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摘要：從未來發(fā)展的方向上來看，建筑領(lǐng)域的節(jié)能減排、低碳轉(zhuǎn)型是我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵一環(huán)。近年來“3060雙碳”政策密集出臺(tái)，從政策發(fā)布數(shù)量來看，各地被動(dòng)式超低能耗建筑發(fā)展仍存在較大差距。相比德國，我國氣候分區(qū)復(fù)雜，各個(gè)氣候區(qū)溫度、日照、降雨、濕度差異較大，所以各省市制定被動(dòng)房（詞條“被動(dòng)房”由行業(yè)大百科提供）標(biāo)準(zhǔn)時(shí)并沒有照搬德國標(biāo)準(zhǔn)，而是采取了因地制宜的策略。本文通過對(duì)夏熱冬冷地區(qū)地域氣候的分析，對(duì)超低能耗建筑的被動(dòng)式設(shè)計(jì)及適宜性提出了自己的觀點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：被動(dòng)式;高保溫;氣候條件;夏熱冬冷;超低能耗
1. 引言
地域氣候條件是限制建筑形式與構(gòu)造方式的重要條件，相對(duì)于傳統(tǒng)建筑而言，被動(dòng)式超低能耗建筑需要對(duì)地域氣候條件進(jìn)行更為細(xì)致和嚴(yán)格的氣候條件分析，這是由于超低能耗建筑主要依靠被動(dòng)式技術(shù)手段而非人工技術(shù)對(duì)建筑內(nèi)部的物理環(huán)境進(jìn)行控制，達(dá)到人體舒適度需求，地域條件的不同會(huì)限制不同被動(dòng)技術(shù)措施的使用。因此，需要對(duì)地域氣候條件進(jìn)行詳細(xì)分析，使室內(nèi)微氣候達(dá)到相應(yīng)的要求。
2.夏熱冬冷地區(qū)氣候特征
我國面積廣闊，自然條件復(fù)雜，氣候存在明顯的多樣性，只有充分掌握氣候特點(diǎn)，才能使建筑更好地利用氣候、適應(yīng)氣候。為更好地將因地制宜理念運(yùn)用到建筑設(shè)計(jì)建造中，《民用建筑（詞條“民用建筑”由行業(yè)大百科提供）熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50176-2016進(jìn)行了熱工設(shè)計(jì)分區(qū)，將我國氣候劃分為5大氣候區(qū)，并對(duì)不同氣候區(qū)提出不同的設(shè)計(jì)要求，具體建筑氣候區(qū)劃圖如圖 1。
目前，我國夏熱冬冷地區(qū)劃分是以隴秦豫海鐵路為北界線，嶺南為南界線，四川盆地為東界線，主要包括上海、重慶、湖北、湖南、江西、安徽、浙江、四川、貴州、江蘇、河南、福建省、陜西、甘肅、廣東、廣西16個(gè)省、市及自治區(qū)。
2.1 溫度氣候特征
溫度是影響人熱舒適度的首要因素，只有空氣溫度比人的皮膚表面溫度低2—4℃時(shí)，流動(dòng)的空氣才能帶走人體自身所產(chǎn)生的熱量。建筑的室內(nèi)溫度與空調(diào)能耗都和室外溫度息息相關(guān)。
夏熱冬冷地區(qū)最顯著的特點(diǎn)就是從氣溫上反映出來的夏熱冬冷。夏季由于緯度較低、輻射（詞條“輻射”由行業(yè)大百科提供）強(qiáng)烈，使得該地區(qū)許多城市溫度普遍較高，而冬季該地區(qū)又受到西伯利亞刮向太平洋冷風(fēng)的影響，且冷空氣進(jìn)入該地區(qū)時(shí)又被南部的東南丘陵所阻擋，產(chǎn)生冷空氣回流，導(dǎo)致該地區(qū)冬天溫度較低。
氣象學(xué)采用最熱(冷)月平均溫度和極端最高(低)氣溫來衡量某地的炎熱(寒冷)程度，建筑節(jié)能方面一般采用空調(diào)度日數(shù)(CDD26)和采暖度日數(shù)(HDD18)來進(jìn)行評(píng)估，表 1列舉了夏熱冬冷地區(qū)幾個(gè)代表城市的相關(guān)氣象數(shù)據(jù)。
可以看出夏熱冬冷地區(qū)城市最熱月平均溫度在30℃左右，極端最高氣溫普遍在35℃以上，CDD值普遍在200左右;而冬季最冷月平均溫度在5℃左右，極端最低氣溫普遍在0℃以下，HDD值普遍在1500左右，由于該地區(qū)大多未采用集中供暖，導(dǎo)致冬季該地區(qū)的室內(nèi)較為寒冷。
2.2 濕度氣候特征
建筑內(nèi)的空氣濕度也是影響熱舒適度的一個(gè)重要因素，空氣流速和相對(duì)濕度決定人體是否能通過蒸發(fā)來散熱，空氣流速不變時(shí)，較高的空氣相對(duì)濕度會(huì)大大減少人體的蒸發(fā)散熱率。
夏熱冬冷地區(qū)全年濕度較高，主要受到氣候和湖泊分布的影響。夏熱冬冷地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季受海陸氣溫差異影響，吹東南風(fēng)，將海面上的很多水分帶入內(nèi)陸，水汽在高空遇到冷空氣便凝聚成小水滴，導(dǎo)致該地區(qū)的降雨量增加，進(jìn)一步增加了區(qū)域內(nèi)的濕度;同時(shí)，該地區(qū)江河密集，湖泊眾多，由于水體的蒸騰作用，空氣濕度較高。
由于上述原因，該地區(qū)相對(duì)濕度全年都在70%以上(表 2)，夏季高溫高濕環(huán)境使得汗液難以排出和揮發(fā)，使人感到悶熱;而冬季潮濕水汽從人體中吸收熱量，使人感到寒冷陰涼。
2.3 太陽輻射氣候特征
太陽輻射強(qiáng)度與建筑的熱環(huán)境和能耗表現(xiàn)關(guān)系密切，我國夏熱冬冷地區(qū)的大部分范圍屬于我國熱工分區(qū)意義上的光氣候（詞條“光氣候”由行業(yè)大百科提供）IV類地區(qū)，全年日照平均在30%到50%之間，其中的四川南部和貴州北部地區(qū)不足30%，冬季日照的缺乏使得冬季的舒適度進(jìn)一步降低。
此外，由于太陽輻射強(qiáng)度會(huì)受到緯度、云層狀況、空氣濕度、地形和周邊環(huán)境等的影響，因此同為夏熱冬冷區(qū)的不同城市太陽輻射也會(huì)存在較大差異;下面選取該熱工分區(qū)12個(gè)主要城市，根據(jù)中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供的《中國地面氣候標(biāo)準(zhǔn)值月值數(shù)據(jù)集(1971-2003)》，分析了不同城市的月均總輻射情況(表 3)。
由上表 9可知，對(duì)于同一個(gè)城市，夏季6、7、8月之間和冬季12、1、2月相應(yīng)季節(jié)之間的月總輻射都比較接近，但城市之間、冬季與夏季之間差異明顯。夏熱冬冷地區(qū)總體上太陽資源并不算豐富，唯一的集中時(shí)段還是在夏季。夏季總輻射月均值是冬季的2倍以上，其中重慶的夏季月均值是冬季的4倍。在夏季，各城市之間的總輻射月均值差異很小，最小值和最大值分別是117KW·h/㎡和148 KW·h/㎡。在冬季，大部分城市的總輻射月均值在50KW·h/㎡至70KW·h/㎡之間，但小部分城市的冬季總輻射月均值明顯低于平均水平，重慶及成都的冬季總輻射月均值分別是30 KW·h/㎡和44 KW·h/㎡。
2.4 風(fēng)氣候特征
合理地利用自然通風(fēng)不但能降低空調(diào)能耗，還可以改善室內(nèi)空氣新鮮度。室外風(fēng)速和主導(dǎo)風(fēng)向是影響建筑自然通風(fēng)最重要的因素。
風(fēng)環(huán)境與太陽輻射一樣，受更多因素的影響，因此不同城市都需要進(jìn)行具體的分析。下面選取該熱工分區(qū)4個(gè)主要城市，根據(jù)epw氣象數(shù)據(jù)，分析了不同城市的最熱月風(fēng)速平均值情況(圖 2)。
由上圖 2可知，華中地區(qū)如長沙、武漢晚上風(fēng)速較低。這是由于夏季從太平洋吹向內(nèi)陸的涼風(fēng)受到東南丘陵的阻擋，使夏熱冬冷部分地區(qū)如長沙、武漢、南昌等城市在夏天位于背風(fēng)面，往往夜間靜風(fēng)率較高。至于長江中下游地區(qū)的上海、蘇州等城市白天和夜晚風(fēng)速差異不大。這是由于上海地區(qū)和江蘇平原沒有山脈丘陵的阻擋，使得靜風(fēng)率較低。少部分沿海地區(qū)有臺(tái)風(fēng)與大風(fēng)天氣，其余大部分地區(qū)全年風(fēng)速不大。
風(fēng)向方面，夏熱冬冷地區(qū)冬季以偏北風(fēng)為主，夏季以偏南風(fēng)為主。夏熱冬冷地區(qū)大多數(shù)城市風(fēng)向都屬于季節(jié)變化型，即城市風(fēng)向隨季節(jié)而發(fā)生變化，受冬夏兩季大氣環(huán)境的變化及季風(fēng)影響，風(fēng)向相反。
2.5 氣候總體特征
根據(jù)對(duì)夏熱冬冷地區(qū)地氣候特征分析研究，該地區(qū)的總體氣候情況有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
(1)溫度——夏熱冬冷
該地區(qū)大部分范圍夏季氣溫較高，空氣悶熱，冬季空氣潮濕陰冷;7月平均氣溫在25至30℃的范圍之內(nèi)，全年有40至110天日平均氣溫高于25℃;1月平均氣溫通常為0至10℃之間;冬季寒潮來襲時(shí)極端最低氣溫可降至零下10℃以下，全年有90至100天的年日平均氣溫低于或等于5℃。
(2)濕度——全年高濕
該地區(qū)年降雨量較大，年平均相對(duì)濕度在70%到80%之間，四季均處在較高水平;全年降雨天數(shù)為150天左右，年降雨量1000-1800mm。
(3)太陽輻射——日照率低
該地區(qū)全年總太陽輻射照度為110-160W/㎡，其中四川盆地東部輻射照度尤其低，不足110W/㎡;年日照時(shí)數(shù)范圍在1000小時(shí)至2400小時(shí)之間，年日照百分率為30-50%，其中四川南部與貴州北部日照資源匱乏，為1000至1200 小時(shí)，占比低于30%，為全國低值。
(4)風(fēng)速——風(fēng)速不大
該地區(qū)大部分范圍夏季主導(dǎo)風(fēng)向偏南，冬季盛行偏北風(fēng);年平均風(fēng)速1至3m/s，冬平均風(fēng)速比夏平均稍大，年大風(fēng)日數(shù)一般在10天至25天之間。少部分沿海地區(qū)會(huì)有臺(tái)風(fēng)，持續(xù)時(shí)間較短。除少數(shù)極端天氣外，常年風(fēng)速不大。
3.夏熱冬冷地區(qū)氣候?qū)ㄖ挠绊?/STRONG>
氣候因素作為建筑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一，氣候特點(diǎn)在不同程度上影響了當(dāng)?shù)亟ㄖ男问健Ｏ臒岫涞貐^(qū)建筑由于自身的氣候特點(diǎn)，其建筑特征有別于北方寒冷地區(qū)和熱帶地區(qū)。以下結(jié)合上述總結(jié)出的夏熱冬冷地區(qū)氣候特征，從溫度、濕度、太陽輻射和風(fēng)四方面分析氣候?qū)ο臒岫涞貐^(qū)建筑的影響，并總結(jié)出氣候?qū)ㄖ?fù)荷的影響。
3.1 溫度因素
夏熱冬冷地區(qū)的夏季常常出現(xiàn)持續(xù)高溫天氣，為了應(yīng)對(duì)悶熱的室內(nèi)環(huán)境，人們通常會(huì)采取空調(diào)、電扇等措施來達(dá)到降溫的目的，這也就導(dǎo)致了夏季的建筑能耗較高。該地區(qū)冬季的室外氣溫一般不低于0℃，但因?yàn)槿照章瘦^低，相對(duì)濕度較大，室內(nèi)體感溫度仍然較低。同時(shí)，夏熱冬冷地區(qū)沒有集中采暖，在建筑內(nèi)主要依靠空調(diào)等設(shè)備來維持房間舒適度，所以冬季的建筑能耗也相對(duì)較高。
因此，針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)“夏熱冬冷”的氣候特征，既要滿足室內(nèi)熱舒適水平，又要節(jié)約能源，建筑就必須采取合適的保溫隔熱措施。
3.2濕度因素
夏熱冬冷地區(qū)常年濕度較大，對(duì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境（詞條“室內(nèi)熱環(huán)境”由行業(yè)大百科提供）影響較大。空氣濕度大，在夏天表現(xiàn)為悶熱，在冬季表現(xiàn)為濕冷，導(dǎo)致人體的熱舒適性很差，所以需要借助空調(diào)、風(fēng)扇、新風(fēng)、暖氣等設(shè)備來改善人體舒適度，這就使得建筑能耗大幅度上升。
同時(shí)，高濕環(huán)境也會(huì)影響建筑保溫隔熱材料的實(shí)際性能。建筑的保溫隔熱材料多為多孔材料，材料在吸收了空氣中的潮氣后，保溫性能會(huì)有所降低，從而影響節(jié)能效果。當(dāng)空氣濕度較大時(shí)，在建筑的內(nèi)表面，特別是冷熱橋部位，還易產(chǎn)生結(jié)露，從而使這些部位霉變（詞條“霉變”由行業(yè)大百科提供）、脫落，不僅影響美觀，也影響保溫效果和使用壽命。
因此，針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)全年高濕的氣候特征，該地區(qū)的建筑需要考慮通過自然通風(fēng)手段排除濕空氣來降低額外的設(shè)備能耗。同時(shí)，考慮采取必要的防潮措施來降低高濕空氣帶來的不利影響。
3.3 太陽輻射因素
夏熱冬冷地區(qū)冬季日照時(shí)間較少，加上空氣濕度較大，為了盡可能的獲得日照，建筑需要盡量南向布置，保證居住建筑的間距，使居住建筑的主要居室在冬季有足夠的日照時(shí)間，充分利用太陽輻射熱，節(jié)約采暖能耗。
夏熱冬冷區(qū)夏季會(huì)間歇性地出現(xiàn)照度極高的太陽輻射，大量的熱輻射通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱進(jìn)入室內(nèi)，使室內(nèi)氣溫增高。
因此，針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)太陽輻射的氣候特點(diǎn)，該地區(qū)的建筑需要同時(shí)考慮夏季的遮陽及冬季的太陽能利用。
3.4 風(fēng)因素
夏熱冬冷的大部分地區(qū)，夏季主導(dǎo)風(fēng)向偏南，可考慮充分利用夏風(fēng)，組織自然通風(fēng)。該地區(qū)冬季主導(dǎo)風(fēng)向偏北。在冬季，要注意加強(qiáng)建筑物的氣密性，防止冷風(fēng)從這一方向滲透。由于風(fēng)環(huán)境受外界因素影響較大，因此還需要結(jié)合建筑所在地的具體狀況進(jìn)行詳細(xì)的風(fēng)環(huán)境分析。
夏熱冬冷地區(qū)常年風(fēng)速不高且全年需要除濕，因而絕大部分地區(qū)的建筑需考慮合理利用并增強(qiáng)良好的自然通風(fēng)。但是由于夏熱冬冷地區(qū)普遍風(fēng)速不高，因此建筑物有時(shí)難以通過利用室外來風(fēng)增強(qiáng)室內(nèi)風(fēng)壓來進(jìn)行通風(fēng)。尤其是在夏季濕熱的天氣，通風(fēng)除濕的要求很高，而室外又處于靜風(fēng)的狀態(tài)之時(shí)，熱壓通風(fēng)就顯得尤其重要。因此，對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)建筑而言，需要考慮利用熱壓通風(fēng)作用進(jìn)行除濕。
3.5 建筑負(fù)荷影響
由于夏熱冬冷地區(qū)冬季濕冷且持續(xù)時(shí)間較短，夏季悶熱且持續(xù)時(shí)間較長，因此，夏季圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷和新風(fēng)冷負(fù)荷會(huì)大于冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷和新風(fēng)熱負(fù)荷。另外，夏熱冬冷地區(qū)冬季大部分時(shí)間太陽輻射強(qiáng)度較低，夏季又間歇性地出現(xiàn)照度極高的太陽輻射，因此夏季的太陽輻射得熱量較大，由該得熱而引起的冷負(fù)荷也相對(duì)較大。
通過以上分析可知，夏熱冬冷的氣象因素從根本上決定了建筑物冷熱負(fù)荷不平衡率較大。
4.夏熱冬冷地區(qū)超低能耗建筑被動(dòng)式設(shè)計(jì)
上面從溫度、濕度、太陽輻射和風(fēng)四個(gè)氣候因素出發(fā)，歸納出夏熱冬冷地區(qū)具有夏熱冬冷、全年高濕、日照率低和風(fēng)速不大的氣候特征。同時(shí)分析了夏熱冬冷地區(qū)氣候?qū)ㄖ挠绊憽Ｏ臒岫涞臍庀笠蛩匾蠼ㄖO(shè)計(jì)需要考慮保溫隔熱、防潮排濕、遮陽防曬、自然通風(fēng)措施。夏熱冬冷的氣象因素也從根本上決定了建筑物冷熱負(fù)荷不平衡率較大。建筑設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮氣候適宜性，針對(duì)氣候特點(diǎn)解決突出問題。
4.1自然通風(fēng)設(shè)計(jì)
自然通風(fēng)是指通過利用建筑內(nèi)外的風(fēng)力來促進(jìn)室內(nèi)的空氣流通來進(jìn)行相應(yīng)的空氣通風(fēng)。在傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)中，由于生產(chǎn)工具相對(duì)不足，因此人們常常會(huì)利用自然風(fēng)改善建筑的外部及內(nèi)部環(huán)境。自然通風(fēng)不僅能夠改善室內(nèi)的空氣質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)生態(tài)性發(fā)展，還能夠減少室內(nèi)建筑對(duì)于通風(fēng)設(shè)備的依賴，從而實(shí)現(xiàn)建筑的節(jié)能環(huán)保（詞條“節(jié)能環(huán)保”由行業(yè)大百科提供）設(shè)計(jì)。
在夏熱冬冷地區(qū)被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)中，在過渡季節(jié)利用自然通風(fēng)可以改善建筑室內(nèi)的熱舒適情況，同時(shí)合理的自然通風(fēng)可以延長建筑的“過渡季節(jié)”的時(shí)間，縮短全年使用制冷采暖設(shè)備的時(shí)間，達(dá)到節(jié)約建筑能耗的效果。
夏熱冬冷地區(qū)風(fēng)速較小，可利用的風(fēng)資源較為匱乏，所以應(yīng)優(yōu)先考慮為建筑塑造良好的自然通風(fēng)條件。選址應(yīng)處于利于通風(fēng)位置，并通過場地設(shè)計(jì)引導(dǎo)過渡季節(jié)的主導(dǎo)風(fēng);建筑采用適宜的開口形式、大小和數(shù)量，利用風(fēng)壓和熱壓原理，改善自然通風(fēng)效果;同時(shí)，可采用靈活隔斷、開放布局的細(xì)部處理，優(yōu)化室內(nèi)氣流路徑。
4.2自然采光設(shè)計(jì)
自然采光設(shè)計(jì)是指將自然光引入到建筑物內(nèi)部，根據(jù)一定的設(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)建筑物內(nèi)部的照明效果。良好的自然采光不僅減少了燈光設(shè)備的使用，節(jié)約了能源，而且還創(chuàng)造了更舒適的光環(huán)境，利于人們健康生活。
夏熱冬冷地區(qū)冬季日照時(shí)間較少，所以需要考慮借助自然采光加強(qiáng)對(duì)于太陽輻射熱的利用。規(guī)劃布局宜坐北朝南，通過水平展開的方式最大限度獲取南向采光。建筑宜設(shè)置具有適宜位置、方向、大小和數(shù)量的天井，讓足夠的自然光線可以進(jìn)入室內(nèi)。細(xì)部處理方面，靈活開啟的長窗，可以在需要時(shí)盡可能引入自然采光，屋頂開設(shè)天窗，可以優(yōu)化室內(nèi)照度和采光均勻度。
4.3遮陽防曬設(shè)計(jì)
遮陽防曬是指通過減少照射到建筑及室內(nèi)的直射光，以減少建筑太陽輻射得熱，從而達(dá)到降低室內(nèi)溫度的方法。遮陽防曬可以營造適宜的室內(nèi)溫度環(huán)境，提供舒適的室內(nèi)空間效果。
夏熱冬冷地區(qū)夏季濕熱，所以需要考慮全面的遮陽和快速散熱。規(guī)劃布局宜采用緊密式布局，利用建筑自遮陽原理，塑造陰涼空間;建筑設(shè)置挑檐、圍廊等空間，利用灰空間進(jìn)行室內(nèi)外空間過渡，有效緩沖室外不利氣候?qū)κ覂?nèi)環(huán)境的影響;細(xì)部處理考慮窗上挑檐的設(shè)計(jì)、窗戶外部加裝可調(diào)式遮陽卷簾等設(shè)計(jì)，彰顯地域特色的同時(shí)減少太陽直射。
5 結(jié)語
環(huán)境和氣候是被動(dòng)式超低能耗建筑設(shè)計(jì)過程中需要考慮的核心因素。我國不同地區(qū)的氣候差異明顯，南方夏季溫度高，空調(diào)供冷的需求高;北方冬季寒冷，需要大量供熱。因此，在不同地區(qū)實(shí)施被動(dòng)式超低能耗建筑設(shè)計(jì)時(shí)，要因地制宜地選擇最合適的技術(shù)，并根據(jù)環(huán)境條件調(diào)整設(shè)計(jì)方案。
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作者單位：中億豐控股集團(tuán)有限公司工程研究院
