北方地區建筑適寒性及低能耗設計策略

朱子君 席岳琳

(河北建筑工程學院,河北 張家口 075000)

0 引 言

黨的十八大提出要建設美麗中國、生態中國，在這種政策的引導下，建筑低能耗設計勢必會成為一種不可逆轉的趨勢.“十二五”末期，按照規劃要求每年都將新建1000個低能耗的綠色建筑項目，從根本上改變我國建筑行業重污染、高耗能的現狀.

在進行建筑設計時必須要首先考慮氣候條件，它是影響建筑節能設計的首要影響因素.不僅關系到建筑的日照、采光，更與建筑功能布局、體量造型、圍護結構性能等都有直接關系.本文以華北城市作為寒冷地區的代表，對室內環境存在的問題進行調研，針對寒冷地區的特殊氣候，從場地規劃、體型設計、空間設計三個方面對建筑的適寒性及低能耗進行探討.

1 寒冷地區氣候特征

寒冷地區主要包括華北、新疆、西藏南部地區以及東北南部地區.寒冷地區的建筑物既要滿足冬季的保溫要求，部分地區還要同時兼顧夏季的防熱，屬于Ⅱ類氣候區.

寒冷地區的氣候一般比較干旱少雨，年平均相對濕度50%-70%，年降雨日數為60-100天，年降水量為300-1000 mm，年降雪日數在15天以下.寒冷地區的太陽輻射較強，年太陽總輻射照度為150-190 W/m2，年日照時數為2000-2800小時，年日照百分率為40%-60%.較強的太陽輻射導致了夏季氣溫較高，氣候相對比較干燥.

2 建筑場地規劃

在寒冷地區，場地設計是否得當直接影響到建筑室內外環境的舒適性.從建筑選址位置、規劃布局、建筑室外空間、樓間距、朝向等諸多方面來考慮，避免和克服不利的氣候影響因素，充分發揮地形地勢條件來改善建筑微氣候，從而對提高節能效益產生積極作用.

2.1 合理的建筑朝向

建筑朝向設計合理，可使建筑物充分利用太陽輻射帶來的綠色能源，在夏季能利用自然通風減少得熱，在寒冷冬季又能獲得足夠日照，避開主導風向從而減少熱損耗，這對建筑物的低能耗會產生極為重要的積極作用.

自古至今，“坐北朝南”的建筑布局都被認為是最首選的建筑朝向.通過實驗測試和調研，這種良好朝向也不是絕對的.如北京的最佳朝向為南偏東、西各30度以內，不宜朝向為北偏西30-60度；而石家莊的最佳朝向為南偏東15度，不宜朝向為西向.合理的建筑朝向應根據地形、地勢、當地氣候特征及周邊環境進行綜合分析而確定.

2.2 爭取充足的日照

能夠在冬季爭取到充足的太陽輻射熱是寒冷地區建筑節能最經濟有效的措施，在規劃設計過程中通常采用日照間距系數來進行控制.

常見的布局形式有行列式、錯列式、斜列式、周邊式和長短結合五種形式，對這五種形式的建筑群進行日照模擬分析，只要對建筑的方位、大小、形狀等加以變化，就能在群體布局中獲得較好的采光日照效果.

圖1 常見建筑布局示意圖

(1)將較長的建筑物布置在北側，較短的建筑布置在南側，采用長短廊相結合的平面布局，可以在有限的用地條件內盡可能的節地，并延長日照時間，在同等太陽輻射條件下，長短結合是日照效果最佳的布置形式.

(2)斜列、錯列的布置形式僅次于長短結合的形式，可以利用側光使建筑獲得更多的日照，從而保證建筑底層的房間也能擁有滿足要求的日照.

(3)平行、錯列和斜列都屬于行列式的布局形式，這種形式比周邊式能獲得更好的日照效果，在北方寒冷地區應該得到廣泛的采用.

(4)在有坡度的地區布置建筑時，為了使日照間距最小，可以在南坡平行于等高線布置，在不利坡向可與等高線斜交，按照錯列式布置.

(5)按照建筑高度，以從南到北逐漸增高的原則進行排列，能保證較低的建筑不會受到遮擋，盡最大可能的節約用地并獲得較好的日照.

2.3 借助風環境作用

冷空氣滲透對建筑冬季防寒保溫會產生很大的影響，而到了夏季，擁有良好的通風措施又能有效的提高人體的舒適度，改善室內微氣候，并大大減少利用空調等降溫措施帶來的能源高消耗.

我國寒冷地區季風氣候的主要特征就是，冬季主要受西北風的強烈影響，到了夏季又轉為東南風.在寒冷地區建筑規劃布局中應以阻擋冬季寒風為主，來減弱冷風帶來的熱損耗，同時兼顧夏季通風隔熱.

(1)當風吹向建筑物時，會在建筑物背風面區域形成一個風影區，將各棟建筑的間距控制在1∶2的范圍以內，就能使后排建筑位于前排建筑尾流風的漩渦區以外.

(2)按建筑高度排列，將層數較高的建筑背向冬季主導方向，形成一個天然屏障，從而減弱冬季寒冷氣流對中低層建筑以及內庭院的侵襲.相鄰的兩棟建筑物高度不要差別太大，最好控制在其上風向建筑高度2倍范圍以內，以避免形成空氣渦流，產生建筑微氣候.

(3)在建筑規劃布局中應盡可能將西北方向圍合起來，盡可能的少開“風口”，也有很好的防風避風效果.

(4)在工程設計中，合理設置擋風墻或防風林之類的阻隔設施能有效的減弱冷風侵襲.

(5)為使建筑在炎熱的夏季形成良好的對流風，建筑群體布置時，應使建筑物與主導風向成30至60度角范圍內，避免形成風影區，影響其下風向建筑的通風效果.

3 建筑體型設計

建筑設計的核心階段就是體型與空間的設計，在方案初期就應該考慮節能措施，比如建筑物的體型系數、天然采光和自然通風等關鍵問題，這樣才能在降低造價的前提下達到節能減排相關要求.

3.1 體型對保溫的影響

在同等使用面積的條件下，外圍護面積越大，體型系數就越大，建筑散熱量也相應越大，因此建筑物體型系數的變化直接決定著建筑節能的優劣.

將8個相同體積的立方體單元排列成為五種不同的體型，并設定為不同的朝向，通過模擬計算太陽輻射得熱量可以看出建筑體型對節能的重要作用.

圖2 同體積不同體型建筑日輻射得熱量

模型A在冬季獲得的太陽輻射熱量是最低的，夏季的得熱量也不高；

模型C和模型E兩種體型在全年太陽輻射得熱量均較為平衡；

模型D在夏季獲得的太陽輻射量處于最高點，對于隔熱是非常不利的.

模型B的三維度比例關系較為適宜，夏季得熱最少而冬季得熱較多，因此在寒冷地區最適宜選用的是長寬高三維尺度比較均衡的建筑體形.

建筑體形以長方形較為理想，但是實際工程中通常會有各種形狀的建筑物.從節能的角度來說，建筑平面不應有過多的曲折變化，適宜采用相對緊湊、集中的體形.

3.2 體型對避風的影響

建筑物的阻擋會使風向和風速發生相應的改變，所以建筑平面形式會對其周圍風環境產生不可忽視的影響.

圖3-6表示了不同建筑體形周邊區域的風環境，可以看出：

(1)風吹向條形建筑，會在背面邊緣區域形成渦流效應，增加建筑高度，減小建筑棟深、加長建筑長度，可以使建筑背后的渦流區域增強，流場越紊亂，這可以有效的降低風速并減弱風壓.

(2)對于轉角形、半封閉半圍合形平面，使風從外圍吹向建筑對防風較為有利.

(3)對于全封閉的平面，建筑開口位置不宜朝向寒冷冬季的主導風向，且開口不宜過大.

圖3 條形建筑風環境示意圖 圖4 轉角形建筑風環境示意圖

圖5 半圍合形建筑風環境示意圖 圖6 全封閉形建筑風環境示意圖

4 建筑空間設計

4.1 空間設計對通風的影響

自然通風可以保證建筑室內獲得新鮮空氣，帶走多余的熱量，又不需要消耗動力，節省能源，節省設備投資和運行費用，因而是一種經濟有效的通風方法.但自然通風與室外氣象條件密切相關，難以人為控制.

建筑物門窗洞口等開口位置存在自然的壓力差，只要設計合理就能形成空氣流動，按照壓力差形成原因可將通風方式分為風壓和熱壓兩種.

(1)穿堂風(風壓通風)

當風吹向建筑物受阻后會在迎風面上形成正壓區，氣流向上運行會使建筑物側面和背面形成負壓區，風壓通風原理就是利用正負的壓力差形成的.

建筑室內通風的效率決定于房間內門窗洞口開口位置和風向的相互關系.一般情況下，房間中至少要設置兩個不同方向的開口才能獲得良好的自然通風，如果進風口和出風口正對設置，那么室內風速較大，但風吹過所掃及的面積卻相對窄小.如果出風口和進風口保持一定角度，或在內廊上設置高窗，風在流動過程中風向會發生偏轉，就可以使氣流分布更加均勻，有利于組織室內通風.

圖7 室內通風效果示意圖

(2)煙囪效應(熱壓通風)

由于自然風的不穩定性或周圍建筑、植被的影響，當建筑周圍無法形成有效的自然通風時，就可以利用熱壓原理來改善室內氣流環境，這種做法可不受朝向的限制，應用較廣泛.

“煙囪效應”就是利用熱壓原理，冷空氣從建筑底部進入室內，受熱后氣流上升，從建筑上部風口排出.

進風口和出風口之間的垂直距離決定著熱壓通風的效果，高差越大效果越好.

在寒地建筑中可以充分利用豎向空間形成煙囪效應，有效地改善建筑內的通風環境，提高空氣質量，降低室內溫度.

圖8 樓梯間煙囪效應示意圖

4.2 空間設計對采光的影響

天然采光對于人的學習、生活、健康都有著不可忽視的作用，在建筑設計中應盡可能多的利用天然采光來取代人工照明，這不僅僅對建筑節能減排有很大作用，也對改善室內舒適度是十分有利的.

寒冷地區建筑物多采用內廊式的平面布局，這對于冬季保溫是有利的.然而房間為南北雙向相對布置，室內采光都不可避免的存在一些問題.如南側的房間雖然擁有充足的自然采光，但其照度非常不均勻，靠近窗口的區域光線較強，遠離窗口的區域照度隨著距離的增加呈現快速衰減的趨勢.而北側的房間自然采光效果較差，室內照度低無法滿足人對于光線的使用要求，只能采用人工照明來解決問題，這就無形中大大增加了建筑整體的能源消耗.

為使房間內的天然采光得以優化，可以采取以下技術措施滿足降低能耗的要求：

(1)位于北向的房間，可以通過調整外窗角度來獲得良好的光照效果.這種開窗形式更有利于天空光進入室內，室內光照度可以提高12%左右.

圖9 側窗采光示意圖

(2)位于南向的寢室，可以在外窗上增設反光板來改善室內光線的均勻度.

反光板能夠將太陽光線反射進房間的深處，同時降低了窗戶附近的照度，從而使整個房間的光線分布更均勻.一般設置在視平線和高窗之間，上下窗口可以單獨控制開啟角度，上部采用高透射比的透明玻璃，可以引入更多自然光線，下部采用低透射比的染色玻璃，從而減少眩光對人眼的影響.

圖10 設置反光板前、后采光效果

5 結 語

氣候對建筑設計起到決定性作用.任何一個地域都有著不同的氣候特征，是建筑規劃、設計時必須遵守的客觀自然條件.建筑師必須綜合考慮各氣候因素，負有時代責任感，把設計出低能耗、高舒適、與環境和諧統一的建筑作為己任.

參 考 文 獻

[1]楊柳.建筑氣候學[M].北京:中國建筑工業出版社,2010

[2]夏云，等編著.生態與可持續建筑[M].北京:中國建筑工業出版杜,2001

[3]劉先覺著.生態建筑學[M].北京:中國建材工業出版社,2009

[4]彭博.寒冷地區高校學生公寓建筑形態的氣候適應性設計研究.山東建筑大學碩士論文,2011.6

[5]楊柳.建筑氣候分析與設計策略研究.西安建筑科技大學碩士論文,2003.06