严寒地区绿色建筑设计的要点

严寒地区的绿色建筑设计除了满足建筑的一般要求以外，还应满足《绿色建筑技术导则》和《绿色建筑评价标准》的要求，且应注意结合严寒地区的气候特点、自然资源条件进行综合设计。

（一）严寒地区绿色建筑总体布局的设计原则

1.应体现人与自然和谐、融洽的生态原则

严寒地区建筑群体布局应科学合理地利用基地及周边自然条件，还应考虑局部气候特征、建筑用地条件、群体组合和空间环境等因素。

2.充分利用太阳能

我国严寒地区太阳能资源丰富，太阳辐射量大。严寒地区建筑冬季利用太阳能，主要依靠南面垂直墙面上接收的太阳辐照量。冬季太阳高度角低，光线相对于南墙面的入射角小，为直射阳光，不但可以透过窗户直接进入建筑物内，且辐照量也比地平面上要大。

（二）严寒地区绿色建筑总体布局的设计方法

1.建筑物朝向与太阳辐射得热

建筑物的朝向选择，应以当地气候条件为依据，同时考虑局地的气候特征。在严寒地区，应使建筑物在冬季最大限度地获得太阳辐射，夏季则尽量减少太阳直接射入室内。严寒地区的建筑物冬季能耗，主要由围护结构传热失热和通过门窗缝隙的空气渗透失热，再减去通过围护结构和透过窗户进入的太阳辐射得热构成。

“太阳总辐射照度”，即水平或垂直面上单位时间内、单位面积上接受的太阳辐射量。其计算公式为：太阳总辐射照度=太阳直射辐射照度+散射辐射照度。

太阳辐射得热与建筑朝向有关。研究结果表明，同样层数、轮廓尺寸、围护结构、窗墙面积比的多层住宅，东西向的建筑物比南北向的能耗要增加5.5%左右。各朝向墙面的太阳辐射热量，取决于日照时间、日照面积、太阳照射角度和日照时间内的太阳辐射强度。日照时间的变化幅度很大，太阳直射辐射强度一般是上午低、下午高，所以无论冬夏，墙面上接受的太阳辐射热量都是偏西朝向比偏东朝向的稍高一些。以哈尔滨为例，冬季1月各朝向墙面接受的太阳辐射照度，以南向最高，为3095W/（m2·日），东西向则为1193W/（m2·日），北向为673W/（m2·日）。因此，为了冬季最大限度地获得太阳辐射，严寒地区的建筑朝向以选择南向、南偏西、南偏东为最佳。东北严寒地区最佳和适宜朝向建议见表4-7所列。

表4-7　东北严寒地区最佳和适宜朝向建议

此外，确定建筑物的朝向还应考虑利用当地地形、地貌等地理环境，充分考虑城市道路系统、小区规划结构、建筑组群的关系以及建筑用地条件，以利于节约建筑用地。从长期实践经验来看，南向是严寒地区较为适宜的建筑朝向。

2.建筑间距

决定建筑间距的因素很多，如日照、通风、防视线干扰等，建筑间距越大，越有利于满足这些要求。但我国土地资源紧张，过大的建筑间距不符合土地利用的经济性。严寒地区确定建筑间距，应以满足日照要求为基础，综合考虑采光、通风、消防、管线埋没与空间环境等要求为原则。

3.住区风环境设计，注重冬季防风，适当考虑夏季通风

住区风环境设计是住区物理环境的重要组成部分，充分考虑建筑物可能会造成的风环境问题并及时加以解决，有助于创造良好的户外活动空间，节省建筑能耗，获得舒适、生态的居住小区。合理的风环境设计，应该根据当地不同季节的风速、风向进行科学的规划布局，做到冬季防风和夏季通风；充分利用由于周围建筑物的遮挡作用在其内部形成的风速较高的加速区和风速较低的风影区；分析不同季节进行不同活动的人群对风速的要求，进行合理、科学的布置，创造舒适的室外活动环境；在严寒地区尤其要根据冬季风的走向与强度设置风屏障（如种植树木、建挡风墙等）。

夏季，自然风能加强热传导和对流，有利于夏季房间及围护结构的散热，改善室内空气品质；冬季，自然风增加冷风对建筑的渗透，增加围护结构的散热量，增加建筑的采暖能耗。因此，对于严寒地区的建筑，做好冬季防风是非常有必要的，具体措施如下：

（1）选择建筑基地时，应避免不利地段。严寒地区的建筑基地不宜选在山顶、山脊等风速很大之处；应避开隘口地形，避免气流向隘口集中、流线密集、风速成倍增加形成急流而成为风口。

（2）减少建筑长边与冬季主导风向的角度。建筑长轴应避免与当地冬季主导风向正面相交，或尽量减少冬季主导风向与建筑物长边的入射角度，以避开冬季寒流风向，争取不使建筑大面积外表面朝向冬季主导风向。不同的建筑布置形式对风速有明显的影响：

①平行于主导风的行列式布置的建筑小区：因狭管效应，风速比无建筑地区增加15%～30%。

②周边式布置的建筑小区（图4-6）：在冬季风较强的地区，建筑围合的周边式建筑布局，风速可减少40%～60%，建筑布局合适的开口方向和位置，可避免形成局地疾风。这种近乎封闭的空间布置形式，组成的院落比较完整且具有一定的空地面积，便于组织公共绿化及休息场地，对于多风沙地区，还可阻挡风沙及减少院内积雪。周边布置的组合形式有利于减少冷风对建筑的作用，还有利于节约用地，但是这种布置会有相当一部分房间的朝阳较差。

图4-6　周边布置的基本形式

（三）严寒地区绿色建筑单体设计的设计方法

1.控制体形系数

所谓体形系数，即建筑物与室外空气接触的外表面积心F0与建筑体积V0的比值，即：

S（体形系数）= F0/V0

体形系数的物理意义是单位建筑体积占有多少外表面积（散热面）。通过围护结构的传热耗热量与传热面积成正比，显然，体形系数越大，单位建筑空间的热散失面积越大，能耗就越高；反之，体形系数较小的建筑物，建筑物耗热量必然较小。当建筑物各部分围护结构传热系数和窗墙面积比不变时，建筑物耗热量指标随着建筑体形系数的增长而呈线性增长。有资料表明，体形系数每增大0.01，能耗指标约增加2.5%。可见，体形系数是影响建筑能耗最重要的因素。从降低建筑能耗的角度出发，应该将体形系数控制在一个较低的水平。

2.平面布局宜紧凑，平面形状宜规整

严寒地区建筑平面布局，应采用有利于防寒保温的集中式平面布置，各房间一般集中分布在走廊的两侧，平面进深大，形状较规整。平面形状对建筑能耗的影响很大，因为平面形状决定了相同建筑底面积下建筑外表面积，建筑外表面积的增加，意味着建筑由室内向室外的散热面积的增加。假设各种平面形式的底面积相同，建筑高度为H，此时的建筑平面形状与建筑能耗的关系见表4-8所列。

表4-8　建筑平面形状与能耗的关系(www.xing528.com)

续表

由上表可以看出，平面为正方形的建筑，周长最小、体形系数最小。如果不考虑太阳辐射且各面的平均传热系数相同时，正方形是最佳的平面形式。但当各面的平均有效传热系数不同且考虑建筑白昼获得大量太阳能时，综合建筑的得热、散热分析，则传热系数相对较小、获得太阳辐射量最多的一面应作为建筑的长边，此时正方形将不再是建筑节能的最佳平面形状。可见，平面凹凸过多、进深小的建筑物，散热面（外墙）较大，对节能不利。因此，严寒地区的绿色建筑应在满足功能、美观等其他需求基础上，尽可能使平面布局紧凑，平面形状规整，平面进深加大。

3.功能分区兼顾热环境分区

建筑空间布局在满足功能合理的前提下，应进行热环境的合理分区，即根据使用者热环境的需求将热环境质量要求相近的房间相对集中布置，这样既有利于对不同区域分别控制，又可将对热环境质量要求较低的房间（如楼梯间、卫生间、储藏间等）集中设于平面中温度相对较低的区域，把对热环境质量要求较高的主要使用房间集中设于温度较高区域，从而获得对热能利用的最优化。

冬季，严寒地区的北向房间得不到日照，是建筑保温的不利房间；与此同时，南向房间因白昼可获得大量的太阳辐射，导致在同样的供暖条件下同一建筑产生两个高低不同的温度区间，即北向区间与南向区间。在空间布局中，应把主要活动房间布置于南向区间，而将阶段性使用的辅助房间布置于北向区间。这样，北向的辅助空间形成了建筑外部与主要使用房间之间的“缓冲区”，从而构成南向主要使用房间的防寒空间，使南向主要使用房间在冬季能获得舒适的热环境。

4.合理设计建筑入口

建筑入口空间是指从建筑入口外部环境到达室内稳定热环境区域的过渡空间，是使用频率最高的部位。入口空间主要包括门斗、休憩区域、娱乐区域、交通区域等，当受到室外气候环境影响时，入口空间能够起到缓冲和阻挡作用，从而对室内物理环境产生调控作用，同时也可以阻止热量的流失，起到控制双重空间环境的作用。入口空间可以将其划分为低温区、过渡区和稳定区三个区域。

建筑入口位置是建筑围护结构的薄弱环节，针对建筑入口空间进行建筑节能研究，具有很现实的意义。

① 入口的位置。入口位置应结合平面的总体布局，它是建筑的交通枢纽，是连接室外与室内空间的桥梁，是室内外空间的过渡。建筑主入口通常处于建筑的功能中心，既是室内外空间相互渗透的节点，也是“进风口”，其特殊的位置及功能决定了它在整个建筑节能中的地位。

② 入口的朝向。严寒地区建筑入口的朝向应避开当地冬季的主导风向，应在满足功能要求的基础上，根据建筑物周围的风速分布来布置建筑入口，减少建筑的冷风渗透，从而减少建筑能耗。

③ 入口的形式。从节能的角度出发，严寒地区建筑入口的设计主要应注意采取防止冷风渗透及保温的措施，具体可采取以下设计方法：

a.设门斗。门斗可以改善入口处的热工环境。第一，门斗本身形成室内外的过渡空间，其墙体与其空间具有很好的保温功能；第二，它能避免冷风直接吹入室内，减少风压作用下形成空气流动而损失的热量。由于门斗的设置，大大减弱了风力，门斗外门的位置与开启方向对于气流的流动有很大的影响，如图4-7所示。

图4-7　外门的位置对入口热工环境的影响与气流的关系

b.选择合适的门的开启方向。门的开启方向与风的流向角度不同，所起的作用也不相同。例如，当风的流向与门扇的方向平行时，具有导风作用；当风的流向与门扇垂直或成一定角度时，具有挡风作用，所以垂直时的挡风作用为最大。因此，设计门斗时应根据当地冬季主导风向，确定外门在门斗中的位置和朝向以及外门的开启方向，以达到使冷风渗透最小的目的。

c.设挡风门廊。挡风门廊适用于冬季主导风向与入口成一定角度的建筑，显然，其角度越小，效果越好。此外，在风速大的区域以及建筑的迎风面，建筑应做好防止冷风渗透的措施。例如，在迎风面上应尽量少开门窗和严格控制窗墙面积比，以防止冷风通过门窗口或其他孔隙进入室内，形成冷风渗透。

5.围护结构注重保温节能设计

建筑围护结构的节能设计是建筑节能设计的主要环节，采用恰当的围护结构部件及合理的构造措施可以满足保温、隔热、采光、通风等各种要求，既保证了室内良好的物理环境，又降低了能耗，这是实现建筑节能的基本条件。围护结构的节能设计主要涉及的因素有外墙、屋顶、门窗、地面、玻璃幕墙及窗墙比等。

建筑保温是严寒地区绿色建筑设计十分重要的内容之一，建筑中空调和采暖的很大一部分负荷，是由于围护结构传热造成的。围护结构保温隔热性能的好坏，直接影响到建筑能耗的多少。为提高围护结构的保温性能，通常采取以下6项措施：

① 合理选材及确定构造型式。选择容重轻、导热系数小的材料，如聚苯乙烯泡沫塑料、岩棉、玻璃棉、陶粒混凝土、膨胀珍珠岩及其制品、膨胀蛭台为骨料的轻混凝土等可以提高围护构件的保温性能。严寒地区建筑在保证围护结构安全的前提下，优先选用外保温结构，但是不排除内保温结构及夹芯墙的应用。采用内保温时，应在围护结构内适当位置设置隔气层，并保证结构墙体依靠自身的热工性能做到不结露。

② 防潮防水。冬季由于外围护构件两侧存在温度差，室内高温一侧水蒸气分压力高于室外，水蒸气就向室外低温一侧渗透，遇冷达到露点温度时会凝结成水，构件受潮。此外，雨水、使用水、土壤潮气等也会侵入构件，使构件受潮受水。围护结构表面受潮、受水时会使室内装修变质损坏，严重时会发生霉变，影响人体健康。构件内部受潮、受水会使多孔的保温材料充满水分，导热系数提高，降低围护材料的保温效果。在低温下，水分在冰点以下结晶，进一步降低保温能力，并因冻融交替而造成冻害，严重影响建筑物的安全和耐久性。为防止构件受潮受水，除应采取排水措施外，在靠近水、水蒸气和潮气的一侧应设置防水层、隔气层和防潮层。组合构件应在受潮一侧布置密实材料层。

③ 避免热桥。在外围护构件中，由于结构要求经常设有导热系数较大的嵌入构件，如外墙中的钢筋混凝土梁和柱、过梁、圈梁、阳台板、雨篷板、挑檐板等这些部位的保温性能都比主体部位差，且散热大，其内表面温度也较低，当低于露点温度时易出现凝结水，这些部位通常称为围护构件的“热桥”现象。为了避免和减轻热桥的影响，首先应避免嵌入的构件内外贯通，其次应对这些部位采取局部保温措施，如增设保温材料等，以切断热桥。

④ 防止冷风渗透。当围护构件两侧空气存在压力差时，空气从高压一侧通过围护构件流向低压一侧，这种现象称为空气渗透。空气渗透可由室内外温度差（“热压”）引起，也可由“风压”引起。由热压引起的渗透，热空气由室内流向室外，室内热量损失；风压使冷空气向室内渗透，使室内变冷。为避免冷空气渗入和热空气直接散失，应尽量减少外围护结构构件的缝隙，例如，使墙体砌筑砂浆饱满，改进门窗加工和构造方式，提高安装质量，缝隙采取适当的构造措施等。提高门窗气密性的方法主要有两种：

a.采用密封和密闭措施。框和墙间的缝隙密封可用弹性软型材料（如毛毡）、聚乙烯泡沫、密封膏等。框与扇间的密闭可用橡胶条、橡塑条、泡沫密闭条，以及高低缝、回风槽等。扇与扇之间的密闭可用密闭条、高低缝及缝外压条等。窗扇与玻璃之间的密封可用密封膏、各种弹性压条等。

b.减少缝的长度。门窗缝隙是冷风渗透的根源，以严寒地区传统住宅窗户为例，一个1.8m×1.5m的窗，其各种接缝的总长度达11m左右。为了减少冷风渗透，可采用大窗扇、扩大单块玻璃面积以减少门窗缝隙；同时合理减少可开窗扇的面积，在满足夏季通风的条件下，扩大固定窗扇的面积。

⑤ 合理设计门窗洞口面积。

a.窗的洞口面积确定。窗的传热系数远远大于墙的传热系数，因此，窗户面积越大，建筑的传热、耗热量也越大。严寒地区的建筑设计应在满足室内采光和通风的前提下，合理限定窗面积的大小。我国严寒地区传统民居南向开窗较大，北向往往开小窗或不开窗，这是利用太阳能改善冬季白天室内热环境与光环境及节省采暖燃料的有效方法。我国《民用建筑节能设计标准》中限定了“窗墙面积比”。以哈尔滨为例，北向的窗墙面积比限值为0.25；东西向限值为0.3；南向限值为0.45。在欧美一些国家，为了让建筑师在决定窗口面积时有一定灵活性，他们不直接硬性规定窗墙面积比，而是规定整幢建筑窗和墙的总耗热量。如果设计人员要开窗大一些，即窗户耗热量多一些，就必须以加大墙体的保温性能来补偿；若墙体无法补偿时，就必须减小窗户面积，显然也是间接地限制窗的面积。

b.门的洞口面积确定。门洞的大小尺寸，直接影响着外入口处的热工环境，门洞的尺寸越大，冷风的侵入量越大，就越不利于节能。但是，外入口的功能要求门洞应具有一定的尺寸，以满足消防疏散及人们日常使用及搬运家具等要求。所以，门洞的尺寸设计应该是在满足使用功能的前提下，尽可能地缩小尺寸，以达到节能要求。

⑥ 合理设计建筑的首层地面。

建筑物的耗热量不仅与其围护结构的外墙和屋顶的构造做法有关，而且与其门窗、楼梯间隔墙、首层地面等部位的构造做法有关。在建筑围护结构中，地面的热工质量对人体健康的影响较大。普通水泥地面具有坚固、耐久、整体性强、造价较低、施工方便等优点，但是其热工性能很差，存在着“凉”的缺点，地面表面从人体吸收热量多。因此，对于严寒地区建筑的首层地面，还应进行保温与防潮设计。

在严寒地区的建筑外墙内侧0.5～1.0m范围内，由于冬季受室外空气及建筑周围低温土壤的影响，将有大量的热量从该部位传递出去。因此，在外墙内侧0.5～1.0m范围内应铺设保温层，地下室保温需要根据地下室用途确定是否设置保温层，当地下室作为车库时，其与土壤接触的外墙可不保温。当地下水位高于地下室地面时，地下室保温需要采取防水措施。