夏热冬冷地区绿色建筑空间与形体被动式设计方法研究

董浩明（上海建科建筑设计院有限公司， 上海 200032 ）

随着城市化的快速发展，城市建筑的建造和使用所带来的污染与能源消耗日益受到关注，成为经济转型发展的突破口之一。在建筑设计领域，“绿色建筑”技术也经历了飞速发展的阶段，新技术、新设备、新材料发展层出不穷。但是单凭主动式绿色技术的堆砌，不仅带来了高昂的设备投入费用，对建筑运营能耗的降低往往未起到质的改观。在生态文明的发展背景下，绿色建筑应是以建筑师主导，被动式设计为前提和核心，综合功能、性能、人文健康及技术因素的高质量建造品。

绿色建筑的被动式设计手法是指结合功能需要，在建筑设计布局、空间、形体、表层设计中，通过建筑手法对室外气候、室内环境的影响进行调节和控制的技术，此类设计通常是建筑前期产生，并无后期运维等长期费用投入。被动式设计要求建筑师充分了解并尊重建筑所在地区自然环境状况，通过对建筑规划布局、形体和空间组织、材料的选用、结构方式的选择等做出气候适宜性设计，减少对外部能源的输入和机电设备系统的依赖。与此相应的绿色建筑的主动式计手法，是指对建筑空间进行的必要的主动（制冷、制热、通风、照明等） 技术，营造舒适热环境空间，并提高设备能效的技术。

本文主要聚焦于夏热冬冷地区绿色公共建筑的空间设计与形体设计环节中绿色被动式设计手法及一些关键控制技术。

1 建筑空间设计

1.1 空间的组成与分类

建筑使用空间从与自然的关系看，可分为室外、室内、和室内外过渡空间 3 种类型。就室内空间与外界气候的关系而言，又可分为自然气候主导的开放性空间和以人工气候为主的封闭性空间。前者对自然气候要素具有明显的选择性，而后者对自然气候则往往是排斥的。不同的使用功能对于气候具有不同的适应性，通过合理设置建筑功能空间与室外气候的联系关系可以最大限度地利用自然资源，提高建筑能效。

建筑空间与室外气候的联系表现为 4 种不同的基本状态：融入、过渡、选择、排斥。应按照不同的建筑具体功能需求设置这 4 种状态，充分拓展融入和过渡状态，合理设置选择状态，严格控制排斥状态。

空间的舒适性要求与室外气候的差异是能耗发生的源头。使用空间因其不同功能而产生气候性能的等级差异，即对气候性能要素及其指标要求的严格程度，公共建筑空间可据此分为普通性能空间、低性能空间、高性能空间。

1.2 空间的组织与连接

在建筑单体布局中，根据夏热冬冷地区气候特征及场地环境要素，对不同能耗性能空间的组织（相互关系、相对位置及连接形式）进行设计，形成既符合使用需求、又利于形成建筑与自然良性关系，实现节约能源的开放系统。设计目的是使得普通性能及高性能建筑空间能在夏季通风排热，冬季保温，并减少过渡季空调使用时长及使用时的能耗。

根据不同性能空间及与室外气候联系状态进行设计，遵循“气候调节- 建筑能耗- 空间形态”相互作用的原理，强化“自然做功”在气候管理中的效率。此过程是建筑被动式技术系统性设计初期需要考虑的环节，具有明显的前置性。为保证后期空调系统与空间组织的耦合，建议此环节请空调工程师介入，对合理性进行验证。设计时应控制单一建筑空间在整体布局中的定位、相对位置，确保合理分区，优化能效表现

（1）保证人工气候调节仅用于最需要的区域，实现室内环境人工依赖最小化。普通性能空间宜布置在气候适宜性的位置，多具有良好的自然通风采光；低性能空间多集中布置在朝向或部位不佳的位置，例如卫生间、楼梯间等空间可布置在东、西向以减少西晒对主要使用空间的影响，也可布置在北向以抵挡冬季西北季风。以人工气候为主的高性能空间需控制外界自然要素的不利影响，往往布置在与自然环境相隔离的位置。利用低性能和普通性能空间的阻隔，使高性能空间获得更好的环境条件。

（2）通过合理配置同一功能或性能的区位，实现节能目标。控制同一功能或相同性能空间在建筑中的相对位置关系，同层或分层布置、通高或错层布置，实现同类空间的节能适宜性配置。

（3）普通性能空间可通过靠近产生富余热的设备空间以获取热量或者通过远离来满足降温需要。普通性能空间要优先利用自然通风与采光，在进深较小的平面中，多将普通性能空间布置在采光效果好的建筑外围及夏季迎风面，避免布置在背风面和朝向不佳的位置；在进深较大的建筑中，普通性能空间可贯穿形成开敞平面；也可靠近如中庭、边庭、天井等垂直流通空间以获得更多自然通风。普通性能空间宜结合院落布置，引入室外气候要素，或结合气候条件将院落作为气候缓冲带。

1.3 控制空间尺度

在普通性能使用空间中，控制平面尺度的主要参数是进深、开间与空间高度，主要影响因素为自然通风和采光。

（1）在没有特殊使用功能的要求下，通常采用浅进深布局，可获得较好的自然通风和采光。当单侧采光空间进深不大于 8 m 时，空间可完全依赖自然采光与通风。当进深过大，自然采光削弱，空间照明能耗增加。

（2）当建筑进深过大时，自然通风效果不是很好。可将普通性能空间形成开敞平面，靠温度不同或气压不同促使空气流动；或通过天井或通风井的布置，积极利用热压通风。注意在本气候区，穿堂风是最佳的自然通风方式。

（3）当空间进深过深时，自然采光不足，可将普通性能空间贯穿在一起形成开敞平面，采用天窗或中庭来辅助加强自然采光；中庭合理采光时，其高宽比一般控制在 3∶1左右。

（4）由于热空气上升、冷空气下沉，对于需要采暖的空间来说低矮空间热舒适性更优；对于需要制冷的空间来说高大空间热舒适性更优，热空气升到高出可以带走近地面的热量。为保证冬季采暖效率，应尽量避免无用过高过大空间，对普通使用空间来说，建筑室内空间高度达到 3 m 即可满足要求。可采用裸顶，或者不封闭的格栅吊顶来增高室内空间感受。如需采用高空间夏季带走空间热量，可考虑设置开启式的“通风井”，通过热压通风带走热量。

1.4 设置气候缓冲腔体

普通性能空间与室外空间间隔组合，中间形成没有明确具体功能的空间，是室内外气候交换和过渡的有效媒介，常作为为过渡型空间。中庭、边庭以及外廊、阳台等灰空间是其代表性形式。过渡空间独立布置是无意义的，需要与其他空间组合使用。

建筑气候缓冲空间位于需要补充人工气候的使用空间与自然环境之间，其目的是促进建筑外部与内部之间的气候要素交流，中庭、边庭以及外廊、阳台等灰空间是其代表性形式。这类空间不仅要满足使用者的基本使用需求，还要考虑建筑、人、环境的有机结合，并与多样的系统、地域、自然环境、技术体系动态复合。

气候缓冲腔体作为空间组合工具，是承载着空气介质的庞大载体，使建筑内部产生了气候梯度。合理设置能增加室内气候梯度、有效应对外界恶劣气候对于建筑内部的影响。外环境通过气候缓冲腔体的过渡对建筑内部空间的使用产生影响，使室内热环境始终保持一个舒适的状态，同时降低了建筑因此使用机械设备而消耗的能源。

缓冲腔体封闭性可分为 2 类：封闭性缓冲腔体-中庭、边庭等；开放性缓冲腔体- 外廊、阳台等；不直接接触外部环境的中庭空间是巨大能耗空间，如非功能需要不宜采用。

（1）气候腔体也可能带来能耗增加、舒适度降低的负面效果，设计时应通过对中庭的位置、尺度、体形进行优选，并通过模拟分析优化设计获得最佳效果。

（2）控制中庭空间在建筑中所占比例、高宽比及长宽比等，改变引入建筑的自然采光、太阳辐射以及通风。充分利用中庭热压通风，发掘中庭自然采光的节能潜力，减少建筑的照明能耗、采暖能耗以及制冷能耗。

（3）中庭面积占比可适宜放大，宜采用长宽比适中（可为 2∶1）的中庭。单纯从通风角度，宜尽量增大中庭空间高宽比，通过高耸狭长空间，增强热压通风。

（4）中庭顶面应进行得热与通风设计，顶面应有外遮阳及可排风设计。

（5）中庭剖面形状宜为矩形，虽然“A”型与“V”型剖面形状均能获得较低能耗，但综合自然采光及热压通风，矩形剖面形状更适宜。

（6）宜在南向、东南向设置阳光房以获得更多太阳辐射，有利于冬季采暖，但夏季需要做相应遮阳处理。

（7）建筑宜在北向设置封闭阳台以阻挡冬季寒风对主要使用空间的侵袭。

1.5 控制空间的开放性

合理设置开放空间，控制空间开放度，规避气候不良影响，有助于降低能耗、提升建筑品质、营造丰富使用空间。开放空间的设置对于最大化利用自然采光、增强自然通风、增进交互沟通均有显著优势。也应充分考虑开放空间在冬季带来的制暖效率低、能耗大、人体舒适度低等负面因素。空间的舒适度定义离不开空间功能属性、使用人群及使用方式。空间开放性的控制首先应明确这些基本要素，基于此结合空间布局、场地及气候要素进一步对空间开放程度、开放形式进行设计与控制。

（1）公共空间适宜布置为开放空间，公共空间单次使用时间较短，对舒适度相对宽容；同时作为过渡型空间，提高了周边普通性能空间能效；此类空间可采用可变表皮或可变体形系数等措施在过渡季减少能耗。有些公共空间使用频率相对较低，可设置为融入型开放空间，与室外环境进一步融合，提供季节性的使用舒适度，保证春、秋二季公共空间的舒适使用。

（2）办公空间占比较多且进深较深时，可设置为开放性办公空间，有助于提高自然采光和通风，同时增强部门间沟通，增强空间灵活性。如某高新区男装办公楼项目，通过大空间的布置，增强空间内部自然采光与通风。灵活布局保证夏季通风效应与冬季采暖效率。

（3）地下或半地下空间若为停车或设备间等低能耗空间，可通过天窗、下沉庭院等形式形成融入型开放空间，减少照明与通风能耗。地下或半地下的功能空间，如餐饮、办公空间等，可通过紧邻下沉广场布置形成选择性开放空间，在冬、夏两季降低开放性，减少照明能耗；过渡季增强开放性，减少照明与通风能耗，同时营造丰富的室内外使用空间。如某维绿大厦项目，设置地下空间通过采光天井、天窗等进行自然采光，为整个地下空间提供充足的自然采光，改善地下的自然采光效果。

（4）根据空间使用行为，可以利用气候特色布置功能空间，将季节性公共讨论区、流线区、或室内绿植区与融入型室外空间结合布置设置为开放空间，过渡季提供舒适公共环境，冬、夏两季最大限度减缓热交换。根据人流分析，宜在人流密集处设置尺度适宜的步行楼梯，鼓励使用者使用步梯解决竖向交通。

（5）场地周边如有优质自然资源（如湖泊、人文景观灯）或舒适室外微气候（如舒适室外风、光环境等），开放空间可紧邻布置，将外部优质环境引入室内。

2 建筑形体设计

2.1 控制体型系数

体型系数为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。从降低建筑能耗的角度出发，应将体型系数控制在一个较低的水平。体型系数的确定还与建筑造型、平面布局、采光通风等条件相关。体型系数过小，将制约建筑师的创造性，可能使建筑造型呆板、平面布局困难，甚至损害建筑功能。

（1）上海市，建筑体型系数对空调和采暖能耗的影响没有北方地区明显，但也有一定影响。设计人员应综合多方因素考虑建筑体型，建筑宜采用规整体型，避免凹凸变化，建筑层高应合理。通常在上海地区，条式建筑的体型系数不宜大于 0.35，点式建筑的体型系数不宜大于 0.40。

（2）在办公建筑研究中，建筑形式与其能耗有着相对应的关系，在方形、圆形、矩形、三角形的形式中，建筑均选择常规浅进深。当其均拥有相同底面积、核心筒面积、建筑体积及相同的室内空调系统时，在保持浅进深的同时，建筑外轮廓接触面积越小，其能耗性能越强。

2.2 控制形体风环境

（1）形体的平整度、凹凸等会影响形体各面的风压，一方面影响室内风压通风效果，另一方面影响室外风环境。设计时平面宜采用规则形状，避免过于凹凸平面；形体表皮宜平滑均质。

（2）建筑体量组合应遵循“疏导夏季风、阻挡冬季风”的原则，庭院式的形体组合在上海市能获得较好风环境。体形组合在夏季主导风向上宜根据夏季主导风向分散布局，形成“风道”引导夏季风穿过场地；在冬季风主导风向上宜紧密布局，阻挡冬季来风。主要街巷、道路与夏季主导风向成 0°～30°夹角。形体组合应注意通过场地设计避免风速过高，影响室外活动区舒适度。

（3）当建筑较为密集时，可策略性地分布不同高度的建筑物，利用高度轮廓带来的气压差异引导气流。同时，此区域内建筑群的整体高度趋势应朝着盛行风的方向逐级降低，以促进空气流动。在片区主导风向上风位的街块应避免采用垂直于主导风向的大面宽板式建筑。

2.3 形体自遮阳设计

通过形体局部变化达到自遮阳效果。减少透过玻璃的直射阳光使室内过热，防止直射阳光造成的强烈眩光。设计时应通过模拟验算确保室内自然采光效果。如某集团莘庄综合楼项目，南部通过形体挑出形成自遮阳效果，通过模拟计算，建筑形体挑出长度在夏季有效降低建筑热辐射；冬季由于太阳高度角变化，不影响室内采光。

2.4 形体避让基地既有高大乔木

通过形体布局，设计中尽可能维持场地的原有地形地貌、高大乔木，减少对原有生态环境的破坏，尊重场域特征。如湖南省醴陵一中新建教学楼项目，南部通过形体转折避让场地内已有高大乔木，建筑建成即“绿”，教室被场地树木环绕。

2.5 可变体型系数设计

可变体型系数设计是指对建筑固有的外围护结构进行优化。不同季节，建筑自身的体型系数可进行变化的被动式设计，以达到建筑对自身耗能的有效调节、控制。

通过设置阳台、中庭、边庭或者其他功能房间把建筑凹进的部分重新填充，形成过渡空间，减小建筑的外表面积，增大建筑体积。从而实现建筑体型系数的变化。在冬、夏二季，凹进的空间封闭，建筑体型系数变小，凹进空间形成热缓冲空间提高建筑能效；过渡季，凹进空间开启，建筑体型系数变大，有助于建筑热流失，减少空调能耗。

3 结 语

长期以来，我国一直处于低舒适度、低耗能的建筑体系中；随着“碳中和” “碳达峰”等理念的提出，势必带来绿色建筑新一轮的发展与变革。这不仅关系到人们生活水平的提高，也关乎人类未来的可持续发展。

建筑设计的全过程中，建筑师应具有跨越专业领域的整体视角，充分平衡设计输入条件与建筑成果需求之间的关系。不可否认，面对复杂的气候条件与各异的功能需求，需要采用的各种设计手法和技术手段，可能是互相矛盾的，因此必须综合权衡，为每一个项目构建最优的整体技术体系。

绿色建筑的被动式设计无论是在资金层面、技术支持层面，还是在所能带给使用者的舒适性层面，都符合我国基本国情，而且其发展拥有巨大潜能。所以建筑师，要将绿色建筑原理融入创意构思和方案生成过程中，真正地因地制宜，通过控制建筑空间与形态设计关键要素，使建筑成为“表里如一”的绿色建筑。