北方地区建筑适寒性及低能耗设计策略

2014-09-18朱子君席岳琳

河北建筑工程学院学报 2014年3期

朱子君席岳琳

(河北建筑工程学院,河北张家口 075000)

0 引言

党的十八大提出要建设美丽中国、生态中国，在这种政策的引导下，建筑低能耗设计势必会成为一种不可逆转的趋势.“十二五”末期，按照规划要求每年都将新建1000个低能耗的绿色建筑项目，从根本上改变我国建筑行业重污染、高耗能的现状.

在进行建筑设计时必须要首先考虑气候条件，它是影响建筑节能设计的首要影响因素.不仅关系到建筑的日照、采光，更与建筑功能布局、体量造型、围护结构性能等都有直接关系.本文以华北城市作为寒冷地区的代表，对室内环境存在的问题进行调研，针对寒冷地区的特殊气候，从场地规划、体型设计、空间设计三个方面对建筑的适寒性及低能耗进行探讨.

1 寒冷地区气候特征

寒冷地区主要包括华北、新疆、西藏南部地区以及东北南部地区.寒冷地区的建筑物既要满足冬季的保温要求，部分地区还要同时兼顾夏季的防热，属于Ⅱ类气候区.

寒冷地区的气候一般比较干旱少雨，年平均相对湿度50%-70%，年降雨日数为60-100天，年降水量为300-1000 mm，年降雪日数在15天以下.寒冷地区的太阳辐射较强，年太阳总辐射照度为150-190 W/m2，年日照时数为2000-2800小时，年日照百分率为40%-60%.较强的太阳辐射导致了夏季气温较高，气候相对比较干燥.

2 建筑场地规划

在寒冷地区，场地设计是否得当直接影响到建筑室内外环境的舒适性.从建筑选址位置、规划布局、建筑室外空间、楼间距、朝向等诸多方面来考虑，避免和克服不利的气候影响因素，充分发挥地形地势条件来改善建筑微气候，从而对提高节能效益产生积极作用.

2.1 合理的建筑朝向

建筑朝向设计合理，可使建筑物充分利用太阳辐射带来的绿色能源，在夏季能利用自然通风减少得热，在寒冷冬季又能获得足够日照，避开主导风向从而减少热损耗，这对建筑物的低能耗会产生极为重要的积极作用.

自古至今，“坐北朝南”的建筑布局都被认为是最首选的建筑朝向.通过实验测试和调研，这种良好朝向也不是绝对的.如北京的最佳朝向为南偏东、西各30度以内，不宜朝向为北偏西30-60度；而石家庄的最佳朝向为南偏东15度，不宜朝向为西向.合理的建筑朝向应根据地形、地势、当地气候特征及周边环境进行综合分析而确定.

2.2 争取充足的日照

能够在冬季争取到充足的太阳辐射热是寒冷地区建筑节能最经济有效的措施，在规划设计过程中通常采用日照间距系数来进行控制.

常见的布局形式有行列式、错列式、斜列式、周边式和长短结合五种形式，对这五种形式的建筑群进行日照模拟分析，只要对建筑的方位、大小、形状等加以变化，就能在群体布局中获得较好的采光日照效果.

图1 常见建筑布局示意图

(1)将较长的建筑物布置在北侧，较短的建筑布置在南侧，采用长短廊相结合的平面布局，可以在有限的用地条件内尽可能的节地，并延长日照时间，在同等太阳辐射条件下，长短结合是日照效果最佳的布置形式.

(2)斜列、错列的布置形式仅次于长短结合的形式，可以利用侧光使建筑获得更多的日照，从而保证建筑底层的房间也能拥有满足要求的日照.

(3)平行、错列和斜列都属于行列式的布局形式，这种形式比周边式能获得更好的日照效果，在北方寒冷地区应该得到广泛的采用.

(4)在有坡度的地区布置建筑时，为了使日照间距最小，可以在南坡平行于等高线布置，在不利坡向可与等高线斜交，按照错列式布置.

(5)按照建筑高度，以从南到北逐渐增高的原则进行排列，能保证较低的建筑不会受到遮挡，尽最大可能的节约用地并获得较好的日照.

2.3 借助风环境作用

冷空气渗透对建筑冬季防寒保温会产生很大的影响，而到了夏季，拥有良好的通风措施又能有效的提高人体的舒适度，改善室内微气候，并大大减少利用空调等降温措施带来的能源高消耗.

我国寒冷地区季风气候的主要特征就是，冬季主要受西北风的强烈影响，到了夏季又转为东南风.在寒冷地区建筑规划布局中应以阻挡冬季寒风为主，来减弱冷风带来的热损耗，同时兼顾夏季通风隔热.

(1)当风吹向建筑物时，会在建筑物背风面区域形成一个风影区，将各栋建筑的间距控制在1∶2的范围以内，就能使后排建筑位于前排建筑尾流风的漩涡区以外.

(2)按建筑高度排列，将层数较高的建筑背向冬季主导方向，形成一个天然屏障，从而减弱冬季寒冷气流对中低层建筑以及内庭院的侵袭.相邻的两栋建筑物高度不要差别太大，最好控制在其上风向建筑高度2倍范围以内，以避免形成空气涡流，产生建筑微气候.

(3)在建筑规划布局中应尽可能将西北方向围合起来，尽可能的少开“风口”，也有很好的防风避风效果.

(4)在工程设计中，合理设置挡风墙或防风林之类的阻隔设施能有效的减弱冷风侵袭.

(5)为使建筑在炎热的夏季形成良好的对流风，建筑群体布置时，应使建筑物与主导风向成30至60度角范围内，避免形成风影区，影响其下风向建筑的通风效果.

3 建筑体型设计

建筑设计的核心阶段就是体型与空间的设计，在方案初期就应该考虑节能措施，比如建筑物的体型系数、天然采光和自然通风等关键问题，这样才能在降低造价的前提下达到节能减排相关要求.

3.1 体型对保温的影响

在同等使用面积的条件下，外围护面积越大，体型系数就越大，建筑散热量也相应越大，因此建筑物体型系数的变化直接决定着建筑节能的优劣.

将8个相同体积的立方体单元排列成为五种不同的体型，并设定为不同的朝向，通过模拟计算太阳辐射得热量可以看出建筑体型对节能的重要作用.

图2 同体积不同体型建筑日辐射得热量

模型A在冬季获得的太阳辐射热量是最低的，夏季的得热量也不高；

模型C和模型E两种体型在全年太阳辐射得热量均较为平衡；

模型D在夏季获得的太阳辐射量处于最高点，对于隔热是非常不利的.

模型B的三维度比例关系较为适宜，夏季得热最少而冬季得热较多，因此在寒冷地区最适宜选用的是长宽高三维尺度比较均衡的建筑体形.

建筑体形以长方形较为理想，但是实际工程中通常会有各种形状的建筑物.从节能的角度来说，建筑平面不应有过多的曲折变化，适宜采用相对紧凑、集中的体形.

3.2 体型对避风的影响

建筑物的阻挡会使风向和风速发生相应的改变，所以建筑平面形式会对其周围风环境产生不可忽视的影响.

图3-6表示了不同建筑体形周边区域的风环境，可以看出：

(1)风吹向条形建筑，会在背面边缘区域形成涡流效应，增加建筑高度，减小建筑栋深、加长建筑长度，可以使建筑背后的涡流区域增强，流场越紊乱，这可以有效的降低风速并减弱风压.

(2)对于转角形、半封闭半围合形平面，使风从外围吹向建筑对防风较为有利.

(3)对于全封闭的平面，建筑开口位置不宜朝向寒冷冬季的主导风向，且开口不宜过大.

图3 条形建筑风环境示意图图4 转角形建筑风环境示意图

图5 半围合形建筑风环境示意图图6 全封闭形建筑风环境示意图

4 建筑空间设计

4.1 空间设计对通风的影响

自然通风可以保证建筑室内获得新鲜空气，带走多余的热量，又不需要消耗动力，节省能源，节省设备投资和运行费用，因而是一种经济有效的通风方法.但自然通风与室外气象条件密切相关，难以人为控制.

建筑物门窗洞口等开口位置存在自然的压力差，只要设计合理就能形成空气流动，按照压力差形成原因可将通风方式分为风压和热压两种.

(1)穿堂风(风压通风)

当风吹向建筑物受阻后会在迎风面上形成正压区，气流向上运行会使建筑物侧面和背面形成负压区，风压通风原理就是利用正负的压力差形成的.

建筑室内通风的效率决定于房间内门窗洞口开口位置和风向的相互关系.一般情况下，房间中至少要设置两个不同方向的开口才能获得良好的自然通风，如果进风口和出风口正对设置，那么室内风速较大，但风吹过所扫及的面积却相对窄小.如果出风口和进风口保持一定角度，或在内廊上设置高窗，风在流动过程中风向会发生偏转，就可以使气流分布更加均匀，有利于组织室内通风.

图7 室内通风效果示意图

(2)烟囱效应(热压通风)

由于自然风的不稳定性或周围建筑、植被的影响，当建筑周围无法形成有效的自然通风时，就可以利用热压原理来改善室内气流环境，这种做法可不受朝向的限制，应用较广泛.

“烟囱效应”就是利用热压原理，冷空气从建筑底部进入室内，受热后气流上升，从建筑上部风口排出.

进风口和出风口之间的垂直距离决定着热压通风的效果，高差越大效果越好.

在寒地建筑中可以充分利用竖向空间形成烟囱效应，有效地改善建筑内的通风环境，提高空气质量，降低室内温度.

图8 楼梯间烟囱效应示意图

4.2 空间设计对采光的影响

天然采光对于人的学习、生活、健康都有着不可忽视的作用，在建筑设计中应尽可能多的利用天然采光来取代人工照明，这不仅仅对建筑节能减排有很大作用，也对改善室内舒适度是十分有利的.

寒冷地区建筑物多采用内廊式的平面布局，这对于冬季保温是有利的.然而房间为南北双向相对布置，室内采光都不可避免的存在一些问题.如南侧的房间虽然拥有充足的自然采光，但其照度非常不均匀，靠近窗口的区域光线较强，远离窗口的区域照度随着距离的增加呈现快速衰减的趋势.而北侧的房间自然采光效果较差，室内照度低无法满足人对于光线的使用要求，只能采用人工照明来解决问题，这就无形中大大增加了建筑整体的能源消耗.

为使房间内的天然采光得以优化，可以采取以下技术措施满足降低能耗的要求：

(1)位于北向的房间，可以通过调整外窗角度来获得良好的光照效果.这种开窗形式更有利于天空光进入室内，室内光照度可以提高12%左右.