夏热冬冷地区绿色建筑设计研究：现代建筑中的绿色技术与人文内涵

（一）夏热冬冷地区绿色建筑的规划设计

1.建筑选址及规划总平面布置

绿色建筑的选址、规划、设计和建设应充分考虑建筑所处的地理气候环境，保护自然资源，有效防止地质和气象灾害的影响，同时建设具有本地区文化特色的绿色建筑。建筑所处位置的地形地貌将直接影响建筑的日照和通风，从而影响室内外热环境和建筑耗热。

建筑位置宜选择良好的地形和环境，如向阳的平地和山坡上，并尽量减少冬季冷气流影响。夏热冬冷地区的传统民居常常依山傍水而建，利用山体阻挡冬季的北风、水面冷却夏季南来的季风，在建筑选址时因地制宜地满足了日照、采暖、通风、给水、排水的需求。建筑群的位置、分布、外形、高度以及道路的不同走向对风向、风速、日照有明显影响，考虑建筑总平面布置时，应尽量将建筑体量、角度、间距、道路走向等因素合理组合，以期充分利用自然通风和日照。

2.建筑朝向

建筑总平面设计及建筑朝向、方位应考虑多方面的因素。朝向选择的原则是冬季能获得足够的日照并避开主导风向，夏季能利用自然通风和遮阳措施来防止太阳辐射。建筑最佳朝向一般取决于日照和通风两个主要因素，建筑的主朝向宜选择本地区最佳朝向或接近最佳朝向，尽量避免东西向日晒。就日照而言，南北朝向是最有利的建筑朝向；从建筑单体夏季自然通风的角度，建筑的长边最好与夏季主导风方向垂直，但这会影响后排建筑的夏季通风。所以，建筑朝向与夏季主导季风方向一般控制在30°～60°。

我国夏热冬冷地区节能设计，不同气候区的主要城市的最佳、适宜和不宜的建筑朝向，见表4-1所列。

表4-1　我国夏热冬冷地区主要城市的建筑朝向选择

3.建筑日照

总平面设计要合理布置建筑物的位置和朝向，使其达到良好日照和建筑间距的最优组合。主要方法有：（1）建筑群采取交叉错排行列式，利用斜向日照和山墙空间日照等。（2）建筑群体的竖向布局，前排建筑采用斜屋面或把较低的建筑布置在较高建筑的阳面方向，能够缩小建筑间距。（3）建筑单体设计，可采用退层处理、合理降低层高等方法。（4）不封闭阳台和大落地窗的设计，应根据窗台的不同标高来模拟分析建筑外墙各个部位的日照情况，精确求解出无法得到直接日照的地点和时间，分析是否会影响室内采光。（5）复杂方案应采用计算机日照模拟分析计算。当建设区总平面布置不规则、建筑体形和立面复杂、条式住宅长度超过50m、高层点式住宅布置过密时，建筑日照间距系数难以作为标准，必须用计算机进行严格的模拟计算。在容积率确定的情况下，利用计算机对建筑群和单体建筑进行日照模拟分析，可以对不满足日照要求的区域提出改进建议，提出控制建筑的采光照度和日照小时数的方案。

4.合理利用地下空间

合理设计建筑物的地下空间，是节约建设用地的有效措施。在规划设计和后期的建筑单体设计中，应结合地形地貌、地下水位的高低等因素，合理规划并设计地下空间，用于车库、设备用房、仓储等。

5.建筑配套设施及绿化设计

（1）建筑配套设施。建筑配套设施规划建设时，在建设地区详细规划的条件下，应根据建设区域周边配套设施的现状和需求，统一配建学校、商店、诊所等公用设施。配套公共服务设施相关项目建设应集中设置并强调公用，既可节约土地，也可避免重复建设，提高使用率。

（2）绿化环境设计。绿化对建筑环境与微气候条件起着调节气温、调节碳氧平衡、减弱城市温室和热岛效应、减轻大气污染、降低噪音、净化空气和水质、遮阳隔热的重要作用，是改善小区微气候、改善室内热环境、降低建筑能耗的有效措施。环境绿化必须考虑植物物种多样性，植物配置必须从空间上建立复层分布，形成乔、灌、花、草、藤合理利用光合作用的空间层次，将有利于提高植物群落的光合作用能力和生态效益。

6.水环境设计

绿色建筑的水环境设计包括给排水、景观用水、其他用水和节水4个部分。提高水环境的质量是有效利用水资源的技术保证。强调绿色建筑生态小区水环境的安全、卫生、有效供水、污水处理与回收利用，目的是节约用水，提高水循环利用率，已成为开发新水源的重要途径之一。夏热冬冷地区降雨充沛的区域，在进行区域水景规划时，可以结合绿地设计和雨水回收利用设计，设置喷泉、水池、水面和露天游泳池，利于在夏季降低室外环境温度，调节空气湿度，形成良好的局部小气候环境。

7.雨水收集与利用

绿色建筑小区雨水资源化综合利用是提高非传统水源利用率的重要措施。现在，城市屋面雨水污染及利用、城市小区雨水渗透、雨水利用与城市环境等方面的研究日益深入。绿色建筑小区的雨水主要可分为路面雨水、屋面雨水、绿地及透水性铺地等其他雨水。雨水资源化综合利用技术主要包括雨水分散处理与收集系统、雨水集中收集与处理系统以及雨水渗透系统。

利用屋面回收雨水，道路采用透水地面回收雨水，经处理后，用作冲厕、冲洗汽车、庭院绿化浇灌等。透水地面增强地面透水能力，可缓解热岛效应，调节微气候，增加区域地下水涵养，补充地下水量，以及减少雨水的尖峰径流量，改善排水状况。

透水地面包括自然裸露地面、公共绿地、绿化地面和镂空面积大于或等于40%的镂空铺地（如植草砖铺地）。具体选用原则为：

（1）透水地砖适用于人行道、自行车道等受压不大的地面。

（2）自行车和汽车停车场可选用有孔的植草土砖。

（3）在不适合直接采用透水地面的地方，如硬质路面等处，可采取：a.可结合雨水回收利用系统，将雨水回收后进行回渗；b.采用透水混凝土路面。

透水混凝土，又称排水混凝土、生态透水混凝土、透水地坪，是由小石子、水泥、掺和外加剂、水、彩色强化剂以及稳定剂等经一定比例调配拌制而成的一种多孔轻质的新型环保地面铺装材料。透水混凝土技术是一项新型节能环保技术，能广泛适用于不同的地域及气候环境，既可以解决雨水收集问题和噪音环保问题，又能够使资源再生利用，值得大力推广应用。

8.改善区域风环境

建筑室外风环境和室内自然通风是建筑设计过程中的重要考虑因素之一。建筑布局从宏观上影响建筑室外风环境，关系到建筑室外人员活动区域的舒适性，也影响建筑单体前后的压力分布。建筑体形在周边建筑环境确定的情况下对建筑室内外风环境具有重要影响。建筑构件是在建筑布局和建筑体形确定后对室内外风环境的微观细部进行调节的重要因素。设计过程中需要将室外环境设计与建筑物理及建筑布局相结合来形成舒适的室内外环境。

夏热冬冷地区加强夏季自然通风，改善区域风环境的方法：

（1）总平面布局。

① 阶梯式布置方式。不同高度的建筑自南向北阶梯式布置，即将较低的建筑布置在东南侧（或夏季主导风向的迎风面），依高度呈阶梯式布置，不仅在夏季加强南向季风的自然通风，而且在冬季可以遮蔽寒冷的北风。后排（北侧）建筑高于前排（南侧）建筑较多时，后排建筑迎风面可以使部分空气流下行，改善低层部分的自然通风。

② 行列式布局方式（图4-5a）。建筑群平面布局最常见的是横平竖直的“行列式布局”，虽然整齐划一，但室外空气流主要沿着楼间山墙和道路形成通畅的路线运动，山墙间和道路上的通风得到加强，但建筑室内的自然通风效果被削弱。

③ 错列式布局方式（图4-5b）。采取“错列式布局”，使道路和山墙间的空气流通而不畅，下风方向的建筑直接面对空气流，其通风效果自然更好一些，此外，错列式布局可以使部分建筑利用山墙间的空间，在冬季更多地接收到日照。(www.xing528.com)

④ 选择合适的建筑外形。建筑外形影响建筑通风，因此，小区的南面临街不宜采用过长的条式多层（特别是条式高层）；东、西临街宜采用点式或条式低层（作为商业网点等非居住用途），不宜采用条式多层或高层（可以提高容积率，又不影响日照间距）。总之，总平面布置不应封闭夏季主导风向的入风口。

⑤ 适当调整建筑间距。建筑间距越大，一般自然通风效果就越好。建筑组团设计，条件许可时能结合绿地设置，适当加大部分建筑间距，形成组团绿地，可以较好地改善绿地下风侧建筑通风效果。建筑间距越大，接受日照的时间也越长。

图4-5　建筑群的平面布局方式示意图

（2）尽量利用穿堂风。

① 采用穿堂通风时，宜满足的要求：第一，使进风窗迎向主导风向，排风窗背向主导风向。第二，通过建筑造型或窗口设计等措施加强自然通风，增大进/排风窗空气动力系数的差值。第三，由两个和两个以上房间共同组成穿堂通风时，房间的气流流通面积宜大于进/排风窗面积。第四，由一套住房共同组成穿堂通风时，卧室、起居室应为进风房间，厨房、卫生间应为排风房间。厨房、卫生间窗口的空气动力系数应小于其他房间窗口的空气动力系数。第五，利用穿堂风进行自然通风的建筑，其迎风面与夏季最多风向宜成60°～90°角，且不应小于45°角。

② 无法采用穿堂通风的单侧通风时，宜满足的要求：第一，通风窗所在外窗与主导风向间夹角宜为40°～65°。第二，窗户设计应使进风气流深入房间；应通过窗口及窗户设计，在同一窗口上形成面积相近的下部进风区和上部排风区，并宜通过增加窗口高度以增大进/排风区的空气动力系数差值。第三，窗口设计应防止其他房间的排气进入本房间；宜利用室外风驱散房间排气气流。

（3）风环境的计算机模拟和优化。

在室外风环境评价方面，一般情况下，建筑物周围人行区距地1.5m高度处风速要求小于5m/s，以满足不影响人们正常室外活动的基本要求。此要求对室外风环境的舒适性提出了最基本要求。利用计算机进行风环境的数值模拟和优化，其计算结果可以以形象、直观的方式展示，通过定性的流场图和动画了解小区内气流流动情况，也可通过定量的分析对不同建筑布局方案的比较、选择和优化，最终使区域内室外风环境和室外自然通风更合理。

9.绿色能源的利用与优化

建设资源节约型的“高舒适、低能耗”住宅，鼓励太阳能、地热能、生物质能等清洁、可再生能源在小区建设中的应用。自然能源的利用技术较为成熟的形式主要有：太阳能光热与光电技术、地源热泵中央空调技术、风力发电等。

（1）太阳能利用。太阳能是夏热冬冷地区建筑已经广泛利用的可再生能源，利用方式有被动式和主动式。

① 被动式利用太阳能。是指直接利用太阳辐射的能量使其室内冬季最低温度升高，夏季则利用太阳辐射形成的热压进行自然通风。最便捷的被动式利用太阳能就是冬季使阳光透过窗户照入室内并设置一定的贮热体，调整室内的温度。建筑设计时也可结合封闭南向阳台和顶部的露台设置日光间，放置贮热体及保温板系统。被动式太阳能建筑因为被动系统本身不消耗能源，设计相对简单，是小区建筑利用太阳能的主要方式。它不需要依靠任何机械手段，而是通过建筑围护结构本身完成吸热、蓄热和放热过程，实现太阳能利用。

② 主动式利用太阳能。主动式利用太阳能是指通过一定的装置将太阳能转化为人们日常生活所需的热能和电能。建筑设计时应采用太阳能与建筑的一体化设计，将太阳能系统包含的所有内容作为建筑不可或缺的设计元素和建筑构件加以考虑，巧妙地将其融入建筑之中。

（2）其他可再生能源的利用。在绿色建筑中应合理利用地热能、风能、生物质能源及水资源的利用等绿色新能源。如采用户式中央空调的别墅、高档住宅，宜采用地源或水源热泵系统。

（二）夏热冬冷地区绿色建筑的单体设计

1.建筑平面设计

建筑平面设计合理，在满足传统生活习惯需要的基本功能的同时，应积极组织夏季穿堂风，冬季被动利用太阳能采暖以及自然采光。以居住建筑的户型规划设计为例，其注意要点：（1）户型平面布局应实用紧凑、采光通风良好、空间利用充分合理。（2）夏季，主要使用房间有流畅的穿堂风。进风房间一般为卧室、起居室，排风房间为厨房和卫生间，以满足不同空间的空气品质要求。（3）住宅阳台能起到夏季遮阳和引导通风的作用。西面、南面的阳台如果封闭起来，可以形成室内外热交换的过渡空间，而将电梯、楼梯、管道井、设备房和辅助用房等布置在建筑物的南侧或西侧，则可以有效阻挡夏季太阳辐射，与之相连的房间不仅可以减少冷消耗，同时可以减少大量的热量损失。（4）计算机模拟技术对日照和区域风环境辅助设计、分析后，可以继续对具体的建筑、建筑的某个特定房间进行日照采光、自然通风的模拟分析，从而改进建筑平面及户型设计。

2.体形系数控制

体形系数是建筑物接触室外大气的外表面积与其所包围的体积的比值。空间布局紧凑的建筑体形系数小；体形复杂、空间布局分散、凹面过多的“点式低、多层住宅”及“塔式高层住宅”等建筑外表面积和体形系数大。对于相同体积的建筑物来说，其体形系数越大，说明单位建筑空间的热散失面积越高。因此，出于节能的考虑，尽量减少立面不必要的凹凸变化。

一般控制体形系数的方法有：（1）加大建筑体量，增加长度与进深；（2）体形尽量工整，尽可能减少变化；（3）设置合理的层数和层高；（4）尽可能少用单独的点式建筑或尽量运用拼接以减少外墙面。

3.日照与采光设计

（1）日照标准应符合设计规范要求。不同类型的建筑，如住宅、医院、中小学校、幼儿园等设计规范都对日照有具体明确的规定，设计时应根据不同气候区的特点执行相应的规范。规划绿色建筑与设计建筑单体时，应满足现行国家标准《城市居住区规划设计规范》GB50180对日照的要求。

（2）日照间距及日照分析。控制建筑间距是为了保证建筑的日照时间，按计算，夏热冬冷地区建筑的最佳日照间距L是1.2倍邻近南向建筑的高度Hn，即L=l.2Hn。应使用日照软件模拟进行日照分析，模拟分析采光质量，包括亮度和采光的均匀度，并与建筑设计进行交互优化调整。经过采光模拟既可以优化采光均匀度，又可以结合照明分析灯具的开启时间和使用习惯，以及照明的智能控制策略，进而实现整体节能。

（3）充分利用自然采光。建筑应充分利用自然采光，房间的有效采光面积和采光系数除应符合国家现行标准《民用建筑设计通则》GB50352和《建筑采光设计标准》GB/T50033的要求外，还应符合下列要求：a.居住建筑的公共空间宜自然采光，其采光系数不宜低于0.5%；b.办公、宾馆类建筑75%以上的主要功能空间室内采光系数不宜低于现行国家标准《建筑采光设计标准》GB/T50033的要求；c.地下空间宜自然采光，其采光系数不宜低于0.5%；d.利用自然采光时应避免产生眩光；e.设置遮阳措施时应满足日照和采光标准的要求。

4.围护结构节能设计

建筑围护结构主要由外墙、屋顶和门窗、楼板、分户墙、楼梯间隔墙构成建筑外围护结构与室外空气直接接触，如果具有良好的保温隔热性能，便可减少室内、室外热量交换，从而减少所需要提供的采暖和制冷能量。

（1）建筑外墙节能设计。夏热冬冷地区面对冬季主导风向的外墙，表面冷空气流速大，单位面积散热量高于其他三个方向的外墙。因此，应采取合适的外墙保温构造，选用传热系数小且蓄热能力强的墙体材料两个途径，加强其保温隔热构造性能，提高传热阻。常用的建筑外墙保温构造为“外墙外保温”。外保温与内保温相比，保温隔热效果和室内热稳定性更好，也有利于保护主体结构。“自保温”能使围护结构的围护和保温的功能合二为一，而且基本能与建筑同寿命；随着很多高性能的、本地化的新型墙体材料的出现，外墙采用自保温的设计越来越多。

（2）屋面节能设计。冬季在围护结构热量总损失中，屋面散热占有相当大的比例；夏季来自太阳的强烈辐射又会造成顶层房间过热，使制冷能耗加大。夏热冬冷地区，夏季防热是主要任务，对屋面隔热要求较高。提高屋面保温隔热性能，可综合采取以下措施：① 选用导热系数、热惰性指标满足标准要求的保温材料；② 采用架空保温屋面或倒置式屋面等；③ 采用绿化屋面、蓄水屋面、浅色坡屋面等；④ 采用通风屋顶、阁楼屋顶和吊顶屋顶。

（3）外门窗、玻璃幕墙节能设计。

外门窗、玻璃幕墙设计是外围护结构与外界热交换、热传导的关键部位。冬季，其保温性能和气密性能对采暖能耗有重大影响，占墙体热损失的5～6倍；夏季，大量的热辐射直接进入室内，大大提高了制冷能耗。

外门窗、幕墙设计的节能设计方法，主要有：① 选择热工降能和气密性能良好的窗户。热工性能良好的型材的种类有断桥隔热铝合金、PVC塑料、铝木复合型材等；玻璃的种类有普通中空玻璃、Low-E玻璃、中空玻璃、真空玻璃等。其中，Low-E中空玻璃可能会影响冬季日照采暖。一般而言，平开窗的气密性能优于推拉窗。② 合理控制窗墙比、尽量少用飘窗。北墙窗的窗墙面积比应在满足采光和自然通风要求时适当减少，以降低冬季热损失；南墙窗的窗墙面积比在选择合适的玻璃层数及减少热耗的前提下，可适当增加，有利于冬季日照采暖。不能随意开设落地窗、飘窗、多角窗、低窗台等。③ 合理设计建筑遮阳。建筑遮阳可以降低太阳辐射、削弱眩光，提高室内视觉舒适性和热舒适性，降低制冷能耗。因此，夏热冬冷地区的南、东、西窗都应该进行遮阳设计。