寒冷地區被動式公共建筑設計研究

摘 要：從寒冷地區的被動式公共建筑設計出發，介紹被動式建筑、辦公建筑以及我國建筑分區中的寒冷氣候分區，而后通過對適用于寒冷氣候分區的被動式設計方法的總結，為今后寒冷地區的被動式公共建筑的設計探索新的設計思路。

關鍵詞：寒冷地區;被動式建筑;建筑能耗

從古至今，人類不斷適應自然，不斷創造出更加適宜居住和生活的建筑形式。英國建筑師拉爾夫·厄斯金曾經說：“沒有氣候問題，人類就不需要建筑了。”人類自誕生起就分布在全世界的各個地區，不同地區又由于受到不同自然條件（日照、濕度等）的影響逐漸形成了不同的氣候，而不同的氣候也導致了不同建筑形式的出現。

在赤道附近的地區，由于常年太陽輻射強度大，氣候炎熱且多雨，這里的建筑較多考慮通風和遮擋太陽的功能，甚至有些建筑僅以樹干圍成，頂部覆蓋椰子葉和蒲草。而在沙漠地區，由于氣候干燥、降雨量少，不能形成大片的森林，故而沒有充足的木材可作為建筑材料。因此，沙漠地區的建筑大多以土為材料，用土砌成厚厚的墻體和屋頂，以阻隔太陽輻射帶來的熱量，另外在墻上開啟洞口，以引入自然通風。并且，此類地區的建筑分布較為密集，可以相互遮擋，以減少陽光輻射，形成陰影區，使室外也有比較涼快的區域。而在極地地區，氣候極度惡劣，常年刮著寒風，所以在這里冰是常見的建筑材料。如住在北極圈的愛斯基摩人就只能用冰塊來建造房屋，他們會在房屋的入口處用冰塊砌筑擋風墻，以減少風對室內的影響;在室內，由于生產、生活各項活動會產生熱量，而這些熱量會作用于冰使其融化，影響房屋使用者的安全，因此他們會在冰屋的內表面鋪上獸皮，以阻隔室內的熱量。一方水土養一方人，不同的地域氣候造就了多種多樣的建筑形式與風格。

一、我國建筑氣候分區及寒冷地區氣候

（一）我國建筑氣候分區

氣候是大氣物理特征的長期平均狀態，是作用于某地區的大氣環流、太陽輻射以及地理環境長期相互作用的結果。氣候可以反映一定的物候特征和時空特征。我國幅員遼闊，地形復雜，不同的地區之間氣候差異巨大，即便是相同的緯度區域，其氣候也可能因為地形等因素而出現差異。不同的氣候對于人們生存環境的影響也不相同，因此在進行建筑設計時尤其要注意不同的氣候對于建筑設計的影響。

我國與建筑氣候有關的標準主要有兩個，一個是《建筑氣候區劃標準》，另一個是《民用建筑熱工設計規范》。《建筑氣候區劃標準》根據平均氣溫、相對濕度和年降水量等氣候參數，把我國劃分為7個一級區和20個二級區。其中，一級區的主要劃分指標是一月的平均氣溫、七月的平均氣溫以及七月的平均相對濕度;二級區的劃分主要是根據最大風速、平均氣溫等。《民用建筑熱工設計規范》根據累年最冷月（1月）、最熱月（7月）的平均溫度，將我國的主要建筑氣候區劃分為五個，即嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區以及溫和地區，并且針對不同的氣候區劃對不同地區的建筑設計提出了不同的設計要求。其中，我國的寒冷地區主要包括北京、河北、山東、天津、山西、寧夏、陜西大部、遼寧南部、甘肅中東部、新疆南部、河南、安徽、江蘇北部以及西藏南部等地區。

（二）北方寒冷地區

北方寒冷地區的主要氣候特點是冬天十分干燥，夏天十分炎熱，冬夏兩季氣候對比反差明顯。其中，冬季某些城市的最低氣溫甚至可以低至零下十幾度，而夏季，某些城市例如西安、鄭州等地的最高溫度能超過我國東南地區的城市。在我國，北方寒冷地區還有一個明顯的氣候特點，即季風氣候顯著。我國的冬季風發源于蒙古，主要會有來自西伯利亞的西北風和東北風，而在炎熱的夏天，風主要是來自太平洋、印度洋的東南、西南風。另外，不同的緯度及不同的地形也對風向有不可忽視的影響。北方寒冷地區由于緯度較高，因此在夏季太陽輻射較強，主要的降水也集中在夏季，而春秋兩季時間較短，且降水量較少，還可能因為氣候干旱而使局部出現沙塵暴。

在對北方寒冷地區公共建筑進行設計時，設計人員需要充分考慮氣候因素，從氣候條件出發，設計更具專業性和適用性的公共建筑，滿足公共建筑基本的防風、防寒等要求。首先，在北方寒冷地區設計被動式公共建筑時，需要充分考量風環境要素。在北方地區，風速大，強風會降低室內溫度，加速室內熱量的流失，所以很容易讓人感冒。對此，設計時需要加強屏蔽防備。另外，在建筑選址時需要從當地的主導風向、風速等方面進行綜合考量。其次，要關注光環境要素。日照是建筑設計中的重要因素之一，且北方冬季和夏季的太陽輻射情況存在明顯差別，所以設計時需要充分考慮光照因素。最后，要考慮降水因素。北方地區由于冬季溫度較低，降水時多會與降雪協同呈現，同時冬季濕度很高，這些因素都會影響到建筑設計。

在我國北方寒冷地區，夏季氣溫較高，所以制冷所需要的能耗較高，而在冬季，制暖也需要很高的能耗。如此鮮明的氣候對比，會降低建筑室內的舒適度，因此北方寒冷地區的自然舒適度較低。為了降低建筑能耗、節約自然資源，同時盡可能以最低的成本打造人們日常所需要的室內舒適環境，我國亟待將被動式設計方法引入公共建筑設計之中。

二、被動式建筑

我國作為一個歷史悠久的文明古國，在歷史發展過程中形成了“天人合一”和“以人為本”的思想，且這些思想都融入了我國的建筑設計。如北京的四合院，其坐北朝南的布局使得建筑可以獲得盡可能多的采光。在四合院的內部，東西南北各個方位的房間各自獨立，并且拉開了一定的距離，以內庭院的存在豐富了建筑的使用空間。四合院的墻體一般都是厚重的，這樣可以在夏季阻擋太陽輻射，而冬天則可以有效阻擋寒風，從而提高建筑的舒適度。

而在干燥少雨、冬季寒冷的陜北地區，人們順應山地地勢建造了窯洞。窯洞封閉內斂，主要的形體都隱藏在了黃土之中，沒有過多形體的變化，且冬暖夏涼，使建筑融入了自然。在新疆地區，當地氣候十分干旱，降雨量特別少，并且太陽輻射強，日照時間長，因此該地區的民居形成了自己的風格。E7549D4C-8CB0-4D80-9E95-0181EFA52939

新疆民居大多以未焙燒而僅僅做了簡單加工的原生土為材料，就地取材，并且生土導熱系數小，熱惰性大，隔熱性好。這里的建筑大多采用半地下的形式，而且建筑與建筑之間互相遮蔽，形成室外“灰空間”和“冷巷”，以方便人們在炎熱的夏天在建筑之間穿行、納涼。除此之外，我國的嶺南及皖南地區經過長時間的實踐過程形成了結合當地氣候、與環境和諧共生的被動式建筑類型。

我國節能建筑發展起步于20世紀80年代，隨著國外掀起了被動式節能建筑的發展熱潮，我國也開始探索本土的被動式方法。在生態研究的視角下，吳良鏞先生曾提出了“廣義建筑學”的理念，將綠色生態的理念移植到了建筑設計和城市規劃之中，提倡建筑要與自然環境相融合，以此來建立可持續發展的人居生態環境。對此，我國逐步制定了從30%、50%、65%直至今日75%的節能標準，不斷降低建筑所產生的能耗。經過長期實踐經驗的積累與我國建筑界人士的積極探索，我國也擁有了一套屬于我們自己的綠色建筑評價體系。

2010年，世界博覽會在上海舉行，展覽會以“城市，讓生活更美好”為主題，號召人們關注自然、人類、城市的共同發展。在展覽會城市實踐展區中，眾多國家的綠色可持續住宅構思性設計得到了展出。在展覽會結束之后，德國將被動房“漢堡之家”作為禮物送給上海，這是被動房第一次在中國出現。世博會雖然展出了被動式建筑，但是并沒有引起廣泛的關注。直到2013年位于河北省秦皇島市的中德合作建造的被動式住宅房屋示范項目“在水一方”竣工，被動式建筑才在我國的建筑行業開始得到廣泛關注。而后經過短短兩年的發展，到2015年12月，全國各處已建成的和計劃要建的被動式建筑項目就達到50多個。

近些年，被動式建筑在我國政府的積極提倡與推動下，在建筑界掀起了一陣建造熱潮，極大地推進了我國被動式建筑的發展。

三、被動式公共建筑設計策略

（一）合理安排建筑布局

在我國的寒冷地區，人們對于建筑的采光有著非常高的要求，充足的采光可以保證建筑在冬季能得到足夠的熱量，為建筑在采暖季節提供良好的室內熱環境，從而降低建筑因采暖所產生的能耗。而公共建筑因為人員密度較高，更應該加強采光，從而在寒冷的冬季為室內盡可能多地補充熱量，營造良好的建筑室內光環境。

對此，一方面，建筑的周圍應當盡量減少遮擋，以保證建筑獲得充足的光照;另一方面，必須充分考慮建筑所在地的光照情況，以此來確定建筑的具體建造方式及建筑的最佳朝向。根據經驗，在我國寒冷地區，建筑的最佳朝向為正南方向東西10度左右，而最不利的朝向是西側，因此在建筑設計上應盡量避免在東西方向上布置主要的建筑功能用房。

（二）適當控制建筑間距

公共建筑在建筑的間距上應該滿足相關的消防要求及各類建筑規范的最低控制條件。針對不同的項目，應根據實際要求合理安排建筑間距，盡量加大新建建筑與現有建筑之間的距離，以保證新建筑能獲得足夠的光照，同時應該確保土地容積率在合理的范圍之內。

（三）組織良好的自然通風

在北方寒冷地區，建筑群的布局必須考慮到冬季和夏季的室外風環境情況，考慮到夏季通風與冬季防風的要求。合理的建筑通風可以在夏季去除室內過多的熱量和污染，保證室內有充足的新風量，降低空調的制冷負載，營造舒適的建筑使用空間;在冬季，則可以避免室外冷風帶走室內熱量，減少建筑的熱量損失。寒冷地區建筑的自然通風組織應考慮三點：一是合理控制和利用場地地區的主導風向;二是避開建筑風影區的不利因素;三是考慮建筑群體布局對場地內自然通風的影響，并通過建筑群體的布置對場地內的自然風進行引導及控制其風速。

（四）控制建筑形體

在寒冷地區，對建筑形體的控制在被動式建筑設計中具有明顯的作用。在進行建筑設計時，要控制建筑物體形系數。建筑體形系數指的是建筑物與室外大氣接觸的外表面積與其所包圍的體積的比值。建筑體形系數數值越大，說明該建筑與室外空氣所接觸的面積越大，也說明該建筑物不利于在冬季保暖。因此，《公共建筑節能設計標準》對于建筑的體形系數有明確的要求，如采用合理的建筑設計方案的單棟建筑面積應小于800m2，其體形系數一般不會超過0.5。

（五）控制窗墻比

建筑的門窗構件是建筑保溫方面最薄弱的環節，是冬季建筑熱損失最多的部位，同時夏季也是日照得熱最多的部位，因此建筑窗墻面積比的合理設計對于建筑保溫節能的實現有著重要意義。近年來，為了提升建筑的通透性，公共建筑的開窗面積變得越來越大，這也導致了大量能源的浪費。對于寒冷地區的公共建筑，我國的相關標準規定其窗墻比應一般不超過0.7。

（六）設計外圍護結構

提高建筑外圍護結構的熱工性能是最直接控制建筑能耗的方式，因此在建筑設計時，應對建筑墻體的傳熱系數、建筑的氣密性等做嚴格的要求，以滿足人們對建筑保溫的需求。

四、結語

隨著我國生產力水平不斷提高，我國人民對于生活的要求也在不斷提升。近些年來，“綠水青山就是金山銀山”的理念已漸漸深入人心，同時社會正處于轉型發展階段，綠色發展、高質量發展是重要的發展方向。各類建筑物消耗了大量能源，因此在建筑中進行節能設計是保護環境很有力的舉措之一，用盡量少的資源消耗來滿足人類對建筑的使用要求，也是現階段建筑設計所必須考慮的問題。除此之外，建筑設計必須考慮所處的地域環境，要使建筑設計能符合當地的氣候特點。而為了實現建筑的節能化，人們往往在建筑設計中考慮加入被動式的建筑設計。筆者認為，被動式的建筑設計不能只是單一地考慮應用某一種被動節能策略，而是應注重多種方式之間的相互作用，在多種被動式技術之間合理組合，找到最合適的被動式建筑設計方法，同時要保障建筑的功能性及藝術性，以實現建筑藝術與建筑技術的完美統一。

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作者簡介：

孫明宇，河北建筑工程學院碩士研究生。研究方向：綠色建筑與建筑節能。E7549D4C-8CB0-4D80-9E95-0181EFA52939