四川夏热冬冷地区生态住区规划及被动式节能住宅设计初探——以成都市为例

李虹霖 （成都大学，四川 成都 610000）

1 研究背景

建筑耗能在整个能源消耗格局中占较大比例，其消耗世界资源并产生环境污染。在中国，城镇化促使各地居住用地和住宅不断增多，住宅规划和设计开始受到广泛关注。然而，目前住宅设计多停留在依靠机械设备的主动式节能，所采用的生态节能方式的效果也有待评估与反馈。

成都是夏热冬暖地区，建筑无供暖，存在能耗大、通风差的问题，同时城市发展也带来了环境污染问题，热岛效应日趋严重。

1.1 研究意义

生态节能建筑能减少耗能从而改善环境污染；优化居住区生态，提高生活质量，间接体现城市的现代化水平；能够为单一的市场发展提供更多更合理的生态节能方式，避免节能技术的简单堆砌；将生态节能设计从二维提升到三维，以实际工程为基础，辅以计算机模拟及环境测试突破传统研究模式。

生态住区规划及被动式节能住宅的推广对减少不可再生能源的消耗及我国大气污染的改善有着明显作用，对优化自然环境起到积极作用。

1.2 研究现状

生态建筑的研究国内已有学者涉及，多数为生态学理论在建筑领域运用、指导的设计理论框架、原则，学习国外先进的建筑经验等，但对实际工程、实践项目的研究较少，以计算机模拟、环境效果测试进行分析的研究较为缺乏。国内外对于生态住区及被动式节能住宅的研究均未有结合软件模拟对设计方法进行论证阐述的先例。

2 地理位置基本信息收集

将成都的地理信息输入Autodesk Ecotect Analysis 中的WeatherTool，提取以成都为代表的夏热冬暖地区的气象资料。

2.1 太阳辐射分析

如图1 和图2 所示，成都地区夏季平均曝辐射量约为1400 kWh∕m2，冬季约为400kWh∕m2。成都地区建筑最佳朝向165°，最差朝向75°，全年平均辐射量最多的朝向108°，过冷时间内辐射量最多的朝向166°，过热时间内辐射量最多朝向88°。根据分析得出的太阳能利用角度对初步设计有着重要作用，影响建筑朝向、体形系数以及建筑的窗墙比。

图1 太阳辐射量

图2 最佳朝向分析

2.2 焓湿图（图3）

焓湿图可提取舒适区域范围，其同时考虑了空气温度、相对湿度、气流速度和周围环境的辐射温度。焓湿图中显示的地域数据资料同时也决定了该地区室内被动式节能的设计方式对建筑热舒适的影响，以此可确定最有效的被动式节能设计方式。如图3所示，黄色区域为热舒适区间，蓝色的深浅表示逐日频率。

图3 焓湿图

2.3 被动式策略分析

如图4 所示，采用被动式太阳能采暖可以提高成都3、4、5、6、9、10、11月的室内舒适度，但效果不显著。采用自然通风可以提高成都5～10 月的室内舒适度。夜间通风与高蓄热性的围护结构或附加构件一起使用时，可改善3～6月，9～12月的室内舒适度。

图4 被动式策略逐月效果图

如图5所示，被动式策略在3～10月效果明显，自然通风在夏季作用显著，综合运用各种被动式策略可提高全年舒适度约3倍。

图5 被动式策略总效果图

3 节能设计方法与案例分析

被动式住宅的节能需要考虑多方面因素。其中外围护结构是耗能最严重的部分；建筑设备，生物景观等都可以辅助降低能耗；而能耗也与室内舒适度相关。

3.1 围护结构的节能设计

3.1.1 墙体设计

外围护结构首先应满足规范需求，节能方面可采用保温技术减少建筑对能源的依赖，根据成都地区环境特征，选择适当的保温隔热材料，于墙体结构增设一层或多层保温材料形成内保温、夹心保温和外保温复合墙体。

3.1.2 屋顶设计

适用于成都市的屋顶热工设计方法有：加隔热保温材料、倒置屋面（改变围护结构的传热系数）以及屋顶通风防热设计（利用风压、热压）。

Ecotect中对屋顶热工分析主要也是通过对屋顶材料的替换对比来实现，即改变屋顶材料的热阻和传热系数。

3.1.3 窗户设计

采用高能量穿透率和地传热系数的玻璃和窗框窗扇材料。成都西晒严重，因此西向应注意遮阳，而东向外窗玻璃的遮阳系数可降低，并提高外窗的气密性。根据功能、预算等选择合适的节能玻璃，如中空玻璃、热反射玻璃、吸热玻璃、玻璃替代品（聚碳酸酯板）等。除了材料，窗户的大小也会直接影响建筑能耗，应根据房间功能设置合适的窗墙比。

3.2 通风组织

3.2.1 建筑朝向

建筑朝向应有利于自然通风，风与建筑产生的夹角，建筑与周围环境的遮挡关系，建筑外形等都会影响通风，利用风压实现自然通风需要塑造良好的建筑外部风环境。根据成都市全年风向特征调整建筑朝向，将原为北偏东30°的建筑改为正北方向之后，全年总能耗降低。

3.2.2 热压通风

利用建筑内部空气的热压差形成自然通风是建筑设计中常用的方式，也称为“烟囱效应”。它广泛应用于高层建筑中，利用狭小空间受热促使空气升温上升，外部的新鲜冷空气则被吸入内部，形成风力循环，降温节能。热压通风依靠室内外的温差，需合理设置进、出风口的高差。

在实际案例中，在对角布置门窗位置，增加其高差，以及空间夹层的设计，都是利用风压与热压的共同作用，增强建筑自然通风效果。调节室内温度的同时，保证空气质量，也能辅助节能。

3.3 生物气候层

生物气候学建筑是生态建筑的基础，其原理是学习生物体的有机特性实现连续自我调节。生物气候学方法并不能完全取代人工机械设备在建筑中的作用，但可以有效减短依赖设备的时长，相比传统建筑全年依靠设施设备，其能源消耗大幅减小。

3.3.1 垂直循环系统

垂直循环系统主要指建筑内的竖向联系空间，如楼电梯、自动扶梯、坡道等，通常是整个建筑的“服务核”，同时是高层建筑交通、支撑的重要部分，是保障多高层建筑正常使用的核心。

从生物气候学角度，认为服务核应设在建筑表面“热”的一侧或两侧，既能获得自然光和自然通风，又可形成“缓冲区”，避免外部冷热空气对内部空间的直接冲击。在成都地区，西侧设置可防晒，北侧设置可防寒。

3.3.2 垂直景观

垂直景观是把景观引入建筑，吸引其他生命体，再结合地面绿化，形成景观微系统，可调节建筑微气候。绿色植物光合作用和视觉美观可为使用者提供新鲜的空气和更舒适的环境。空中花园，屋顶绿化等是常用的方式，在成都垂直景观需要考虑风作用及生物影响，共同改善室内外环境。

3.4 室内照明技术节能设计

成都地区以阴天为主，需要的人工照明时间长，功率大，因此合理的照明设计也是降低建筑能耗的关键。应尽可能利用自然光提供照明；利用Ecotect分析室内的自然采光，找出使用照度不足的位置，再根据功能需要增设人工照明；注意选择节能灯具。

3.5 案例分析

以成都市某小区为例，进行能耗分析。同一个户型，保持其他条件不变，分别改变南、西墙材质，改小窗户尺寸，改为相反朝向后的能耗模拟分析图进行比较。从全年总能耗图中可以看出，改变外墙材料，即改变传热系数对总能耗的影响最大，缩小窗户大小，使得散热更少，保温性能更好，总能耗降低，但效果不如改变外墙材料明显，改变朝向对总能耗也有一定影响。如图6所示，改变围护结构的构造设计，可以找到最经济，最有效的构造。同时可看出，外墙材料还是原材料更优，房间窗户可以改小，改变朝向后更优。

图6 能耗分析图

如图7所示，太阳辐射能小于3MJ∕m2d的区域需要种植喜阴植物，太阳辐射能介于3MJ∕m2d～6MJ∕m2d的区域适合种植中性植物，太阳辐射能高于6MJ∕m2d的区域适合种植喜阳植物。原设计庭院中主要为中性植物，植物种类单调不够丰富。南部镂空后的建筑外部场地植物配置基本不变，内部植物配置有较大变化，中性植物依旧占大部分，喜阴植物的比例有所增加，这样能改善庭院内部植物配置情况，丰富植物种类。

图7 植被配置分析图

原始设计中，灯具布置较为稀松，照度值达到300lux的面积不足一半，故设计存在照明不足的问题，如图8 所示。修改后，增加灯具数目，建筑中大部分平面的照度值达到了300lux，特别是客厅和餐厅的照度比较均匀，修改后合理利用设施满足使用及节能要求。

图8 人工照明分析图

4 结语

对于生态建筑来说，各种技术或者是策略的堆砌不是解决能源与环境问题的好方法。一个好的生态住区和被动式节能住宅的设计除了满足国家以及建筑设计规范，还应该立足于自己的地域环境，运用的节能策略应该适应于当地环境特征，真正做到因地制宜，让生态建筑更具实施性。