第二章 建筑節能設計

第一節 建筑節能規劃設計

建筑的節能設計首先應該從規劃入手，并以節能作為指導規劃設計的主要原則，分析氣候條件和地理因素的有利、不利影響，通過建筑的規劃布局對上述因素進行充分利用、改造、將設計與建筑技術和能源利用有效地結合，充分利用建筑所在地區的自然環境資源和條件，減少常規能源的利用，使建筑在冬季最大限度地利用自然能采暖，多獲得熱量，減少熱損失，夏季最大限度地減少得熱和利用自然條件降溫和冷卻，在保證人們居住環境舒適的同時達到節能的效果。

一、依據氣候條件進行建筑節能規劃設計

1．氣候條件

氣候是指地球上某一地區多年的大氣和大氣活動的綜合狀況，是某個時段的天氣的平均統計特征，由太陽輻射、大氣環流、地面性質等相互作用決定。與建筑密切相關的氣候參數包括太陽輻射、空氣溫度、空氣濕度、風向和風速等。我國幅員遼闊，具有多樣性氣候的特點。青藏高原海拔4 500mm以上地區四季常冬，南海諸島終年為夏，云南中部四季如春，其余地區四季分明。因此，建筑設計應依據建筑所在地區的氣候條件，以便利用室外氣候條件中的有利元素規劃設計出與當地氣候相符合的節能建筑。

在氣候對建筑的影響中，太陽輻射是建筑外部的主要熱源，太陽輻射對建筑外墻加熱，通過窗口直射進入室內使內墻和地面升溫并加熱室內空氣。室內空氣直接決定建筑物熱工性能計算，決定外圍護結構的保溫和隔熱設計計算，決定建筑采暖、通風或空調的設計計算。空氣運動的風向和風速關系建筑物的布局和自然通風效果。因此，太陽輻射、風向和風速是影響建筑規劃設計的主要因素。

2．日照環境節能設計

日照環境的設計主要是確定建筑的布局，建筑的間距和建筑適宜的朝向以便最大程度的利用太陽輻射能。

（1）建筑布局節能設計。建筑的合理布局，能夠爭取日照條件，避免季風干擾，改善建筑的日照和風環境，減少耗能。建筑群在組合布置時，可采取以下方式，爭取良好日照。①多排、多列樓棟布局中，采用錯位布置，利用山墻空隙爭取日照，見圖2-1。②點、條組合布局時，點式建筑布置在朝向較好位置，條式布置其后，爭取日照，見圖2-2。③在嚴寒地區，城市住宅布置時可通過利用東西向住宅圍合成封閉或半封閉的周邊式住宅方案。這種布局可以擴大南北向住宅間距，可以形成較大的院落，對節能省地都有利。南北向與東西向住宅圍合一般有4種情況，如圖2-3所示。這4種情況從爭取室內日照，減少日照遮擋來看，方案2、方案4最好。④封閉圍合時，開口的位置和方位以向陽和居中為好。

（2）建筑朝向節能設計。建筑物主立面的方位角稱為朝向，一般由建筑與周圍道路之間的關系確定。選擇合理的建筑朝向是節能建筑群體布置中首先考慮的問題。建筑朝向的選擇要考慮兩個方面，首先是在冬季能獲得足夠的日照，主要房間要避開冬季風向。其次，在夏季能有效防止太陽輻射與暴風雨的襲擊。在選擇建筑朝向時，需要考慮以下幾點因素：①炎熱季節盡量減少太陽直射室內及居室外墻面。②冬季能有適量并具有一定質量的陽光射入室內。③夏季有良好的通風，冬季避免冷風吹襲。④充分地形和節約用地。⑤照顧居住建筑群體組合的需要。

不同地區太陽輻射強度各不同，最佳朝向不同。如哈爾濱市最佳建筑朝向范圍是南偏東15°，南偏西15°。北京市最佳建筑朝向范圍是南偏東30°至南偏西30°。在同一地區，不同建筑物朝向，或統一朝向太陽輻射隨季節變化各不相同。朝南墻與其他朝向墻相比，冬季接受的輻射熱最多，而夏季的輻射的熱又比東、西朝向少，可參見圖2-4。由于不同朝向上太陽輻射強度變化比較大，因此，合理選擇建筑朝向對爭取更多的太陽輻射量是有利的。部分城市最佳朝向見表2-1。

建筑物的朝向對于建筑的得熱量有很大的影響。所以從節能的角度出發，如總平面布置允許自由考慮建筑物的形狀和朝向，則應首選長方形體型，采用南北朝向。通過對不同體形的建筑研究，如圖2-5至圖2-8、表2-2至表2-3，可得到以下結論，實際設計中建筑的體型和朝向可參考這些結論進行設計。

·不同體型對朝向變化敏感程度不同。長方體最敏感，“Y”形次之，正方形敏感度最小。

·板式建筑以南北主朝向時獲熱量最多。

·“Y”形建筑總輻射面積小于點式和板式建筑兩種。

·點式建筑與板式相仿，但總輻射面積小于板式建筑，總獲熱較少。

·“Y”形建筑中以圖2-8（a）、（c）兩種建筑朝向的建筑體形獲熱量最多。

·無論何朝向如何，總有一個輻射面積較大之面。

（3）建筑間距節能設計。為保證陽光不受遮擋，并可以直接照射到建筑室內，在建筑的規劃設計中，就必須在建筑物之間留出一定的距離，也就是建筑物的日照間距。影響建筑物日照間距的因素有許多方面，包括當地日照標準、地理緯度、建筑朝向、建筑物的高度、長度及建筑用地的地形等。因此，在建筑節能設計時，在節約用地的前提下，應該綜合考慮各種因素來確定建筑的日照間距。根據以往經驗，夏熱冬冷的地區建筑要保證日獲得日照1h的要求，日照間距系數就應該控制在1.2以上，按2h的標準則日照間距系數應大于1.3。由于不同城市的緯度、土地資源及經濟發展水平等條件的不同，規定日照間距的標準也有所差異，但是總體上是控制在1.1～1.3H（H為建筑高度），即日照距系數為1.1～1.3的范圍以內，以保證建筑的采光。

住宅組群中房屋間距的確定首先應以能滿足日照間距的要求為前提。因為在一般情況下日照間距總是最大的。當日照間距確定后，再確定其他因素對間距的要求。正午的太陽輻射強度比日出或日沒時的輻射強度約大6倍。因此，確定日照間距的日照時間一般取正午（一天中太陽高度角最大時）前后。太陽方位垂直于建筑物比兩者相交30°時的輻射強度約大1倍。因此，計算建筑物的日照間距時常以冬至日中午（11～13時）2h為日照時間標準。

日照間距是建筑物長軸之間的外墻距離，通常以冬至日正午正南方向，太陽照至后排房屋底層窗臺高度O點為計算點。

1）平地日照間距的計算公式見圖2-9。

由

可導出

式中：

h——建筑總高；

h2——底層臺高；

h1= h-h2；

rh——當地冬至日正午的太陽高度角。

2）坡地日照間距的計算公式。在坡地上布置住宅時，其間距因坡度的朝向而異，向陽坡上的房屋間距可以縮小，背陽坡則需加大。同時又因建筑物的方位與坡向變化，都會分別影響到建筑物之間的間距。一般來說，當建筑方向與等高線關系一定時，向陽坡的建筑以東南或西南向間距最小，南向次之，東西向最大，北坡則以建筑南北向布置時間距最大。

向陽坡間距計算公式見圖2-10（a）。

背陽坡間距計算公式見圖2-10（b）。

3．建筑風環境節能設計

空氣流動形成風，所謂風環境是指室外空氣流動在建筑區域的分布。建筑規劃設計時應考慮風的影響，良好的室外通風環境是規劃設計需要考慮的重要因素，不僅影響著室外的熱舒適和室內的自然通風，而且也影響著室外活動的安全和衛生。影響風環境的規劃設計因子主要體現在建筑選址、建筑平面布局、建筑朝向、建筑間距等。

（1）建筑選址節能設計。在建筑物選址時，主要考慮冷空氣滲透量以及冷風對建筑圍護體系的形成的風壓。冷風滲透量越大，室溫下降越多；冷風對建筑圍護體系的形成的風壓越大，則外表面散熱越多，房間的熱損失就越多。冷風滲透和冷風對建筑圍護體系的風壓均對建筑物冬季防寒保溫有不利的影響，尤其嚴寒地區和寒冷地區冬季季風對建筑物和室外小氣候威脅很大。

冷空氣滲透量與風壓差有關，風壓與風速的平方成正比。風速和風壓差隨建筑物的高度變化規律如圖2-11所示。

當風垂直吹向建筑物正面時，受到建筑物表面的阻擋而在迎風面上產生正壓區。氣流在向上偏轉的同時，繞過建筑物側面，而在這些面上造成負壓區，如圖2-12至2-14所示。

因此，建筑規劃設計中應避風建宅，避開不合理的風向、通過適當布置建筑物，降低冷天風速阻隔冷風、降低風速、減少風壓作用，降低能耗。

（2）建筑布局節能設計。建筑布局應遵循改善建筑的日照和風環境的準則。在建筑平面布局中，布局的形式多種多樣，依據建筑群的平面布局，主要有行列式、錯列式、斜列式、周邊式、自由式。盡管他們均能達到較好的通風效果，但各有自身的特點。自由式、行列式能爭取到較好的朝向和較好的通風效果。錯列式相當于加大了前、后棟建筑之間的距離，較好地規避了前方建筑背風渦流區的影響，對通風更有利，同時有利于山墻爭取日照。而斜列式的布局更好一些。周邊式太封閉，不利于風的導入，而且使得較多的房間受到強烈的東、西曬陽光直射室內，同時對于高層建筑群而言，周邊式中部天井通風不好，影響區域衛生與舒適。一般而言，自由式由于與外界交流的自由界面較多，同時建筑體量一般不大，所以室內外的通風性能一般較好。但是自由式的風場則比較復雜，需要規劃師精心布置。

（3）建筑間距節能設計。欲使建筑物獲得良好的自然通風，周圍建筑物，尤其是前棟建筑，其阻擋狀況是決定因素。要根據風向投射角對室內環境的影響程度來選擇合理的間距，同時也可結合建筑群體布局方式的改變以達到縮小間距的目的。綜合考慮風的投射角與房間風速、風流場和漩渦區的關系，選定投射角在45°左右較為恰當。據此，房屋間距爭取（1.3～1.5）H，最少也要保證（1.0～1.2）H。而保證日照時間確定的房屋間距的是總體上是控制在（1.1～1.3）H（H為建筑高度）。因此，建筑間距應綜合考慮日照間距和通風間距來確定最終結果。

（4）建筑朝向節能設計。在建筑朝向選擇時，室內外通風是重要的考慮因素。主導風向冬季熱損失和夏季自然通風。為了組織好房間的自然通風，應當使房間朝向盡量靠近夏季的主導風向。但當風正面吹向建筑物，由圖2-12可知，建筑物的背風側會產生負壓渦流區，影響后面的通風效果。若將建筑受風面與主導風向成角度布置，則有明顯改善，適當的加大風向入射角，對建筑通風有利，當風向入射角加大至30°～60°時，氣流能較順利地導入建筑間距內，如圖2-16所示。對于建筑朝向的確定要綜合考慮室內外通風、日照、暴風雨吹襲方向的影響。在廣州地區，選擇南偏西5°到南偏東10°作為住宅朝向最佳，詳見表2-1。

二、依據地形地貌進行建筑節能規劃設計

一般來說，建筑所在地區的地形地貌，會直接影響建筑室內外熱環境和空調能耗的大小，進而影響建筑的能源消耗情況。因此，對不同地形地貌的建筑環境要區分對待，設計出不同的節能方案。尤其在建筑的選址，選址要結合建設地段的地形、地物、地貌，合理布局建筑物，保證夏季防熱、通風，兼顧冬季向陽、避風。

在建筑選址時，首先要考慮到建筑物可能會受到“窩風”影響，如圖2-17所示。處于山谷位置的建筑物往往會受“窩風”的影響，由于冬季的風往往來自北向或西北向，因此，設在這個“窩風”位置的建筑物反而有可能在冬季里享受到南向或東南向吹來的“窩風”。所以建筑基地應盡量選擇在向陽、避風的地段上，為建筑爭取日照創造必要的條件。

其次，應注意避免凹地建筑，對于嚴寒和寒冷地區的建筑不適宜選擇在山谷、洼地及凹地等處，因冬季冷氣流在凹地易形成對建筑物的“霜洞”效應。“霜洞”效應是指冬季晴朗無風的夜晚，冷空氣沉降并停留在凹地底層或半地下層建筑，若保持所需的室內溫度，所耗能量會相應增加，如圖2-18。