生态设计在寒冷地区建筑设计中的应用研究

徐莹

（中国市政工程东北设计研究总院有限公司，长春 130000）

1 生态设计在寒冷地区建筑设计中的应用价值

寒冷地区建筑设计中采取生态设计方法，能极大地缓解城市能源短缺、环境污染等问题，为绿色节能建筑的建设以及打造节能城市提供支持。寒冷地区建筑的传统保温节能要点有开窗面积比设计、保温墙体构造等，这些保温节能方式具有较大的局限性，不利于寒冷地区建筑设计的可持续发展。建筑行业的快速发展过程中，建筑能耗相应增加，碳排放量也随着增大，对我国建筑行业及社会经济发展产生了诸多不利影响，所，以寒冷地区建筑要积极转型，采取生态设计方法，尊重生态环境与建筑的关系，系统地提出生态概念建造建筑。生态设计在寒冷地区建筑设计中的应用能促进建筑行业的转型升级，打造绿色建筑，降低对生态环境产生的污染，推动我国建筑业的绿色发展。

2 生态设计在寒冷地区建筑设计中的应用要点

2.1 坚持生态理念

寒冷地区建筑设计中生态设计的应用，要坚持生态理念，在保证建筑质量、安全与舒适的基础上，能将节能作为建筑设计的核心要点，提升建筑的能源利用率，降低建筑能耗。同时，在建筑设计中保持建筑与环境的和谐，确保建筑的可持续性。在建筑的整个生命周期中，必须有效地节约能源，提高能源利用率，降低能耗，为人们提供更加舒适的建筑环境。在寒冷地区的建筑设计中，为践行生态理念，要求夏季室内温度、夏季室内自然通风风速、夏季室内空调送风风速、相对湿度分别为24~26℃、＜1.5 m/s、＜0.3 m/s、40%~60%。

基于生态设计的建筑设计，需注意以下几方面：（1）要遵循因地制宜的原则，确保能从当地的气候、地形等情况出发；（2）保持整体性原则，建筑设计要对建设全过程进行考虑，要制订整体方案，保证建筑设计的可靠性；（3）采取综合性原则，在建筑生态设计中，要针对建筑实际情况，采取综合性手段降低建筑能耗，提升建筑能源利用率；（4）确保性能，在确保建筑功能性基础上，做好节能减排工作，这样才能确保建筑的使用效果。

2.2 建筑布局和朝向设计

单体建筑的三维尺寸和形状对周围的风环境影响较大。从节能角度看，建筑形式应能降低风速、能耗和热损失。单体建筑设计应在分析场地风环境的基础上，调整建筑整体长、宽、高的比例，保证建筑物迎风面压力分布的合理性，避免背风面形成涡旋区[1]。

在根据日照模拟分析确定建筑物最低日照标准的同时，还需要关注建筑周边场地与既有建筑边界，设计出建筑物的最大形体与高度。保证室内的日照量是建筑物最小间距确定的主要依据，要确保即使在冬季也能让室内有一定日照量。长方形体形、南北朝向可以起到较好的建筑节能效果。建筑体积相同，而体形不同时所获取的日照量也不相同。日照、当地的主导风向是影响建筑朝向的主要因素，寒冷地区冬季住宅内的热损耗与夏季室内的自然通风将会直接受到主导风向的影响。寒冷地区建筑朝向的确定，要确保冬季有较为充足的日照，在夏季能减少日照，且能保持良好的自然通风。以我国北京与呼和浩特地区为例，最佳朝向分别为南至南偏东30°、南至南偏东或南至南偏西。

2.3 体形系数设计

体形系数就是建筑物与室外大气接触的外表面积与外表面积所包围的建筑体积之比，可以使用式（1）表示。

式中，Cp为体形系数；F0为建筑外表面积，m2；V0为建筑体积，m3。

建筑物体形系数要从寒冷地区的气候情况出发，一般情况下，建筑体形系数与建筑物能耗成正比，以0.3为基础，增加0.01则会增加2.4%~2.8%的能耗，减少0.01则会减少2%~3%的能耗。体形系数在寒冷地区放宽，就会减小围护结构传热系数限值，在现有技术条件下难以达到围护结构传热系数限值，会增加成本投入[2]。

低层建筑体形系数约为0.52，4~8层建筑体形系数约为0.33，可以控制建筑整体能耗。高层建筑体形系数为0.23。寒冷地区的建筑的层高在≥14层时，体形系数可以为0.26。建筑耗能量指标与体形系数成正比。

2.4 室内环境设计

1）光环境。建筑朝向的合理设计能保证最佳的采光性能，要利用好建筑物的天井、中庭等采光部分，要能确保室内空间有足够的天然光线停留；为改善室内的自然光分布，要利用好自然光调控设施（反光板、反光镜等）；采取节能效果好的照明设备，降低能耗。

2）热环境。优化建筑外围护结构的热工性能，避免外围护结构内表面温度不当，使太阳辐射进入室内后给居住者带来的不适；设置温度与湿度调控系统，对室内的整体环境进行调节，让室内达到最佳的温度与湿度；温度可调区域的大小应设计合理，以便为居住者提供良好的室内感受。

3）声环境。在布置建筑平面、划分建筑空间时，可以采取动静分区的基本原则，要能有效减少房间的噪声干扰，保持室内环境的安静。需合理选用建筑围护结构构件，采取更加高效的隔音减噪措施，确保室内隔声效果符合实际要求[3]。

2.5 外围护结构节能设计

1）外墙。冬季保温是寒冷地区建筑设计必须考虑的要点。在保证建筑安全性基础上，要采取外保温结构，确保良好的热稳定性，减少热桥处热损失值，对主体结构进行有效保护。外墙保温系统中保温材料的选择很关键，在寒冷地区建筑生态设计中，外墙保温材料的选择需结合自身实际情况合理确定。寒冷地区常用的几种保温材料见表1。

表1 寒冷地区常用的几种保温材料

2）屋面。寒冷地区建筑屋面设计中，将保温材料设在防水层之上的倒置式保温屋面是当下使用最为广泛的一种构造类型，采用该方法可以保护防水层，防止内部结构出现问题，对保温材料的性能要求更高。XPS板、硬质PU板等是目前使用最广泛的保温材料。为打造生态建筑，可以采用屋顶绿化方案，在屋顶种植抗寒能力强的植物，屋顶的覆土植被可以起到良好的保温与隔热作用。屋顶绿化设计不仅要能确保植物的健康生长，更要做好屋面保护，避免对建筑物的屋顶安全产生影响。植物灌溉用水要少，可利用屋顶空调冷凝水与屋顶雨水收集回灌系统进行灌溉。

3）门窗。温差变化大是寒冷地区的一大特征，这会对建筑造成极大影响，会降低外墙窗户的散热性能，影响保温效果，严重时，会让门窗产生变形，影响外窗气密性，在冬季还会有冷空气渗入。寒冷地区的建筑生态设计，要对门窗的保温性能进行改善，可以采用断桥铝合金Low-E中空玻璃制作而成的门窗，保证冬季室内热量不会通过门窗散失[4]。

2.6 建筑物的入口设计

寒冷地区冬天有必要做好建筑物的入口设计，以防止室外冷风进入建筑物中。设置建筑物入口时，要考虑到平面布局，不要将其设置在冬季主导风向上，建筑物的入口要根据周围风速的情况变化合理做好入口设计，减少冷风渗透，有效控制建筑物的综合能耗。设计入口形式时，应结合实际情况采取保温措施，如采用门斗设置，可以形成从室外到室内的过渡空间，保温效果好，能避免冷风直接进入室内，减少建筑物的热量损失[5]。

2.7 节水设计

寒冷地区的建筑设计要坚持生态理念，做好节水及水资源的利用。节约水资源要从生产、运输、排放等全过程进行控制，避免发生水资源的浪费现象；选择节水设备，加强水资源的利用。采取废污分流、中水回用等技术，加强对污水的处理与再利用；要做好雨水、雪水的收集与再利用，将这部分水转化为灌溉、冲厕等用水。

3 结语

生态设计在寒冷地区建筑设计中的应用是我国绿色发展的主要方向之一，能满足时代发展需求以及人们对高品质建筑的需求。由于寒冷地区相比于一般地区，在气候方面存在较大差异，因此，建筑生态设计有很多不同，保暖便是其中的要点之一。为全民提升建筑的生态效果，确保建筑的适应度，要结合寒冷地区的实际情况，采取更加全面的、高效的生态设计方法，从多个方面控制建筑节能效果，降低碳排放，实现绿色建筑的基本要求。