气候要素的建筑节能设计

1影响建筑的气候要素

建筑微气候是建筑室内外的特定范围内的气候要素的特征，它通常研究单一建筑或建筑群体周边小范围的环境气候特征，诸如建筑体型对日照的遮挡，墙和树木对风形的影响以及室内的气候卫生状况等都是微气候研究的范畴。大范围的气候状况，人类尚无力改变，但是可以根据不同气候范围内的气候特征，结合一定的气候设计策略，创造适宜的建筑内环境。因此，在建筑设计中要对具体气候要素进行综合分析，找出最具有决定意义的影响因子，进而对建筑的选址、布局、体型和热工构造等进行缜密设计。

2气候建筑

气候直接影响着人类的生活，这是无法回避的事实。人类创造建筑正是为了抵御不利的自然气候，获取适宜居住、工作的稳定环境。建筑与气候是一对矛盾统一体，许多成功的传统民居建筑之所以能形成宜人的居住环境，关键在于其形式协调于当地的气候。因此可以这样认为，任何一种成熟的传统建筑形态必定有其对当地气候环境的适应性。

表1归纳了我国不同气候区域群体建筑与单体建筑形态的特征都印正了与当地气候环境的适应性。随着科技进步，人类征服自然环境的技术手段越来越先进，并能够在一定程度上弥补不利气候条件带来的影响，但却往往是以消耗能源、牺牲生态环境作为代价的。基于可持续发展理念和生态节能思想，建筑正从对自然改造的“以征服为中心”向因借自然的“以环境为中心”的转变，依托自然气候的建筑设计已成为建筑发展的主流，并演变为气候建筑。气候建筑从本质上说就是建筑回应气候并且融入自然环境的庇护所，它能够充分利用有利气候、太阳能等可再生能源和自然环境，降低不利气候的影响，并能连续调整建筑微气候以适应天气的反复无常，清洁低耗，绿色环保，是一种自然、健康和节能的生态建筑类型。

在建筑设计过程中考虑气候的影响，协调功能、形体与空间等设计要素，通过建筑调控手段，如一定的建筑形式、构造设计和适宜技术措施等，驾驭自然条件和有利的气候资源，消除不利气候影响，对室外气候向人们期望的热环境方面调整，从而减少利用建筑设备的人工调节，以获得建筑环境的热舒适，创造低能耗且舒适宜人的人居环境，是气候建筑设计的基本准则。

3基于气候要素的节能设计

基于气候的建筑节能设计原理主要通过建筑空间设计手段和构造设计措施，以及一定的建筑艺术形式体现在建筑设计之中。在建筑空间设计中，气候适应性体现在外部和内部两个层面上。外部指的是区域气候环境对建筑的布局、选址、空间形态构成以及群体组合方式等方面的影响。在这个层面上，建筑只能顺应气候。气候适应性的内部层面主要指建筑室外微气候与建筑单体外部的空间形态构成之间的相互影响与作用以及室内微气候与建筑室内空间构成方式之间的相互影响与作用。

建筑室外微气候是指建筑建成环境区域范围内的气候状况;建筑室内微气候环境是指建筑构成的室内人工气候环境。影响室内微气候的主要因素是室外微气候状况、建筑室内的空间组织方式及建筑外围护结构的热工性能等。在这一层面上，人类可以通过一定的策略措施，对建筑的室内外微气候进行改善，以获得适宜的生存环境，而非被动的顺应。

3.1结合气候的建筑选址

适应气候的建筑选址与布局，可以充分利用由基地周围自然地理环境对气候的调节作用，获得适宜人们生活居住的局地气候(地形气候)环境;合理的建筑布局可以有效的利用气候资源，削弱建筑建成后对当地自然环境造成的负面影响，为实现建筑与自然环境之间良性的物质能量循环创造条件。因此在建筑设计伊始就应当充分利用考虑建设基址的气候状况和地形地貌。

基地气候不但体现一定地理经纬度的大气候特征，同时还反映出不同地形地貌所形成的小气候特征，是二者的综合显现。小气候特征与建筑所处的微观地形有关，涉及山体形势、海拔高度及坡地地貌，这些因素与温度、湿度、日照、风雨等气象因素相互作用，形成了具有不同特征的坡地小气候。如在坡地建筑布局中，由于山体坡度、坡向和海拔高度不同，各方位山坡日照时间和强度差异很大。

南坡日照时间相对最长，夏纳南风，冬避北风，冬暖夏凉，气候条件最佳，是最为理想的建筑选址地;而东南、西南坡的日照时间相对较长，气候条件次之，是较好的建筑基址;东坡、西坡分别通常只有上午和下午半天日照，相对较短，气候条件相对较差，可以因地制宜布置建筑;北坡和东北、西北坡日照时间最短，北坡坡地冬季甚至没有日照，夏热冬冷，冬风凛冽，气候条件最差，一般不宜布置建筑。因此为了冬季获得尽可能多的日照时间，同时保证夏季良好的通风纳凉，坡地建筑基址优先选择南坡和东南、西南坡，其次是东、西坡地，见图4。

3.2适应气候的节能规划布局

合理的建筑布局形式是创造适宜的建筑微气候环境的基础，对建筑单体的节能起到事半功倍的效果。在选择布局方式时，应充分考虑不同气候区的大气候环境。如松散的建筑布局有利于湿热气候的通风降温，但不利于遮阳与热压拔风;而适当紧密的布局形式既利于干冷气候的冬季防风，又有利于湿热气候的建筑遮挡夏季烈日，产生热压通风。建筑群体布局形式根据建筑平面围合形态的不同可以分为周边式布局、行列式布局以及综合式布局。

周边式布局按其建筑围合的程度又可分为全封闭式和半封闭式半封闭周边式布局。其中半封闭布局比较有利于建筑的通风而且建筑朝向选择上也较为自由，但其内部环境容易受外界的干扰，不易形成独立的微气候。夏热冬冷气候的建筑，既要照顾夏季遮阳与通风，又要保证冬季日照与保温，因此，建筑的布局适宜介于松散与紧密之间，建筑群体形态适宜呈现南向开敞、北向闭合的半封闭半开敞的建筑组群布局。

坡地建筑结合地形特点采用行列式布局往往会起到很好的建筑群体通风效果，例如将建筑群体布置在南向迎风坡上，利用坡地的高差，减少前排建筑对后排的遮挡，形成有利的通风局面，同时由于山丘的北高南低的整体格局易于满足日照需要，夏季形成良好的通风(图6)，冬季可阻挡寒冷北风，不但提高了建筑容积率，而且可使建筑获得更好的景观视野，并与坡地形态协调一致，延续坡地天际线，由此展现坡地的独特自然与建筑交融景观。

3.3改善建筑风环境

建筑风环境是营造人体生理舒适性的主要因素，而且与建筑节能直接相关，因此成为可持续发展的“绿色建筑”的重要主题。建筑群布局如何适应当地的气流条件，以及采暖节能与制冷节能对风环境的完全不同的要求，都对建筑风环境设计提出了更高要求。夏热冬冷气候区域建筑与城镇规划布局需要考虑冬季防风和夏季自然通风设计。这种相反的通风设计需要仔细审视冬夏两季的主导风向，必须根据具体地形情况，在仔细研究当地风玫瑰图的基础上，优化平面布局与组合，加强对风的各种控制来改善建筑风环境。

行列式及自由式布局是住区规划中两种典型模式。对于行列式建筑群来说，夏季风向与建筑物垂直并不好，正面吹来的风会在吹过前排建筑后形成较长的涡流区，而这种涡流会使涡流区内的建筑通风不良;为引导和加速夏季建筑群体内风的流动，建筑群主要朝向与夏季盛行风方向的角度宜控制在0－60°之间，并兼顾朝向与地形，尽量与正南向夹角保持在30°范围内，可获得适宜的风环境，见图8。自由式布局使室外风向与建筑在不同的时间内呈现不同的夹角，避免了住区内室外微气候环境的不均匀性，自由式布局减小建筑正压区迎风面面积的同时，缩小了背风向的负压区范围，减缓建筑对气流的遮挡在负压区造成的不稳定风场，使住区内风环境更加畅通。

因此，夏热冬冷地区在建筑风环境控制策略上，南部建筑需要保持一定的开敞性，建筑长度不宜太长，留有风口以便形成穿堂风;而冬季防风策略而言，北向要尽量封闭，减弱冬季北向寒风，所以坡地建筑北侧布置最高和最长的建筑，南侧布置低矮和体量小的建筑，采用前后错列、斜列、前短后长、前疏后密、喇叭口等导风技术措施，以组织夏季自然通风和冬季防风，见图10。

3.4适应气候要素的建筑空间节能设计策略

如在夏热冬冷地区，夏季节能设计要尽量减低东、西晒和顶晒的面积，以及阻止太阳热及辐射热进入室内，并有效组织室内的自然通风，隔热、通风与降温是主题;而冬季则相反，建筑节能设计要充分利用日照、太阳能采暖，避免凛冽冬季风入侵室内，纳阳、日照与保温是其主题。尽管二者是相矛盾的，但是还是有共通之处，如建筑南向的利用、建筑体型的选择、空间开阖的变化、遮光纳阳板的调节，以及各种遮阳措施和太阳能采暖策略等。

3.4.1选择适宜的节能体型选择具体的节能体型受多种因素制约，包括冬季气温和日辐射照度、建筑朝向、各面围护结构的保温状况和局部风环境状态等，需要具体权衡得热和失热的具体情况，优化组合各影响因素才能确定。仅从冬季得热最多的角度考虑，应尽量增大南向得热面积，往往要求栋深小，即建筑的长宽比大。特别是在坡地地形环境中，如果建筑不能够东西长轴展开时，或建筑进深很大，可以通过建筑平面布局和剖面形式设法解决冬季太阳得热、夏季纳凉通风，原则就是想办法争取更多的南向墙面面积。弗兰克·赖特在刘易斯住宅(LolydLewisHouse)设计中利用正南朝向，东西轴悠长，建筑空间沿轴线方向组织。北面设置交通走道作为气候缓冲空间。主要功能用房都朝南向布置。东西向长轴的设计缩短了东西向的外墙面积，从而减少了夏季太阳辐射得热。

3.4.2结合气候的平面、剖面设计平面空间组合应当结合基地的宏观气候要素，如太阳辐射强度、常年主导风向等要素。在平面布局时采用尽量将主要空间设置于采集自然能源较多的区域;设置不同的分隔引导室内自然通风，控制总平面进深等措施。进深对穿堂风的形成和效果有决定性的影响，一般进深不应大于15m。在湿热地区的建筑设计中，尤其要处理好室内分隔与气流的关系，尽量利用自然通风来改善室内微气候，平面突出部位和实体片墙的合理设置对引导自然通风和遮阳有十分明显的效果。

Ｒ．里瓦尔设计的英国驻印度高专公寓的平面布局结合了当地的季风气候，公寓的主要房间都能利用穿堂风来进行降温和除湿，若将室内的隔断设置成活动墙板，可以机动的调整室内的隔离方式，达到最好的通风或防风的效果。此外，建筑若想尽量采用自然通风改善室内空气质量、除湿降温、提高环境的热舒适度，还应从剖面设计入手，有效的利用气体流体力学的相关原理，产生最佳的建筑自然通风方案。柏林国会大厦改建工程借助热压原理拔风，在室内设立通风竖井，竖井上部设排风口可将污浊的热空气从室内排出，而室外新鲜的冷空气则从建筑底部被吸入，明显改善室内通风。

夏热冬冷坡地区因夏季静风天气较多，气候闷热，所以常常不能形成足够的风速，因此必须靠热压通风或热压与风压结合的方式通风。平面设计利用风压原理组织穿堂风，剖面设计则利用建筑物内部贯穿多层的竖向空腔————如楼梯间、中庭、拔风井等满足进、排风口的高差要求，并在顶部设置可以控制的开口，夏季开启，将建筑各层的热空气自然通风排出，冬季关闭以蓄热保温。

3.4.3现代技术在节能建筑中基于气候因素考虑的运用影响建筑室内微气候的另一主要因素是诸如建筑外围护结构的热工性能等构造设计。在这一层面上，现代绿色建筑技术越来越广泛地应用到节能建筑中，以改善建筑室内热环境。如太阳能光伏发电系统、地板送风系统、地板辐射采暖、空气热回收技术、采用绿色建材等。考虑气候特点，合理利用现代技术，在不少著名的建筑大师那里受到了重视。

如“未来系统”的创始人英国建筑师简·凯普里奇的“诺亚方舟”设计，其建筑平面像两个向日葵形象，又象两个蝴蝶的翅膀，见图14。屋顶采用双层结构，第一层为铝合金圆筒，用来通风，第二层为太阳能集热板用来供暖和电力。供暖和电力单独设置，在夏季，屋顶可以充分打开，可取得最好的自然通风，在冬季，通过太阳能聚热板和天然气锅炉为室内供暖。充分利用现代技术创造结合气候的生态建筑。

基于气候的建筑节能设计要求遵循地域气候与自然地理条件，针对具体区域范围内的气候因素结合地形特征合理选址;选择合理的布局方式顺应气候的影响;结合气候与自然地形特点进行建筑群体组合，优化建筑群体空间环境;利用自然通风原理，通过建筑空间组合调整风向和风速，促进建筑内部和外部的空气交换;强调运用被动式及现代建筑技术的方法调节建筑室内微气候环境，尽量避免或减少使用空调和机械通风设备等。通过这些规划和建筑调控手段，驾驭有利的气候资源与自然地形地貌，创造低能耗且舒适宜人的人居环境。