基于气候条件的生态节能住宅建筑设计

张晓丽

(山西工商学院 山西太原 030000)

我国公共住宅建筑的总建设消耗、使用建材能耗，以及总的建筑能耗已经占全国能耗水平总额的37%，这部分能耗比例在近年仍在持续增加。根据相关数据统计，城市的建筑用地计划中，居民小区集中建设规划范围使用面积中，大约30%的社会公共设施面积要用于住宅公共面积的配套和建设；住宅生活建筑用电消耗总量已经超过全国年总用电需求负荷量的20%，住宅水能源消耗占全国城市水资源电力消消总能源的比例近达32%，用于各种建筑的住宅用电总量，和各种建筑的住宅用水中的钢材用量在全国住宅建设生活消费总额中的比重超过了20%，各种建筑的住宅的水泥使用量则已经超过了水泥全国总使用量的17.6%。

自然气候是人类住宅建筑设计的重要因素，基于节能建筑设计的气候条件是对环境负责的建筑设计理念，这一理念将建筑视为环境的一部分，充分考虑建筑所在地的自然气候条件。基于气候要素的建筑设计源于人们对室内外环境的生理要求，也是建筑功能的要求[1]。在建筑规划设计以及实施工作过程中，建筑师要充分考虑到整体建筑环保及节能元素，从城市建筑总体规划布局角度而言，在设计城市的单体建筑功能时，应结合城市环境气候因子带来的多种潜在环境影响。综合设计理念和相关方法逐渐成为当前国内外优秀建筑师广泛关注、讨论并开展研究的工作重点[2]。

1 节能建筑设计的基本原则

节能建筑设计和传统建筑设计的最终结果都是建筑方案的实现，但是在设计的过程中，两者有着诸多不同，节能建筑设计除了解决相应的建筑功能和形象问题外，还要结合气候、环境综合考虑建筑的最终能效，例如居住、工作适宜程度和建筑节能成效。这些不是在建造过程中才开始考虑的因素，而是在建筑策划和设计前期就要进行的，因此在设计开始之前就要考虑和设定节能建筑设计的基本原则。

1.1 气候建筑功能适用原则

功能适用性是所有建筑设计的前提。必须明确建筑的使用功能，这些功能包括功能房间的利用、交通流线组织、建筑物理环境、视觉艺术效果等。

1.2 采用先进技术的原则

节能的建筑技术除了要采用被动式的通风、采光系统技术方案外，还涉及包括了光电、光热、光导波等众多高新科技的可再生建筑能源技术，在建筑工程设计节能时，应尽量使用清洁能源，尽可能地使用太阳能、风能等可再生的绿色能源。减少不可再生型能源设备的大量使用，以提高能源效率，降低生产工作和生活中的能源消耗。这样才能从技术上保证建筑能源的高效利用，实现节约能源的最终目的。

1.3 与自然环境相协调的原则

与城市自然环境特征相适应，与环境保护结合，是现代节能建筑设计实践中的关键社会因素，它主要包括建设生态环保城市，尽可能减少环境中不可再生资源要素的额外耗费，保护环境资源再生所需的一切环境条件。尤其是要注重利用节地、节水发电等新兴技术，充分重视使用高效、绿色、可循环利用的能源和材料，减轻环境污染对我国自然环境的人为破坏，减少对周围环境空气的二次污染。如果在设计、建设和运行过程中，能使建筑产生的城市建筑垃圾、污水、固体废物与可燃气体污染物等排放降到最低，则其带来的巨大环境负荷效应也便能相应地降到最低，能够对维持生态平衡起到积极的意义。生态文明优先、可持续发展是现代生态建筑的核心设计理念和基本原则。设计者必须能够清楚认识到发挥和持续保护、利用现有建筑生态系统功能空间的重要性，对建筑当地自然环境气候条件、国土资源现状给予以更充分的持续保护和利用，尽可能地保持现有的建筑资源同周边地区生态环境系统功能之间的平衡关系，改变过去掠夺式的、粗放式的自然资源开发模式，以及建设利用和管理的方式，倡导建筑以可持续的、保护性利用资源的生态方式，对建筑周边自然环境进行有效保护。

1.4 经济投入合理、综合效益最大的原则

建筑的可持续性设计应该综合考虑建筑体系内各方利益，使各种利益达到整体平衡，最终实现综合效益最大。经济利益是人类物质活动追求的基本目标之一，建筑结构的绿色可持续性设计也必须能将环境经济利益与资源生态效益结合起来多方考虑，尽可能争取双赢的局面。不能为了追求获得某种政治、经济利益，而去盲目地损害自然生态环境，因为这种行为往往会导致更大的经济利益损失，形成恶性循环。

从节能建筑的角度看，必须要与周边地区实现协同发展、互利互惠，否则各个层次或各个区域间就会逐渐形成控制与协调相互循环制约的瓶颈。因此，在设计实践中必须注重对国家整体利益的牢牢把握，局部利益同时也必须服从于整体利益。此外，建筑的可持续性设计必须严格地从住宅建筑结构中的一个产品、整个的材料生命周期过程出发，来系统地进行考虑，在整个的建筑物规划与设计、施工、使用、管理及拆除等过程中，都力求消耗最少的自然资源，减少能源和材料的浪费。

2 影响建筑设计的气候因素

2.1 气候建筑

一般来说，具有一定年限的建筑形式对当地气候具有适应性。建筑应适应当地气候，并且建筑和当地气候有着深度的联系。

2.2 气候要素的建筑节能设计

建筑空间设计对环境的适应性主要体现在：（1）外部层面通常是指区域环境对建筑设计布局、选址、空间性能形式的影响；（2）内部层面是指建筑外部微气候与建筑空间形式的相互影响，以及微天气与建筑室内空间结构的结合[3]。室内微气候是指由建筑物组成的人工气候环境，室外微气候是指建筑物范围内的气候变化。

2.3 利用气候资源，合理布局建筑

合理的建筑布局可以减少不利气候对建筑物的影响，实现自然环境与建筑物之间的物质循环。在设计建筑时，应充分考虑基地的气候和地形。例如：在设计坡地建筑布局时，由于坡地的坡度和海拔不同，接受太阳的时间和加热强度也有一定的差异。选址时，应选择阳光时间长、冬暖夏凉、气候条件好的地点。

2.4 改善建筑风环境

建筑风环境是创造生理舒适度的主要因素。为了适应当地的气候变化，采暖空调节能和建筑空调制冷等功能都对当地风环境有各种不同层次的技术要求[4]。一般来说，夏热冬湿冷属于气候四季变化，在各气候区建筑结构和道路规划布局调整中，应统筹考虑进行冬季防风、夏季降温通风系统设计。相对于通风系统设计则应更加仔细分析总结，在充分预测未来风向流向规律的原则基础上，进一步研究优化系统平面布局，提高风的预期。行列式和自由式的平面布局是典型的两种布局。矩阵式建筑方向与建筑垂直方向不一致。吹到建筑物上的风与建筑物接触形成长气流涡区，为了改善阻碍建筑物通风效果的夏季建筑物内风向流动，建筑群方向和夏季风形成方向的角度控制在0°～60°以内，考虑建筑群方向和建筑周围地形，将建筑和方向的南角保持在30°以内，以改善适宜的夏热冬冷地区建筑风环境战略要求。南部建筑群要设计一定的流利性，建筑长度不能太长，新成堂风要留一定的分口。在冬季防风方面，建筑群北部应尽量保持封闭，减少寒风吹向建筑群[5]。因此，北部的建筑高度必须维持一定的高度，适当延长建筑长度。南部的建筑要达到夏季自然通风和冬季冷空气防治的效果，必须进行短、错、斜的布置。

2.5 结构设计影响建筑气候

影响建筑内部气候的另一个重要因素是结构设计，如建筑围护结构的热力性能。在这方面，越来越多的绿色建筑技术被广泛应用于节能建筑，改善了建筑物的室内环境，如太阳能发电系统技术、地面排风技术、地面辐射供暖技术、热回收技术、建筑施工采用绿色材料等。

2.6 传统技术在建筑节能中的应用

为实现建筑节能目标可以因地制宜，如炎热地区的冷巷道设置，可以通过一些简单的处理，有效地形成风向，提高通风冷却的效果，也可以与园林水域合作，利用水域的冷却作用，创造舒适的小环境。

3 生态节能住宅基本设计思路

生态设计原则主要有两方面：一是要立足人类生态发展设计的深层文化内涵，促进人自身与外界自然发展的协调与良性合作，使人个体的行为、发展方式和自然环境的变化相适应，彼此受益[6]；二是注重因地制宜。

3.1 气候特征和建筑选址

全国共有15个大气候区，根据自身气候特点而划分。各种小气候区差异都较大，气候条件都不同。冬季供暖保温空调是中国北方气候地区的节能建筑设计发展的主要重点，南方寒冷地区重点工作是保温夏季空调隔热，南方各地现有住房建设普遍没有集中供暖保温设备，空调需要改善空调热负荷环境，能耗大。因此，在建筑工程节能建筑设计环境中，要因地制宜，更好地利用好太阳能、风能源等重要自然影响因素，充分协调发挥该区域气候优势。建筑基地的选择不一定应该都选择在山谷、洼地平原等低洼地，在一些阳光日照充足、自然条件通风散热良好的空旷地方，冬季环境寒冷、气流缓慢凹陷气候容易造成对建筑物产生霜降效应，应适当选择在水面结冰等恶劣条件情况下，还有可能形成特殊类型的寒冷微气候的地点。

3.2 充分利用太阳能

利用太阳能，封闭阳台，安装保温系统。太阳能空调技术方面的最大进步是太阳能直接发电技术，这也是太阳能利用研究领域运用最为成熟广泛的技术，使能源高效传输和应用更加简单方便。

4 住宅建筑节能设计措施

4.1 屋面节能

屋顶保温使用的面积一般限制在建筑屋顶或者整个房屋的屋面围护层结构，建筑屋顶结构对整体建筑顶层房间保温设计技术有十分重要的意义。屋面保温材料结构节能工程技术措施要点有以下方面：屋面保温层厚度应在设计中优先地选择使用导热孔密度偏差较大、导热系数过高的屋面新型墙体保温和节能屋面材料，避免使用增加的屋面重量、厚度或变化量过大引起的影响；屋面使用的新型保温隔热垫层保温材料一般均不得低于吸水率相差较大一倍以上的同种新型隔热保温材料。屋面长期在温暖湿润天气条件上工作运行时应切忌防止保温绝热隔层材料长期大量收缩膨胀而吸水，以免直接引起建筑物保温或绝热的效果大幅度下降。目前，屋面应用的新型保温和隔热高效节能的屋面种类多的有采用多种新型保温高效隔热节能新型保温墙体材料制作的保温高效节能新型屋面、架空剪力墙结构式保温和隔热新型屋面、砂石混凝土复合保温和节能新屋面、倒置式复合保温高效隔热节能屋面等多种新型节能隔热新型屋面。为了提升南方温暖潮湿季风气候地区使用高效隔热新屋面的效果，可选择地采用种植保温节能屋面、高强紫外线反射率屋面、遮阳保温隔热屋面。

4.2 墙体节能

在建筑技术领域，很多人主张采用保温墙体复合隔热墙体来保温和节能。复合保温绝热装饰墙体设计的主要结构原理是指通过在原有建筑墙体主体结构基础层中再适当增加一层保温隔热材料，用来改善房屋原墙体整体热工性能。目前的复合节能保温墙体新型隔热墙体节能技术，用新型轻质岩棉、玻璃棉、聚苯乙烯、聚氨酯泡沫塑料外墙及复合硬质聚乙烯泡沫等材料，降低了室内与外墙材料的对流传热转换系数。根据外墙建筑复合材料种类和建筑外墙主体结构及安装结构的安装位置，可分为墙体建筑复合材料内外保温及隔热新技术工程和复合墙体及外保温新节能保温技术工程等两大系列的外墙隔热和墙体内外复合保温和节能隔热工程，外墙结构保温和结构内部隔热再保温加墙外保温隔层。

外保温隔热保温是中国目前已广泛应用的、用于外墙建筑结构外保温系统的新节能新型建筑技术。外保温节能绝热技术与普通建筑物进行内外墙体保温绝热节能改造相比，具有节能隔热节能技术先进、有效节约资金的两项显著比较优势，使用符合国内外市场相同绝热技术规格、相同墙体保温隔热尺寸性能特征和同等耐火结构性能特点设计的节能隔热保温隔热节能墙体材料，外保温的节能减排效果也远远显著优于一般墙体材料内保温。外保温层技术特点是不仅适用于各种老新楼结构工程，同时也适用于一些老旧商业住楼进行保温外墙改造。南方是湿热温暖地区，特别南方气候处于向夏热冬暖的过渡阶段地区，门窗颜色选择最好采用浅色，减少夏季受太阳热量辐射影响和增加吸收的导热系数。

基于地理气候环境的环境建筑节能性设计需要选择能够应对区域气候变化空间的合理规划布局，结合地区气候要素、空间地形特点，优化建筑综合利用建筑群，改善建筑群内环境空间。通过利用空间组合调整空间风向变化和控制风速、促进建筑外部空间和内部空气的对流交换，合理利用规划控制和环境控制两种手段，创造低能耗、宜居的环境。

5 结语

总体来说，要使人类与自然环境之间的关系变得缓和，真正实现可持续发展，我们还有很多工作要做。在创造人工设计环境的过程中，必须保持对气候环境与生态影响的关注。任何一种成熟的传统建筑形态必定有其与当地气候环境相适应的内在联系。基于气候条件的节能建筑设计，能够把建筑视为整体环境的组成部分，在建筑设计中充分考虑建筑周边环境和气候条件。与以往的建筑设计不同的是，基于气候条件的节能建筑设计积极融入环境而不是改造环境，主动地适应气候而不是创设全新的建筑气候。这样就能在保持原有生态环境、使其发生极为微小变化的情况下，解决建筑功能需求的问题，不但减少了资源的浪费，节约能源资源，也给使用者创造了更加健康舒适的环境。