考虑气候条件的生态节能住宅建筑设计

唐艳芝

（南通开放大学 建筑工程学院，江苏 南通 226000）

21世纪以来，我国的房地产行业迅速发展，城市规模逐渐扩大，对资源的消耗也进一步加剧。虽然中国幅员辽阔、物产丰富，但由于人口基数庞大，建筑能源问题依然十分严峻[1]。近年来，减少建筑能耗成为建筑行业发展的重要课题。随着全球变暖和极端自然灾害频发，为了最大限度地达到节能减排的目的，很多建筑设计师开始将建筑设计与气候条件相结合，秉承“设计融入自然环境”的思想理念，最大化利用风能、太阳能等自然资源，研发能耗较低的生态节能住宅建筑，在保证建筑环境舒适的前提下，通过节能减排，实现建筑业的可持续发展。

1 生态气候建筑设计概述

1.1 生态节能建筑的设计原理

可以利用被动式低能耗的建筑设计方法，在稳态热平衡理论的指导下，结合建筑所在地区的气候条件，设计气候生态型节能住宅，使住宅建筑在建造和使用过程中更加节能环保。通过最大限度地利用气流、光照等自然条件，在保证室内环境舒适度的前提下，研究建筑和室内外环境的相互作用，实现生态建筑的超低能耗或零能耗，以达到节能减排的目的。

1.2 生态节能建筑的设计特点

人类生活的舒适度与周围环境的微气候直接相关，但很多时候微气候会依附于地区性和局部气候，具体关系如表1所示。

表1 气候系统分类统计表

人体居住的适宜温度是18～26 ℃，在一定时间内，很多地区的室外环境也能维持这种温度，而住宅建筑的室内微气候多与室外气候完全隔离，只靠空调、供暖等方式维持室内温度，既不利于人类健康，又消耗了大量能源[2]。绿色节能建筑可以根据所在地区的气候环境变化，遵循科学的建筑设计方法，利用太阳能和风能交换热量，在减少设备能耗的前提下，使建筑内的环境呈现冬暖夏凉的效果[3]。生态气候建筑的设计需要考虑建筑地的气候条件、地理环境，通过科学的环境资源配置和技术手段，设计建筑的空间构造和形体。通过这种设计，可以减少建筑在使用过程中对空调等资源消耗型设备的依赖，具体的建筑设计原理如图1所示。

图1 主动式室内环境控制原理

1.3 设计意义

生态节能型建筑以环保节能为出发点，利用地域环境的气候条件，提高建筑对太阳能、风能等可再生资源的利用率，减少对化石能源等不可再生资源的使用，满足了人类对居住质量和绿色环保的双重要求[4]。在设计和建造生态气候住宅时，要以保护自然环境为前提，充分挖掘自然资源的潜力，达到节能减排的目的。与欧美等发达国家相比，我国研究生态节能住宅的时间较短，结合气候条件进行建筑设计的经验也不多[5]。如今，政府提倡各行业要走可持续发展的道路，因此，生态气候建筑设计的理论研究和实践探索还有很大的发展空间。

2 生态节能气候建筑的设计方案

2.1 整体规划布局

建筑地区的气候条件一般与地理环境有很大关系，在设计气候生态型建筑时，设计人员要考虑建筑周围的山体地势和海拔高度，还要关注各个住宅建筑的间距密度以及建筑群的整体高度，保证每个住宅都能接收到最多的太阳能，并且在规划建筑群的过程中，要充分考虑通风对建筑的影响，提高建筑和周围环境的协调性，使建筑与地域气候更好地结合。

2.2 生态节能建筑的结构设计

2.2.1 控制气流

在设计建筑时，可以充分利用风能调节建筑微环境的温度。在炎热的夏季，要减少建筑空间内的风阻，开放建筑对面的风向，利用风能带走建筑群中的热量；而在寒冷的冬季则正好相反，要阻挡寒冷的北风进入建筑内部。所以，建筑群的布局应以北高南低、北密南疏为宗旨，建筑的北面比较封闭，以抵挡冷空气；建筑的南面则相对开放，有利于冬季采光和夏季通风。

2.2.2 建设通风竖井

在气候生态建筑中，利用热压原理向外拔风，可以达到通风节能的目的。因此，在对建筑进行设计时，除了要利用过堂风，还可以在建筑内部设立通风竖井。在竖井的上部设立排风口，帮助排除室内污浊的热空气，再从底部引进新鲜的外部冷空气，可以达到降温的目的。竖井的调温效果与进出风口的高度差和室内外的温度差呈正相关，为了使热压通风效能更明显，可以利用高层建筑的楼梯间、拔风井等结构，增加进风口和排风口之间的高度差，并在开口处设置开关。当夏季气温较高时，将建筑内的热空气向外排出，冬季到来以后，就将出风口关闭，通过热空气层和外界隔绝，以达到保温的效果。

2.2.3 设置热缓冲空间

在生态节能建筑中，热缓冲空间是一种十分重要的节能设计，在设计之初，对建筑空间的热环境进行构造划分，将对温度要求较低的走廊、门厅等区域作为室内和室外环境的缓冲区域，以降低室外气候对室内环境的不利影响。例如，对于大多数建筑来说，大厅是室内和外部环境的过渡空间，在大厅中设置可以开闭的门廊，并在门廊的外墙上多设置一些玻璃门窗，就形成了热缓冲区域。当夏季温度升高时，门廊又可以对室内外的通风起到缓冲作用，防止热空气直接进入室内。

2.3 生态气候建筑的节能措施

2.3.1 减少散热面积

生态气候建筑的体型系数是影响热循环的重要因素，当建筑体积不变时，体型系数越大，说明建筑的表面积越大，散热面积也会随之增大[6]。因此，在设计建筑的造型和空间布局时，要灵活运用建筑材料，使建筑结构紧凑简洁，尽量将建筑外形设计成圆柱形或方形，以减少建筑的表面积，降低建筑的体型系数。

2.3.2 增加立体绿化

住宅区的水体和绿植不仅能净化居住环境的空气，还能在蒸发吸热的过程中加速空气对流，在一定程度上起到调节温度的作用。因此，在建筑的地面、屋顶、阳台和垂直墙面上都可以种植绿植。对于绿植种类，应选择树干高大的落叶型乔木，这种植物在夏季可以遮挡阳光，打造阴凉通风的环境；在冬季能抵挡狂风对建筑的侵蚀，营造绿色节能的居住环境。同时，在建筑的楼顶，也可以通过覆土或蓄水灌溉的方式种植绿植，能达到保温隔热、减少城市热岛效应的效果。在建筑的垂直墙面上，无需像以往那样在墙上种植爬山虎等攀援植物，而是设置双层通风的绿化结构，增强墙体的自身散热功能。同时，从生态学的角度来看，墙体植物夏季繁盛、秋冬落叶的自然规律，也会使建筑和自然气候融于一体。

2.3.3 使用环保材料和可再生能源

在生态气候建筑中，可以在建筑布局和空间形式的构造上加入节能设计。利用可再生资源，减少建筑的能耗，构建建筑体内的微气候环境。主要方法：（1）以现代技术理念为设计核心，采用节能环保的绿色材料，增强建筑墙体的保温隔热功能，维护住宅建筑的微环境。（2）利用建筑区域的地下水和地表浅层土壤进行热量置换，使建筑的夏季通风和冬季采暖过程更加绿色低碳。（3）充分利用太阳能为建筑提供能源，如光伏发电、太阳能取暖以及太阳能热水器等，增加可再生资源的使用效能。（4）在建筑的中央或表面设置绿化敞开空间，减少建筑产生的热岛效应，优化建筑内部的气候环境。

3 结语

如今，建筑行业也在提倡可持续发展，气候条件也成为节能建筑设计的重要因素之一。绿色节能建筑应结合地域环境的气候特点，以传统建筑的设计原理为发展基础，以低碳环保为发展要求，利用自然资源，减少建筑能耗，在保证室内舒适度的前提下，达到节能减排、低碳环保的效果。在建筑形态的设计上，要充分考虑当地的气候条件，规划北高南低、北密南疏的建筑空间布局，尽量做到夏季通风、冬季保温，并设计能应对气候变化的建筑结构，降低建筑的体型系数，调节建筑室内的微气候，设计低碳环保、宜居舒适的绿色节能建筑。