冬冷夏热地区绿色建筑空间及形体被动式设计分析

张 洁

建筑作为人类赖以生存的重要环境要素之一，其设计对于生态节能具有重要意义。目前，我国冬冷夏热地区的建筑能耗较高，节能潜力巨大，通过绿色建筑设计可以有效降低能耗。被动式设计方法是一种结合了绿色建筑和可持续发展思想的技术手段，是在满足功能要求的前提下，尽量采用自然通风和采光，以降低建筑能耗。

1 被动式设计的基本理念

被动式设计是指以尽量减少建筑对周围环境的影响和浪费为目标，通过合理的建筑空间和形体设计，在保证建筑安全性和舒适性的前提下，最大限度降低能源消耗、提高能源利用效率的一种建筑设计方法[1]。

被动式设计是一种具有综合优势的设计方法，其基本理念是：通过建筑空间和形体设计，尽量减少建筑对周围环境的影响，降低能耗，从而实现生态节能。被动式设计是绿色建筑的基本理念之一，通过对自然条件、建筑空间和形体等方面进行优化和组合，最大限度降低建筑能耗。

被动式设计思想主要包括4 个方面：第1，充分利用自然条件，充分利用太阳能和风能等可再生能源；第2，合理进行形体设计，通过空间组合提高室内环境的舒适度；第3，建筑空间与形体要充分考虑节能、节地、节水、节材和保护环境等内容，而且要考虑热舒适度的要求；第4，通过合理的选址降低建设成本。

2 基于被动式设计的建筑空间

被动式设计方法是在建筑设计阶段，根据自然条件的限制，利用建筑设计手法提升室内环境品质，不仅可以减少对能源的依赖，还可以实现节能环保。建筑空间的节能与通风采光有着紧密联系，通过对建筑空间的合理布置可以降低能源消耗，而空间布局应充分考虑气候因素。不同地区可利用不同的建筑空间形式进行被动式设计，其中寒冷地区可采用围护结构保温、遮阳和隔热等措施来提高室内热环境质量；冬冷夏热地区可利用屋顶和墙面作为保温隔热构件，并合理设置通风采光口以充分利用太阳辐射热，保持室内空气流通；温暖地区可利用屋顶和墙面作为隔热构件，并充分利用自然通风；炎热地区可利用屋顶和墙面作为遮阳构件，并合理设置通风口以充分利用自然通风[2]。

通过形体被动式设计可以创造出一些独特的建筑形式和空间特征。例如，使用建筑壳体或开放的天井可以为空间引入更多的自然光线，促进空气流通。同时，利用材料的自重可以创造出更具有动态感的建筑形式[3]。总的来说，基于形体被动式设计的建筑空间具有很多优点，可以为人们提供更好的室内环境和更具创意的建筑形式，能够大幅减少能源消耗和对环境造成的影响。

3 建筑空间及形体的影响因素

3.1 气候

建筑空间及形体的设计会受到气候因素的影响。在冬冷夏热地区，冬季太阳高度角较低，太阳光通过门窗照射到室内需要消耗更多的能量，因此为了减少冬季室内热量损失，建筑可以采用东西向布置。而在夏季太阳高度角较高时，由于太阳辐射强度较高，如果建筑采用东西向布置会给室内带来很大的阴影面积，影响采光和自然通风。因此，在夏热冬冷地区，建筑的朝向和外形设计应考虑当地的气候条件。

在建筑中合理利用自然通风和采光可以有效提高室内环境的质量，在实际设计中需要注意以下3 点：

1）避免建筑内部的采光口和通风口之间出现开口过大、过小及开口位置不合理等问题。

2）根据当地气候条件合理选择窗墙比和窗户尺寸。

3）室内尽量采用自然通风方式，这样可以避免空调等制冷设备带来的环境问题。

3.2 布局

布局是指建筑物内部空间的组织方式，如图1 所示。合理的布局能改善室内环境，减少能源消耗。从冬冷夏热地区的气候条件来看，该地区属于湿热气候区，夏季炎热干燥，冬季寒冷多雨。在规划布局时应充分考虑自然通风和采光，合理利用建筑之间的空间关系。

图1 建筑空间布局（来源：网络）

例如，在冬冷夏热地区进行绿色建筑设计时，可以采用“L”形平面或“凹”形平面的布局形式，以使室内空间更加明亮、通透[4]。另外，在冬冷夏热地区进行绿色建筑设计时还可以利用屋顶来调节室内环境。例如，在屋顶上设置天窗或通风装置可以改善室内的自然通风和采光；在屋顶上设置太阳能电池板等可再生能源系统也能提高室内环境的舒适度。

3.3 材料

在绿色建筑的设计过程当中，材料是非常重要的一环，优质的材料能够给建筑带来更加良好的使用性能。具体如下：

1）木材。木材是1 种天然材料，具有良好的保温性能，而且具有自然的光泽和纹理，给人带来自然舒适的感觉。

2）混凝土。混凝土具有良好的保温和隔热性能，在冬冷夏热地区可以考虑将其作为主要的建筑材料。

3）墙体材料。墙体材料是影响室内环境的一个重要因素，在绿色建筑设计过程中应优先选择保温性能和抗冻性能俱佳的墙体材料，尽量减少能源与资源消耗。

4）遮阳设施。遮阳设施可以阻挡太阳辐射进入室内，达到降温和降低能耗的效果。

4 空间及形体在绿色建筑中的应用

绿色建筑是指在满足基本功能的基础上，从节能、节地、节水、节材及保护环境和节约资源等方面，通过利用自然通风、采光及遮阳等技术，减少建筑对能源的消耗，实现与自然和谐相处的建筑。绿色建筑可以通过多种技术手段降低能耗，达到节能减排的目的。空间是建筑设计的核心，在绿色建筑中发挥着重要作用。通过合理的空间设计，可以使室外新鲜空气与室内热空气进行有效循环，避免室内出现“热岛效应”。在绿色建筑设计中，良好的空间形态可以实现自然通风、采光，改善室内环境的舒适度。

4.1 建筑布局

建筑布局合理与否直接影响建筑的采光、通风、采暖等性能，进而影响整个建筑的能耗。在绿色建筑设计中，不仅要考虑建筑的节能要求，还要考虑对室内环境的影响，因此需要合理进行建筑布局。建筑布局方式有2 种：一是将空间划分为多个区域，每一个区域都可以作为一个独立的空间；二是将空间划分为几个单元，每个单元也都可以作为一个独立的空间。通过合理的空间划分可以有效提高室内通风、采光效果，降低能耗[5]。

4.2 室内空间

室内空间是绿色建筑中最重要的组成部分，其设计应满足使用要求，实现节能环保的效果。合理设置室内空间尺度是保证室内热舒适性的前提，同时可以有效提高房间的采光、通风效果。根据绿色建筑节能环保的设计要求，在保证室内温度适宜的前提下，要尽量减少空调、采暖等设备的使用时间，并在不同功能区域之间设置一定的过渡空间，避免室内温度过高。

4.3 形体在绿色建筑中的应用

形体在绿色建筑中的应用，是指将建筑的外形和内部结构，与环境和能源利用相结合，以提高建筑的能效和环保水平。形体设计应用于绿色建筑，可通过3 个方面来发挥作用：

首先，形体设计能够提高建筑的能源效率。通过设计建筑的外形和内部结构，可以更好地利用太阳能和自然通风调节建筑内部的温度。例如，改变建筑的朝向和设计建筑物外形可以更好地利用太阳辐射的角度，最大限度提高太阳能的利用率。

其次，形体设计能够增强建筑的可持续性。对于绿色建筑，形体设计不仅需要考虑建筑的外观和结构，还需考虑室内空间的功能需求以及建筑的碳排放和对周围环境的影响。例如，通过应用创新的建筑材料、工艺和构造方式，可以实现建筑外形的可持续性和环保性。

最后，形体设计还可以提高建筑的美感和舒适度。优秀的形体设计可以为建筑赋予独特的观感和空间感，而且良好的形体也能增加室内空间的自然采光和通风，为人们提供更加舒适和健康的生活环境[6]。

总的来说，形体在绿色建筑中的应用具有多重优点，不仅能提高建筑的能效和可持续性，还能提高建筑的美感和舒适度。因此，在未来的绿色建筑设计中，形体设计将会越来越重要，成为一种创新和可持续发展的设计方向。

4.4 案例分析

案例项目位于上海市，地处 东 经120°52 ′ ～122°12 ′、北 纬30°40′～31°53′，日照充足，雨量充沛，属于典型的冬冷夏热地区。案例示意如图2 所示。

该案例北侧为居住区，南侧为商业区，建筑形体从南向北逐渐变小，进深从东向西逐渐变大。在建筑物的内部设计中没有使用过多的空调设备，通过自然通风和采光可达到降低室内温度和提高室内舒适度的目的。

经调查发现，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。因此，设计人员应综合多方因素考虑建筑体型，宜采用规整体型，避免凹凸变化，且建筑层高应合理。一般来说，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。

该项目在被动式建筑设计策略的运用上，主要遵循如下指导思想：冬天尽可能利用太阳辐射与地热资源对建筑进行被动式供暖，同时对外墙、门窗采取适当的构造方法，降低热量散失，避免室内温度的剧烈波动；夏天利用多种遮阴方法阻隔多余的日光，并利用合适的建筑物外形进行自然通风，加速室内空气交换，从而实现夏天的制冷和除湿。由于该项目周围是高密度的住宅开发和景观资源，在一定的回旋半径下最大限度向北迁移，一方面可以获得湖景，另一方面可以保留较大的庭院和大面积的绿地，使得住户能够享受到室外的自然风光，从而更好地维护小型区域的生态环境。

案例的研究结果表明：建筑空间和形体在冬冷夏热地区绿色建筑中具有重要作用，空间形态和形体尺度决定了绿色建筑对环境的影响程度；通过有效利用自然通风和采光，可以达到提高室内环境舒适度的目的；在被动式设计理论指导下进行绿色建筑设计，可以减少能耗，降低建筑运行成本。

5 结语

建筑是一个复杂的系统，涉及的学科众多，任何一个环节出现问题都可能对建筑整体造成影响。在绿色建筑中，被动式设计理论和方法的应用，不仅可以使建筑内部空间形态和形体尺度更加合理，更能有效改善室内环境品质。在冬冷夏热地区的绿色建筑中，被动式设计理论和方法可以有效降低建筑能耗，提高建筑室内环境品质，为人们提供一个健康、舒适的生活环境。随着社会发展和科技进步，被动式设计理论在绿色建筑中将得到更广泛的应用。