基于氣候條件的生態(tài)節(jié)能住宅建筑設(shè)計(jì)

張曉麗

(山西工商學(xué)院 山西太原 030000)

我國公共住宅建筑的總建設(shè)消耗、使用建材能耗，以及總的建筑能耗已經(jīng)占全國能耗水平總額的37%，這部分能耗比例在近年仍在持續(xù)增加。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，城市的建筑用地計(jì)劃中，居民小區(qū)集中建設(shè)規(guī)劃范圍使用面積中，大約30%的社會(huì)公共設(shè)施面積要用于住宅公共面積的配套和建設(shè)；住宅生活建筑用電消耗總量已經(jīng)超過全國年總用電需求負(fù)荷量的20%，住宅水能源消耗占全國城市水資源電力消消總能源的比例近達(dá)32%，用于各種建筑的住宅用電總量，和各種建筑的住宅用水中的鋼材用量在全國住宅建設(shè)生活消費(fèi)總額中的比重超過了20%，各種建筑的住宅的水泥使用量則已經(jīng)超過了水泥全國總使用量的17.6%。

自然氣候是人類住宅建筑設(shè)計(jì)的重要因素，基于節(jié)能建筑設(shè)計(jì)的氣候條件是對環(huán)境負(fù)責(zé)的建筑設(shè)計(jì)理念，這一理念將建筑視為環(huán)境的一部分，充分考慮建筑所在地的自然氣候條件。基于氣候要素的建筑設(shè)計(jì)源于人們對室內(nèi)外環(huán)境的生理要求，也是建筑功能的要求[1]。在建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)以及實(shí)施工作過程中，建筑師要充分考慮到整體建筑環(huán)保及節(jié)能元素，從城市建筑總體規(guī)劃布局角度而言，在設(shè)計(jì)城市的單體建筑功能時(shí)，應(yīng)結(jié)合城市環(huán)境氣候因子帶來的多種潛在環(huán)境影響。綜合設(shè)計(jì)理念和相關(guān)方法逐漸成為當(dāng)前國內(nèi)外優(yōu)秀建筑師廣泛關(guān)注、討論并開展研究的工作重點(diǎn)[2]。

1 節(jié)能建筑設(shè)計(jì)的基本原則

節(jié)能建筑設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)的最終結(jié)果都是建筑方案的實(shí)現(xiàn)，但是在設(shè)計(jì)的過程中，兩者有著諸多不同，節(jié)能建筑設(shè)計(jì)除了解決相應(yīng)的建筑功能和形象問題外，還要結(jié)合氣候、環(huán)境綜合考慮建筑的最終能效，例如居住、工作適宜程度和建筑節(jié)能成效。這些不是在建造過程中才開始考慮的因素，而是在建筑策劃和設(shè)計(jì)前期就要進(jìn)行的，因此在設(shè)計(jì)開始之前就要考慮和設(shè)定節(jié)能建筑設(shè)計(jì)的基本原則。

1.1 氣候建筑功能適用原則

功能適用性是所有建筑設(shè)計(jì)的前提。必須明確建筑的使用功能，這些功能包括功能房間的利用、交通流線組織、建筑物理環(huán)境、視覺藝術(shù)效果等。

1.2 采用先進(jìn)技術(shù)的原則

節(jié)能的建筑技術(shù)除了要采用被動(dòng)式的通風(fēng)、采光系統(tǒng)技術(shù)方案外，還涉及包括了光電、光熱、光導(dǎo)波等眾多高新科技的可再生建筑能源技術(shù)，在建筑工程設(shè)計(jì)節(jié)能時(shí)，應(yīng)盡量使用清潔能源，盡可能地使用太陽能、風(fēng)能等可再生的綠色能源。減少不可再生型能源設(shè)備的大量使用，以提高能源效率，降低生產(chǎn)工作和生活中的能源消耗。這樣才能從技術(shù)上保證建筑能源的高效利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的最終目的。

1.3 與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)的原則

與城市自然環(huán)境特征相適應(yīng)，與環(huán)境保護(hù)結(jié)合，是現(xiàn)代節(jié)能建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐中的關(guān)鍵社會(huì)因素，它主要包括建設(shè)生態(tài)環(huán)保城市，盡可能減少環(huán)境中不可再生資源要素的額外耗費(fèi)，保護(hù)環(huán)境資源再生所需的一切環(huán)境條件。尤其是要注重利用節(jié)地、節(jié)水發(fā)電等新興技術(shù)，充分重視使用高效、綠色、可循環(huán)利用的能源和材料，減輕環(huán)境污染對我國自然環(huán)境的人為破壞，減少對周圍環(huán)境空氣的二次污染。如果在設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行過程中，能使建筑產(chǎn)生的城市建筑垃圾、污水、固體廢物與可燃?xì)怏w污染物等排放降到最低，則其帶來的巨大環(huán)境負(fù)荷效應(yīng)也便能相應(yīng)地降到最低，能夠?qū)S持生態(tài)平衡起到積極的意義。生態(tài)文明優(yōu)先、可持續(xù)發(fā)展是現(xiàn)代生態(tài)建筑的核心設(shè)計(jì)理念和基本原則。設(shè)計(jì)者必須能夠清楚認(rèn)識到發(fā)揮和持續(xù)保護(hù)、利用現(xiàn)有建筑生態(tài)系統(tǒng)功能空間的重要性，對建筑當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境氣候條件、國土資源現(xiàn)狀給予以更充分的持續(xù)保護(hù)和利用，盡可能地保持現(xiàn)有的建筑資源同周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)功能之間的平衡關(guān)系，改變過去掠奪式的、粗放式的自然資源開發(fā)模式，以及建設(shè)利用和管理的方式，倡導(dǎo)建筑以可持續(xù)的、保護(hù)性利用資源的生態(tài)方式，對建筑周邊自然環(huán)境進(jìn)行有效保護(hù)。

1.4 經(jīng)濟(jì)投入合理、綜合效益最大的原則

建筑的可持續(xù)性設(shè)計(jì)應(yīng)該綜合考慮建筑體系內(nèi)各方利益，使各種利益達(dá)到整體平衡，最終實(shí)現(xiàn)綜合效益最大。經(jīng)濟(jì)利益是人類物質(zhì)活動(dòng)追求的基本目標(biāo)之一，建筑結(jié)構(gòu)的綠色可持續(xù)性設(shè)計(jì)也必須能將環(huán)境經(jīng)濟(jì)利益與資源生態(tài)效益結(jié)合起來多方考慮，盡可能爭取雙贏的局面。不能為了追求獲得某種政治、經(jīng)濟(jì)利益，而去盲目地?fù)p害自然生態(tài)環(huán)境，因?yàn)檫@種行為往往會(huì)導(dǎo)致更大的經(jīng)濟(jì)利益損失，形成惡性循環(huán)。

從節(jié)能建筑的角度看，必須要與周邊地區(qū)實(shí)現(xiàn)協(xié)同發(fā)展、互利互惠，否則各個(gè)層次或各個(gè)區(qū)域間就會(huì)逐漸形成控制與協(xié)調(diào)相互循環(huán)制約的瓶頸。因此，在設(shè)計(jì)實(shí)踐中必須注重對國家整體利益的牢牢把握，局部利益同時(shí)也必須服從于整體利益。此外，建筑的可持續(xù)性設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格地從住宅建筑結(jié)構(gòu)中的一個(gè)產(chǎn)品、整個(gè)的材料生命周期過程出發(fā)，來系統(tǒng)地進(jìn)行考慮，在整個(gè)的建筑物規(guī)劃與設(shè)計(jì)、施工、使用、管理及拆除等過程中，都力求消耗最少的自然資源，減少能源和材料的浪費(fèi)。

2 影響建筑設(shè)計(jì)的氣候因素

2.1 氣候建筑

一般來說，具有一定年限的建筑形式對當(dāng)?shù)貧夂蚓哂羞m應(yīng)性。建筑應(yīng)適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂颍⑶医ㄖ彤?dāng)?shù)貧夂蛴兄疃鹊穆?lián)系。

2.2 氣候要素的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)

建筑空間設(shè)計(jì)對環(huán)境的適應(yīng)性主要體現(xiàn)在：（1）外部層面通常是指區(qū)域環(huán)境對建筑設(shè)計(jì)布局、選址、空間性能形式的影響；（2）內(nèi)部層面是指建筑外部微氣候與建筑空間形式的相互影響，以及微天氣與建筑室內(nèi)空間結(jié)構(gòu)的結(jié)合[3]。室內(nèi)微氣候是指由建筑物組成的人工氣候環(huán)境，室外微氣候是指建筑物范圍內(nèi)的氣候變化。

2.3 利用氣候資源，合理布局建筑

合理的建筑布局可以減少不利氣候?qū)ㄖ锏挠绊懀瑢?shí)現(xiàn)自然環(huán)境與建筑物之間的物質(zhì)循環(huán)。在設(shè)計(jì)建筑時(shí)，應(yīng)充分考慮基地的氣候和地形。例如：在設(shè)計(jì)坡地建筑布局時(shí)，由于坡地的坡度和海拔不同，接受太陽的時(shí)間和加熱強(qiáng)度也有一定的差異。選址時(shí)，應(yīng)選擇陽光時(shí)間長、冬暖夏涼、氣候條件好的地點(diǎn)。

2.4 改善建筑風(fēng)環(huán)境

建筑風(fēng)環(huán)境是創(chuàng)造生理舒適度的主要因素。為了適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臍夂蜃兓?，采暖空調(diào)節(jié)能和建筑空調(diào)制冷等功能都對當(dāng)?shù)仫L(fēng)環(huán)境有各種不同層次的技術(shù)要求[4]。一般來說，夏熱冬濕冷屬于氣候四季變化，在各氣候區(qū)建筑結(jié)構(gòu)和道路規(guī)劃布局調(diào)整中，應(yīng)統(tǒng)籌考慮進(jìn)行冬季防風(fēng)、夏季降溫通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。相對于通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)則應(yīng)更加仔細(xì)分析總結(jié)，在充分預(yù)測未來風(fēng)向流向規(guī)律的原則基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究優(yōu)化系統(tǒng)平面布局，提高風(fēng)的預(yù)期。行列式和自由式的平面布局是典型的兩種布局。矩陣式建筑方向與建筑垂直方向不一致。吹到建筑物上的風(fēng)與建筑物接觸形成長氣流渦區(qū)，為了改善阻礙建筑物通風(fēng)效果的夏季建筑物內(nèi)風(fēng)向流動(dòng)，建筑群方向和夏季風(fēng)形成方向的角度控制在0°～60°以內(nèi)，考慮建筑群方向和建筑周圍地形，將建筑和方向的南角保持在30°以內(nèi)，以改善適宜的夏熱冬冷地區(qū)建筑風(fēng)環(huán)境戰(zhàn)略要求。南部建筑群要設(shè)計(jì)一定的流利性，建筑長度不能太長，新成堂風(fēng)要留一定的分口。在冬季防風(fēng)方面，建筑群北部應(yīng)盡量保持封閉，減少寒風(fēng)吹向建筑群[5]。因此，北部的建筑高度必須維持一定的高度，適當(dāng)延長建筑長度。南部的建筑要達(dá)到夏季自然通風(fēng)和冬季冷空氣防治的效果，必須進(jìn)行短、錯(cuò)、斜的布置。

2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響建筑氣候

影響建筑內(nèi)部氣候的另一個(gè)重要因素是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱力性能。在這方面，越來越多的綠色建筑技術(shù)被廣泛應(yīng)用于節(jié)能建筑，改善了建筑物的室內(nèi)環(huán)境，如太陽能發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)、地面排風(fēng)技術(shù)、地面輻射供暖技術(shù)、熱回收技術(shù)、建筑施工采用綠色材料等。

2.6 傳統(tǒng)技術(shù)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用

為實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能目標(biāo)可以因地制宜，如炎熱地區(qū)的冷巷道設(shè)置，可以通過一些簡單的處理，有效地形成風(fēng)向，提高通風(fēng)冷卻的效果，也可以與園林水域合作，利用水域的冷卻作用，創(chuàng)造舒適的小環(huán)境。

3 生態(tài)節(jié)能住宅基本設(shè)計(jì)思路

生態(tài)設(shè)計(jì)原則主要有兩方面：一是要立足人類生態(tài)發(fā)展設(shè)計(jì)的深層文化內(nèi)涵，促進(jìn)人自身與外界自然發(fā)展的協(xié)調(diào)與良性合作，使人個(gè)體的行為、發(fā)展方式和自然環(huán)境的變化相適應(yīng)，彼此受益[6]；二是注重因地制宜。

3.1 氣候特征和建筑選址

全國共有15個(gè)大氣候區(qū)，根據(jù)自身氣候特點(diǎn)而劃分。各種小氣候區(qū)差異都較大，氣候條件都不同。冬季供暖保溫空調(diào)是中國北方氣候地區(qū)的節(jié)能建筑設(shè)計(jì)發(fā)展的主要重點(diǎn)，南方寒冷地區(qū)重點(diǎn)工作是保溫夏季空調(diào)隔熱，南方各地現(xiàn)有住房建設(shè)普遍沒有集中供暖保溫設(shè)備，空調(diào)需要改善空調(diào)熱負(fù)荷環(huán)境，能耗大。因此，在建筑工程節(jié)能建筑設(shè)計(jì)環(huán)境中，要因地制宜，更好地利用好太陽能、風(fēng)能源等重要自然影響因素，充分協(xié)調(diào)發(fā)揮該區(qū)域氣候優(yōu)勢。建筑基地的選擇不一定應(yīng)該都選擇在山谷、洼地平原等低洼地，在一些陽光日照充足、自然條件通風(fēng)散熱良好的空曠地方，冬季環(huán)境寒冷、氣流緩慢凹陷氣候容易造成對建筑物產(chǎn)生霜降效應(yīng)，應(yīng)適當(dāng)選擇在水面結(jié)冰等惡劣條件情況下，還有可能形成特殊類型的寒冷微氣候的地點(diǎn)。

3.2 充分利用太陽能

利用太陽能，封閉陽臺(tái)，安裝保溫系統(tǒng)。太陽能空調(diào)技術(shù)方面的最大進(jìn)步是太陽能直接發(fā)電技術(shù)，這也是太陽能利用研究領(lǐng)域運(yùn)用最為成熟廣泛的技術(shù)，使能源高效傳輸和應(yīng)用更加簡單方便。

4 住宅建筑節(jié)能設(shè)計(jì)措施

4.1 屋面節(jié)能

屋頂保溫使用的面積一般限制在建筑屋頂或者整個(gè)房屋的屋面圍護(hù)層結(jié)構(gòu)，建筑屋頂結(jié)構(gòu)對整體建筑頂層房間保溫設(shè)計(jì)技術(shù)有十分重要的意義。屋面保溫材料結(jié)構(gòu)節(jié)能工程技術(shù)措施要點(diǎn)有以下方面：屋面保溫層厚度應(yīng)在設(shè)計(jì)中優(yōu)先地選擇使用導(dǎo)熱孔密度偏差較大、導(dǎo)熱系數(shù)過高的屋面新型墻體保溫和節(jié)能屋面材料，避免使用增加的屋面重量、厚度或變化量過大引起的影響；屋面使用的新型保溫隔熱墊層保溫材料一般均不得低于吸水率相差較大一倍以上的同種新型隔熱保溫材料。屋面長期在溫暖濕潤天氣條件上工作運(yùn)行時(shí)應(yīng)切忌防止保溫絕熱隔層材料長期大量收縮膨脹而吸水，以免直接引起建筑物保溫或絕熱的效果大幅度下降。目前，屋面應(yīng)用的新型保溫和隔熱高效節(jié)能的屋面種類多的有采用多種新型保溫高效隔熱節(jié)能新型保溫墻體材料制作的保溫高效節(jié)能新型屋面、架空剪力墻結(jié)構(gòu)式保溫和隔熱新型屋面、砂石混凝土復(fù)合保溫和節(jié)能新屋面、倒置式復(fù)合保溫高效隔熱節(jié)能屋面等多種新型節(jié)能隔熱新型屋面。為了提升南方溫暖潮濕季風(fēng)氣候地區(qū)使用高效隔熱新屋面的效果，可選擇地采用種植保溫節(jié)能屋面、高強(qiáng)紫外線反射率屋面、遮陽保溫隔熱屋面。

4.2 墻體節(jié)能

在建筑技術(shù)領(lǐng)域，很多人主張采用保溫墻體復(fù)合隔熱墻體來保溫和節(jié)能。復(fù)合保溫絕熱裝飾墻體設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)原理是指通過在原有建筑墻體主體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)層中再適當(dāng)增加一層保溫隔熱材料，用來改善房屋原墻體整體熱工性能。目前的復(fù)合節(jié)能保溫墻體新型隔熱墻體節(jié)能技術(shù)，用新型輕質(zhì)巖棉、玻璃棉、聚苯乙烯、聚氨酯泡沫塑料外墻及復(fù)合硬質(zhì)聚乙烯泡沫等材料，降低了室內(nèi)與外墻材料的對流傳熱轉(zhuǎn)換系數(shù)。根據(jù)外墻建筑復(fù)合材料種類和建筑外墻主體結(jié)構(gòu)及安裝結(jié)構(gòu)的安裝位置，可分為墻體建筑復(fù)合材料內(nèi)外保溫及隔熱新技術(shù)工程和復(fù)合墻體及外保溫新節(jié)能保溫技術(shù)工程等兩大系列的外墻隔熱和墻體內(nèi)外復(fù)合保溫和節(jié)能隔熱工程，外墻結(jié)構(gòu)保溫和結(jié)構(gòu)內(nèi)部隔熱再保溫加墻外保溫隔層。

外保溫隔熱保溫是中國目前已廣泛應(yīng)用的、用于外墻建筑結(jié)構(gòu)外保溫系統(tǒng)的新節(jié)能新型建筑技術(shù)。外保溫節(jié)能絕熱技術(shù)與普通建筑物進(jìn)行內(nèi)外墻體保溫絕熱節(jié)能改造相比，具有節(jié)能隔熱節(jié)能技術(shù)先進(jìn)、有效節(jié)約資金的兩項(xiàng)顯著比較優(yōu)勢，使用符合國內(nèi)外市場相同絕熱技術(shù)規(guī)格、相同墻體保溫隔熱尺寸性能特征和同等耐火結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)設(shè)計(jì)的節(jié)能隔熱保溫隔熱節(jié)能墻體材料，外保溫的節(jié)能減排效果也遠(yuǎn)遠(yuǎn)顯著優(yōu)于一般墻體材料內(nèi)保溫。外保溫層技術(shù)特點(diǎn)是不僅適用于各種老新樓結(jié)構(gòu)工程，同時(shí)也適用于一些老舊商業(yè)住樓進(jìn)行保溫外墻改造。南方是濕熱溫暖地區(qū)，特別南方氣候處于向夏熱冬暖的過渡階段地區(qū)，門窗顏色選擇最好采用淺色，減少夏季受太陽熱量輻射影響和增加吸收的導(dǎo)熱系數(shù)。

基于地理氣候環(huán)境的環(huán)境建筑節(jié)能性設(shè)計(jì)需要選擇能夠應(yīng)對區(qū)域氣候變化空間的合理規(guī)劃布局，結(jié)合地區(qū)氣候要素、空間地形特點(diǎn)，優(yōu)化建筑綜合利用建筑群，改善建筑群內(nèi)環(huán)境空間。通過利用空間組合調(diào)整空間風(fēng)向變化和控制風(fēng)速、促進(jìn)建筑外部空間和內(nèi)部空氣的對流交換，合理利用規(guī)劃控制和環(huán)境控制兩種手段，創(chuàng)造低能耗、宜居的環(huán)境。

5 結(jié)語

總體來說，要使人類與自然環(huán)境之間的關(guān)系變得緩和，真正實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，我們還有很多工作要做。在創(chuàng)造人工設(shè)計(jì)環(huán)境的過程中，必須保持對氣候環(huán)境與生態(tài)影響的關(guān)注。任何一種成熟的傳統(tǒng)建筑形態(tài)必定有其與當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境相適應(yīng)的內(nèi)在聯(lián)系?；跉夂驐l件的節(jié)能建筑設(shè)計(jì)，能夠把建筑視為整體環(huán)境的組成部分，在建筑設(shè)計(jì)中充分考慮建筑周邊環(huán)境和氣候條件。與以往的建筑設(shè)計(jì)不同的是，基于氣候條件的節(jié)能建筑設(shè)計(jì)積極融入環(huán)境而不是改造環(huán)境，主動(dòng)地適應(yīng)氣候而不是創(chuàng)設(shè)全新的建筑氣候。這樣就能在保持原有生態(tài)環(huán)境、使其發(fā)生極為微小變化的情況下，解決建筑功能需求的問題，不但減少了資源的浪費(fèi)，節(jié)約能源資源，也給使用者創(chuàng)造了更加健康舒適的環(huán)境。