿度作用
在湿度方面, 地下建筑的围护结构受到土壤、岩石、地下水位高低等的影响,有时会出现较为严重表面散湿现象,再加上缺少阳光照射,和有效的自然通风,围护结构往往比地面建筑潮湿。
1.2 地下建筑室内热湿环境
地下建筑中属于室内的气候因素主要包括三个方面:进入室内的阳光、空气温湿度、生产和生活所散发的热量和水分。
1.2.1 进入室内的阳光和地上建筑相比，地下建筑由于其围护结构的限制,一般难以通过侧窗获取阳光,虽然可以通过采光天窗、采光井等方式进行自然采光, 但大多数情况下仍无法与地面建筑相比。自然光线的不足对地下建筑室内环境造成了不利影响,如潮湿、阴暗。
1.2.2 空气温度湿度
地下空间中的空气温度随季节变化及昼夜变化的波动幅度较小,相对于地面,有着十分明显的滞后现象。地面温度变化引起地表层发生的热波,由于地下建筑覆盖层及周围岩土的衰减作用,对室内空气温度影响不大。当覆盖层厚度超过10m,这种影响可忽略不计,这对创造恒定的室内温度十分有利。在夏季,地下建筑内温度比室外空气温度低,室外空气进入地下建筑后,温度下降,相对湿度升高,当壁面温度低于露点时,即出现凝结水,致使地下建筑夏季雨季潮湿问题十分突出。
1.2.3 生产和生活所散发的热量与水分
地下建筑中的生产活动与生活同样会散发热量和水分。由于地下建筑的封闭性较强,很多情况下难以通过自然通风排除热量与湿气,因此,地下建筑空间内的生产和生活过程中所散发的热量和水分会增加地下空间的温度和湿度。
2 地下建筑的主要能耗分析
分析地下公共建筑的环境特点及热工性能可知,其围护结构的保温隔热性能优于地面建筑,并且不需要遮阳。地下建筑主要能耗主要包括:采光能耗、空调能耗、动力能耗。根据徐州时尚大道地下商业街的能耗进行了测量, 表明最大的能量消耗是在有高制冷负载的8月份。另一个最大值是在有高取暖负载的2月份。年耗能的最大份额是照明,占 45%;第二位是空调能耗,占 44%;电梯及其他能耗占11%。
可见地下建筑中的采光能耗占的比例巨大,空调能耗也十分惊人。我国的空调能耗中,新风能耗占空调能耗的25%-38%,在地下建筑中这个比例会更高。因此,自然采光与自然通风对地下建筑的节能意义重大。
3 地下建筑节能策略
3.1 充分利用自然采光
在地下建筑中应可能地利用自然采光,天然采光不仅节约了照明能耗, 更重要的是能满足人们的心理需求。在地下空间可以采用以下多种建筑形式来进行自然采光。
3.1.1 天窗式
天窗采光适合于埋深较浅、地面部分为广场或绿地的地下建筑, 阳光可以通过顶棚的天窗很容易到达室内,采光效率高,并可选择各种形式的天窗,如:平天窗、锯齿形天窗等。天窗采光适合用于公共建筑和工业建筑, 如展览建筑、工业厂房等。
3.1.2 庭院式
对于规模不大的地下建筑,可采用庭院式自然采光。地下建筑的各部分功能围绕一个小庭院布置, 并在与庭院相邻的围护结构上开设大面积玻璃门窗,从而可以摄取阳光和景观。庭院式采光方法较适于规模不大的文化娱乐建筑。
3.1.3 下沉广场式
对于城市中面积较大的开敞空间,常常使地面一部分下沉一定高度, 使广场出现空间形态变化,并且结合地下建筑（如地下商业建筑、地下交通建筑等）形成多层次的复合空间,同时还为广场周围的地下建筑提供大量的自然光线。
3.1.4 地下中庭式
对于大深度的地下工程,地下中庭是一种改善空间环境的重要方法。中庭顶部可以由各种形态的空间网架加上采光玻璃面构成。中庭内可以种植植物,布置景观,从而形成丰富的内部空间。因此, 多层地下建筑可以通过共享中庭获得自然光线以及景观效果。
3.1.5 技术应用
很多情况下, 地下建筑没有条件通过天窗、侧窗或中庭等引入自然光线, 此时就需要采用一些特殊方法将太阳光引入地下空间, 这种采光方法同样可以使地下空间获得阳光照明, 从而达到节能的目的。常见的方法有:导光管采光、棱镜导光装置、光导纤维、光电效应间接采光等。
3.2 自然通风
自然通风是利用室内外温度差所造成的热压或风力作用所造成的风压来实现换气的一种通风方式,是对自然能源的有效开发和利用。经过合理设计的自然通风, 对改善室内空气质量和节约能耗都有重要意义。自然通风与建筑设计关系密切,平面布局、风井的设置及风帽的选择等都会影响自然通风效果。
摘要：随着经济的快速发展，人口人数的倍增，对于政府而言，维持城市生活的宜居性是一大挑战。开发地下空间对城市建设至关重要，因为基础设施以及各类建筑物的空间布置在常规的城市规划中己经越来越难。地下空间的利用为城市的基础设施、生活服务设施提供了新的空间，且不以消耗宝贵的地面空间为代价，因此城市可以保留其珍贵的地面公共空间，即使地面利用了，也可以开发地下空间。此外，城市之外的大规模国土资源也有很大地下空间开发利用的潜力。无论是建筑师还是城市规划师，现在都在着眼于地下空间的利用，这能使他们为开发新空间而一展身手。
关键词：地下建筑空间、设计、有效利用
一、前言
地下建筑空间的开发利用是保证城市可持续发展的充分和必要条件。当一个城市的经济水平发展到了一定的程度时，城市就有了对地下空间开发利用的需求，不同的城市规模和城市扩展方式则会对城市地下空间的利用方式和开发规模有不同的选择。对于地下空间的利用，人类己经有了较为丰富的经验，如用于交通、市政公用设施、公共服务、防灾、生产、储藏等的各种利用形式，其中用于交通是城市开发利用地下空间的主要目的。随着城市发展要求的不断提升及施工技术的不断完善，大型的地下综合体己经成了未来城市地下空间开发利用的方向。众多功能不同的地下设施构筑在一起，对地下建筑空间的布局也提出了更高的要求。
二、国内外地下建筑空间利用现状
地下空间是有别于传统的地上空间的，在城市空间的开发利用上有其独特的优势。比如地下空间在恒温性、恒湿性方面有其独特的优势，在隔热性、遮光性、气密性等方面比地上空间更容易做到，在隐蔽性、空间性、安全性等诸多方面也远远优于地上空间。
国外在地下空间的利用上也是多方面的、广泛的，很多设施被置于地下。通过点、线、面的有机结合将城市地下空间组合起来，形成网络状结构。其中生活设施有地下住宅及复式住宅，可以节约采暖、空调费用；城市设施除地下商业街、地下铁、道路隧洞外，还有半地下式大学，即可以满足与自然比较协调及对采光的要求，还能兼顾更新城市机能及节约能源；贮藏设施除食品贮藏外，保存放射性废料的设施也在研究开发的规划之中；交通设施有道路隧洞、地下停车场等；而地下核防护设施堪称世界之最。
我国在地下空间利用方面与发达国家相比，存在较大的差距。在60，70年代，我国建设了一批地下工厂、早期人防工程，同时期还建造了北京、天津地下铁道。但大规模城市地下空间的开发利用还是近年来的事情，随着经济的发展以及城市功能的需要，发达城市加快了开发和利用城市地下空间的步伐。虽然我国在大规模城市地下空间的开发利用上起步较晚，但预计规模和前景巨大，远超世界发达国家大城市现有的发展程度。
三、地下建筑空间有效利用的意义
开发利用城市地下空间对于城市建设是至关重要的，因为受困于城市建设用地的限制，传统的基础设施以及各类建筑物的空间规划己经越来越难。地下空间的开发利用在不以消耗宝贵的地面空间为代价的前提下，不但为城市的基础设施、生活服务设施提供了新的空间，还可以为城市保留极其珍贵的地面公共空间。
地下建筑空间的开发利用对于城市可持续发展和环境改善的贡献是多方面的。如：节省了大量的自然资源；减少了空气污染和不必要的视觉和噪音污染；为建设低耗能、低废弃城市提高了可能性；地下结构相对稳定，不易受地震等自然灾害影响；能改善地面景观，提高地面环境质量。
地下建筑空间的开发利用可以为城市提供更好的交通和一些地表无法修建的公用基础设施，特别是城市的中心区，从而实现城市的可持续发展。在城市中广泛开发利用地下空间可以建立独立的通讯和服务空间层，成为增强城市凝聚力和韧性的关键设施。相对于地表高架基础设施，地下交通空间的使用可以避免对城市社会结构的有害影响。
四、我国地下空间开发利用存在的问题
1、规划体系不完善
在传统的规划体系中，地下建筑公共空间缺乏系统规划的指导，需要在地下建筑空间规划中进行重点研究。地下建筑空间规划的主要任务是统筹协调地下公共活动、地下道路交通、地下市政、民防等功能系统的关系，处理好各系统的避让和衔接，保证各系统顺利和高效运转。在地下空间的主要功能系统中，市政、道路交通以及民防均由专业部门编制专项系统规划，指导系统的建设。地下建筑空间规划系统的内容、技术要求均相对独立，城市规划主要着眼于专项系统与城市整体系统的衔接，经过长期实践，己经形成了较为稳定的沟通机制和工作方法，保证专项规划的要求可以在城市规划中得到合理体现和落实。而在传统的城市规划体系中，对于城市公共空间的研究主要针对地上空间，相关的规划内容在公共设施、绿地、景观等系统中均有反映，但并不构成一个独立的系统规划，使地下公共空间缺少系统性的规划指导。因此，在地下空间规划中，有必要将地下公共空间作为一个完整的功能系统进行深入的研究。
2、法律体系不健全
谈到地下建筑空间的规划就不得不提到地下空间利用权。所谓地下建筑空间利用权，是指权利人依法利用地表以下一定范围的空间并排除他人干扰的权利，土地作为一种自然资源和社会财富，土地是人类赖以生存繁衍的生活载体，也是人类社会得以发展的物质前提。随着科技的进步，人们对土地的利用逐渐从地表延及地表上空，而后延至地表以下。但是由于相关空间利用立法的不完善，我国的地下空间利用处在一个貌似繁荣实则无序的紊乱状态中，具体表现在：
（1）产权关系不明确
由于现行法律未对地下管线、建筑物、构筑物的产权关系进行明确，投资者建设地下管线建筑物、构筑物后拿不到产权证，导致城市地下设施的产权不清，主体不明确，引发了很多不必要的纠纷，投资者的相关权益无从保障，同时又给有关部门的管理工作带来了困难。
（2）规划不统一我国城市地下建筑空间的开发缺乏统一的、详细的规划，各行业按照各自的发展需要自行建成的地下管线和建筑，缺乏整体性、系统性，上下不协调，矛盾较多，综合效益不明显。
五、地下建筑空间的设计
地下建筑规划的根本目的是根据城市的社会、经济目标，合理分配城市空间，从而提高人们的生活水平，促使城市健康发展。当代的城市规划设计必须将城市地上空间开发与地下空间开发相结合，充分发挥各自优势，共同促进城市发展。在现代城市的整体规划中，城市地下空间的规划与设计己经被规划设计人员列入城市发展计划当中。即便在短期内没有具体实施的地下建筑空间工程项目，在长期规划设计中也会有地下建筑空间工程的计划方案。
由于地下建筑空间、与地面空间、上部空间在开发利用方面存在不同，所以建设城市地下空间是相当有技术含量的，规划时应遵循的大原则如下：首先，应符合国家的有关方针、政策，并且为生产力发展创造条件；第二，必须从实际出发，具体问题具体分析，贯彻勤俭建国的方针；第三，应贯彻建设与环境保护和可持续发展相结合的原则，同时体现出城市的艺术品位、文化素养、民俗历史。
六、结语
地下建筑空间的开发利用己经成了现代城市可持续发展的重要保证。作为承担城市多种功能的重要场所，地下建筑空间在城市中的开发利用规模会越来越大，但就目前来看，我国在规划和开发利用地下建筑空间的过程中，仍存在很多问题，因此在今后的开发利用过程中，详细调查、充分论证是规划和决策的重要保证。另外，我国在地下建筑空间权属的确定上还存在立法滞后的现象，这将在很大程度上限制我国对地下建筑空间的利用和发展。我们应充分借鉴国外发达城市对地下建筑空间开发利用的成功经验，努力提升我国开发利用地下建筑空间的水平。
1外向性空间。
外向空间的本质是利用不同位置所创造的空间之间相互交融，在扩大整体空间容积的同时又进一步削弱了地下空间中会带来给使用群体心理方面的不利因素。外向空间的营造有以下几种途径:
a．水平方向的交融。在地下建筑中利用多种元素和材质，例如玻璃墙、镜面或透明玻璃等，对空间进行水平方向的界定，使其具有一定的视觉通透性，形成良好的面向建筑内部、中庭甚至更远方向的景观渗透。
b．垂直方向的交融。空间的融会贯通可以通过楼梯、夹层、中庭等竖向空间使地下建筑内部空间数层之间相互穿插。
2动态性空间。
在地下建筑空间中，可以营造动态来对地下空间进行破解。动态性空间的营造可以使用这些手法:
a．径直利用固有的一些建筑内含动态元素，例如将一些观景电梯、垂直扶梯等交通动向功能放在中庭中，再配合流水、动态雕塑等要素来制造出流动的空间效果。
b．利用使用者的活动本身。对使用群体活动的流线进行一定的组织，能够在建筑中衍生出一个人为的“人看人”的空间。
c．光影。光线在不同时段当中被照射进来产生的光影效果，可以给地下空间带来一定的变化和动感。使得空间有多重复合的效果。在地下建筑空间的设计要素中，重点分成以下几个部分:
1)下沉式庭院。
下沉式庭院能够为地下建筑空间提供阳光、景观及和其他空间的横向纵向联系，并在建筑内部加强方向感。并且从地下建筑空间之中能够享受一些外向性的庭院也可以带给使用群体舒适感受。对于下沉式庭院适用尺寸的确定取决于它所预期达成的功能特点。若想使下沉式庭院成为地下建筑的主要休闲处和构成深刻印象的地方，那么首先就应考虑使中庭规模尽可能地扩大。而如果只是希望眼睛能聚焦于远处，那么宽度达到5m左右就能满足要求。在确定尺度之后，还应在下沉式庭院中创造出良好景观。这些景观应当有这几个特征:内容丰富，可以包括建筑外立面、天空、地平线等，尽量利用自然景象。在下沉式庭院中广泛应用绿化是比较理想的。植物可柔化由硬性材料构成的庭院围合界面，与此同时还能加强下沉式庭院作为一个过渡体的形象。人自身在下沉式庭院中的活动也能构成景观，因此为鼓励人们进入到其中就应当提供可满足休憩、就餐、娱乐等功能设施，提高庭院易达程度，并将其放在活动流线与开放区域的交集部分，使主要行走通道毗邻下沉式庭院，这能使人们在地下建筑空间中活动时察觉到其存在，并有机会从其中大量穿过。
2)中庭空间。
在地下建筑中，中庭空间是一种常用的设计要素。它常常成为地下建筑空间中的优秀地标，并构建出整个地下建筑的内在形象。由于其外向发射的空间特征，人们往往在很短的体验时间内就能从中庭空间里感受良多，这使得建筑的设计理念更易于被接受。与此同时，在一个内向封闭空间环境中，多种释放信息必须通过在竖向楼层分离的体察中才能得到。中庭可以是主要活动动线的一部分，可以是一个节点，它可以内含标志物或自身就是一个标志物。
3)独特区域。
在大型地下建筑空间中应营造具有明显特征的区域来加强方向感，而富含个性的空间也能令建筑自身更与众不同。在功能比较单一的地下建筑中，区域可以用地点来区分(如在南端或在较高一层)，或是与建筑的某个明显特征相挂钩(如围绕有绿化的边庭)，但不管采取何种手段，这个区域应能被明确地表现。除此之外，还可以在某个较大区域中划分若干个个性化的较小区域。在地下建筑空间设计中，应制造出简单明了的室内格局以加强方向感，并应当强调出不同的应急出口，空间应营造清晰的形象以弥补外部景象的缺乏，在室内外环境中提供视觉上的连续性，提供愉悦的室内环境体验。
作者：阳海辉单位：南华大学设计与艺术学院
摘 要:地下建筑的热工环境与地面建筑有着诸多不同,因此在建筑耗能方面也有其特殊性。从地下建筑的热工环境入手,分析了地下建筑的耗能特点,并从自然采光、自然通风、可再生能源利用三方面提出针对地下建筑的节能策略。
关键词:地下建筑;热工环境;节能策略
1引言
随着地下建筑的不断发展,城市里出现了多种功能类型的建筑形式,如:从公共建筑、交通建筑、办公建筑、体育建筑以及居住建筑等。人类在地下建筑中的活动日益增加。我们一方面需要改善地下建筑内部空间环境,使其达到一定的舒适度标准,从而保障地下建筑的正常运行,另一方面也要有效控制地下建筑的运行能耗,节约运行成本。
地下建筑空间环境与地面建筑相比较,有非常显著的特点,其中包含了一些有利因素与不利因素。我们在对地下建筑空间进行节能设计时,需要根据地下建筑空间的特点,有针对性地进行设计。
2地下建筑热工环境分析
地下建筑空间环境受到室外和室内的双重热湿作用。与地面建筑不同的是,地下建筑围护结构所接触的是土壤或岩石,而不是地面环境中的太阳辐射、室外空气的温湿度、风、雨、雪等。土壤或岩石对地下建筑围护结构的作用与地下建筑的热工性能有密切关联。
2.1地下建筑室外热湿环境
建筑物护结构将人们的生活与工作空间分为室内和室外两部分,对地下建筑而言,土壤对其围护结构的影响便相当于室外气候对地面建筑的影响。
2.1.1土壤或岩体温度作用
土壤的热作用与地面自然环境的热作用差别很大。一般认为从地面到地下10m左右的土壤是依靠太阳供给热量的。随着深度的增加,热量对土地的影响也相应增加。白天,太阳的热量影响到土壤的很浅的深度,通常在5～7cm之间,但这种热量在一个大约10m的深度内作持续的季节性运动[1]。土壤隔热性好而蓄热量大,因而能在严酷多变的外界气候条件下保持相对稳定的温度。土壤的热稳定性使得地下建筑的围护结构拥有相对稳定的外界温度,对于一些需要恒定季节性温度和恒定昼夜温度的特殊建筑,地下建筑将更具优势。
2.1.2土壤或岩体湿度作用
在湿度方面,地下建筑的围护结构受到土壤、岩石、地下水位高低等的影响,有时会出现较为严重表面散湿现象,再加上缺少阳光照射,和有效的自然通风,围护结构往往比地面建筑潮湿。
2.2地下建筑室内热湿环境
地下建筑中属于室内的气候因素主要包括三个方面:进入室内的阳光、空气温湿度、生产和生活所散发的热量和水分。
2.2.1进入室内的阳光
地下建筑由于其围护结构的限制,一般难以通过侧窗获取阳光,虽然可以通过采光天窗、采光井等方式进行自然采光,但大多数情况下仍无法与地面建筑相比。自然光线的不足对地下建筑室内环境造成了不利影响,如潮湿、阴暗。
2.2.2空气温度湿度
地下空间中的空气温度随季节变化及昼夜变化的波动幅度较小,相对于地面,有着十分明显的滞后现象。地面温度变化引起地表层发生的热波,由于地下建筑覆盖层及周围岩土的衰减作用,对室内空气温度影响不大。当覆盖层厚度超过10m,这种影响可忽略不计,这对创造恒定的室内温度十分有利。
在夏季,地下建筑内温度比室外空气温度低,室外空气进入地下建筑后,温度下降,相对湿度升高,当壁面温度低于露点时,即出现凝结水,致使地下建筑夏季雨季潮湿问题十分突出。
2.2.3生产和生活所散发的热量与水分
地下建筑中的生产活动与生活同样会散发热量和水分。由于地下建筑的封闭性较强,很多情况下难以通过自然通风排除热量与湿气,因此,地下建筑空间内的生产和生活过程中所散发的热量和水分会增加地下空间的温度和湿度。
3地下建筑的主要能耗分析
分析地下公共建筑的环境特点及热工性能可知,其围护结构的保温隔热性能优于地面建筑,并且不需要遮阳。地下建筑主要能耗主要包括:采光能耗、空调能耗、动力能耗。根据徐州时尚大道地下商业街的能耗进行了测量,表明最大的能量消耗是在有高制冷负载的8月份。另一个最大值是在有高取暖负载的2月份。年耗能的最大份额是照明,占45%;第二位是空调能耗,占44%;电梯及其他能耗占11% (见图1) 。
可见地下建筑中的采光能耗占的比例巨大,空调能耗也十分惊人。我国的空调能耗中,新风能耗占空调能耗的25%-38%[2],在地下建筑中这个比例会更高。因此,自然采光与自然通风对地下建筑的节能意义重大。
4地下建筑节能策略
4.1 充分利用自然采光
在地下建筑中应可能地利用自然采光,天然采光不仅节约了照明能耗,更重要的是能满足人们的心理需求。在地下空间可以采用以下多种建筑形式来进行自然采光。
4.1.1天窗式
天窗采光适合于埋深较浅、地面部分为广场或绿地的地下建筑,阳光可以通过顶棚的天窗很容易到达室内,采光效率高,并可选择各种形式的天窗,如:平天窗、锯齿形天窗等。天窗采光适合用于公共建筑和工业建筑,如展览建筑、工业厂房等。
4.1.2 庭院式
对于规模不大的地下建筑,可采用庭院式自然采光。地下建筑的各部分功能围绕一个小庭院布置,并在与庭院相邻的围护结构上开设大面积玻璃门窗,从而可以摄取阳光和景观。
庭院式采光方法较适于规模不大的文化娱乐建筑。
4.1.3下沉广场式
对于城市中面积较大的开敞空间,常常使地面一部分下沉一定高度,使广场出现空间形态变化,并且结合地下建筑(如地下商业建筑、地下交通建筑等)形成多层次的复合空间,同时还为广场周围的地下建筑提供大量的自然光线。
4.1.4 地下中庭式
对于大深度的地下工程,地下中庭是一种改善空间环境的重要方法。中庭顶部可以由各种形态的空间网架加上采光玻璃面构成。中庭内可以种植植物,布置景观,从而形成丰富的内部空间。因此,多层地下建筑可以通过共享中庭获得自然光线以及景观效果。
4.1.5 技术应用
很多情况下,地下建筑没有条件通过天窗、侧窗或中庭等引入自然光线,此时就需要采用一些特殊方法将太阳光引入地下空间,这种采光方法同样可以使地下空间获得阳光照明,从而达到节能的目的[3]。常见的方法有:导光管采光(如图2)、棱镜导光装置、光导纤维、光电效应间接采光等。
4.2自然通风
自然通风是利用室内外温度差所造成的热压或风力作用所造成的风压来实现换气的一种通风方式,是对自然能源的有效开发和利用。经过合理设计的自然通风,对改善室内空气质量和节约能耗都有重要意义。自然通风与建筑设计关系密切,平面布局、风井的设置及风帽的选择等都会影响自然通风效果。
4.2.1 平面布局
平面布局决定着自然通风系统的风路组织,直接影响自然通风效率。风路设计的重点是如何将新风引入地下建筑,与室内空气进行置换后排出室外。在布置地下建筑平面时应尽量保证风路畅通,减少死角,避免气流短路。
4.2.2 风井设置
在地下建筑设计中,中庭的应用十分普遍。中庭受到阳光照射,会产生温室效应,产生热压作用,有利于空气排出。因此我们可以将其作为排风风井,必要时设置机械装置,辅助排风(如图3)。
进风井应根据自然通风的风路组织需求,围绕作为排风井的中庭设置。进风井风口部分应该考虑周围地面环境的影响,避开有空气污染的位置,同时要加装空气净化装置[4]。为了有利于空气进入,可以在风口内部设置冷却装置,促使空气下沉。风口要尽量利用风压,根据需要安装进风型风帽或排风型风帽。
5可再生能源利用
可再生能源利用是近年来的热点。可再生能源包括风能、太阳能、生物能、地热能和海洋能等,它对环境无害或危害很小,资源分布广泛,适宜就地开发利用。适合在地下建筑中使用的可再生能源主要有太阳能利用、风能利用和地热能利用。
5.1 太阳能应用
通过建筑设计手段和技术手段,可以利用太阳能为地下建筑提供自然照明。有条件接受较多阳光照射的地下建筑,同样可以借鉴地上建筑利用太阳能的方式,为内部空间提供采暖所需的热量。例如在共享中庭内部设置太阳能集热装置,在冬季为地下建筑冬季采暖提供热量补充,在夏季可以起到除湿的作用。
5.2 风能利用
风能的利用主要有两方面:一是通过风压作用辅助地下建筑空间进行自然通风,二是通过风力发电装置进行发电。风力发电装置要求有较好的风力资源,常见的做法是将发电装置至于高处,因此适宜应用在附建于高层建筑的地下建筑。风力发电装置可安装在地面建筑顶部,以捕获得更多的风力资源,但必须控制噪声对周围环境的影响。
5.3 地源热泵应用
地源热泵系统与传统的空调系统相比有很多不同,如不需要冷却塔、不需要锅炉、不需要机房等,这些特点有利于地源热泵系统在地下建筑中的应用,但同时也需要增加一些设备和投资,如土壤热交换器、循环水泵、低温型热泵机组等。对于较深的地下建筑,有足够的空间敷设土壤热交换器,非常适合用地源热泵系统代替传统的空调系统[5]。
6结语
地下建筑的应用日趋广泛,人们在其中的活动逐渐增多,能耗问题不容忽视。建筑师在方案设计阶段就应该考虑节能因素,将节能设计作为方案设计的一个重要部分。我们要通过借鉴先进的生态节能设计方法,结合地下建筑的特点,有针对性地进行研究,在保证舒适度的同时,最大限度地降低建筑能耗。
随着地下建筑的不断发展,城市里出现了多种功能类型的建筑形式,如:从公共建筑、交通建筑、办公建筑、体育建筑以及居住建筑等。人类在地下建筑中的活动日益增加。我们一方面需要改善地下建筑内部空间环境,使其达到一定的舒适度标准,从而保障地下建筑的正常运行,另一方面也要有效控制地下建筑的运行能耗,节约运行成本。
地下建筑空间环境与地面建筑相比较,有非常显著的特点,其中包含了一些有利因素与不利因素。我们在对地下建筑空间进行节能设计时,需要根据地下建筑空间的特点,有针对性地进行设计。
2地下建筑热工环境分析
地下建筑空间环境受到室外和室内的双重热湿作用。与地面建筑不同的是,地下建筑围护结构所接触的是土壤或岩石,而不是地面环境中的太阳辐射、室外空气的温湿度、风、雨、雪等。土壤或岩石对地下建筑围护结构的作用与地下建筑的热工性能有密切关联。
2.1地下建筑室外热湿环境
建筑物护结构将人们的生活与工作空间分为室内和室外两部分,对地下建筑而言,土壤对其围护结构的影响便相当于室外气候对地面建筑的影响。
2.1.1土壤或岩体温度作用
土壤的热作用与地面自然环境的热作用差别很大。一般认为从地面到地下10m左右的土壤是依靠太阳供给热量的。随着深度的增加,热量对土地的影响也相应增加。白天,太阳的热量影响到土壤的很浅的深度,通常在5～7cm之间,但这种热量在一个大约10m的深度内作持续的季节性运动[1]。土壤隔热性好而蓄热量大,因而能在严酷多变的外界气候条件下保持相对稳定的温度。土壤的热稳定性使得地下建筑的围护结构拥有相对稳定的外界温度,对于一些需要恒定季节性温度和恒定昼夜温度的特殊建筑,地下建筑将更具优势。
2.1.2土壤或岩体湿度作用
在湿度方面,地下建筑的围护结构受到土壤、岩石、地下水位高低等的影响,有时会出现较为严重表面散湿现象,再加上缺少阳光照射,和有效的自然通风,围护结构往往比地面建筑潮湿。
2.2地下建筑室内热湿环境
地下建筑中属于室内的气候因素主要包括三个方面:进入室内的阳光、空气温湿度、生产和生活所散发的热量和水分。
2.2.1进入室内的阳光
地下建筑由于其围护结构的限制,一般难以通过侧窗获取阳光,虽然可以通过采光天窗、采光井等方式进行自然采光,但大多数情况下仍无法与地面建筑相比。自然光线的不足对地下建筑室内环境造成了不利影响,如潮湿、阴暗。
2.2.2空气温度湿度
地下空间中的空气温度随季节变化及昼夜变化的波动幅度较小,相对于地面,有着十分明显的滞后现象。地面温度变化引起地表层发生的热波,由于地下建筑覆盖层及周围岩土的衰减作用,对室内空气温度影响不大。当覆盖层厚度超过10m,这种影响可忽略不计,这对创造恒定的室内温度十分有利。
在夏季,地下建筑内温度比室外空气温度低,室外空气进入地下建筑后,温度下降,相对湿度升高,当壁面温度低于露点时,即出现凝结水,致使地下建筑夏季雨季潮湿问题十分突出。
2.2.3生产和生活所散发的热量与水分
地下建筑中的生产活动与生活同样会散发热量和水分。由于地下建筑的封闭性较强,很多情况下难以通过自然通风排除热量与湿气,因此,地下建筑空间内的生产和生活过程中所散发的热量和水分会增加地下空间的温度和湿度。
3地下建筑的主要能耗分析
分析地下公共建筑的环境特点及热工性能可知,其围护结构的保温隔热性能优于地面建筑,并且不需要遮阳。地下建筑主要能耗主要包括:采光能耗、空调能耗、动力能耗。根据徐州时尚大道地下商业街的能耗进行了测量,表明最大的能量消耗是在有高制冷负载的8月份。另一个最大值是在有高取暖负载的2月份。年耗能的最大份额是照明,占45%;第二位是空调能耗,占44%;电梯及其他能耗占11%(见图1)。
可见地下建筑中的采光能耗占的比例巨大,空调能耗也十分惊人。我国的空调能耗中,新风能耗占空调能耗的25%-38%[2],在地下建筑中这个比例会更高。因此,自然采光与自然通风对地下建筑的节能意义重大。
4地下建筑节能策略
4.1充分利用自然采光
在地下建筑中应可能地利用自然采光,天然采光不仅节约了照明能耗,更重要的是能满足人们的心理需求。在地下空间可以采用以下多种建筑形式来进行自然采光。
4.1.1天窗式
天窗采光适合于埋深较浅、地面部分为广场或绿地的地下建筑,阳光可以通过顶棚的天窗很容易到达室内,采光效率高,并可选择各种形式的天窗,如:平天窗、锯齿形天窗等。天窗采光适合用于公共建筑和工业建筑,如展览建筑、工业厂房等。
4.1.2庭院式
对于规模不大的地下建筑,可采用庭院式自然采光。地下建筑的各部分功能围绕一个小庭院布置,并在与庭院相邻的围护结构上开设大面积玻璃门窗,从而可以摄取阳光和景观。
庭院式采光方法较适于规模不大的文化娱乐建筑。
4.1.3下沉广场式
对于城市中面积较大的开敞空间,常常使地面一部分下沉一定高度,使广场出现空间形态变化,并且结合地下建筑(如地下商业建筑、地下交通建筑等)形成多层次的复合空间,同时还为广场周围的地下建筑提供大量的自然光线。
4.1.4地下中庭式
对于大深度的地下工程,地下中庭是一种改善空间环境的重要方法。中庭顶部可以由各种形态的空间网架加上采光玻璃面构成。中庭内可以种植植物,布置景观,从而形成丰富的内部空间。因此,多层地下建筑可以通过共享中庭获得自然光线以及景观效果。
4.1.5技术应用
很多情况下,地下建筑没有条件通过天窗、侧窗或中庭等引入自然光线,此时就需要采用一些特殊方法将太阳光引入地下空间,这种采光方法同样可以使地下空间获得阳光照明,从而达到节能的目的[3]。常见的方法有:导光管采光(如图2)、棱镜导光装置、光导纤维、光电效应间接采光等。
4.2自然通风
自然通风是利用室内外温度差所造成的热压或风力作用所造成的风压来实现换气的一种通风方式,是对自然能源的有效开发和利用。经过合理设计的自然通风,对改善室内空气质量和节约能耗都有重要意义。自然通风与建筑设计关系密切,平面布局、风井的设置及风帽的选择等都会影响自然通风效果。
4.2.1平面布局
平面布局决定着自然通风系统的风路组织,直接影响自然通风效率。风路设计的重点是如何将新风引入地下建筑,与室内空气进行置换后排出室外。在布置地下建筑平面时应尽量保证风路畅通,减少死角,避免气流短路。
4.2.2风井设置
在地下建筑设计中,中庭的应用十分普遍。中庭受到阳光照射,会产生温室效应,产生热压作用,有利于空气排出。因此我们可以将其作为排风风井,必要时设置机械装置,辅助排风(如图3)。
进风井应根据自然通风的风路组织需求,围绕作为排风井的中庭设置。进风井风口部分应该考虑周围地面环境的影响,避开有空气污染的位置,同时要加装空气净化装置[4]。为了有利于空气进入,可以在风口内部设置冷却装置,促使空气下沉。风口要尽量利用风压,根据需要安装进风型风帽或排风型风帽。
5可再生能源利用
可再生能源利用是近年来的热点。可再生能源包括风能、太阳能、生物能、地热能和海洋能等,它对环境无害或危害很小,资源分布广泛,适宜就地开发利用。适合在地下建筑中使用的可再生能源主要有太阳能利用、风能利用和地热能利用。
5.1太阳能应用
通过建筑设计手段和技术手段,可以利用太阳能为地下建筑提供自然照明。有条件接受较多阳光照射的地下建筑,同样可以借鉴地上建筑利用太阳能的方式,为内部空间提供采暖所需的热量。例如在共享中庭内部设置太阳能集热装置,在冬季为地下建筑冬季采暖提供热量补充,在夏季可以起到除湿的作用。
5.2风能利用
风能的利用主要有两方面:一是通过风压作用辅助地下建筑空间进行自然通风,二是通过风力发电装置进行发电。风力发电装置要求有较好的风力资源,常见的做法是将发电装置至于高处,因此适宜应用在附建于高层建筑的地下建筑。风力发电装置可安装在地面建筑顶部,以捕获得更多的风力资源,但必须控制噪声对周围环境的影响。
5.3地源热泵应用
地源热泵系统与传统的空调系统相比有很多不同,如不需要冷却塔、不需要锅炉、不需要机房等,这些特点有利于地源热泵系统在地下建筑中的应用,但同时也需要增加一些设备和投资,如土壤热交换器、循环水泵、低温型热泵机组等。对于较深的地下建筑,有足够的空间敷设土壤热交换器,非常适合用地源热泵系统代替传统的空调系统[5]。
6结语
地下建筑的应用日趋广泛,人们在其中的活动逐渐增多,能耗问题不容忽视。建筑师在方案设计阶段就应该考虑节能因素,将节能设计作为方案设计的一个重要部分。我们要通过借鉴先进的生态节能设计方法,结合地下建筑的特点,有针对性地进行研究,在保证舒适度的同时,最大限度地降低建筑能耗。