朱子君 席岳琳

(河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000)

0 引 言

黨的十八大提出要建設(shè)美麗中國、生態(tài)中國，在這種政策的引導(dǎo)下，建筑低能耗設(shè)計(jì)勢(shì)必會(huì)成為一種不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì).“十二五”末期，按照規(guī)劃要求每年都將新建1000個(gè)低能耗的綠色建筑項(xiàng)目，從根本上改變我國建筑行業(yè)重污染、高耗能的現(xiàn)狀.

在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)必須要首先考慮氣候條件，它是影響建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的首要影響因素.不僅關(guān)系到建筑的日照、采光，更與建筑功能布局、體量造型、圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能等都有直接關(guān)系.本文以華北城市作為寒冷地區(qū)的代表，對(duì)室內(nèi)環(huán)境存在的問題進(jìn)行調(diào)研，針對(duì)寒冷地區(qū)的特殊氣候，從場(chǎng)地規(guī)劃、體型設(shè)計(jì)、空間設(shè)計(jì)三個(gè)方面對(duì)建筑的適寒性及低能耗進(jìn)行探討.

1 寒冷地區(qū)氣候特征

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

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

2 建筑場(chǎng)地規(guī)劃

在寒冷地區(qū)，場(chǎng)地設(shè)計(jì)是否得當(dāng)直接影響到建筑室內(nèi)外環(huán)境的舒適性.從建筑選址位置、規(guī)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(fā)揮地形地勢(shì)條件來改善建筑微氣候，從而對(duì)提高節(jié)能效益產(chǎn)生積極作用.

2.1 合理的建筑朝向

建筑朝向設(shè)計(jì)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(fēng)減少得熱，在寒冷冬季又能獲得足夠日照，避開主導(dǎo)風(fēng)向從而減少熱損耗，這對(duì)建筑物的低能耗會(huì)產(chǎn)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(rèn)為是最首選的建筑朝向.通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試和調(diào)研，這種良好朝向也不是絕對(duì)的.如北京的最佳朝向?yàn)槟掀珫|、西各30度以內(nèi)，不宜朝向?yàn)楸逼?0-60度；而石家莊的最佳朝向?yàn)槟掀珫|15度，不宜朝向?yàn)槲飨?合理的建筑朝向應(yīng)根據(jù)地形、地勢(shì)、當(dāng)?shù)貧夂蛱卣骷爸苓叚h(huán)境進(jìn)行綜合分析而確定.

2.2 爭(zhēng)取充足的日照

能夠在冬季爭(zhēng)取到充足的太陽輻射熱是寒冷地區(qū)建筑節(jié)能最經(jīng)濟(jì)有效的措施，在規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中通常采用日照間距系數(shù)來進(jìn)行控制.

常見的布局形式有行列式、錯(cuò)列式、斜列式、周邊式和長(zhǎng)短結(jié)合五種形式，對(duì)這五種形式的建筑群進(jìn)行日照模擬分析，只要對(duì)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(zhǎng)的建筑物布置在北側(cè)，較短的建筑布置在南側(cè)，采用長(zhǎng)短廊相結(jié)合的平面布局，可以在有限的用地條件內(nèi)盡可能的節(jié)地，并延長(zhǎng)日照時(shí)間，在同等太陽輻射條件下，長(zhǎng)短結(jié)合是日照效果最佳的布置形式.

(2)斜列、錯(cuò)列的布置形式僅次于長(zhǎng)短結(jié)合的形式，可以利用側(cè)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(cuò)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(qū)應(yīng)該得到廣泛的采用.

(4)在有坡度的地區(qū)布置建筑時(shí)，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(cuò)列式布置.

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

2.3 借助風(fēng)環(huán)境作用

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

我國寒冷地區(qū)季風(fēng)氣候的主要特征就是，冬季主要受西北風(fēng)的強(qiáng)烈影響，到了夏季又轉(zhuǎn)為東南風(fēng).在寒冷地區(qū)建筑規(guī)劃布局中應(yīng)以阻擋冬季寒風(fēng)為主，來減弱冷風(fēng)帶來的熱損耗，同時(shí)兼顧夏季通風(fēng)隔熱.

(1)當(dāng)風(fēng)吹向建筑物時(shí)，會(huì)在建筑物背風(fēng)面區(qū)域形成一個(gè)風(fēng)影區(qū)，將各棟建筑的間距控制在1∶2的范圍以內(nèi)，就能使后排建筑位于前排建筑尾流風(fēng)的漩渦區(qū)以外.

(2)按建筑高度排列，將層數(shù)較高的建筑背向冬季主導(dǎo)方向，形成一個(gè)天然屏障，從而減弱冬季寒冷氣流對(duì)中低層建筑以及內(nèi)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(fēng)向建筑高度2倍范圍以內(nèi)，以避免形成空氣渦流，產(chǎn)生建筑微氣候.

(3)在建筑規(guī)劃布局中應(yīng)盡可能將西北方向圍合起來，盡可能的少開“風(fēng)口”，也有很好的防風(fēng)避風(fēng)效果.

(4)在工程設(shè)計(jì)中，合理設(shè)置擋風(fēng)墻或防風(fēng)林之類的阻隔設(shè)施能有效的減弱冷風(fēng)侵襲.

(5)為使建筑在炎熱的夏季形成良好的對(duì)流風(fēng)，建筑群體布置時(shí)，應(yīng)使建筑物與主導(dǎo)風(fēng)向成30至60度角范圍內(nèi)，避免形成風(fēng)影區(qū)，影響其下風(fēng)向建筑的通風(fēng)效果.

3 建筑體型設(shè)計(jì)

建筑設(shè)計(jì)的核心階段就是體型與空間的設(shè)計(jì)，在方案初期就應(yīng)該考慮節(jié)能措施，比如建筑物的體型系數(shù)、天然采光和自然通風(fēng)等關(guān)鍵問題，這樣才能在降低造價(jià)的前提下達(dá)到節(jié)能減排相關(guān)要求.

3.1 體型對(duì)保溫的影響

在同等使用面積的條件下，外圍護(hù)面積越大，體型系數(shù)就越大，建筑散熱量也相應(yīng)越大，因此建筑物體型系數(shù)的變化直接決定著建筑節(jié)能的優(yōu)劣.

將8個(gè)相同體積的立方體單元排列成為五種不同的體型，并設(shè)定為不同的朝向，通過模擬計(jì)算太陽輻射得熱量可以看出建筑體型對(duì)節(jié)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(diǎn)，對(duì)于隔熱是非常不利的.

模型B的三維度比例關(guān)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(qū)最適宜選用的是長(zhǎng)寬高三維尺度比較均衡的建筑體形.

建筑體形以長(zhǎng)方形較為理想，但是實(shí)際工程中通常會(huì)有各種形狀的建筑物.從節(jié)能的角度來說，建筑平面不應(yīng)有過多的曲折變化，適宜采用相對(duì)緊湊、集中的體形.

3.2 體型對(duì)避風(fēng)的影響

建筑物的阻擋會(huì)使風(fēng)向和風(fēng)速發(fā)生相應(yīng)的改變，所以建筑平面形式會(huì)對(duì)其周圍風(fēng)環(huán)境產(chǎn)生不可忽視的影響.

圖3-6表示了不同建筑體形周邊區(qū)域的風(fēng)環(huán)境，可以看出：

(1)風(fēng)吹向條形建筑，會(huì)在背面邊緣區(qū)域形成渦流效應(yīng)，增加建筑高度，減小建筑棟深、加長(zhǎng)建筑長(zhǎng)度，可以使建筑背后的渦流區(qū)域增強(qiáng)，流場(chǎng)越紊亂，這可以有效的降低風(fēng)速并減弱風(fēng)壓.

(2)對(duì)于轉(zhuǎn)角形、半封閉半圍合形平面，使風(fēng)從外圍吹向建筑對(duì)防風(fēng)較為有利.

(3)對(duì)于全封閉的平面，建筑開口位置不宜朝向寒冷冬季的主導(dǎo)風(fēng)向，且開口不宜過大.

圖3 條形建筑風(fēng)環(huán)境示意圖 圖4 轉(zhuǎn)角形建筑風(fēng)環(huán)境示意圖

圖5 半圍合形建筑風(fēng)環(huán)境示意圖 圖6 全封閉形建筑風(fēng)環(huán)境示意圖

4 建筑空間設(shè)計(jì)

4.1 空間設(shè)計(jì)對(duì)通風(fēng)的影響

自然通風(fēng)可以保證建筑室內(nèi)獲得新鮮空氣，帶走多余的熱量，又不需要消耗動(dòng)力，節(jié)省能源，節(jié)省設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用，因而是一種經(jīng)濟(jì)有效的通風(fēng)方法.但自然通風(fēng)與室外氣象條件密切相關(guān)，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(shè)計(jì)合理就能形成空氣流動(dòng)，按照壓力差形成原因可將通風(fēng)方式分為風(fēng)壓和熱壓兩種.

(1)穿堂風(fēng)(風(fēng)壓通風(fēng))

當(dāng)風(fēng)吹向建筑物受阻后會(huì)在迎風(fēng)面上形成正壓區(qū)，氣流向上運(yùn)行會(huì)使建筑物側(cè)面和背面形成負(fù)壓區(qū)，風(fēng)壓通風(fēng)原理就是利用正負(fù)的壓力差形成的.

建筑室內(nèi)通風(fēng)的效率決定于房間內(nèi)門窗洞口開口位置和風(fēng)向的相互關(guān)系.一般情況下，房間中至少要設(shè)置兩個(gè)不同方向的開口才能獲得良好的自然通風(fēng)，如果進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口正對(duì)設(shè)置，那么室內(nèi)風(fēng)速較大，但風(fēng)吹過所掃及的面積卻相對(duì)窄小.如果出風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口保持一定角度，或在內(nèi)廊上設(shè)置高窗，風(fēng)在流動(dòng)過程中風(fēng)向會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，就可以使氣流分布更加均勻，有利于組織室內(nèi)通風(fēng).

圖7 室內(nèi)通風(fēng)效果示意圖

(2)煙囪效應(yīng)(熱壓通風(fēng))

由于自然風(fēng)的不穩(wěn)定性或周圍建筑、植被的影響，當(dāng)建筑周圍無法形成有效的自然通風(fēng)時(shí)，就可以利用熱壓原理來改善室內(nèi)氣流環(huán)境，這種做法可不受朝向的限制，應(yīng)用較廣泛.

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

進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口之間的垂直距離決定著熱壓通風(fēng)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(yīng)，有效地改善建筑內(nèi)的通風(fēng)環(huán)境，提高空氣質(zhì)量，降低室內(nèi)溫度.

圖8 樓梯間煙囪效應(yīng)示意圖

4.2 空間設(shè)計(jì)對(duì)采光的影響

天然采光對(duì)于人的學(xué)習(xí)、生活、健康都有著不可忽視的作用，在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能多的利用天然采光來取代人工照明，這不僅僅對(duì)建筑節(jié)能減排有很大作用，也對(duì)改善室內(nèi)舒適度是十分有利的.

寒冷地區(qū)建筑物多采用內(nèi)廊式的平面布局，這對(duì)于冬季保溫是有利的.然而房間為南北雙向相對(duì)布置，室內(nèi)采光都不可避免的存在一些問題.如南側(cè)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(qū)域光線較強(qiáng)，遠(yuǎn)離窗口的區(qū)域照度隨著距離的增加呈現(xiàn)快速衰減的趨勢(shì).而北側(cè)的房間自然采光效果較差，室內(nèi)照度低無法滿足人對(duì)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(nèi)的天然采光得以優(yōu)化，可以采取以下技術(shù)措施滿足降低能耗的要求：

(1)位于北向的房間，可以通過調(diào)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(jìn)入室內(nèi)，室內(nèi)光照度可以提高12%左右.

圖9 側(cè)窗采光示意圖

(2)位于南向的寢室，可以在外窗上增設(shè)反光板來改善室內(nèi)光線的均勻度.

反光板能夠?qū)⑻柟饩€反射進(jìn)房間的深處，同時(shí)降低了窗戶附近的照度，從而使整個(gè)房間的光線分布更均勻.一般設(shè)置在視平線和高窗之間，上下窗口可以單獨(dú)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(duì)人眼的影響.

圖10 設(shè)置反光板前、后采光效果

5 結(jié) 語

氣候?qū)ㄖO(shè)計(jì)起到?jīng)Q定性作用.任何一個(gè)地域都有著不同的氣候特征，是建筑規(guī)劃、設(shè)計(jì)時(shí)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(fù)有時(shí)代責(zé)任感，把設(shè)計(jì)出低能耗、高舒適、與環(huán)境和諧統(tǒng)一的建筑作為己任.

參 考 文 獻(xiàn)

[1]楊柳.建筑氣候?qū)W[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010

[2]夏云，等編著.生態(tài)與可持續(xù)建筑[M].北京:中國建筑工業(yè)出版杜,2001

[3]劉先覺著.生態(tài)建筑學(xué)[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,2009

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