基于氣候條件的生態節能住宅建筑設計

張曉麗

(山西工商學院 山西太原 030000)

我國公共住宅建筑的總建設消耗、使用建材能耗，以及總的建筑能耗已經占全國能耗水平總額的37%，這部分能耗比例在近年仍在持續增加。根據相關數據統計，城市的建筑用地計劃中，居民小區集中建設規劃范圍使用面積中，大約30%的社會公共設施面積要用于住宅公共面積的配套和建設；住宅生活建筑用電消耗總量已經超過全國年總用電需求負荷量的20%，住宅水能源消耗占全國城市水資源電力消消總能源的比例近達32%，用于各種建筑的住宅用電總量，和各種建筑的住宅用水中的鋼材用量在全國住宅建設生活消費總額中的比重超過了20%，各種建筑的住宅的水泥使用量則已經超過了水泥全國總使用量的17.6%。

自然氣候是人類住宅建筑設計的重要因素，基于節能建筑設計的氣候條件是對環境負責的建筑設計理念，這一理念將建筑視為環境的一部分，充分考慮建筑所在地的自然氣候條件?；跉夂蛞氐慕ㄖO計源于人們對室內外環境的生理要求，也是建筑功能的要求[1]。在建筑規劃設計以及實施工作過程中，建筑師要充分考慮到整體建筑環保及節能元素，從城市建筑總體規劃布局角度而言，在設計城市的單體建筑功能時，應結合城市環境氣候因子帶來的多種潛在環境影響。綜合設計理念和相關方法逐漸成為當前國內外優秀建筑師廣泛關注、討論并開展研究的工作重點[2]。

1 節能建筑設計的基本原則

節能建筑設計和傳統建筑設計的最終結果都是建筑方案的實現，但是在設計的過程中，兩者有著諸多不同，節能建筑設計除了解決相應的建筑功能和形象問題外，還要結合氣候、環境綜合考慮建筑的最終能效，例如居住、工作適宜程度和建筑節能成效。這些不是在建造過程中才開始考慮的因素，而是在建筑策劃和設計前期就要進行的，因此在設計開始之前就要考慮和設定節能建筑設計的基本原則。

1.1 氣候建筑功能適用原則

功能適用性是所有建筑設計的前提。必須明確建筑的使用功能，這些功能包括功能房間的利用、交通流線組織、建筑物理環境、視覺藝術效果等。

1.2 采用先進技術的原則

節能的建筑技術除了要采用被動式的通風、采光系統技術方案外，還涉及包括了光電、光熱、光導波等眾多高新科技的可再生建筑能源技術，在建筑工程設計節能時，應盡量使用清潔能源，盡可能地使用太陽能、風能等可再生的綠色能源。減少不可再生型能源設備的大量使用，以提高能源效率，降低生產工作和生活中的能源消耗。這樣才能從技術上保證建筑能源的高效利用，實現節約能源的最終目的。

1.3 與自然環境相協調的原則

與城市自然環境特征相適應，與環境保護結合，是現代節能建筑設計實踐中的關鍵社會因素，它主要包括建設生態環保城市，盡可能減少環境中不可再生資源要素的額外耗費，保護環境資源再生所需的一切環境條件。尤其是要注重利用節地、節水發電等新興技術，充分重視使用高效、綠色、可循環利用的能源和材料，減輕環境污染對我國自然環境的人為破壞，減少對周圍環境空氣的二次污染。如果在設計、建設和運行過程中，能使建筑產生的城市建筑垃圾、污水、固體廢物與可燃氣體污染物等排放降到最低，則其帶來的巨大環境負荷效應也便能相應地降到最低，能夠對維持生態平衡起到積極的意義。生態文明優先、可持續發展是現代生態建筑的核心設計理念和基本原則。設計者必須能夠清楚認識到發揮和持續保護、利用現有建筑生態系統功能空間的重要性，對建筑當地自然環境氣候條件、國土資源現狀給予以更充分的持續保護和利用，盡可能地保持現有的建筑資源同周邊地區生態環境系統功能之間的平衡關系，改變過去掠奪式的、粗放式的自然資源開發模式，以及建設利用和管理的方式，倡導建筑以可持續的、保護性利用資源的生態方式，對建筑周邊自然環境進行有效保護。

1.4 經濟投入合理、綜合效益最大的原則

建筑的可持續性設計應該綜合考慮建筑體系內各方利益，使各種利益達到整體平衡，最終實現綜合效益最大。經濟利益是人類物質活動追求的基本目標之一，建筑結構的綠色可持續性設計也必須能將環境經濟利益與資源生態效益結合起來多方考慮，盡可能爭取雙贏的局面。不能為了追求獲得某種政治、經濟利益，而去盲目地損害自然生態環境，因為這種行為往往會導致更大的經濟利益損失，形成惡性循環。

從節能建筑的角度看，必須要與周邊地區實現協同發展、互利互惠，否則各個層次或各個區域間就會逐漸形成控制與協調相互循環制約的瓶頸。因此，在設計實踐中必須注重對國家整體利益的牢牢把握，局部利益同時也必須服從于整體利益。此外，建筑的可持續性設計必須嚴格地從住宅建筑結構中的一個產品、整個的材料生命周期過程出發，來系統地進行考慮，在整個的建筑物規劃與設計、施工、使用、管理及拆除等過程中，都力求消耗最少的自然資源，減少能源和材料的浪費。

2 影響建筑設計的氣候因素

2.1 氣候建筑

一般來說，具有一定年限的建筑形式對當地氣候具有適應性。建筑應適應當地氣候，并且建筑和當地氣候有著深度的聯系。

2.2 氣候要素的建筑節能設計

建筑空間設計對環境的適應性主要體現在：（1）外部層面通常是指區域環境對建筑設計布局、選址、空間性能形式的影響；（2）內部層面是指建筑外部微氣候與建筑空間形式的相互影響，以及微天氣與建筑室內空間結構的結合[3]。室內微氣候是指由建筑物組成的人工氣候環境，室外微氣候是指建筑物范圍內的氣候變化。

2.3 利用氣候資源，合理布局建筑

合理的建筑布局可以減少不利氣候對建筑物的影響，實現自然環境與建筑物之間的物質循環。在設計建筑時，應充分考慮基地的氣候和地形。例如：在設計坡地建筑布局時，由于坡地的坡度和海拔不同，接受太陽的時間和加熱強度也有一定的差異。選址時，應選擇陽光時間長、冬暖夏涼、氣候條件好的地點。

2.4 改善建筑風環境

建筑風環境是創造生理舒適度的主要因素。為了適應當地的氣候變化，采暖空調節能和建筑空調制冷等功能都對當地風環境有各種不同層次的技術要求[4]。一般來說，夏熱冬濕冷屬于氣候四季變化，在各氣候區建筑結構和道路規劃布局調整中，應統籌考慮進行冬季防風、夏季降溫通風系統設計。相對于通風系統設計則應更加仔細分析總結，在充分預測未來風向流向規律的原則基礎上，進一步研究優化系統平面布局，提高風的預期。行列式和自由式的平面布局是典型的兩種布局。矩陣式建筑方向與建筑垂直方向不一致。吹到建筑物上的風與建筑物接觸形成長氣流渦區，為了改善阻礙建筑物通風效果的夏季建筑物內風向流動，建筑群方向和夏季風形成方向的角度控制在0°～60°以內，考慮建筑群方向和建筑周圍地形，將建筑和方向的南角保持在30°以內，以改善適宜的夏熱冬冷地區建筑風環境戰略要求。南部建筑群要設計一定的流利性，建筑長度不能太長，新成堂風要留一定的分口。在冬季防風方面，建筑群北部應盡量保持封閉，減少寒風吹向建筑群[5]。因此，北部的建筑高度必須維持一定的高度，適當延長建筑長度。南部的建筑要達到夏季自然通風和冬季冷空氣防治的效果，必須進行短、錯、斜的布置。

2.5 結構設計影響建筑氣候

影響建筑內部氣候的另一個重要因素是結構設計，如建筑圍護結構的熱力性能。在這方面，越來越多的綠色建筑技術被廣泛應用于節能建筑，改善了建筑物的室內環境，如太陽能發電系統技術、地面排風技術、地面輻射供暖技術、熱回收技術、建筑施工采用綠色材料等。

2.6 傳統技術在建筑節能中的應用

為實現建筑節能目標可以因地制宜，如炎熱地區的冷巷道設置，可以通過一些簡單的處理，有效地形成風向，提高通風冷卻的效果，也可以與園林水域合作，利用水域的冷卻作用，創造舒適的小環境。

3 生態節能住宅基本設計思路

生態設計原則主要有兩方面：一是要立足人類生態發展設計的深層文化內涵，促進人自身與外界自然發展的協調與良性合作，使人個體的行為、發展方式和自然環境的變化相適應，彼此受益[6]；二是注重因地制宜。

3.1 氣候特征和建筑選址

全國共有15個大氣候區，根據自身氣候特點而劃分。各種小氣候區差異都較大，氣候條件都不同。冬季供暖保溫空調是中國北方氣候地區的節能建筑設計發展的主要重點，南方寒冷地區重點工作是保溫夏季空調隔熱，南方各地現有住房建設普遍沒有集中供暖保溫設備，空調需要改善空調熱負荷環境，能耗大。因此，在建筑工程節能建筑設計環境中，要因地制宜，更好地利用好太陽能、風能源等重要自然影響因素，充分協調發揮該區域氣候優勢。建筑基地的選擇不一定應該都選擇在山谷、洼地平原等低洼地，在一些陽光日照充足、自然條件通風散熱良好的空曠地方，冬季環境寒冷、氣流緩慢凹陷氣候容易造成對建筑物產生霜降效應，應適當選擇在水面結冰等惡劣條件情況下，還有可能形成特殊類型的寒冷微氣候的地點。

3.2 充分利用太陽能

利用太陽能，封閉陽臺，安裝保溫系統。太陽能空調技術方面的最大進步是太陽能直接發電技術，這也是太陽能利用研究領域運用最為成熟廣泛的技術，使能源高效傳輸和應用更加簡單方便。

4 住宅建筑節能設計措施

4.1 屋面節能

屋頂保溫使用的面積一般限制在建筑屋頂或者整個房屋的屋面圍護層結構，建筑屋頂結構對整體建筑頂層房間保溫設計技術有十分重要的意義。屋面保溫材料結構節能工程技術措施要點有以下方面：屋面保溫層厚度應在設計中優先地選擇使用導熱孔密度偏差較大、導熱系數過高的屋面新型墻體保溫和節能屋面材料，避免使用增加的屋面重量、厚度或變化量過大引起的影響；屋面使用的新型保溫隔熱墊層保溫材料一般均不得低于吸水率相差較大一倍以上的同種新型隔熱保溫材料。屋面長期在溫暖濕潤天氣條件上工作運行時應切忌防止保溫絕熱隔層材料長期大量收縮膨脹而吸水，以免直接引起建筑物保溫或絕熱的效果大幅度下降。目前，屋面應用的新型保溫和隔熱高效節能的屋面種類多的有采用多種新型保溫高效隔熱節能新型保溫墻體材料制作的保溫高效節能新型屋面、架空剪力墻結構式保溫和隔熱新型屋面、砂石混凝土復合保溫和節能新屋面、倒置式復合保溫高效隔熱節能屋面等多種新型節能隔熱新型屋面。為了提升南方溫暖潮濕季風氣候地區使用高效隔熱新屋面的效果，可選擇地采用種植保溫節能屋面、高強紫外線反射率屋面、遮陽保溫隔熱屋面。

4.2 墻體節能

在建筑技術領域，很多人主張采用保溫墻體復合隔熱墻體來保溫和節能。復合保溫絕熱裝飾墻體設計的主要結構原理是指通過在原有建筑墻體主體結構基礎層中再適當增加一層保溫隔熱材料，用來改善房屋原墻體整體熱工性能。目前的復合節能保溫墻體新型隔熱墻體節能技術，用新型輕質巖棉、玻璃棉、聚苯乙烯、聚氨酯泡沫塑料外墻及復合硬質聚乙烯泡沫等材料，降低了室內與外墻材料的對流傳熱轉換系數。根據外墻建筑復合材料種類和建筑外墻主體結構及安裝結構的安裝位置，可分為墻體建筑復合材料內外保溫及隔熱新技術工程和復合墻體及外保溫新節能保溫技術工程等兩大系列的外墻隔熱和墻體內外復合保溫和節能隔熱工程，外墻結構保溫和結構內部隔熱再保溫加墻外保溫隔層。

外保溫隔熱保溫是中國目前已廣泛應用的、用于外墻建筑結構外保溫系統的新節能新型建筑技術。外保溫節能絕熱技術與普通建筑物進行內外墻體保溫絕熱節能改造相比，具有節能隔熱節能技術先進、有效節約資金的兩項顯著比較優勢，使用符合國內外市場相同絕熱技術規格、相同墻體保溫隔熱尺寸性能特征和同等耐火結構性能特點設計的節能隔熱保溫隔熱節能墻體材料，外保溫的節能減排效果也遠遠顯著優于一般墻體材料內保溫。外保溫層技術特點是不僅適用于各種老新樓結構工程，同時也適用于一些老舊商業住樓進行保溫外墻改造。南方是濕熱溫暖地區，特別南方氣候處于向夏熱冬暖的過渡階段地區，門窗顏色選擇最好采用淺色，減少夏季受太陽熱量輻射影響和增加吸收的導熱系數。

基于地理氣候環境的環境建筑節能性設計需要選擇能夠應對區域氣候變化空間的合理規劃布局，結合地區氣候要素、空間地形特點，優化建筑綜合利用建筑群，改善建筑群內環境空間。通過利用空間組合調整空間風向變化和控制風速、促進建筑外部空間和內部空氣的對流交換，合理利用規劃控制和環境控制兩種手段，創造低能耗、宜居的環境。

5 結語

總體來說，要使人類與自然環境之間的關系變得緩和，真正實現可持續發展，我們還有很多工作要做。在創造人工設計環境的過程中，必須保持對氣候環境與生態影響的關注。任何一種成熟的傳統建筑形態必定有其與當地氣候環境相適應的內在聯系。基于氣候條件的節能建筑設計，能夠把建筑視為整體環境的組成部分，在建筑設計中充分考慮建筑周邊環境和氣候條件。與以往的建筑設計不同的是，基于氣候條件的節能建筑設計積極融入環境而不是改造環境，主動地適應氣候而不是創設全新的建筑氣候。這樣就能在保持原有生態環境、使其發生極為微小變化的情況下，解決建筑功能需求的問題，不但減少了資源的浪費，節約能源資源，也給使用者創造了更加健康舒適的環境。