中原地区生态建筑节能设计策略和技术研究

马俊，张娜娜

（安阳师范学院建筑工程学院 河南 安阳 455000）

0 引言

生态建筑的核心是通过对气候、环境的合理应对，达到使人体舒适和节能的目标。国内的建筑实践领域已经逐步认识到冬冷夏热地区的节能设计应该遵循自己的规律。对于该地区的建筑节能措施，本文系统地整理出生态建筑的环境因子以及设计策略，以供进一步探索和研究。

1 中原地区气候概况及建筑节能现状

1.1 地理位置和气候特征

中原地区通常指黄河中下游地区，以河南省为主体，属于温带季风气候。其特征为夏季高温多雨，冬季寒冷干燥。气候的大陆性较显著。在《建筑气候区划标准》中河南为第II建筑气候区，即所谓的“中原夏热冬冷区”。在 《民用建筑热工设计规范》中，河南属于夏热冬冷地区。

1.2 气候概况

该区冬季较长且寒冷干燥，夏季较炎热湿润，降水量相对集中，日照较丰富，春、秋季短促，气温变化剧烈。该地区主要的一些气候数据为：1月平均气温为-10～0℃，7月平均气温为18～28℃；年平均相对湿度为50%～70%，年降水量为300～1000 mm;年日照数为2000～2800 h。

中原地区夏季闷热，冬季阴冷。在缺少采暖和空调措施的情况下，该区室内温度接近整个温度变化曲线的顶点。

1.3 中原地区建筑节能、热舒适性现状

传统上，中原地区的多层建筑普遍使用24 mm粘土砖作为外墙材料，这种砖并没有很好的保温隔热性能；窗户则主要使用铝合金单层玻璃窗。由于购买者追求更好的视觉效果和通透性，住宅建筑的窗墙比有增大的趋势，更加不利于保温隔热。建筑设计中对遮阳的考虑不足，因此热量很容易通过辐射进入室内，增大了制冷耗能。此外，以平屋顶为主的建筑向室内传热也比较严重，门窗气密性差，也为冬季冷空气渗透创造了条件。

过去由于条件限制，夏季没有制冷设施，冬季也没有采暖措施，室内极为不舒适。随着生活水平的逐步提高，中原地区居民纷纷采取措施自行解决室内冬季过冷、夏季过热的问题。对于中原地区的特殊条件，人们往往采用双制空调。然而，双制空调从室内吸收热量排放到室外，整体而言，对环境增添了负担，使得热岛效应更加明显。同时，为了除湿，空调凝结水排到室外，在室外蒸发后会使城市天气更加湿热。冬天则是相反的方向，但同样是以牺牲外部环境舒适度为代价来换取室内舒适度提升。

2 中原地区生态建筑设计策略

长期以来，我国建筑节能技术的探讨偏重于北方寒冷地区，因此更多应对的是单一的保温需求。夏热冬冷地区的建筑节能需求有其特殊性。夏天要减少得热，而冬天则要增加得热，这使得建筑设计策略上产生了一个需要加以平衡的矛盾。夏热冬冷地区生态建筑的设计，需要兼顾夏季防热、降温和冬季保暖的需求。而冬季保暖的需求比夏季防热、降温的需求稍弱，因为人可以通过加减衣物的方式在冬季进行调整，而夏季室内温度过高，很难通过人自身生活的改变来进行。此外，本地区全年气候变化强烈，降水量大，这为建筑材料和技术提出了较高的防水、防潮、耐久要求。

2.1 选址、规划

建筑群体组织的原则是有利于自然通风。多数的条式建筑应该跟主导风向保持在30°和60°之间。综合考虑日照、通风并要保证一定的间距。排布可前后相错以留出风道。在住宅小区规划中尽量遵循前疏后密、前短后长等布局方式，为气流创造通路。在群体布局上不应采用周边式和混合式，因为这两种方式较不利于自然通风。

2.2 平面体形

控制平面体形是建筑节能的基本手段之一。建筑的得热失热，很大程度上取决于建筑体的表面积。夏热冬冷地区同样遵循尽量减小体形系数的原则，但与北方地区不同，体形系数对于能耗的影响与北方相比小约50%。若体形系数过小，建筑进深会很大，不利于获得自然通风。

2.3 朝向、采光、通风措施

在建筑设计中，要想在有自然采光、通风的同时减少通过围护结构的热损耗，需要使建筑具有适当的窗墙比。据研究，夏热冬冷地区建筑窗墙比与空调耗能量基本呈线性关系。但在一定范围内，适当增大建筑窗墙比能更好地保证自然通风。同时，朝向对于能耗的影响也是显著的。开窗方向应采用南北朝向，尽量避免东西向开窗，同时南北窗面积应大致相等，这样通风的效率最高。在建筑设计中，如果不能采用自然的风压通风，则应尽量利用烟囱效应，进行热压通风设计。

3 中原地区生态建筑节能设计与技术

围护结构节能最基本的原则是在材料、构造方面减小热阻。一般来说，通过围护结构的传热量可以这样计算：Q=K·A·(Ta-Ti)，其中Q为热量，K为围护结构的传热系数，A为建筑的体形系数，Ta-Ti为围护结构内外的温度差。

3.1 屋面

屋面因其位于上方，是接受日照最直接、时间最长的围护构件，而且传热面积大，因此散热量也较大，所以屋面的处理对节能具有很大意义。住宅建筑应尽量采取坡屋面，坡屋面一方面使建筑形体更加活泼、丰富，增加顶层可利用的空间，更重要的是可以更好地满足屋面的保温隔热要求。目前，覆土种植屋面越来越广泛地应用在建筑设计中，覆土种植屋面不仅有利于隔热，也对环境绿化做出了贡献。种植不同的植物有不同的做法，各种做法的造价、适用性不同，具体的构造方式应酌情而定。为了能在夏天有较好的散热，还可以采用架空屋面。

3.2 墙体

墙体的节能要点主要在于尽量使其材料、构造满足保温隔热的要求。墙体的材料应尽量选用浅色建材，此外还可以尽量采用以回收废弃建材为原料加工而成的各种建材，以降低建材的资源消耗。目前，主要有以下几种常见的复合墙体，各有利弊之处。

内保温型墙体：干作业，施工进度快，但技术上不合理之处较多。

外保温型：施工技术成熟，但对工艺水平要求高，要求保温材料本身具有较好的抗裂、放透气、拒水、抗震、抗风压等耐候性和耐久性。

混凝土夹心墙：耐久性、防火性好，但是施工难度大，抗震性能差，容易形成热桥。

3.3 窗

在诸如河南等夏热冬冷地区，窗体辐射传导的得热量占空调总能耗的30%，冬季占采暖能耗的21%。对窗户的设计，其节能途径依据的是通过窗造成的能源损耗。一是由于热工性能不佳，使得热量从夏季制冷和冬季采暖形成的室内外温差中流失；二是由于太阳辐射透过窗玻璃，增大了室内制冷消耗的能耗。这两点中，第一点应当尽量避免，即应当采取各种措施减少窗因为两边温差造成的热流失。而第二点在冬季有利于增大室内温度，在夏季则应当采取一定的遮阳措施。

应对由于热工性能差造成的窗能源损耗，需努力提高窗的气密性，窗框应该采取热工性能较好的木材、塑钢等断热材料及构造，并采用热工性能较好的玻璃。如有条件，可采用中空防辐射玻璃，进一步增强窗的保温性能。在窗形的设计上，应尽量避免过于突出的飘窗和落地窗等。

在建筑设计中采用一定的遮阳构件能有效减少夏季室内得热。遮阳构件的设计方式多样，归纳起来大致有三大类：利用绿化的遮阳、结合建筑构件处理的遮阳以及专门设置的遮阳。结合建筑构件处理的手法,常见的有加宽挑檐、外廊、凹廊、阳台、旋窗等。专门设置的遮阳包括水平遮阳、垂直遮阳、综合遮阳、挡板遮阳、百叶内遮阳、内遮阳加镀膜、活动百叶外遮阳等。

4 结语

夏热冬冷地区的特殊气候条件使得我们在进行生态建筑的节能设计时，必须考虑兼顾冬季保温和夏季隔热的需求。在当今能源越来越稀缺的时代，建筑师更应该在建筑层面、设计策略和技术上努力营造舒适节能的建筑环境。对在中原地区进行生态建筑的节能设计，希望将来能在实践中进一步摸索相关原理和规律。

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