夏热冬暖地区被动式建筑设计策略

李东和，刘甦，孔亚暐

（山东建筑大学建筑城规学院，山东济南250101）

夏热冬暖地区被动式建筑设计策略

李东和，刘甦*，孔亚暐

（山东建筑大学建筑城规学院，山东济南250101）

能源问题逐渐影响着人类的生活和发展，能源危机已成为制约现代社会经济发展的突出瓶颈和全球可持续发展中面临的最严峻挑战之一。被动式建筑设计的发展，是建筑节能的重要手段之一。随着被动式建筑的发展，夏热冬暖地区的被动式设计成为推广建设被动式建筑的重点难点。因此，充分考虑气候环境因素，分析影响被动式设计的地域性，探索夏热冬暖地区气候因素影响下的被动式建筑设计策略，不仅对我国被动式建筑的发展具有重要的现实意义，而且也是建筑师面临的艰巨任务。文章总结了被动式建筑与设计的概念，阐述了国内外被动式建筑设计进展及概况，分析了夏热冬暖地区被动式建筑设计的困境，针对夏热冬暖地区气候特征，提出了相应的被动式建筑设计的方法与对策。

被动式建筑；夏热冬暖地区；设计策略

0 引言

随着城市和社会经济的发展，能源消耗日益严重，能源危机已成为制约现代社会经济发展的突出瓶颈和全球各国可持续发展要面临的最严峻挑战之一。建筑能耗是社会总能耗的一个重要组成部分，所以建筑节能对于缓解能源资源供应问题、解决经济社会发展的矛盾，加快循环经济发展，有着非常重要的作用［1］。因此，建筑节能已成为社会经济发展的全球共识和时代主题。

现代建筑通常采用很多主动式技术来给予人们舒适的生活环境，主动式技术是通过机械耗能来创造舒适的建筑环境，其建筑能耗较高；而被动式建筑是利用自然气候资源，通过建筑物自身的各种方式来收集和储存能量，形成建筑物与周围环境之间的生态循环的系统，以非机械设备手段实现降低建筑能耗的节能技术。具体指在建筑规划设计中通过对建筑朝向的合理布置、遮阳的设置、建筑围护结构的保温隔热技术、有利于自然通风的建筑设计等实现建筑需要的采暖、空调、通风等能耗的降低。其核心是以低技术、低成本、降低建筑自身对于能源的需求的方式，达到即节约能源、降低耗能又创造舒适环境的双重目的［2］。因此，被动式建筑因其更为绿色环保，更有利于人类生存环境的可持续发展，将会成为建筑节能积极倡导的方向［1-2，5］。而随着绿色、循环、低碳发展理念的不断普及，被动式建筑成为应对能源危机、气候变化以及人们追求高品质生活质量而选择的重要的建筑设计形式［3-4，6］。

我国建筑节能技术最早起源于严寒及寒冷地区，目前其他热工设计的分区及建筑节能技术主要是借鉴严寒和寒冷地区的做法。夏热冬暖地区被动式建筑的设计刚刚起步，其气候特点与严寒、寒冷地区有较大的差异。因此，充分考虑气候环境因素，分析影响被动式设计的地域性，探索夏热冬暖地区气候因素影响下的被动式建筑设计策略，不仅对我国被动式建筑的发展具有重要的现实意义，也是中国建筑师面临的艰巨任务［7-9］。

文章总结了被动式建筑与设计的概念，阐述了国内外被动式建筑设计进展及概况，分析了夏热冬暖地区被动式建筑设计的困境，针对夏热冬暖地区气候特征，从体形系数、建筑间距、建筑朝向、建筑通风、建筑采光、建筑围护结构、建筑遮阳、太阳能系统、水资源利用九个方面提出了被动式建筑设计方法与对策。

1 被动式建筑设计概述

1.1 被动式建筑概念

被动式房屋（或被动式建筑）起源于德国，1988年，阿达姆森和菲斯特首先提出“被动式房屋（被动式建筑）”的概念。被动式建筑是指建筑采用密封结构，建筑材料上选用保温建筑构件，建筑不需要传统的暖气和空气系统，即将自然通风、自然采光、太阳能辐射和室内非供暖热源得热等各种被动式节能手段与建筑围护结构高效节能技术相结合建造而成的、四季均能保持人体舒适温度的极低能耗建筑，代表了一种健康、舒适、低能耗的生活力式和建筑标准［3，10-11］。这种建筑在显著提高室内环境舒适性的同时可大幅度减少建筑使用能耗最大限度地降低对主动式机械采暖和制冷系统的依赖。被动式建筑是建筑节能和建筑设计发展的必然趋势［12］。

1.2 被动式建筑设计概念

1994年，Narenda首次明确提出“被动式建筑设计”这一概念［11］。被动式建筑设计就是建筑师在尽量不使用的主动设备和能源下，通过对地区自然环境状况（日照、气候、地质、风向、植被等）分析，依靠建筑师对建筑布局、建筑形体、建筑结构、建筑技术、建筑材料的设计，以适应当地的自然环境理特点，不但为人们创造舒适的室内环境，还可以节约建筑的能耗。合适的建筑被动式设计在给予人们舒适的室内环境同时还可以减少建筑的能源消耗。现代的主动设备应该是建筑被动式技术的补充，用来弥补建筑被动式技术的不足。

1.3 国内外被动式建筑设计概况

1.3.1 国外概况

德国是最早流行被动式建筑的国家，1990年位于德国中南部城市达姆施塔特市城区的一幢普通的三层高居住建筑作为世界第一幢标准的被动式建筑建成，1991年经过节能改造以后投入使用［3，10］。1996年德国成立了被动式节能屋研究所，目的是规范被动式建筑的标准和规范。1996午，被动房屋协会（Passivhaus-Institute）在达姆施塔特成立，致力于推广和规范被动式房屋的标准，此后有越来越多的被动式房屋落成，并在世界范围内推广被动式建筑建造技术［3］。

随着时间的发展，德国在被动式建筑技术上形成了比较完善的体系。通过政府和人民的共同努力，德国的很多建筑都是参照被动房的标准设计的，使得德国在建筑方面的使用能耗减少了不少。目前，已经有60000多栋的房屋按照被动房标准建造，其中有约30000栋建筑获得了被动房的认证，主要以住宅建筑为主，也有办公、学校、酒店等类型的建筑［13］。

到目前为止，德国的被动式建筑涵盖了各种各样类型的建筑，并且技术都已经达到了很成熟的地步。欧盟也出台了最新规定，到2020年以后，所有新建建筑都必须达到被动式标准，这也预示着被动式建筑在德国的全面普及。德国被动式建筑是被动式超低能耗建筑理念的先导者，在世界范围内正被广泛借鉴和应用。

德国的被动式建筑标准不但是世界的领先的标准，而且其他国家的被动式思想也受到德国被动式建筑思想的影响。有的国家直接使用德国的被动式建筑标准，如英国等；有的国家根据自己国家的环境情况在德国被动式建筑标准上制作符合本国的被动式建筑标准如意大利国；还有的国家只是接受德国的被动式思想，在自己国家内完善被动式建筑理念，形成自己的被动式建筑理念，典型代表是美国。

瑞典是从上世纪九十年代初开始推广超低能耗建筑，瑞典的被动式建筑同样达到较高的标准，特别是在围护结构方面，除了使用最新的施工和构造技术之外，对防止结构性热桥方面做得也较好［14］。

被动式低能耗建筑是能够达到更高节能率的被动式建筑，被动式低能耗建筑是欧美发达国家建筑节能的发展方向和现有节能标准的重要补充，它是目前欧美建筑节能研发和应用的重要领域。研究和建设被动式低能耗建筑几乎成为各国进一步挖掘建筑节能潜力的有效途径。欧美主要国家已经或正在制定适应本国国情的被动式低能耗建筑技术体系。

1.3.2 国内概况

为了降低建筑能耗，努力实现城市绿色低碳发展，我国于20世纪70年代开始了对北方严寒和寒冷地区的被动式太阳能采暖建筑的研究，在广泛调研并借鉴国外经验的基础上，1977年我国首座被动式采暖太阳房在在甘肃民勤县建成。20世纪80年代起，在我国北方的农村地区又建成了将近10万m2被动式太阳能采暖示范建筑。2005年，由清华大学江亿院士主持设计建造的我国首座超低能耗楼在清华大学校园内落成［3］。自2009年起，在中国住建部建筑节能与科技司的指导下，住建部的科技与产业化促进中心与德国能源署在我国推进了被动耗能建筑的建设，拉开了我国被动超低能耗建筑发展的序幕。2010年上海世博会的”汉堡之家”成为我国首个获得认证的被动式超低能耗建筑［3］。2013年，中德合作“被动式一低能耗住宅”示范项目：秦皇岛在“水一方小区”C区顺利通过验收，这标志着我国第一座被动式民用居住建筑正式建成［10］。2014年，在我国夏热冬冷地区设计并建造的第一所被动房项目“布鲁克’，被动房在朗诗长兴研发基地内建成，该项目为降低我国夏热冬冷地区的空调能耗以及解决该地区冬季采暖问题做出了积极的探索［14］。

1.4 夏热冬暖地区被动式建筑设计的困境

在世界界能源危机的大背景下，随着我国建筑节能等级的提高，被动式建筑技术不断优化，国内市场的迫切需求，被动式建筑在未来几年内，将在我国的居住建筑及公共建筑中被大量推广采用，以整体建设的态势走入人们的生活。

被动式建筑设计以其低技术化、低成本性，通过建筑设计在总平面、平面、立剖面以及细部节点上的设计，合理利用建筑朝向，合理布置、自然通风、建筑遮阳、建筑保温隔热等设计方法，来达到有效的降低建筑使用能耗的目的［2］。

然而，由于夏热冬暖地区受气候特点的制约，该地区建筑物冬季室内基本不需要采暖，但夏季有制冷要求，而且主要依靠空调进行室内降温，能源消耗大［15］，据相关统计表明，夏热冬暖地区空调能耗约占夏季用电量的一半。目前在寒冷地区己经开始了被动式建筑的设计建设，但我国夏热冬暖地区被动式建筑的设计刚刚起步，为此，研究探索夏热冬暖地区被动式建筑的设计策略和建设任务已迫在眉睫。

2 夏热冬暖地区被动式建筑设计策略

2.1 夏热冬暖地区气候特征

我国夏热冬暖地区区域划分情况见图1［16］。我国共分为5大气候类型区，其中夏热冬暖地区位于我国南部，在北纬27°以南，东经97°以东，包含海南、广东、广西、福建、云南小部分以及香港、澳门与台湾等地区［3，6］。

此区域长夏无冬，气温年较差和日较差均小；四季潮湿，夏季尤为突出；降雨量居全国首位，沿海地区多暴雨和台风；日照较小，太阳高度角小，太阳辐射强烈；经常与湿热、瘴气、强光、多雨联系起来［18］。因此，夏热冬暖地区的建筑物都必须足夏季通风和防晒的要求，一般不考虑冬季保温［6］。

图1 夏热冬暖地区区域划分图

夏热冬暖地区：重点防止夏季太阳辐射，围护结构满足隔热保温要求，同时在其外表面采取浅色粉刷或者光滑饰面装饰；屋顶隔热应考虑通风屋顶、蓄水屋顶、植被屋顶等结构形式；设计有效的遮阳万式；设计连续通风改善室内热环境［7］。

被动式建筑设计应以自然气候特征为基础。针对夏热冬暖地区的气候特点，在建筑设计阶段，应结合建筑所在区域的气象特征全面分析对建筑能耗有显著影响的各项参数。如室外气候、太阳辐射强度、风速风向等［19］。

2.2 夏热冬暖地区被动式建筑设计方法与对策

建筑的被动式设计就是研究运用建筑设计的而非人工环境控制（主动式）的方法与技术创建室内热舒适，采用合理的建筑设计方法如太阳能采暖、自然通风等被动式技术，充分利用这部分技术的自然冷/热量，大幅减少建筑设备能耗，实现建筑节能；同时也是研究建筑与室外气候、室内微气候相互作用的科学［20］。

2.2.1 体形系数

夏热冬暖地区的气候特殊，对于建筑的夏季通风要求更为高，而对冬季保温的要求比较低，所以该地区对体形系数要求不大。同时建筑可以通过高低错落，体块穿插的方式丰富建筑形体，使得建筑可以自身形成一定阴影，减少太阳辐射，所以夏热冬暖地区的建筑的形体可以较为复杂。

2.2.2 建筑间距

建筑间距的应综合建筑日照标准、建筑布局等各种因素，以建筑节能为基本原则来确定。日照标准由日照时间和日照质量来衡量。在夏季，要求能够避免强辐射的阳光。在冬季，要求能够得到充分的阳光直射。

2.2.3 建筑朝向

建筑朝向对建筑内部的影响非常大，合适的朝向可以使得建筑能耗下降，并让人们在室内感到更加舒适。夏热冬暖地区在北回归线附近，东南风比较盛行，而建筑对夏季通风需求比较高；所以该地区建筑应尽量避免东西两方向的日晒。结合风向和日照两大影响因素可推出夏热冬暖地区建筑的最佳朝向是南北向。

2.2.4 建筑通风

在夏热冬暖地区，为了加强建筑中的自然通风，建筑整个形体可以更开敞且在建筑周围设置绿化进行导风。该地区建筑经常通过底层架空，设置开敞走廊的方式增加建筑通风能力，南方传统骑楼是该方法的典型。建筑中可以采用中庭、天井等技术组织建筑内通风。最后，由于该地区是暴雨和台风多发的地区，建筑的通风措施也应考虑控制建筑内的风速。除此之外，建筑外窗的位置和开启方式也对室内自然通风起到决定性作用［21］。

2.2.5 建筑采光

建筑中最大的采光构件就是窗户，因此，窗户对室内采光的影响是非常大的。由于夏热冬暖地区太阳辐射比较大，因此建筑需要通过窗户来控制阳光的进入。基于该理念，所以此地区的建筑应多采用侧窗，少用天窗。且建筑的窗户周围应设置遮阳设施。如果需要采用天窗，天窗面积不应大于屋顶面积的20%［22］。

2.2.6 建筑围护结构

围护结构是建筑重要的组成部分，也是被动式建筑设计的重点，好的维护结构可以防止室外不利因素对室内的影响。维护结构包括外墙、屋顶、门窗等。因此气候不同，对围护结构的要求也不同。

（1）外墙

外墙在围护结构中占的面积最大，因而外墙节能技术对建筑整体节能有很大的影响。在夏热冬暖地区，需要控制墙体对室内的热辐射。因此加气混凝土砌块、混凝土空心砌块等导热能力弱而热惰性强的材料适合该地区的外墙处理。建筑外墙的表面应采用太阳辐射吸收能力弱的的浅色光滑材料［6］。

（2）屋面

在夏热冬暖地区，建筑顶层房间的能耗受屋面隔热影响非常大。屋面节能效果的好坏，对于减少空调耗能，改善室内热环境有很大影响，也有助于提高抵抗夏季室外热作用的能力。种植屋面是比较常见的屋面隔热措施。

种植屋面是现在建筑设计的主流方向。种植屋面通过对屋顶的绿化，不但解决了屋顶的隔热，而且屋顶种植对夏季隔热有显著效果，其热惰性好，保温效果良好，同时，屋顶种植可明显降低建筑物四周环境温度，调节城市气候；屋顶种植为了降低造价，减少屋面负荷，不宜选择对覆土厚度要求较高的植物［23］。但是屋顶种植自重大，对结构要求高，造价也偏高且绿化屋顶需要长期浇灌和维护，对屋面防水有一定破坏。

（3）门窗

窗日设置遮阳对于改善夏热冬暖地区住宅的热环境，减少太阳辐射热进入室内，降低空调能耗效果显著，是实现建筑节能的重要手段之一［6］。

门窗在建筑围护结构中传热是最大的，其热损失占建筑的总热损失的40%以上。在夏热冬暖地区，建筑外窗应采用传热系数低、遮阳系数小的玻璃，减小外窗的辐射传热。而建筑的门窗面积越大，能耗越高，但是由于门窗是重要的采光和通风构件，所以不能过于小，因此，在夏热冬暖地区湿热的气候下，需要需要大面积的开窗来获得自然通风，又要避免过多的太阳辐射热进入室内。该地区公建的窗墙面积比不应大于0.85［24］。同时，《绿建标准》要求公共建筑外窗可开启面积不小于外窗总面积的30%［25］。

2.2.7 建筑遮阳

夏热冬暖地区由于太阳的辐射比较强烈，日照时间长，而建筑遮阳可以阻断直射阳光进入室内太阳辐射的热是导致室内热，防止阳光暴晒。因此该地区对建筑遮阳的要求比较高。

在夏热冬暖地区，建筑师进行设计时，应根据窗户的朝向选择不同的遮阳类型。南向的窗户适合采用水平式遮阳，遮挡上方投射下来的阳光；北向的窗口适合采用垂直式遮阳，阻挡从侧面斜射过来光，东南和西南向的窗口适合采用综合式遮阳，其遮阳效果比较均匀；东西向窗口适合采用挡板式遮阳，遮挡正方直射窗口的阳光。

2.2.8 太阳能系统

夏热冬暖地区气候日照的主要特征就是太阳辐射强、太阳能资源充足，因此太阳能技术在此有着很大的发展空间。太阳能技术的应用中，就是通过太阳能设施，将太阳能转化为电能或者热能，直接用于建筑的能源供给上，如太阳能集热或太阳能光伏发电都是采用此原理。

太阳能集热系统是将太阳能转换成热能，生产出热水等物质，用于生活用水等。太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池板将光能转化成电能的装置。这些装置优先考虑放置在建筑的屋项或者南向无遮挡的外墙上，不仅可以充分利用太阳能，减少其他能源消耗，而且可以遮挡太阳辐射，起到一举两得的效果［9］。

2.2.9 水资源利用

夏热冬暖地区雨量充沛，暴雨较多，但是该地区属于多雨缺水地区。因此雨水收集系统应适合这种多雨少水的情况。雨水的收集可以通过屋顶和周围的场地来收集。而雨水收集要注意实行雨污分流，减少雨水受污染的机率，尽可能合理的利用雨水资源［26］。雨水的回收利用可以减少淡水资源的使用，节约淡水资源。回收的雨水不仅可以用来浇灌花园草地，经过处理后还可以用于冲洗某些地方［4］。

3 结语

随着社会经济的发展和人民生活水准的提高，建筑能耗总量也在不断增加，节能问题逐渐被大家所重视，被动式建筑作为优秀的节能建筑典范，其理念被越来越多的人所接受。在被动式设计中，通风和遮阳是夏热冬暖地区必须要关注的方面。建筑师应通过对建筑朝向、建筑间距、建筑形体、通风、采光、及维护构件的处理等方面的处理，尽可能依靠被动式的方式，达到即节省能源又能创造人类舒适的生活与工作空间环境的双重目标。

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Passive building design strategy in hot summer and warm w inter area

Li Donghe，Liu su*，Kong Yawei
（School of Architecture and Urban Planning，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

The energy problem gradually affects human life and development，the energy crisis has become a the bottleneck restricting the development of modern social economy and the global sustainable development in the face of one of the most serious challenges.The development of the passive building design is one of the importantmeans of building energy efficiency.Along with the development of the passive construction，passive building design in hot summer and warm winter area become the key point of promoting the passive construction.It is not only of important practical significance for the developmentof Chinese passive construction butalso the difficult task for architects to fully consider the climate factors，analyze the passive design and regionality，and explore the passive building design strategy under the influence of hot summer and warm winter climate factors. The article summarizes the concept of passive architecture and design，expounds the passive building design progress and general situation both athome and abroad，analyzes the passive building design in hot summer and warm winter area，according to the climate characteristics of hot summer and warm winter area，and puts forward the corresponding passive architectural design methods and countermeasures.

passive construction；hot summer and warm winter area；design strategy

TU111.4

A

1673-7644（2017）01-0055-05

2016-12-11

李东和（1991-），男（满族），在读硕士，主要从事建筑设计绿色建筑、节能建筑等方面的研究.E-mail：874704882＠qq.com

*：刘甦（1961-），男，教授，学士，主要从事建筑设计、绿色建筑等方面的研究.E-mail：liusu＠sdjzu.edu.cn