被动式超低能耗建筑在夏热冬冷地区的应用分析

纵观建筑历史可知，自然环境因素极大地影响了建筑的演变。农业社会的时候，建筑作为人们躲避风雨的地方，受气候因素影响很大，虽然舒适性不高，但是能耗较低。到了现代工业社会，伴随着技术的不断发展，涌现出各种各样可以协助建筑解决室内环境问题的设备，因此气候因素不再是人们设计建造建筑的桎梏。建筑舒适性有所提升，但能耗高，污染大，排放多。随着城市化的进程，建筑业上的投入逐渐增多，不断扩张却不环保的建筑业成为了耗能大户并被人们所关注。如何设计出既保有建筑环境舒适度又以自然气候为基础，且结合艺术与技术的绿色节能建筑，是建筑师们将要面临的挑战[1]，因此超低能耗建筑的研究被提上了日程。

1  被动式超低能耗建筑内涵简介

被动式超低能耗建筑，指以德国被动房研究所所制定的标准设计建造的、顺应建筑周围的自然环境与气候，通过气密性、隔热性较高的围护结构和新风系统技术来保证室内的舒适性，并利用可再生能源来降低整体能耗的建筑。被动式超低能耗建筑的核心就在于利用“被动式”设计的手法，使建筑对空调、取暖器之类的设备的依赖度降至最低，真正实现现代建筑设计的“低成本”和“高舒适性”的要求[2]。

2  夏热冬冷地区被动式低能耗建筑的设计策略

2.1  夏热冬冷地区的气候特征

2.1.1 夏热冬冷地区（长江中下游地区）的全年温度以及变化特征

图1是夏热冬冷地区三个典型城市武汉、南京、上海的全年日平均干球温度特征状况图，可以看出，该地区夏季高温闷热；冬季阴冷，冷感强烈，且夏季时间持续较长，因而，建筑需兼顾夏季隔热和冬季保温。

图1  夏热冬冷地区的三个典型城市的全年干球温度变化图

2.1.2 夏热冬冷地区的全年盛行风向和风速以及变化特征

图2是夏热冬冷地区三个典型城市武汉、南京、上海的全年风玫瑰图。可以看出，该地区夏季炎热月份风速低，不利于热量消散；冬季则风速偏高，加剧了体感的寒冷程度。

图2  夏热冬冷地区的三个典型城市的全年干球温度变化图

2.1.3 夏热冬冷地区的全年相对湿度以及变化特征

图3是夏热冬冷地区三个典型城市武汉、南京、上海的全年相对湿度的变化图。可以看出，该地区全年气候都非常潮湿，都不同程度地加重了夏天地闷热的感觉与冬天湿冷的感觉。

图3  夏热冬冷地区三个典型城市的相对湿度变化

综合而言，相比于我国的寒冷地区，夏热冬冷地区的气候有如下特征：

（1）夏季室外温度较高，冬季室外温度较低。在被动式设计中对冬季室内的采暖和夏季室内的制冷需要统筹兼顾、作为整体考虑[3]；

（2）冬季西北盛行风较强，夏季风较弱，冬季的防风措施也是必要的；

（3）不管夏季、还是冬季，夏热冬冷地区都非常潮湿，使舒适度大受影响。所以，在夏热冬冷的长江中下游地区，湿度的影响不容忽视。

因此，综合以上对夏热冬冷地区的自然环境与气候条件的分析，隔热、通风、除湿及太阳能的合理有效地利用，是被动式低能耗建筑在该区域建设所需解决的四个关键点。

2.2  夏热冬冷地区建筑形成的环境因素及特征

在自然环境与气候方面，与其他地区不同的是，夏热冬冷地区的建筑呈现出一种与自然紧密结合、多层渗透的状态[7]。开敞、渗透、融合正是该地区的建筑的主要特征。而在文化与地域性方面，夏热冬冷地区地处较为富庶的地区，经济文化相对繁荣。在此背景下，该地区的建筑，风格较为开放、丰富、变化多端。

2.3  夏热冬冷地区被动式超低能耗建筑设计策略

2.3.1 总体规划、建筑形体设计策略

规划方面，夏热冬冷地区因其气候特殊性，既要在夏季尽量减少西晒，避免房间过热，也要在冬季充分引入太阳光，利用其来温暖室内，减少空调能耗，所以居住建筑较适宜的主要朝向设置范围为南向偏东或南向偏西15°夹角。

另外，在规划设计时还可利用水体蒸发吸收热量的特性，对热季进入室内的风进行预冷，降低空调等降温设施能耗并改善夏热冬冷地区夏季潮湿的问题，提高人体舒适度。

平面体形设计时可以通过凹进平面的手法以扩大迎风面或减少进深来促进穿堂风的形成[4]。竖向体形设计时通过底层架空，局部开洞，退台式等手法来优化室外人行高度的风环境。

2.3.2 建筑遮阳隔热策略

就被动式建筑来说，冬季时室内人们活动时产生的热量和太阳辐射热对降低热负荷起积极作用，但到夏季时它们就会起消极的作用，而被动式低能耗建筑又不能直接完全依靠空调等设备来解决这部分冷负荷，因此如何用被动式设计手法来给建筑遮阳隔热便是一个有价值的命题。

（1）合理设计窗户来遮阳隔热

通过窗户的形状遮阳中最常用也最有效的方式是采用凹形窗，也就是在建筑结构之后设置窗，这样太阳光射进室内时会先被建筑结构遮挡以达到遮阳的目的。如上海同济大学的中德学院就采用了此种遮阳办法。中德学院西南向夏季受到太阳辐射很强[5]，因此建筑师将窗户斜向设置并辅以挑出结构和透明的磨砂玻璃，从而控制了进入室内的太阳光照射量，有效减少了南向的太阳辐射，为室内走廊创造宜人的光环境。

（2）合理设置挑檐等固定的外遮阳构件来遮阳隔热

相较于只能阻隔20%～30%的太阳辐射热的内遮阳构件，能阻隔70%～85%的太阳辐射热的外遮阳构件节能效果更好。在建筑屋顶设置巨大的挑檐是常用的遮阳隔热策略，上海大剧院（图4）地处夏季阳光辐射很强的夏热冬冷地区，便是一个很好的例子。出挑深远的檐部虽然不能根据太阳高度而自动调节角度，但是还是起到了遮挡太阳辐射的效果。同时，根据建筑气质来设计不同形态的挑檐在发挥遮阳隔热作用的同时还能发挥文化作用，强化建筑的视觉特征。

图4  上海大剧院

（3）设置外装式百叶等可调式外遮阳构件来遮阳隔热

不断用挑檐等固定的外遮阳构件来提升遮阳效果，在夏热冬冷地区并不是最优解决方案。因为它在减轻夏季冷负荷的同时也会干涉冬季的太阳辐射的热，因此应选取外装式百叶等可调的外遮阳构件。可调的外遮阳构件会随着太阳位置的移动和室内状况的变化来改变自身角度，从而灵活可变地遮挡太阳辐射。托马斯·赫尔佐格在设计建筑工业养老金基金会（图5）时便巧妙地利用了此法。构件在阴天时可以将顶光反射到楼地板的底面上提供照明，在阳光强烈时，又会旋转至最佳的遮阳角度，提升室内舒适性[6]。

上海某幼儿园为了改善西晒情况，在西向设置了竖向的可根据太阳的角度调整倾斜角度的遮阳板。同时又根据建筑性质，给遮阳板附着不同色彩的涂料，这样在遮阳的同时，也为幼儿园的小朋友们创造出一个活泼、欢乐的气氛。

图5  建筑工业养老金基金会

2.3.3 围护结构设计策略

围护结构的保温与隔热对室内环境有很大的影响，因此设计时需考虑围护结构各部分的保温性能与夏季的隔热性能。但遗憾的是，目前夏热冬冷地区的居住建筑实践在围护结构方面的节能设计意识较为欠缺。

（1）开口设计。窗墙比合理和开口位置恰当是开口设计的两个基本要求。条件允许情况下，优先考虑建筑进出风口的成对设计，如若只可单侧通风，便优先考虑于迎风面开口。当单个房间可以实现多个开口时，建议增加相邻开口间距离，以促进空气流动。

（2）外墙设计。目前节能保温墙体分为自保温墙体和复合保温墙体两种，且基于经济性考量，自保温墙体未形成广泛应用，因此出现了复合保温墙体“一枝独秀”的局面。但复合保温墙体中最常见的外墙外保温技术却并不适合夏热冬冷地区。为避免外墙外保温技术阻碍夏热冬冷地区建筑夏季散热，在降低建筑耗能方面起反作用，该区域住宅建筑采取外墙内保温技术。同时，不同朝向的墙体在设计构造上也不可一概而论，例如冬季主导风向迎风面的外墙便要额外进行加厚处理。

（3）透光构件设计。合理选择玻璃和窗框等透光构件的材料可以降低建筑热损失，因此外窗框宜采用导热系数低的材料，玻璃也应优先选用节能玻璃。在被动式建筑中，南向窗是集热构件，而东、西、北向不是集热窗，在东、西墙过量开窗会加剧夏季室内的炎热，而北向过量开窗会加重冬季热损失。因此要控制各墙面的窗墙比，提升门窗气密性和窗框保温性能，尽量避免严重的冷风渗透。

（4）屋面设计。建造屋项花园是保温隔热的有效措施。屋顶直接接受太阳辐射，相较于东西立面温度上升更多，并与室内传热剧烈，极大影响室内温度，这一点在夏天又尤为明显。而在夏热冬冷地区，建造屋顶花园就像给建筑披上天然的保护层。

夏天温度高时，植物本身具有的蒸腾作用蒸发吸热可以降低屋顶温度；冬天温度低时，植物又可充当天然的“被子”，起保温作用。且建造屋顶花园不仅能保温隔热，而且可以让居住于其中的人参与种植，甚至辅以园艺疗法，以加强人们对该空间的亲近感。

3  总结

建筑节能问题作为能够直接影响到建筑业的可持续发展的问题，在当今能源紧张的大环境下是建筑改革的重中之重。而夏热冬冷地区作为关键枢纽，在整体中担当着提高能源率和保护环境的双重责任。因此，我国建筑部门应该不断从规划设计、构造设计等方面，对夏热冬冷地区节能型居住建筑设计进行深入探讨和革新。

夏热冬冷地区气候特征独特，既要考虑夏季高温，还要考虑冬季严寒且湿度极高，因此不可将其他地区的被动式建筑策略直接沿用。如何兼顾夏季放热和冬季保温，将是一个重要的课题。

此外，被动式建筑的实效与相应建材产品的质量关系密切。现在，我国许多被动式建材，尤其是被动式门窗，很大程度上依赖国际市场，且国外存在许多技术垄断现象，致使我国超低能耗被动式建筑的成本大幅度提高，且加之黑心厂家以次充好，极大影响甚至误导普通居民对超低能耗被动式建筑的评价，因此未来仍然任重而道远[7]。

参考文献

[1]马如月.基于传统智慧的绿色建筑空间设计策略与方法研究[D].南京:东南大学.2018.

[2]龚红卫,王中原,管超等.被动式超低能耗建筑检测技术研究[J].建筑科学,2017(12):188-192.

[3]张小玲.我国被动式房屋的发展现状[J].建设科技.2015(15):16-23,27.

[4]杨柳,杨晶晶,宋冰等.被动式超低能耗建筑设计基础与应用[J].科学通报,2015,60(18)：1698-1710.

[5]宋琪，杨柳，印保刚．为适应气候而建造：被动式建筑[J]．华中建筑，2014，32（04）：11-1

[6]陶然,李霞,|特·鲁格.最佳实践:中国南方地区首个被动式住宅[J].景观设计学.2014(03):80-85.

[7]李爽．被动式节能住宅技术分析研究及案例[D]．天津:天津大学，2013．