自然能高效利用与夏热冬冷地区居住建筑布局特点

朱炜亮

(常州市规划设计院，江苏常州 213002)

夏热冬冷地区居住建筑受到气候特征、民俗特点和建筑文化等影响，逐渐形成了其特有的建筑特点。其居住建筑要求冬季能避风并尽量获取较多的太阳辐射;夏季则需保证室内通风和遮蔽来自室外的较强太阳辐射。所有这些传统建筑的设计无一不是为了保证室内更好的舒适环境即更高的室内舒适度，而更多的利用自然能。夏热冬冷地区的居住建筑自然能利用方式除了传统的利用太阳能和自然通风外，近年来也越来越多地采用了太阳能热水、地源热泵等可再生能源利用形式。本文将从自然采光、自然通风等方面介绍建筑的特点，也从主动节能模式——可再生能源设备利用方面介绍建筑的特点。

1 利于被动节能模式的建筑布局

建筑布局应统筹考虑建筑选址、朝向、间距等，对建筑规模、密度、间距、高度、绿化以及交通组织、路网结构等基本参数合理确定，使总平面布置、建筑形态、方位朝向等与自然气候、地形、地貌、周边建筑、河湖水面及自然植被等相适应。夏季调节建设区域风环境，改善室内自然通风状况，控制太阳辐射热的影响;冬季最大程度利用太阳能提供室内热源，改善室内热环境，并且考虑建筑物外表面的风速，减少热量的散发，保证日照时数。充分考虑节能、利于被动节能技术应用的建筑布局将为建筑单体节能设计提供良好的基础。

1．1 建筑选址

建筑所处位置的地形地貌将直接影响建筑的日照得热和通风，从而影响室内外热环境和建筑耗能。传统建筑的选址通常涉及“风水”的概念，重视地表、地势、地物、地气、土壤及方位、朝向等。传统民居常常依山面水而建，剔除“风水”中的迷信、非科学的因素，其利用了山体阻挡冬季的北面的寒风，利用了水面冷却夏季南面的季风，在建筑选址时因地制宜地满足了日照、采暖、通风、给水、排水的需求。建筑的位置宜选择良好的地形和环境，如向阳的平地和山坡上，并且尽量减少冬季冷气流的影响。但是，在当今现代社会，对建筑选址的可操作范围常常很有限，建筑节能理念更多的是根据场地周边的地形地貌，因地制宜地通过区域总平面布局、朝向设置、区域景观营造等来实现。

1．2 建筑朝向

影响建筑朝向的主要因素是日照和通风。良好的建筑布局可以使建筑更多的房间朝向南向，充分利用冬季太阳辐射热，节约采暖能耗;也可以减少建筑东、西向的房间，减弱夏季太阳辐射热的影响，节约制冷能耗。建筑最佳朝向一般取决于日照和通风两个主要因素。就日照而言，南北朝向是最有利的建筑朝向。从建筑单体夏季自然通风的角度来看，建筑的长边最好与夏季主导风向垂直;但从建筑群体通风的角度来看，建筑的长边与夏季主导风向垂直将影响后排建筑的夏季通风;故建筑规划朝向与夏季主导季风方向一般控制在30°～60°之间。如DGJ 32/J71-2008江苏省居住建筑热环境和节能设计标准要求:居住建筑朝向宜为南偏西5°至南偏东30°之间。实际设计时可以先根据日照和太阳入射角确定建筑朝向范围后，再按当地季风主导方向进行优化。优化时应从建筑群整体通风效果来考虑，使建筑物的迎风面与季风主导方向形成一定的角度，保证各建筑都有比较满意的通风效果，也可以使室内的自然通风效果更好。如南京地区，夏季的主导风向为东南风，这样南北朝向布置的条形建筑是有利于自然通风的。

1．3 建筑间距

影响建筑间距的主要因素有日照、通风、防火、防噪、卫生、通行通道、工程设施布置、抗震要求等。

建筑物有充分的日照时间和良好的日照质量，不仅是建筑冬季充分得热的前提，也是使用者的身体健康和心理健康的需求。日照时间和质量主要取决于总体规划布局，即建筑的朝向和建筑间距。较大的建筑间距可以使建筑物获得满意的日照，有利于建筑节能，但常常会与节地要求相矛盾。因此，在总平面设计时，对单体建筑而言，应坐北朝南，在其南侧应尽量留出开阔的空间，有利于冬季更多的日照;对建筑群而言，要合理布置各建筑物的位置和朝向，使其达到有良好日照和建筑间距的最优组合，如建筑群采取交叉错排行列式，以利用斜向日照和山墙空间日照等。从竖向布局来说，建筑群的前排建筑采用斜屋面或把较低的建筑布置在较高建筑的阳面方向都能够缩小建筑的间距。在体量较大的大型建筑单体设计中，也可以采用退层处理、合理降低层高等方法达到这一目的。如DGJ 32/J71-2008江苏省居住建筑热环境和节能设计标准要求:居住建筑的日照间距，按DB 32/380-2000江苏省住宅设计标准及“江苏省城市规划管理规定”的日照环境执行;冬至日底层南向房间宜保证日照时数1 h以上。

1．4 总平面布局

建筑群的位置、分布、外形、高度以及道路的不同走向对风向、风速、日照有明显的影响，考虑建筑总平面布局时，应尽量将建筑体量、角度、间距、道路走向等因素合理组合，以期充分利用自然通风和日照。

传统民居大多坐北朝南，比较密集，相邻建筑东西山墙夏季能相互遮挡，起到遮阳的效果。巷道大多幽深狭长，夏季比较阴凉，常常可以形成凉爽的巷道风，是纳凉的好去处;但这种布局在冬季巷道内难有阳光进入。

当建设区总平面布置不规则，建筑体型和立面复杂，条式住宅长度超过50 m时，建筑密度很高(如高层点式住宅布置过密)时，建筑日照间距系数难以作为标准，必须用计算机进行严格的模拟计算。由于现在不封闭阳台和大落地窗的不断涌现，根据不同的窗台标高来模拟分析建筑外墙各个部位的日照情况，精确求解出无法得到直接日照的地点和时间，分析是否会影响室内采光也很重要。因此在容积率已经确定的情况下，利用计算机对建筑群单体建筑和日照进行模拟分析，可以对不满足日照要求的区域提出改进建议，提出控制建筑的采光照度和日照小时数的方案。此外，利用计算机模拟分析日照，可以对冬季单体建筑被动采暖和夏季遮阳的效果进行预先评估。

2 适宜太阳能应用的建筑布局

1)太阳能光热与建筑一体化设计。为了建筑一体化的要求，太阳能热水系统必须采用分体承压，并在产品结构上容易和建筑完美结合。对太阳能热水系统要求，分体承压，合理布局，集中或一对一的形式都可以。但对于水管布置要求建筑提供竖井，保证系统质量和性能上满足高效、长寿命等要求。2)当不能满足所有住宅建筑要求时，可对部分住户进行太阳能光热设计(满足局部要求)。长江中下游地区，多数省份明确指出了多层建筑或12层建筑应将太阳能利用与建筑进行一体化设计。因此对于12层(包括12层)以下的新建居住建筑能够保证采用太阳能热水系统。而对于12层以上的高层建筑，可对部分楼层的住户统一设计太阳能光热系统，达到充分利用太阳能光热的目的。3)建筑布局。a．由于目前太阳能集热器多布置于屋顶，因此要求建筑屋顶部分严禁设置高大遮挡物(如广告牌等)。b．建筑设计时应充分考虑配合太阳能热水系统和管路的布置空间。

3 适宜土壤源应用的建筑布局

建筑布局时宜考虑建筑可用土地面积。

1)建筑布局特点——建筑容积率。对于地源热泵系统在居住建筑中的应用，应考虑建筑容积率。由于地源热泵需要一定量的场地用于布置换热管。因此，对于可利用土地面积较少的建筑，不适宜采用地源热泵系统。2)建筑当地地质情况。长江流域岩土资源丰富，上、中、下游地区分布不平衡。又由于长江流域横跨我国大陆三大地势阶梯，因而具有岩土水平地带性分布与垂直地带性分布相互交错的特点。不同区域岩土水物性参数差别较大，故须详细了解建筑当地岩土地质情况。地质情况可结合地质勘探部门，并做地下换热试验，科学的分析需要打井的数量和成本。通过以上工作进行经济技术比较分析后确定地源热泵方案。

4 适宜水源热泵应用的建筑布局

1)水源热泵系统方案之前的工作。目前，长江中下游地区对地下水源的使用控制较为严格。因此，在长江中下游地区主要利用地表水源进行水源热泵利用。在具体进行地源热泵系统方案确定之前，必须首先作好基础资料的收集与可行性论证工作。基础资料除了与普通中央空调系统相同的要求之外，对于地源系统部分还需要以下一些内容:总平面布置和地表情况，包括:a．项目范围的大小和形状。b．项目周围现存和规划建筑。c．道路，绿地，人工景观和附属设施的情况。d．现有的可利用水源情况。水文和地表水的调查报告，包括:地表水应用调查报告。

2)建筑布局要求。由于水源热泵系统要求建筑周围有充足的水源，因此采用水源热泵系统的建筑布局要求:a．离水源的距离不宜太长，由于将利用的水从水源地输送到制冷机组附近需要消耗能源，距离越远，能耗越大。因此，控制水源到机组或建筑的距离尤为重要;b．住宅建筑需提供独立的机房。

5 自然能充分应用和能源结构优化配置

推广可再生能源在建筑中的应用是提高能源利用效率、优化能源结构、保障能源安全的必然要求。适宜夏热冬冷地区居住建筑使用的可再生能源种类有太阳能光热、地源热泵和水源热泵。在进行建筑规划时应充分考虑到其自然能使用形式的多用化。

为了保证自然能源充分应用，并且将能源结构优化同建筑布局完美结合，则需要考虑以下方面的内容:

1)建筑规划前应综合规划可再生能源，并进行评估。可再生能源在建筑中应用量的评估是根据建筑规划的参数，可再生能源建筑应用资源情况的调查，包括太阳总辐射量、静止水域资源情况、流动水域资源、地质情况。通过对可再生能源建筑应用资源情况的调查，计算建筑采用太阳能光热、地源热泵或水源热泵等可再生能源的应用量，并进行经济比较分析，最终评估可再生能源在居住建筑中应用的水平。为自然能充分应用，优化建筑能源结构提供了依据。

2)对于采用集中空调的居住建筑，应考虑采用高效节能的冷热源方式，并考虑采用地源热泵、水源热泵等技术。

6 结语

根据上文的分析，自然能利用下，被动式建筑节能和主动式建筑节能的建筑布局如下:

1)被动节能模式的建筑布局中应考虑选择良好的地形和环境;建筑规划朝向与夏季主导季风方向一般控制在30°～60°之间;建筑间距应满足日照需求;总体布局错落有致。2)太阳能光热建筑应用。设计上应保证太阳能热水系统与建筑一体化设计;根据建筑屋面利用情况充分利用太阳能热水;同时建筑布局避免外界对太阳能热水的遮挡。3)土壤源热泵系统应用应考虑建筑容积率，分析出可提供地源热泵打井的土壤面积与建筑需求的匹配;检测分析地下岩土换热性能，分析打井成本和数量。4)水源热泵系统的应用应考虑建筑与水源的距离。自然能在建筑中的应用是提高建筑能源利用的必然要求，在进行建筑设计时应评估建筑自然能利用潜力，分析建筑与自然能利用的优势。

［1］DGJ 32/J71-2008，江苏省居住建筑热环境和节能设计标准［S］．

［2］DB 32/380-2000，江苏省住宅设计标准［S］．

［3］李 思．太阳能利用与建筑表皮结合的发展研究［J］．山西建筑，2013，39(13):196-197．