寒冷地区被动式公共建筑设计研究

摘 要：从寒冷地区的被动式公共建筑设计出发，介绍被动式建筑、办公建筑以及我国建筑分区中的寒冷气候分区，而后通过对适用于寒冷气候分区的被动式设计方法的总结，为今后寒冷地区的被动式公共建筑的设计探索新的设计思路。

关键词：寒冷地区;被动式建筑;建筑能耗

从古至今，人类不断适应自然，不断创造出更加适宜居住和生活的建筑形式。英国建筑师拉尔夫·厄斯金曾经说：“没有气候问题，人类就不需要建筑了。”人类自诞生起就分布在全世界的各个地区，不同地区又由于受到不同自然条件（日照、湿度等）的影响逐渐形成了不同的气候，而不同的气候也导致了不同建筑形式的出现。

在赤道附近的地区，由于常年太阳辐射强度大，气候炎热且多雨，这里的建筑较多考虑通风和遮挡太阳的功能，甚至有些建筑仅以树干围成，顶部覆盖椰子叶和蒲草。而在沙漠地区，由于气候干燥、降雨量少，不能形成大片的森林，故而没有充足的木材可作为建筑材料。因此，沙漠地区的建筑大多以土为材料，用土砌成厚厚的墙体和屋顶，以阻隔太阳辐射带来的热量，另外在墻上开启洞口，以引入自然通风。并且，此类地区的建筑分布较为密集，可以相互遮挡，以减少阳光辐射，形成阴影区，使室外也有比较凉快的区域。而在极地地区，气候极度恶劣，常年刮着寒风，所以在这里冰是常见的建筑材料。如住在北极圈的爱斯基摩人就只能用冰块来建造房屋，他们会在房屋的入口处用冰块砌筑挡风墙，以减少风对室内的影响;在室内，由于生产、生活各项活动会产生热量，而这些热量会作用于冰使其融化，影响房屋使用者的安全，因此他们会在冰屋的内表面铺上兽皮，以阻隔室内的热量。一方水土养一方人，不同的地域气候造就了多种多样的建筑形式与风格。

一、我国建筑气候分区及寒冷地区气候

（一）我国建筑气候分区

气候是大气物理特征的长期平均状态，是作用于某地区的大气环流、太阳辐射以及地理环境长期相互作用的结果。气候可以反映一定的物候特征和时空特征。我国幅员辽阔，地形复杂，不同的地区之间气候差异巨大，即便是相同的纬度区域，其气候也可能因为地形等因素而出现差异。不同的气候对于人们生存环境的影响也不相同，因此在进行建筑设计时尤其要注意不同的气候对于建筑设计的影响。

我国与建筑气候有关的标准主要有两个，一个是《建筑气候区划标准》，另一个是《民用建筑热工设计规范》。《建筑气候区划标准》根据平均气温、相对湿度和年降水量等气候参数，把我国划分为7个一级区和20个二级区。其中，一级区的主要划分指标是一月的平均气温、七月的平均气温以及七月的平均相对湿度;二级区的划分主要是根据最大风速、平均气温等。《民用建筑热工设计规范》根据累年最冷月（1月）、最热月（7月）的平均温度，将我国的主要建筑气候区划分为五个，即严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区以及温和地区，并且针对不同的气候区划对不同地区的建筑设计提出了不同的设计要求。其中，我国的寒冷地区主要包括北京、河北、山东、天津、山西、宁夏、陕西大部、辽宁南部、甘肃中东部、新疆南部、河南、安徽、江苏北部以及西藏南部等地区。

（二）北方寒冷地区

北方寒冷地区的主要气候特点是冬天十分干燥，夏天十分炎热，冬夏两季气候对比反差明显。其中，冬季某些城市的最低气温甚至可以低至零下十几度，而夏季，某些城市例如西安、郑州等地的最高温度能超过我国东南地区的城市。在我国，北方寒冷地区还有一个明显的气候特点，即季风气候显著。我国的冬季风发源于蒙古，主要会有来自西伯利亚的西北风和东北风，而在炎热的夏天，风主要是来自太平洋、印度洋的东南、西南风。另外，不同的纬度及不同的地形也对风向有不可忽视的影响。北方寒冷地区由于纬度较高，因此在夏季太阳辐射较强，主要的降水也集中在夏季，而春秋两季时间较短，且降水量较少，还可能因为气候干旱而使局部出现沙尘暴。

在对北方寒冷地区公共建筑进行设计时，设计人员需要充分考虑气候因素，从气候条件出发，设计更具专业性和适用性的公共建筑，满足公共建筑基本的防风、防寒等要求。首先，在北方寒冷地区设计被动式公共建筑时，需要充分考量风环境要素。在北方地区，风速大，强风会降低室内温度，加速室内热量的流失，所以很容易让人感冒。对此，设计时需要加强屏蔽防备。另外，在建筑选址时需要从当地的主导风向、风速等方面进行综合考量。其次，要关注光环境要素。日照是建筑设计中的重要因素之一，且北方冬季和夏季的太阳辐射情况存在明显差别，所以设计时需要充分考虑光照因素。最后，要考虑降水因素。北方地区由于冬季温度较低，降水时多会与降雪协同呈现，同时冬季湿度很高，这些因素都会影响到建筑设计。

在我国北方寒冷地区，夏季气温较高，所以制冷所需要的能耗较高，而在冬季，制暖也需要很高的能耗。如此鲜明的气候对比，会降低建筑室内的舒适度，因此北方寒冷地区的自然舒适度较低。为了降低建筑能耗、节约自然资源，同时尽可能以最低的成本打造人们日常所需要的室内舒适环境，我国亟待将被动式设计方法引入公共建筑设计之中。

二、被动式建筑

我国作为一个历史悠久的文明古国，在历史发展过程中形成了“天人合一”和“以人为本”的思想，且这些思想都融入了我国的建筑设计。如北京的四合院，其坐北朝南的布局使得建筑可以获得尽可能多的采光。在四合院的内部，东西南北各个方位的房间各自独立，并且拉开了一定的距离，以内庭院的存在丰富了建筑的使用空间。四合院的墙体一般都是厚重的，这样可以在夏季阻挡太阳辐射，而冬天则可以有效阻挡寒风，从而提高建筑的舒适度。

而在干燥少雨、冬季寒冷的陕北地区，人们顺应山地地势建造了窑洞。窑洞封闭内敛，主要的形体都隐藏在了黄土之中，没有过多形体的变化，且冬暖夏凉，使建筑融入了自然。在新疆地区，当地气候十分干旱，降雨量特别少，并且太阳辐射强，日照时间长，因此该地区的民居形成了自己的风格。E7549D4C-8CB0-4D80-9E95-0181EFA52939

新疆民居大多以未焙烧而仅仅做了简单加工的原生土为材料，就地取材，并且生土导热系数小，热惰性大，隔热性好。这里的建筑大多采用半地下的形式，而且建筑与建筑之间互相遮蔽，形成室外“灰空间”和“冷巷”，以方便人们在炎热的夏天在建筑之间穿行、纳凉。除此之外，我国的岭南及皖南地区经过长时间的实践过程形成了结合当地气候、与环境和谐共生的被动式建筑类型。

我国节能建筑发展起步于20世纪80年代，随着国外掀起了被动式节能建筑的发展热潮，我国也开始探索本土的被动式方法。在生态研究的视角下，吴良镛先生曾提出了“广义建筑学”的理念，将绿色生态的理念移植到了建筑设计和城市规划之中，提倡建筑要与自然环境相融合，以此來建立可持续发展的人居生态环境。对此，我国逐步制定了从30%、50%、65%直至今日75%的节能标准，不断降低建筑所产生的能耗。经过长期实践经验的积累与我国建筑界人士的积极探索，我国也拥有了一套属于我们自己的绿色建筑评价体系。

2010年，世界博览会在上海举行，展览会以“城市，让生活更美好”为主题，号召人们关注自然、人类、城市的共同发展。在展览会城市实践展区中，众多国家的绿色可持续住宅构思性设计得到了展出。在展览会结束之后，德国将被动房“汉堡之家”作为礼物送给上海，这是被动房第一次在中国出现。世博会虽然展出了被动式建筑，但是并没有引起广泛的关注。直到2013年位于河北省秦皇岛市的中德合作建造的被动式住宅房屋示范项目“在水一方”竣工，被动式建筑才在我国的建筑行业开始得到广泛关注。而后经过短短两年的发展，到2015年12月，全国各处已建成的和计划要建的被动式建筑项目就达到50多个。

近些年，被动式建筑在我国政府的积极提倡与推动下，在建筑界掀起了一阵建造热潮，极大地推进了我国被动式建筑的发展。

三、被动式公共建筑设计策略

（一）合理安排建筑布局

在我国的寒冷地区，人们对于建筑的采光有着非常高的要求，充足的采光可以保证建筑在冬季能得到足够的热量，为建筑在采暖季节提供良好的室内热环境，从而降低建筑因采暖所产生的能耗。而公共建筑因为人员密度较高，更应该加强采光，从而在寒冷的冬季为室内尽可能多地补充热量，营造良好的建筑室内光环境。

对此，一方面，建筑的周围应当尽量减少遮挡，以保证建筑获得充足的光照;另一方面，必须充分考虑建筑所在地的光照情况，以此来确定建筑的具体建造方式及建筑的最佳朝向。根据经验，在我国寒冷地区，建筑的最佳朝向为正南方向东西10度左右，而最不利的朝向是西侧，因此在建筑设计上应尽量避免在东西方向上布置主要的建筑功能用房。

（二）适当控制建筑间距

公共建筑在建筑的间距上应该满足相关的消防要求及各类建筑规范的最低控制条件。针对不同的项目，应根据实际要求合理安排建筑间距，尽量加大新建建筑与现有建筑之间的距离，以保证新建筑能获得足够的光照，同时应该确保土地容积率在合理的范围之内。

（三）组织良好的自然通风

在北方寒冷地区，建筑群的布局必须考虑到冬季和夏季的室外风环境情况，考虑到夏季通风与冬季防风的要求。合理的建筑通风可以在夏季去除室内过多的热量和污染，保证室内有充足的新风量，降低空调的制冷负载，营造舒适的建筑使用空间;在冬季，则可以避免室外冷风带走室内热量，减少建筑的热量损失。寒冷地区建筑的自然通风组织应考虑三点：一是合理控制和利用场地地区的主导风向;二是避开建筑风影区的不利因素;三是考虑建筑群体布局对场地内自然通风的影响，并通过建筑群体的布置对场地内的自然风进行引导及控制其风速。

（四）控制建筑形体

在寒冷地区，对建筑形体的控制在被动式建筑设计中具有明显的作用。在进行建筑设计时，要控制建筑物体形系数。建筑体形系数指的是建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的体积的比值。建筑体形系数数值越大，说明该建筑与室外空气所接触的面积越大，也说明该建筑物不利于在冬季保暖。因此，《公共建筑节能设计标准》对于建筑的体形系数有明确的要求，如采用合理的建筑设计方案的单栋建筑面积应小于800m2，其体形系数一般不会超过0.5。

（五）控制窗墙比

建筑的门窗构件是建筑保温方面最薄弱的环节，是冬季建筑热损失最多的部位，同时夏季也是日照得热最多的部位，因此建筑窗墙面积比的合理设计对于建筑保温节能的实现有着重要意义。近年来，为了提升建筑的通透性，公共建筑的开窗面积变得越来越大，这也导致了大量能源的浪费。对于寒冷地区的公共建筑，我国的相关标准规定其窗墙比应一般不超过0.7。

（六）设计外围护结构

提高建筑外围护结构的热工性能是最直接控制建筑能耗的方式，因此在建筑设计时，应对建筑墙体的传热系数、建筑的气密性等做严格的要求，以满足人们对建筑保温的需求。

四、结语

随着我国生产力水平不断提高，我国人民对于生活的要求也在不断提升。近些年来，“绿水青山就是金山银山”的理念已渐渐深入人心，同时社会正处于转型发展阶段，绿色发展、高质量发展是重要的发展方向。各类建筑物消耗了大量能源，因此在建筑中进行节能设计是保护环境很有力的举措之一，用尽量少的资源消耗来满足人类对建筑的使用要求，也是现阶段建筑设计所必须考虑的问题。除此之外，建筑设计必须考虑所处的地域环境，要使建筑设计能符合当地的气候特点。而为了实现建筑的节能化，人们往往在建筑设计中考虑加入被动式的建筑设计。笔者认为，被动式的建筑设计不能只是单一地考虑应用某一种被动节能策略，而是应注重多种方式之间的相互作用，在多种被动式技术之间合理组合，找到最合适的被动式建筑设计方法，同时要保障建筑的功能性及艺术性，以实现建筑艺术与建筑技术的完美统一。

参考文献：

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作者简介：

孙明宇，河北建筑工程学院硕士研究生。研究方向：绿色建筑与建筑节能。E7549D4C-8CB0-4D80-9E95-0181EFA52939