生态建筑设计

4.4　生态建筑设计

生态建筑设计是一个技术集成的设计，许多技术问题，比如能源优化问题、污水处理问题、太阳能的采用问题等，这不都是建筑一个专业所能解决的问题，而是需要建筑师和其他各专业的工程师共同合作。从合理的规划选址，提高建筑的保温隔热性能，降低能耗;利用太阳能、风能等可再生能源;尽量争取自然采光等方面，运用基本的生态技术策略，使人、建筑与自然生态环境之间形成一个良性的系统，实现建筑的生态化。

4.4.1　生态建筑的自然通风

自然通风有着悠久的历史，在世界各地乡土建筑中都可以见到一些巧妙的利用自然通风的实例，人们在建造房屋时都采用各种措施，进行自然通风。随着建筑功能的多样化、建筑空间需求扩大，自然通风越来越难以满足各种建筑空间的通风换气的要求。1927年诞生了舒适性空调器，从而使机械通风和空调系统为现代建筑室内空间创造了舒适的热环境和空气交换。然而近年来人们对空调的过分依赖和不加限制的滥用，产生了种种弊端:浪费能源、城市热岛效应、大气污染、导致大气臭氧层的破坏等，这与节约能源、保护环境与可持续发展是相违背的。

自然通风具有以下双重生态效果。

(1)在不消耗不可再生能源的情况下，实现有效被动制冷，减少对空调系统的依赖，降低室内温度，带走潮湿空气，达到人体的舒适度。

(2)提供新鲜、清洁的自然空气，在局部地点或整个房间把不符合卫生标准的污浊空气排至室外，把新鲜的或经过净化符合卫生要求的空气送入室内，改善建筑内部空气质量。另外，与外界空气接触也是人们对大自然的一种正常的生理和心理需要。

通风作为满足人体健康和舒适的一个必备要求，成为生态建筑师在设计中的首要目标，在设计过程中用现有的技术资源和手法来满足建筑通风的自然化和节能化，尽可能减少机械通风和空调系统的使用，创造良好的环境效益与经济效益。

4.4.1.1　自然通风的基本原理

自然通风是指利用建筑物内外由于空气温度差引起的热压或风力造成的风压来促使空气流动而进行的通风换气。机械通风是依靠风机造成的压力使空气流动。自然通风不需要或很少需要专门的动力，在一些地区，通风的重要性甚至影响了建筑的外形。

按照通风动力的不同，通风系统可分为自然通风和机械通风两类。自然通风不同于机械通风，不能通过主动式的机械设备来产生气流，而需要在建筑中采取特殊的处理手法来被动式地造成自然通风的效果。自然通风按工作原理可分为:热压作用下的自然通风、风压作用下的自然通风、热压风压共同作用下的自然通风。

人们对自然通风的利用已经不同于以前开窗、开门通风，而是综合利用室内外条件来实现。如根据建筑周围环境、建筑布局、建筑构造、太阳辐射、气候、室内热源等，来组织和诱导自然通风。在建筑构造上，通过中庭、双层幕墙、风塔、门窗、屋顶等构件的优化设计，来实现良好的自然通风效果。

1)利用风压实现自然通风

利用建筑迎风面和背风面的压力差进行通风，而这个压力差和建筑形式、建筑与风的夹角以及周围建筑布局等因素相关。在具有良好的外部风环境(平均风速一般不小于3～4米/秒)的地区，利用风压可作为实现自然通风的主要手段，人们常说的“穿堂风”就是利用风压在建筑内部产生流动的结果。

风洞试验表明:当风吹向建筑物正面时，因受到建筑表面的阻挡而在迎风面上产生正压区，气流向上偏转同时绕过建筑物各侧面及背面，在这些面上产生负压。当风垂直吹向建筑物时，迎风面中心处正压最大，在屋角及屋脊处负压最大。所以，在进行建筑设计时，应考虑下列因素。

(1)建筑的布局应根据风玫瑰来考虑，建筑要选择适宜的朝向和布局，其朝向应与当地夏季主导风向保持一定的角度，这样更有利于自然通风。

(2)建筑平面进深不宜过大，有利于穿堂风的形成。一般情况下平面进深不超过楼层净高的5倍(一般宜小于14米)，单侧通风的建筑，进深最好不超过净高的2.5倍，这样可以取得较好的通风效果。

(3)建筑平面和洞口的位置和面积，为了引风入室，争取穿堂风，要从平面、剖面及建筑细部来考虑，尽可能把门窗布置在一条直线上，以减少气流阻力，通风顺畅;内外围护构件要尽量通透，开口面积应大、减少开口边缘的阻力。

(4)在不同季节、不同风速、风向的情况下，由于自然风变化幅度较大，建筑还应采取不同的措施，如洞口构造形式、可调节百叶窗等来调节室内气流状况，保证自然通风的效果。

法国建筑师R.皮阿诺设计的新卡里多尼亚特吉巴奥(Tjibaou)文化中心(如图4.16(a)、(b)、(c)所示)就是建筑利用风压进行自然通风的典范。这里的气候炎热潮湿，常年多风，最大限度地利用自然通风来降温降湿，成为适应当地气候、注重生态环境的核心技术。Tjibaou文化中心由10个被皮阿诺称为“容器”的贝壳状的棚屋(如图4.16(a)所示)组成。这些类似于山间木屋的曲线形构筑物，全都是由木桁架和木肋建成(如图4.16(b)所示)，在建筑内部安装了一套十分有效的被动式通风系统。其原理是采用双层结构，使空气可以自由地在内部的弓形表面与外部垂直空间之间流通，而建筑外壳上的开口则是吸纳海风，或者用于导引建筑所需的对流。气流由百叶窗进行调节，当有微风吹来时，百叶窗就会开启让气流通过，当风速变得很大时，它们又会按照由下而上的顺序关闭。(如图4.16(c)所示)

图4.16(a)　特吉巴奥文化中心全景(皮阿诺1998)

图4.16(b)　贝壳状的棚屋

图4.16(c)　“容器”在不同状况下的通风示意

1—微风时气流;2—强风时气流;3—旋风时气流;4—反风时气流

2)利用热压实现自然通风

自然通风的另一原理是利用建筑内部的热压，由于自然风的不稳定性，或周围环境如高大建筑物、植被的影响，在建筑周围不能形成足够的风压，这时就需要利用热压原理来加速自然通风，即通常所说的“烟囱效应”。由于空气温度不同，在建筑内部产生垂直向的热压差，利用热空气上升的原理，在建筑上部设排风口，将污浊的热空气(比重小)从室内排出，而室外新鲜的冷空气(比重大)则从建筑底部被吸入。热压的作用与进、出风口的高差和室内外的温差有关，室内外温差和进、出风口的高差越大，其通风效果越好。

在建筑设计中，可从利用建筑物内部贯穿多层的竖向空腔，如楼梯间、中庭等满足进、排风口的高差要求，并在顶部设置可以控制的开口，将建筑各层的热空气排出，达到自然通风的目的。在气候炎热的地方，进风口尽量配置在建筑较冷的一侧(通常是遮阴的北侧)。与风压式自然通风不同，热压式自然通风更能适应常变的外部风环境和不良的外部风环境。

迈克尔·霍普金斯设计的英国国内税务中心(如图4.17(a)、(b)所示)，位于诺丁汉市的传统街区。建筑呈院落式布置，高度为3～4层。由于受到紧密的城市格局的影响，建筑周边风速较小，难以满足自然通风的要求。在设计时，采取的自然通风措施是从四周的外墙处进风，将污浊的室内空气利用楼梯间角楼的烟囱效应向外拔风。主要的进风流线有两条:一是通过地板下的辅助进风扇从嵌在地板中的格栅进风，二是直接通过窗户进风，使建筑最小程度地使用机械空调系统。

图4.17(a)　英国国内税务中心外景(迈克尔·霍普金斯)

图4.17(b)　英国国内税务中心通风系统

霍普金斯设计的建筑进深为13.6米，以利于自然采光和自然通风，在此基础上，他又设计了一组可以升降的圆形玻璃通风塔(如图4.17(c)所示)，位于建筑入口、楼梯间处。夏季升高通风塔，利于太阳的热量加热并保持内部空气处于较高的温度，加强了空间上下层高度差和温度差，增大热压形成良好的自然通风。冬季将玻璃通风塔高度降低，热压减少，通风能力减弱，从而使通风塔变成储存太阳热能的太阳能附件间，利于太阳能采暖。税务中心实现了城市密集环境中的完全被动式制冷，成为生态建筑自然通风设计的典范。

3)风压与热压相结合，实现自然通风

在建筑的自然通风设计中，风压与热压通风往往是相互补充的。我国采暖通风和空气调节设计规范规定:在计算时仅考虑热压的作用，风压一般不予考虑，但必须定性地考虑风压对自然通风的影响。由于室外风向、风速经常变化，为了保证自然通风的设计效果，一般来说，在建筑进深较小的部位多利用风压来直接通风，而进深较大的部位则多利用热压来达到通风效果。位于英国莱彻斯特的蒙特福德大学女王馆就是这方面的一个实例。建筑师肖特和福特将庞大的建筑分成一系列小体块，既在尺度上与周围古老的街区相协调，又能形成一种有节奏的韵律感，同时小体量使得自然通风成为可能。位于指状分支部分的实验室、办公室进深较小，可以利用风压直接通风;而位于中间部分的报告厅、大厅及其他用房则更多地依靠热压进行自然通风。同时，建筑的外维护结构采用厚重的蓄热材料，使得建筑的耗热降到最低。

图4.17(c)　英国国内税务中心自然通风示意

4)机械辅助式自然通风

在一些大型建筑中，由于通风路径较长，流动阻力较大，单纯依靠自然风压与热压往往不能够实现自然通风。而对于空气污染和噪声污染比较严重的城市，直接的自然通风还会将室外污浊的空气和噪声带入室内，不利于人体健康。在这种情况下，常常采用一种机械辅助式的自然通风系统。该系统有一套完整的空气循环通道，辅以符合生态思想的空气处理手段(如土壤预冷、预热，深水井换热等)，并借助一定的机械方式加速室内通风。

4.4.1.2　自然通风设计

在建筑设计时应考虑充分利用自然通风，其效果与建筑构件(如窗、门、墙体等)有着密切关系。大多数情况下，自然通风以窗户来充当风口，窗户的形式、面积大小及安装位置影响通风效率、室内气流组织和室内热舒适。窗户的通风系数随着开口面积、窗户类型和室内外温差的变化而变化。除了普通的窗户外，世界各国的建筑师在生态建筑实践中，发展了一些有助于自然通风的建筑构造措施，包括双层玻璃幕墙、风帽等。

1)双层玻璃幕墙

在欧洲，采用玻璃幕墙的建筑很流行，为减少夏季空调的冷负荷，需要遮阳设备，外遮阳设备投资大且影响美观，于是发展了双层玻璃幕墙。采用双层玻璃幕墙作围护结构，双层玻璃之间留有一定宽度的通风道并设有可调节角度的百叶，是当今生态建筑界普遍采用的一项先进技术。在冬季，关闭进、排风口，减少风速，利用双层玻璃间层形成附加阳光温室，贮存热量，提高建筑围护结构表面温度;在夏季，打开上下进风口，通风道内的空气被加热，利用烟囱效应在间层内形成自然通风。

2)风帽

它是利用风力或温度差造成的正压或负压，加强进、排风能力的一种装置。风帽是自然进、排风系统的入口或出口，可以安装在需要局部通风的地方，也可以安装在屋顶上，促进全面进、排风。根据进、排风的不同，风帽分为进风型和排风型。

进风型风帽:主要利用导向器的导风原理制成。

排风型风帽:在外界风压的作用下，风帽本身产生负压，从空间内部向外排风。

风帽以其灵活的进排风方式、独特的造型在建筑的自然通风设计中获得了较多的应用。伊斯兰传统建筑的捕风塔就是尺寸较大的进风型风帽，风帽进风口面向夏季主导风向，夏季将高空的凉风引入室内。这样，炎热地区的建筑主要朝向不必面向主导风向，给建筑采光设计、建筑布局带来比较大的灵活性。

迈克尔·霍普金斯设计的英国国内税务中心(图4.17(a)所示)可以升降的圆柱形玻璃通风塔，就是一种变形的排风型风帽。夏季升高通风塔，利用太阳的热量加热并保持内部空气处于较高的温度，加强了空间上下层的高度差和温度差，增大热压，形成良好的自然通风。

赫尔佐格设计的林茨会议和展览厅(如图4.18(a)、(b)所示)、2000年汉诺威世博会26号展览馆(如图4.19所示)的自然通风设计中都采用了风帽，这种风帽位于屋顶中间，与屋顶尺度相同。

图4.18(a)　林茨会议和展览厅风帽(一)

图4.18(b)　林茨会议和展览厅风帽(二)

图4.19　汉诺威世博会26号展览馆(赫尔佐格1996)

汉诺威世博会26号展览馆是为德国贸易展览会组织DMAG所设计的。作为“2000年世博会的第一件展品”，它的设计体现了本次世博会的主题，即:“人—自然—技术”。巨大的展厅长200米，宽116米，布置成三跨。它被称为是世界上最杰出的贸易博览会展厅之一。大厅通过巨大的玻璃窗进行采光。同时，屋顶下端局部安装的镜面反射区可以将人工光与自然光反射到室内。新鲜空气经由沿着服务区的透明导管，通过位于4.7米高的巨大入口进入大厅中，空气向下流动，在整个地面上均匀分布。地面处的空气入口也以相似方式提供新鲜空气，然后空气被加热并逐渐上升。混浊空气则经由屋脊处连续的折板(风帽)排出。这些折板能根据不同的风向，以不同的角度单独开启，以确保有效通风。

如图4.20(a)、(b)所示，是由R.H.Partnership设计的一家电讯公司的总部。建筑采用对称的平面，中心部分设有一个小规模的中庭。自然通风由中庭的烟囱效应来实现，顶部设有6个通风塔起着辅助作用，中庭和风塔使得建筑总面积的70%都能自然通风。机械通风系统包括位于楼板构造中的散风装置，为了提高通风面积，天花没有吊顶，以使新鲜空气能够快速散发到室内空间各部位，从而减少对机械通风设备的动力依赖。在风塔附近安装有余热回收装置，这一装置可以将空气中的热量收集起来后再排到室外。建筑南侧的窗户上配置有水平的遮阳板，这些遮阳板在建筑艺术上起到强调立面水平伸展感的作用。

图4.20(a)　电讯公司总部首层平面图

图4.20(b)　从电讯公司总部建筑东南面看到风塔(R.H.Partnership 1994)

图4.21(a)、(b)所示是英国BRE未来办公大楼，该办公楼位于瓦德福德市郊的建筑研究所(BRE)内，结合最尖端的节能技术，该办公楼代表了英国在能源使用方面的最高水平。办公楼主体设计为三层，办公部分为东西向，主体办公楼南向进深7.5米，北向进深4.5米，中间为走廊，办公楼层高为3.7米。正南面有五个通风口，通风口处有低速风扇，在炎热或无风时帮助通风，图4.21(b)所示是纵向剖面及自然通风示意，屋面板下的通风管道与风塔相连，设有手动控制的通风口，风塔背面可以吸收太阳能并将其转化为电能，以驱动通风口处的低速风扇。基地上原有建筑96%的构件都回收利用，新建建筑利用了原有建筑的旧砖，原有混凝土中回收的碎骨料被再利用于地基、地面和一些上部结构的混凝土之中。

我们在进行生态建筑设计时，应对建筑的自然通风给予足够的重视，由于建筑所处地区气候不同，建筑朝向、形式、条件的不同，周边环境会影响甚至会彻底改变风向、风速，建筑周围树木布置种类、布置的方式会在一定程度上影响自然通风的效果，建筑的挑檐、屋面坡度等会在很大程度上影响建筑围护结构表面的气流。因此在建筑通风设计时应具体问题具体分析，灵活运用各种手段。随着生态建筑及可持续发展理念的普及，建筑自然通风和相关技术会在建筑设计中得到越来越广泛的运用。

图4.21(a)　BRE未来办公大楼外景(Feilden clegg architects 1996)

图4.21(b)　BRE未来办公大楼纵向剖面及自然通风示意

4.4.2　生态建筑的自然采光与遮阳设计

自然光对建筑空间的照明作用不容质疑，每一处建筑空间都有各自的功能需要，绝大多数的建筑空间都需要光线来照亮建筑空间的大小、色彩、形状等因素，并能满足人们视觉的需要，采光是自然光对于建筑空间的最基本贡献。

根据美国有关机构的调查统计，办公建筑照明所消耗的电力占总电力消耗的30%左右，通过建筑设计充分利用自然光照明是节能的有效途径之一。此外，人们利用自然采光，有利于人体健康和提高工作效率，对心理和生理的健康尤为重要。

自然采光包括采光和遮阳两个方面的内容，采光是把自然光线有控制地引入建筑室内，可以说采光是自然采光的正面途径，也是最基本的途径。遮阳主要是为了防止自然光的某些负面效应的产生，如眩光、过热、过高的亮度。采用遮阳板、百叶窗等遮光设施是为了优化自然采光效果。

生态建筑大师特别是高技派生态建筑大师，他们特别偏爱大面积的玻璃幕墙和采光顶棚，使得室内充满阳光，通过丰富的技术经验和缜密的科学分析达到自然采光的最大化、最优化。甚至能够通过精确的技术手段使自然光线的利用从被动接收到能够收集和传递，使之达到建筑的每一个角落。

4.4.2.1　自然采光设计

自然光是无污染、可再生的能源，在改善使用者舒适度和减少人工照明能耗方面，如何对自然光进行利用变得越来越重要。普通透光玻璃在获得自然光线的同时，往往还吸收了过多的太阳辐射，导致室内温度的升高，所以对自然光的利用，必须经过细致的设计。

采光效果与建筑体量、平面组织形式、平面进深和剖面层高、窗户的朝向、倾斜度、窗户面积、周围的遮挡情况(植物配置、其他建筑等)、周围建筑的阳光反射情况、窗户内外遮光装置的设置等都有很大关系。在建筑设计中对自然光照进行考虑时可参考如下一些要点。

1)总图设计和平面布局

在总图设计和平面布局时应考虑采光问题，充分考虑用地周围环境、建筑等对新建建筑的影响，如果外部环境过于遮挡用地则要适当考虑减少建筑的平面进深。

2)窗户的方向、数量和面积

南向窗采光效率高，可以获得大量太阳反射热，需要结合遮阳装置等措施来有效地利用自然光线;北向窗采光特点是采光均匀、稳定、无眩光，尤其适合美术展览、阅读;东西方向采光可以得到最少太阳光。

在普通的开窗情况下，一般日照光照射深度为窗户的2.5倍，开窗数量与面积，应根据建筑功能，结合自然采光、自然通风和能耗等条件综合确定。大面积的窗户会透过更多的自然光，但同时也带来更大的热损失或者热获得，增加室内热负荷。一般来说，窗户面积最好是室内面积的20%左右。对人的心理舒适度而言，室内可看见的天空面积是个重要的因素而不仅仅是光线的照度，窗户的高度最好能使室内使用者看见室外更大面积的天空。

3)玻璃的选择

在进行自然采光设计时应和建筑的热工性能和自然通风结合起来考虑。窗户玻璃的选择将是影响建筑热工性能的关键因素。透明的纯净玻璃允许自然光和热辐射进入。反射玻璃可以在夏季高效率地减少太阳辐射热但也减少了冬季的热获得。因此玻璃的选择应该根据其具体的地理环境和日照条件来确定，并且应该综合考虑各个季节的综合效应，大面积的西向玻璃幕墙应该尽量避免。

4.4.2.2　生态建筑的遮阳设计

在现代建筑中，玻璃充分体现了室内外视线的交流，将内外空间融为一体，如果遮阳方面考虑不当，在夏季它往往成为影响建筑热舒适的致命问题。良好的遮阳设计不仅有助于节能，而且遮阳构件成为影响建筑形体和美感的关键要素，特别是新的遮阳构件和构造往往成为凸显建筑高技术和现代感的重要组成部分。

粗犷的混凝土的遮阳格栅无法适应今天的要求，以生态技术为手段的新一代建筑师正积极探索新的、更加高效的遮阳方式。德国国会议会大厦中央玻璃穹顶中的活动遮阳，充分展示了现代科技的细腻和精巧，将顶部遮阳与自然通风完美结合在一起，使得漫反射光线一直延伸到底层的议会大厅。

1)建筑遮阳的原理

太阳的热辐射作用主要通过以下两个途径影响人们的热舒适。

(1)透过窗户进入室内并被室内表面所吸收，产生加热效果。

(2)被建筑的外围护结构表面吸收，其中又有一部分热量通过建筑外围护结构的热传导逐渐进入室内。

建筑遮阳的目的正是在于阻断直射阳光透过玻璃进入室内，防止阳光过分照射和加热建筑外围护结构，防止直射阳光造成的强烈眩光。适当的遮阳措施成为很重要的调节建筑小气候的手段，良好的遮阳设计有助于维持建筑的自然环境，节约空调费用，生态建筑对于遮阳的设计非常重视。

2)建筑遮阳构件

建筑遮阳构件的设计是在不影响自然采光和通风的条件下能够遮挡自然光的不利因素，达到建筑节能的目的。所以在建筑遮阳的设计和构件选择上不但要注重阳光的因素，还应该注重通风、隔热、散热等方面的因素。

(1)在设计建筑前要认真分析当地的气候特点，根据建筑的周围环境和功能要求，在建筑合理的位置设置遮阳构件。

(2)注意遮阳构件在遮阳的同时对建筑通风的影响。如遮阳板不仅遮挡了阳光，而且建筑周围的局部风压也会出现较大幅度的变化，影响建筑的通风效果。在设计时，应根据当地夏季风向的特点，利用遮阳板来作为引风装置，增加建筑进风口的风压，对自然通风进行调节，可以起到通风散热的目的。

(3)遮阳构件形式和材料的选择。遮阳构件既要避免构件本身吸收过多热量，又要易于散热。遮阳构件在遮挡阳光的同时会吸收太阳辐射，如果选择不当，会将一部分热量传入室内，所以将遮阳构件设计成百叶、网状或格栅形式等可以避免上述问题，并且能够利于通风。

(4)遮阳构件的位置。放于室外的遮阳构件的遮阳效果好于室内。以垂直悬挂的遮阳百叶为例，采用外遮阳时有30%的热量进入室内，而采用内遮阳进入室内的热量达到60%。但放于室外的遮阳构件由于积灰过多等原因，时间久后会影响遮阳效果，现在的双层皮玻璃幕墙系统中放置遮阳构件的新构造措施会使自然光利用和控制更加有效。

3)建筑遮阳的形式

建筑侧窗、屋顶天窗、中庭玻璃屋顶都需要适当的遮阳。遮阳的构件多种多样，不同部位的遮阳设计要有针对性。建筑遮阳按照所在的位置和放置方式不同主要可以分为水平遮阳、垂直遮阳、综合式遮阳、挡板式遮阳等类型。

水平遮阳的使用最为广泛，柏林的北欧5国大使馆(Nordic Embassies，5个斯堪的纳维亚国家——丹麦、芬兰、冰岛、挪威、瑞典共享一座综合建筑)采用了水平遮阳板，绿色流线形截面的遮阳板密密覆盖在窗户外侧，与整个墙面融为一体。(如图4.22所示)

在柏林奔驰公司总部大楼上(如图4.23所示)，作为垂直遮阳板的竖向黄色线条使人眼前一亮，成为一种标志或者装饰，营造出丰富多彩的几何形体，成为建筑不可分割的有机组成部分，体现了垂直遮阳所具有的艺术感染力。

图4.22　柏林的北欧5国大使馆水平遮阳

图4.23　奔驰公司总部大楼入口部分(罗杰斯1997)

此外结合建筑构件的处理进行遮阳设计也是常见的措施，如遮阳棚架，其遮阳效果也比较好(如图4.24(a)、(b)所示)。屋顶遮阳棚架源于生活，常常搭设棚架，种植藤蔓作物，既利用植物降低屋面温度，也为发展庭院经济增添了场地。

百叶也是广泛使用的遮阳形式，它的优点是能够根据需要调节角度，综合满足遮阳和采光通风的需要。法兰克福商业银行采用了先进的自动控制百叶遮阳系统，轻质的铝合金百叶遮挡住夏季的直射阳光，而将柔和的漫反射光线引向室内。对于屋顶天窗和玻璃顶来说，布幔和格栅也能够发挥遮阳作用。

图4.24(a)　遮阳棚架(一)

图4.24(b)　遮阳棚架(二)

4)新型遮阳构件

可以用作遮阳构件的材料相当丰富，不同的材料具有各自的特性。传统的木材、混凝土、织物和柔性拉膜都能够创造出新的建筑形象。但是当今最流行的遮阳构件材料当数金属。钢格网遮阳，具有很高的结构强度，被广泛应用在可通风的双层玻璃幕墙中。轻质的铝材可以加工成室外遮阳格栅、遮阳卷帘和室内百叶窗。而随着高性能的隔热和热反射玻璃工艺的进步，使得玻璃遮阳板成为可能，而结合光电转换的遮阳构件则产生了多功能的遮阳构件，使建筑的节能和自然光的利用有了更大的发展。随着计算机和建筑智能化的发展，智能、可自动调节的智能遮阳更是高技术生态建筑的特征之一。

(1)金属遮阳板。由于金属材料具有高反射和低热容的特性，能够反射大量的自然光、散热较快，其遮阳效率比混凝土板等材料要高很多，能够反映周围环境和阳光的变化，形成独特的建筑技术形象，此外它还具有容易清洁、便于安装、可重复利用的特点。金属遮阳板可以加工成各种式样，能够运用智能系统对其进行控制和调节达到智能遮阳建筑节能的目的，当代高技术生态建筑很多都利用金属遮阳板。一般用作侧窗遮阳和遮阳挑檐。

(2)格栅式、网式遮阳条。格栅式、网式遮阳条是指由条形或者网格型的遮阳条组成的遮阳构件。遮阳条的距离根据需要而控制其透光和遮光率。这种遮阳构件具有在达到遮阳要求的同时能够增加自然采光量、通风量，散热快不会造成局部热度升高的特点。当这种遮阳构件用钢和铝等金属制成时，其刚度较大而重量轻，在遮阳的同时能够用作走廊和阳台等其他功能，并且这种金属遮阳构件与玻璃等其他材料配合时，现代感和高技术感比较突出。

(3)帘式遮阳构件。安装在玻璃建筑内部或外部，帘式遮阳构件不仅能够有效地遮阳，而且开启方便，折叠之后基本不占用空间。由于材料本身具有不规则的纹理，实现了光的漫射，确保足够的自然采光的同时，营造了一个舒适的室内环境。材料可以过滤阳光中的部分紫外线，防止对室内物体的破坏，柔性材料具有一定的透气性，所以也不会阻挡空气的交换。由于是柔性材料，具有可变形状和灵活外部质感，适用各种需要的场合，并能够创造出绚丽的立面效果。如德国柏林的CSW大厦建筑(如图4.25所示)在双层玻璃幕墙之间增加了彩色布帘，塑造出色彩绚烂的表面效果。

图4.25　柏林CSW大厦立面

而在波茨坦能源中心(如图4.26所示)中庭采用的可调节的布帘幕遮阳，一天之中随着布帘的开闭，阳光、遮阳和阴影形成了特有的环境气氛，建筑遮阳成为中庭不可缺少的要素。

图4.26波茨坦能源中心(乔治·库尔迈尔1997)

(4)高性能隔热玻璃遮阳。为了解决玻璃建筑的温室效应，开发出了高性能的隔热玻璃材料。这种材料，可以利用光的折射和反射原理达到过滤部分自然光的热效应的目的，但仍然保持一部分透光量。

采用高性能的隔热和热反射玻璃制成的玻璃遮阳板，以及结合光、电、热转换的遮阳板，不仅避免了遮阳构件自身可能存在的吸热导致升温和热传递问题，而且将吸收的容量转换成对建筑有用的资源加以利用，使得玻璃材料和技术有了更大的发展。如图4.27所示的弗莱堡太阳能电池厂中庭侧面布满了太阳能板，既接受太阳能光转换成电能，又能够遮阳。图4.28所示弗莱堡的旋转别墅还将光电与光热转换综合起来运用。在有效遮阳的同时能够获得合理舒适的室内光照，达到建筑节能的目的。

图4.27　弗莱堡太阳能电池厂

图4.28　弗莱堡的旋转别墅

(5)植物遮阳。植物遮阳对于防止太阳辐射、影响室内热环境具有非常重要的作用，成为可自我调节的季节性遮阳(如图4.29(a)、(b)所示)。运用植物对建筑物进行遮阳，尤其在窗户部分，减少不需要的强光和热。植被通过光合作用将太阳能转化为生物能，植被叶片本身的温度并没有升高，而其他遮阳构件在吸收太阳热量后会显著升温，影响遮阳效率。在墙和植被屏风之间保证一定的间距，以确保通风和凉爽，绿化遮阳不仅能够遮挡太阳光，而且让人领略到建筑与优美的自然环境的融合。最为理想的遮阳植物是落叶乔木，夏季其枝叶可以遮挡灼热的阳光，冬季阳光又会通过稀疏枝条射入室内，这是普通固定遮阳构件无法达到的优点。

4.4.3　生态建筑的双层幕墙设计

双层幕墙是当今生态建筑中普遍采用的一项先进技术，被誉为“可呼吸的皮肤”。它主要针对以往玻璃幕墙耗能高、室内空气质量差等问题。双层幕墙主要是由内、外两层(或者多层)透明围护结构组成的新型幕墙，其外层玻璃幕墙可扩展至部分或整个建筑立面，包裹着传统外墙或内层玻璃幕墙，提供自然通风和采光、增加室内空间舒适度、降低建筑能耗，从而较好地解决自然采光和节能之间的矛盾。

双层幕墙系统具有较大的节能潜力，对提高幕墙的保温、隔热、隔声等性能起很大的作用。它采用可循环使用的材料、建设速度快，对运输及施工场地要求小，同时又可以创造出极具时代感的建筑风格，被公认为具有“生态意义”的建造方式。图4.30所示为德国波恩邮政大厦，该建筑采用了双层玻璃幕墙等一系列生态设计，是德国生态智能办公建筑的代表之一。

图4.29(a)　植物遮阳(一)

图4.29(b)　植物遮阳(二)

双层幕墙有两大方面的作用:一是改善室内环境，稳定室内温度、光照，增强通风换气功能，降低室外噪声影响;二是大大提高幕墙的保温隔热性能，节约能源。

图4.30　德国波恩邮政大厦(2001年)

双层幕墙的设计原则如下。

(1)最大限度利用自然采光以减少人工照明。

(2)利用太阳辐射热，以减少冬季采暖所需的能源。

(3)组织好自然通风与排风系统，以减少机械通风能耗。

(4)利用围护结构及楼板的蓄热性能和昼夜温差减少夏季制冷所需能源。

(5)各种幕墙机制、通风、遮阳等和建筑空调、供暖、通风之间的相互配合，以达到最高效率。

双层幕墙系统具有较大的节能潜力，它采用可循环使用的材料，又可以创造出极具时代感的建筑风格，被公认为具有“生态”意义的建造方式。双层幕墙于20世纪90年代在欧美国家出现，近二十余年来，得到了广泛运用。4.4.3.1双层幕墙组成及工作原理

1.结构组成

双层幕墙是一种有别于传统玻璃幕墙的特殊幕墙，外层结构多采用点式玻璃幕墙、隐框玻璃幕墙或明框玻璃幕墙。玻璃幕墙上设计有可调节的进、出风口，玻璃通常由单层钢化玻璃构成。内层结构一般采用隐框玻璃幕墙、明框玻璃幕墙，通常由中空保温玻璃构成，并设可开启窗扇。内外层结构之间分离出一个空气间层，形成一个通道，这个通道被称为热通道。空气可以从下部进风口进入通道，从上部出风口排出通道，空气在通道流动。在通道中设置遮阳设施，如活动式百叶、固定式百叶、与太阳能光电板结合的遮阳构件等。

2.工作原理

1)保暖—缓冲原理

冬季，通道内上下通风口部分关闭，空气间层即充当了“缓冲空间”的作用。由于阳光的照射温度升高，通道形成一个阳光温室，提高内层玻璃幕墙的外表面温度，同时对空气间层的预热使其成为介于室内外之间的一个缓冲过渡层，减少了室内与室外的温度差，从而有效降低了建筑的热损失，有利于建筑保温和节约能耗。这一空间如同集热器一样，有良好的吸收、储存热量的作用，一旦“缓冲空间”中的温度升高，热量就会被墙面和地板吸收，然后在室内慢慢释放。

2)通风—热压原理/风压原理

双层幕墙实现自然通风的理论依据是利用建筑外表面的风压和建筑内部的热压在建筑内产生空气流动。在夏季，内外两层玻璃幕墙之间的空气间层温度很高，根据热压原理，将双层幕墙上下进、排风口开启，冷空气会从进风口进入双层幕墙的空气间层，在此进行热交换之后，热空气从排风口排出。室内外空气温差越大，进、排风口高差越大，则热压作用越强，就可以加速自然通风，空腔内的空气不断流动带走热量而达到降低建筑温度的目的。由于外层幕墙是封闭的，内层幕墙是开启的，通过对空腔上下两端的进、排风口的调节在空腔内形成负压，利用内、外层幕墙的压差和开启窗就可以在建筑物内部形成气流，进行通风。

这种构造方式使建筑物更容易自然通风，即使在天气恶劣的情况下，仍然可以开窗换气，特别是高层建筑中实现了自由开窗通风，大大降低了高层建筑中机械通风所需能耗，并提高了室内空气质量。

4.4.3.2　双层幕墙的通风模式

常见有4种双层幕墙通风模式(如图4.31所示):①楼层水平进出风口对角通风模式;②带窗下堰的通风模式;③竖向窗框进风，横向排风模式;④带竖向风道的箱式外窗排风模式。

图4.31　双层幕墙通风模式示意

4.4.3.3　双层幕墙的分类

双层幕墙在设计中，由于采用不同的玻璃、不同支撑形式以及不同的层间距和不同的内部遮阳系统及构造方式，有多种类型。不同类型的玻璃幕墙在建筑通风和节能能力上，也有很大的区别。根据双层幕墙空气活动方式与特点，将其分为封闭式内循环幕墙和开敞式外循环幕墙两类，后者现在采用较多。

1.封闭式内循环双层幕墙

封闭式内循环双层幕墙是指空气从内层幕墙的下通道进入热通道空间，然后上升到上部排风口，最后从吊顶内的排风管排出，而外层幕墙则完全封闭，如图4.32所示。

外层幕墙一般采用中空玻璃隔热或断热幕墙，内层幕墙则采用单层玻璃幕墙或可开启的单层玻璃窗，便于对外层幕墙内侧进行清洗。两层幕墙之间空气间层宽度通常为150～300毫米。内层幕墙的上部通过与吊顶部位设置的暖通系统排风管相连，形成自下而上的强制性空气流动，使内层幕墙的外表面温度接近或者达到室内温度，起到节能的效果。此外，根据需要还可以在热通道内设置可调控的铝合金百叶窗帘或者电动卷帘，可有效地调节阳光的照射。但封闭式内循环呼吸幕墙空气的流动需要借助专门的机械设备来完成，维护和运行成本较高。世界上较早采用“双层皮”幕墙的两栋建筑——美国纽约西方化学中心和英国的劳埃德大楼，均采用的是封闭式内循环呼吸幕墙。

图4.32　封闭式内循环双层幕墙

英国劳埃德大厦由理查德·罗杰斯事务所设计，其外侧是中空玻璃幕墙、内侧为单层玻璃幕墙，在两个幕墙之间有一个75毫米宽的空气间层，幕墙为单元式，通道之间互不连通，被处理过的空气通过设在架空地板内的风道进入空气间层，再从另一端排走，这样可以带走通道内50%的热量，通道内的空气是循环的，通过调节循环空气的温度对内侧幕墙外表面的温度进行调解。

2.开敞式外循环双层幕墙

开敞式外循环双层幕墙是指空气从外层幕墙的下通道进入空气间层，然后从外层幕墙的上部排风口排出，而内层幕墙则完全封闭(如图4.33所示)。

图4.33　开敞式外循环双层幕墙

开敞式外循环呼吸幕墙的内层幕墙采用中空玻璃隔热或断热幕墙，外层幕墙则采用由单片玻璃制作的敞开式幕墙结构，双层幕墙之间的空气间层内装有可自动调控的百叶窗帘或遮阳卷帘。开敞式外循环呼吸幕墙可以完全靠自然通风，不需要借助于专门的设备，维护和运行费用较低，是目前应用比较广泛的双层幕墙形式。

开敞式外循环呼吸幕墙的进、排风口可以根据需要开启和关闭。冬季关闭进、排风口，因为有阳光照射，空气间层内温度升高而成为封闭温室，提高了内层幕墙的外表面温度，起到保温作用，减少了建筑物采暖的运行费用。同时收起通道内设置的铝合金百叶或调节百叶角度，使阳光直接照进室内，达到改善室内环境的目的。当室内空气较混浊时，可开启室内的换气口，引入新鲜的空气，改善空气质量。

夏季开启进、排风口，热空气形成自下而上的空气流动，带走空气间层内由于日照而产生的热量，降低内层幕墙的外表面温度，降低了能耗。此外，通过通道内设置的铝合金百叶，阻挡阳光直接射入室内。根据通风路径的不同，开敞式外循环呼吸幕墙又可分为整体式、廊道式、通道式和箱体式等四种基本形式。

1)“整体式”双层幕墙

“整体式”双层幕墙结构简单，造价低，隔声性能好(图4.34)。空气从幕墙最底部进入，从顶部排出，两层幕墙之间的空气间层宽度为300～2 000毫米。双层幕墙之间的空间通常比较大，既不做水平分隔，也不做竖向分隔。由于双层幕墙之间的气流缺乏组织，故对改善建筑的热环境并无明显的作用，无法利用开启窗实现自然通风。由于双层表皮之间缺少间隔做划分，声音会在层间及室间传递，建筑内部的隔声质量会比较差，而且热空气集中在高层，必须设置额外的防火设施。因此，整体式双层幕墙可用于不超过20米的多层建筑中。

图4.34　“整体式”通风示意

赫尔佐格和德梅隆设计的瑞士保险公司总部扩建项目就是一个实例。这座建筑外层玻璃幕墙采用的是10毫米厚的吸热玻璃板，外层幕墙的底部完全对外敞开，新鲜空气由底部进入到通高的双表皮夹层空间中，然后从位于楼板位置的气孔进入室内。被加热的空气上升进入天花板里的排风管，同时在夹层空间中空气受太阳辐射加热后也不断上升，这些热空气最后到达屋顶处。在寒冷的季节里，安装在屋顶处的集热装置会将废气中的热量吸收后再将它们排出。而在夏季，循环后的热空气直接从屋顶排到室外。

2)“廊道式”双层幕墙

“廊道式”双层幕墙在每层设通风道，层间以水平隔断进行划分，无垂直换气通道，每层楼板和天花高度分别设有进、出风调节盖板，进、出气口在水平方向错开一块玻璃的距离，避免了下层走廊的部分排气再变成上层走廊进气的“短路”问题。(如图4.35所示)

图4.35　“廊道式”通风示意

“廊道式”幕墙层间防火好，每层可设开启窗进行独立换气。但声音会在同一楼层间传递。这种形式可用于整个楼层开放式设计的建筑，通道内设走人格栅，可方便维修清洁，又可作为观光走廊。

1997年建成的城市之门是其典型的代表作品(如图4.36(a)、(b)所示)。这幢使用灵活的低能耗办公大楼坐落于莱茵河公园的边缘，位于莱茵河隧道南入口的上方，是通向这个地区的入口大门，也是该城市新的标志性建筑。

图4.36(a)　杜塞多夫的城市之门(1997年)

两幢高80米的16层塔楼，塔楼之间是58米高的中庭，塔楼顶部通过三层桥式结构相连。整个建筑都被玻璃幕墙包裹着，使大厦内的办公室可以免受来自附近高速公路的噪声干扰和废气污染。

图4.36(b)　城市之门热通道内景

在每层楼板处封闭起来形成廊道式单元，双层幕墙之间有一个90～140厘米的廊道，起着隔热和隔声作用。通过设在窗户上、下的通风装置进行自然通风，窗户上的电控百叶窗除遮阳外，还有利于热空气上升排出。

3)“通道式”双层幕墙

“通道式”双层幕墙是指用垂直隔断构件将双层玻璃之间的通风腔分为若干单元的模式。层间共用一个通道，在每个竖向单元中，新鲜空气从每层进气口进入，集中进入风道，在热压作用下，不断上升，最后从建筑顶部排出(如图4.37所示)。通道式双层幕墙可以实现开窗，隔音效果优良，通风效果明显优于廊道式双层幕墙。

由诺曼·福斯特事务所在1993年设计的位于德国杜伊斯堡的商业促进中心(如图4.38(a)、(b)、(c)所示)就是应用“通道式”幕墙的典型例子。这幢建筑平面为梭形，梭形长50米，最宽处16米，幕墙固定在与主体结构相连的外挂钢架上。该系统的幕墙部分采用了通道玻璃幕墙。它由一个外侧单层玻璃幕墙和一个内侧单元式幕墙，中间是由宽20厘米的热通道组成的，内侧幕墙是可开启的。热通道内装有用来控制光线的可调节式百叶。被处理过的新鲜空气可以从通道底部进入通道内并从顶部抽走。通过调节开启扇，幕墙将向室内供应部分新风。

图4.37　“通道式”通风示意

图4.38(a)　商业促进中心平面(诺曼·福斯特1993)

图4.38(b)　商业促进中心外立面

4)“箱体式”双层幕墙

每个箱体设置开启窗，水平及垂直均有分隔;每个箱体都能独立完成换气功能。典型做法是在水平方向以两块玻璃为一个单元，然后分别在其两边作竖向隔断，形成一层楼高、两块玻璃宽的独立箱体(如图4.39所示)。其优点是可以实现开窗，隔音效果好，无渗透性噪声，防火性能优良，建筑物可以在一年的大多数时间里采用自然通风。缺点是由于分隔较多，空气通道小，成本较高。

图4.38(c)　商业促进中心外墙细部

图4.39　“箱体式”通风示意

由柏林汉斯·科霍夫设计的90米高的柏林Potsdamer Platz 1^#大楼，考虑到周围环境噪声比较大，采用箱体式双层结构幕墙，通风道宽220毫米，内层结构为平开加下旋Low-E玻璃窗，外层结构为外开窗，外窗下部有60毫米高的进气口，通道内装有百叶，实现中间层和室外通风;在外墙上部天窗上装有出气口，大大改善室内温度条件，使人们更感舒适。

在高技术的支持下，双层外皮以其晶莹剔透的外表，挣脱朝向束缚的优势，动态互动的新奇之处吸引着建筑师，他们极力发挥双层幕墙的表现力，创造出许多全新的建筑形象。

4.4.3.4　双层幕墙的优缺点

1)双层幕墙系统的优点

(1)玻璃幕墙具有自重轻的特点。玻璃幕墙自重轻，只有0.49千牛/米²左右，仅为砖墙的1/10～1/12，为混凝土预制板墙面的1/7，降低了基础和主体结构的造价，提高了主体结构的可靠性、安全性。

(2)隔声性能更好。由于采用了双层幕墙，具有良好的隔声功能，噪声明显降低，减少了外界噪声对建筑物内部的干扰。

(3)节能效果明显。冬天通过对双层幕墙之间空气间层的预热可以有效降低建筑表皮的热损失，而且使得高层建筑自由开窗通风成为可能，大大降低高层建筑中机械通风所需的能耗。与传统的单层玻璃幕墙相比，节能在50%左右。

2)双层幕墙的缺点

(1)夏天，在强烈的阳光辐射下，空气间层中往往温度过高，尤其是当双层幕墙之间空隙太小而遮阳效果又不佳时，其温度有时甚至可能超过室外温度，使得开窗自然通风无法实现。

(2)缺乏对进入室内的有害气体的净化功能，降低了位于工业稠密区或污染严重地区的双层幕墙优势。

(3)建筑立面的清洁及维护费用增高。

(4)与普通建筑相比，其造价增加1～2倍。

双层玻璃幕墙不仅满足建筑功能及建筑美学的要求，更能体现出“舒适与自然，环保与节能”的设计思想，双层幕墙系统远不是建筑师一个专业“想”得出来的。要创造真正生态的建筑，建筑师不仅需要技术的概念，还需要与其他专业工程师以及制造商通力合作。双层幕墙所展现的技术美，不仅仅是建筑师的自我表现，它更是一种以科学态度解决问题的结果。

4.4.4　生态建筑的中庭设计

中庭是一种古老的建筑形式，它的空间形态经历了一个漫长的演变过程。19世纪玻璃和钢技术的发展给中庭空间形态的演变提供了条件。随着建筑技术的进步，使得人们有可能为露天中庭加上一个玻璃屋盖，这样既满足了采光、通风的需要，又能在各种气候环境下保证人们的正常活动。随着建筑类型的丰富多样，中庭作为公共建筑的一种发展形式，越来越广泛地被接纳和采用。酒店、商场、办公大楼随处可见的中庭，它既是方便垂直交通而成为整幢建筑的交通枢纽空间，同时也是人们休憩、交往、娱乐、餐饮等活动的中心场所。

在中庭的发展史上，有两位建筑师对现代中庭空间的产生作出了巨大的贡献，一位是凯文·罗奇，另一位是约翰·波特曼。1967年，罗奇设计的福特基金会总部，在这个建筑内，罗奇设计了一个12层高的由钢架玻璃围合而成的室内花园，这个中庭种植大量绿色植物，室内阳光充足，营造了一种舒适的办公环境。同年，波特曼设计的亚特兰大海特摄政旅馆(如图4.40所示)建成，在这个22层高的巨大中庭里，波特曼赋予了中庭一种新的内涵，建造了一个富有生活气息、充满人性的场所，犹如一个室内的城市广场。波特曼中庭空间的巨大成功一方面取决于他对大众行为心理的敏锐观察，另一方面取决于他对城市生存空间的深刻思考，给予城市一个人性化的场所。

图4.40　亚特兰大海特摄政旅馆中庭(波特曼1967)

随着生态建筑理念的不断发展，作为广受欢迎的建筑空间——中庭空间，在改善自然采光、促进室内通风、吸收太阳辐射等生态方面的作用越来越受到建筑师的重视。中庭可以看作是建筑与外界自然之间、人与建筑之间的缓冲空间。中庭对封闭空间的光线、空气、温湿度等方面都有很重要的调节作用。它是光线与气流的通道，一方面光线由中庭渗入建筑，通过阳光的收集、反射装置达到建筑内部，与中庭相连的房间不仅可以减少一半的热量流失，同时还可以减少制冷能耗。另一方面，中庭在通风中还起到“烟囱”的作用，利用“烟囱效应”引入自然通风，带走夏季聚集在中庭内的过多热量，改善室内热环境，减少了机械通风和空调的需求。从建筑布局的角度讲，中庭的形式和形状对自然光照的影响很大。在建筑设计时，应考虑中庭的空间形式、中庭的高宽比、中庭屋顶的形式及其透明程度、中庭周围墙面的颜色等。

1)选择合适的中庭采光朝向

一般中庭采用顶面采光，这种形式的建筑平面布局比较自由，同时易于营造丰富的室内空间，但夏季过热，在设计中应注意顶部遮阳。从建筑室内热环境角度考虑，南向侧面采光中庭是冬暖夏凉的最佳选择;对于北向中庭，全年温度较低，炎热地区可以考虑采用;而东西向中庭，冬冷夏热，冬季阳光入射角较低，很难遮挡，应慎重采用。

2)设置夏季可调节构件

如可调节遮阳板、自动开启通风窗、“双层皮”玻璃幕墙等，采用可调节构件的目的在于减少其对冬季采暖的负面影响。

3)利用“烟囱”效应引起自然通风

中庭空间在通风体系中还起到了“烟囱”的作用，根据空气动力学原理，“烟囱效应”是由热空气上升，通过上部的排风口排出，从而吸入外部较重的冷空气而形成的。依靠自然的空气流动，既排出室内的湿气和浊气，又形成了空气的流动，使人与自然相接触的同时，减少了机械通风和空调的需求。

4)绿色植物的引入

中庭空间成为将绿色植物引入建筑的主要部位。绿化和中庭的结合，不仅形成优美的景观，而且通过植物的新陈代谢，可以改善室内的空气环境质量。研究表明:植物能吸收室内产生的二氧化碳，释放出氧气，同时能清除甲醛、苯和空气中的细菌等有害物质，形成更为健康的室内环境。

理查·罗杰斯的德国柏林奔驰公司总部大楼(如图4.41所示)，将中庭朝南的一面打开，以便射入更多的阳光，底层与其上的办公部分之间有一个空气夹层，它调节了空气流动的规律，加上办公室可灵活开启的窗户和部分开敞的屋顶，使中庭形成有效的“烟囱效应”的自然通风系统，中庭内布置植物，形成良好的景观和微气候。

图4.41　德国柏林奔驰公司总部大楼(罗杰斯1997年)

日本的松下电子公司的信息传播中心(如图4.42所示)是利用中庭采光的大进深办公建筑，内部设置了一个45米高的梯形中庭，上小下大有利于自然光线的柔和照射，中庭中间的办公室可以通过中庭自然采光，而在建筑深处，可以通过中庭外部的反光镜获得自然光，这些反光镜可以弱化自然光的强度，使室内光线柔和舒适。

图4.42　日本松下电子公司信息传播中心内庭

生态中庭设计已经从多层建筑引入高层、超高层建筑，中庭作为缓冲空间，可以解决高层建筑的自然采光和通风问题，还可以净化室内空间，调节气温并改善空气质量。诺曼·福斯特设计的法兰克福商业银行总部大厦中就是利用中央中庭进行自然通风的著名建筑，该建筑66层，三角形平面，在每个角处设置垂直交通。独特的“空中花园”4层通高。花园与各层办公区都与中央中庭相联系，中庭贯穿整个建筑，中庭和空中庭院构成了室内外过渡空间，为建筑内部提供自然通风换气。空气按照自然对流的方式，沿中庭上升，与空中庭院的空气流通结合，形成气流的自然循环，冬季有阳光时花园成暖房，并将储存的热量送入中庭共享;在无阳光的冬季才主要依赖人工空调系统。(如图4.43所示)

图4.43　法兰克福商业银行总部大厦中庭内景

如图4.44所示，德国盖茨总部大楼是一栋拥有钢筋混凝土基础的两层高钢结构建筑，建筑面积3 400米²。在该建筑中，对形态、结构、立面、各项服务功能和大楼管理技术等进行了综合设计，并有效地灵活利用自然采光、通风和太阳能。平面是40米×40米，方形，天花高4.1米，局部地下一层，中央是开敞的两层高中庭，造型是一个简洁透明的立方体。建筑内部强调开放明快的气氛，中庭植树，中庭顶部是开闭式的玻璃屋顶，这在整个建筑能源构想中占有重要的位置。

设置中庭在通风、节能、改善室内微气候方面的实际效果，与设计中选用技术措施的合理性、有效性密切相关。因此，首先应对当地的气候条件作深入了解，制定相应的技术措施，才能保证中庭空间在实际使用中发挥良好的生态效能。

4.4.5　生态建筑的太阳能利用

太阳能作为一种可再生能源，不仅具有可再生优势，同时也是无污染、安全性好的清洁能源。节约能源最有效的方法是开发利用太阳能资源，这对于缓解能源紧张、减少二氧化碳排放都有非常重要的意义。随着能源危机的日益加剧，太阳能作为巨大的能源被人们重视。

用太阳能代替常规能源提供建筑物空调、供暖、照明等一系列功能，满足居住者的使用和舒适要求，即为太阳能建筑。

图4.44　德国盖茨总部大楼室内(维布拉+盖斯勒1995)

太阳能建筑是在满足使用者对建筑功能、美观、舒适度等要求的前提下，充分利用当地的太阳能资源，用于建筑照明、采暖、制冷、自然通风等使用。基本要求就是利用太阳能这种最丰富、最便捷、无污染的能源来进行采暖制冷、供应热水和进行光电转换，以满足人们生活的需要，同时达到减少或者不用矿物燃料的目的。

太阳能作为一种新能源，与常规能源如化石燃料(煤炭、石油、天然气)及核燃料相比有以下几个特点。

(1)太阳能的广泛性。太阳能取之不尽，用之不竭，对于沙漠、山区等交通不便及偏远山区更显示其优越性，一次投资建设好之后，平时维护费用远比用其他能源的费用要小。

(2)太阳能的持久性。太阳能是人类可以利用的最丰富的能源。太阳不断地发生核裂变反应，向外辐射能量，据估算，太阳的寿命约600亿年，而地球寿命约为50亿年。因此，可以说太阳能是用之不竭的。

(3)太阳能的清洁性。化石能源在燃烧时会放出大量气体，核燃料工作时要排出放射性废料，这些都会使环境受到污染，而利用太阳能却可以大大减少环境污染。

(4)太阳能的分散性。太阳辐射尽管波及全球，但每单位面积上的入射功率却很小，要得到较大的利用效率，就必须有较大的受光面积，这就涉及各个方面，前期投资要比其他能源高得多。

(5)太阳能的间歇性。太阳的高度角在一年、一天内都在不断变化，且与地面的纬度有关，即使没有气象的变化，太阳辐射的变化已相当大。就某地而论，一天二十四小时内太阳照度变化很大，加上气象的变化，如阴雨天、云量变化、日照会更少，因此太阳能的可用量很不稳定。

4.4.5.1　太阳能利用技术的历史

阳光、空气和水是人类赖以生存的基本因素。自古以来，我们的祖先在修建房屋时，就知道利用太阳的光和热。例如我国北方居民多设火墙、火炕，墙内设回环盘绕的烟道;窑洞这一传统民居形式，利用黄土所特有的保温隔热性能，结合当地自然条件就地取材，是传统节能、节地建筑的典范。在我国北方大部分地区无论庙宇、宫殿、还是民居大都南北向布置，北、东、西三面以厚墙围护以加强保温，南向则满开棂花门窗，以增强采光和隔热，这可以说是最原始、最朴素的太阳能利用，它是感性的、自发的，处于比较低级的阶段。

近代太阳能在建筑设计中的应用研究可以追溯到19世纪80年代。1881年，美国人E.S.莫尔斯建造了一个实验装置并获得了成功，1882年，莫尔斯的第一个空气加热器安装在赛伦的皮博迪博物馆。1967年，法国人费利克斯·特隆布(Felix Trombe)和建筑师雅克·米歇尔(Jacques M ichel)利用这一原理在奥德依奥(Odeillao)建造了几幢太阳能住宅，并使这种采暖方式的效率得到了进一步的提高。

到了20世纪30年代以后，太阳建筑的设计研究工作在欧洲得到了广泛的开展。特别是1973年能源危机后，太阳能采暖空调的方式逐渐增多并逐步完善。1974年召开了首次国际被动式太阳能大会，会议大力提倡利用太阳能供热，包括太阳能集热器技术和太阳能温室的开发利用，减少对不可再生能源的依赖。20世纪80年代出现了不少现代覆土建筑，即使采用了更多的机械通风与人工照明，仍然节约了大量的采暖和制冷能耗，但这一时期的太阳能建筑以低技术含量为主。随着计算机技术、人工智能技术和太阳能光电转换技术的迅猛发展，20世纪90年代太阳能在建筑中的应用呈现“高技化”。

我国太阳能资源十分丰富，三分之二的国土面积年日照在2 200小时以上，辐射总量每年在3 340～8 360兆焦/米²间，即使在我国太阳能资源较差的地区，年辐射总量也接近东京，高于伦敦、汉堡这些世界上太阳能利用较好的城市。因此，太阳能在我国生态建筑领域中有广泛的应用前景。我国太阳能利用是从20世纪70年代末农村的沼气利用开始的，80年代初开始太阳能热水器和被动式太阳能取暖的工程实践，但太阳能利用主要集中在太阳能热水器这个领域并缺乏和建筑结合为一体的设计，同时太阳能技术也缺乏和其他节能技术结合使用的实践。

太阳能技术在建筑中的运用一般可分为三种类型:第一种是被动式接收技术;第二种是太阳能集热技术(主动式太阳能接受技术);第三种是太阳能光电转换技术。

4.4.5.2　被动式太阳能

“被动式太阳能”是指不借助风扇、泵和复杂的控制系统而对太阳能进行收集、贮藏和再分配的系统。被动式太阳能接收技术是通过建筑朝向、方位与周围环境的合理布置、内部空间和外部形体的巧妙处理，通过建筑围护结构和相应的构造设计，使其在外界温度较低时能有效地集取、保持、贮存太阳能，分配太阳热能，合理有效地组织自然通风，直接利用阳光中的热能来调节建筑室内的空气温度，达到建筑冬季采暖、夏季致凉的目的，取得良好节能效果的方式。

(1)被动式太阳能利用的建筑技术应满足下列原则:①建筑物要有一个非常有效的绝热外壳;②建筑南向表面设有足够数量的集热表面;③室内布置尽可能多的贮热体;④主要采暖房间紧靠集热表面和贮热体布置。

被动式太阳能利用是一种让阳光射进房屋，并自然加以应用的途径，它不需要另外附加一套采暖设备，整个建筑物本身就是一个太阳能系统。它的许多构件都具有双重功能。例如，窗户不仅仅是为了采光和观景，同时还具有采集太阳能热;围护、分隔空间的墙体，同时也用来贮存并辐射热量。

被动式太阳能系统主要有直接获取、蓄热保温墙、阳光附加间三种形式。

1)直接获取系统

建筑物利用太阳能最简单的办法，就是让阳光透过窗户照进来，即直接获取式(如图4.45所示)。仅通过这种方式就可以节约2%～3%以上的非再生能源。每一个朝南的窗户都是一个直接获取太阳能的系统，而其他朝向的窗户在冬天所丧失的热量比其获得要多。

图4.45　直接获取式

赖特设计的半圆太阳屋就是直接获取太阳能的例子(如图4.46所示)。他按照当时的标准日，很好地考虑了住宅的太阳能利用问题。例如，大面积的玻璃窗能在冬季获得太阳，水平挑檐在夏季遮挡了太阳。建筑的石墙和混凝土地板中的保温材料，使其晚间能够保持温度，白天则由水平遮阳板防止日照。建筑采取了隔热的方式减少了热量的损失，保温土坡保护了建筑的北面。石质的外墙面砌有空洞，这些空洞内以隔热材料蛭石填充。夏天，两侧相对的窗户可使穿堂风通过。

图4.46　半圆太阳屋平面(赖特)

在设计时应注意以下事项。

(1)玻璃窗应尽可能面向正南，窗户的最大面积应考虑冬季晴天室内温度允许波动范围，超过需要的玻璃面积对提高节能不利。要避免偏离正南而朝向东南和西南的窗，这样会造成夏季遮阳的困难。

(2)增加玻璃层数，夜间对窗玻璃进行保温。窗户夜间保温装置如保温窗帘、保温板、特殊构造的遮阳装置等应尽可能放在窗户的外侧或双层窗夹层内，并尽量严密。窗户尽可能与建筑物的屋顶、墙面结合起来，使热量尽可能地分布到建筑物的各个部位。

(3)必须提供足够的保温贮热材料。

(4)建筑物必须有良好的保温隔热性。

赫尔佐格设计的慕尼黑住宅联合体就是把屋顶与建筑南立面融合一体。图4.47(a)、(b)、(c)所示开发项目位于慕尼黑北部市内的一个狭长基地上。

方案包含一个基于“房中房”原则的温度梯度分配系统。室内房间屋面的倾斜部分添加了第二层玻璃屋顶，这样沿着别墅的南面，形成了一个在日照下被加热的温度缓冲区城。这个缓冲区可以用玻璃百叶窗将其划分为三个独立的空间，这样立面的缓冲功能就可以在一层和顶楼楼层分别发挥作用，倾斜的外围护结构使用的是单层强化安全玻璃，而内层则为双层隔热玻璃。在两层玻璃屋面之间装有白色纤维帘布，它可以提供遮阳，同时也可以避免视线干扰。夏天热空气可以经由沿屋脊设置的通风口排出，冷空气可以从下面补充进来，面向南侧的大玻璃窗为整个区域提供了极好的采光，甚至在阴天也很明亮。

图4.47(a)　慕尼黑住宅联合体外景(赫尔佐格)

图4.47(b)　慕尼黑住宅联合体内层与外层表皮

图4.47(c)　从慕尼黑住宅联合体北边看太阳能光电板

2)蓄热保温墙系统

蓄热墙的贮热体有特隆布墙和水墙两种形式。

(1)特隆布墙(TrombeWall)。这是一种收集太阳热能的外墙系统(如图4.48所示)，它利用热虹吸/温差环流原理，使用自然的热空气或水进行热量循环，从而降低供暖系统的负担。特隆布墙通常采用混凝土、砖、石头等作为储热体，厚度约300毫米左右。

图4.48　特隆布墙示意

在天气较冷的时候，热惰性墙体可以利用它自身收集太阳辐射热量的能力为室内供暖。新鲜空气从外墙底部进入空腔中，被热惰性材料吸收的太阳辐射热加热后进入室内，使热空气在屋内循环。在炎热的气候条件下，特隆布墙则通过使空气直接上升并排到室外来防止热量进入室内，这时候墙体从室内吸出空气，并从北面汲取较冷的空气进入室内，达到自然降温的效果。(如图4.49(a)、(b)所示)

(2)水墙。它利用水的高比热容，积蓄太阳能。因为水可以通过对流使其整个厚度保持较均匀一致的温度，因而它的吸收表面所保持的温度可以比特隆布墙的吸收表面低，这是水墙的效率高于特隆布墙的主要原因。在温度上升的时候，吸收太阳的辐射能量，在夜间温度较低时，则缓慢放出蓄集的热量。

大多数水墙由竖向管子组成，这些管子通常由半透明或透明的塑料制成(如图4.50所示)。

由于热辐射自贮热墙体室外一侧向室内一侧的传导需要一个过程，因而内表面的峰值温度出现的时刻将随着墙厚和材料的不同较外表面产生不同的时间延迟，所以它能够把白天吸收的太阳热能贮存到夜晚使用。蓄热墙系统通常和直接受益系统组合应用，白天由直接受益窗供暖，夜间由蓄热墙供暖，从而使房间获得稳定而舒适的温度。

图4.49(a)　特隆布墙冬季使用示意

图4.49(b)　特隆布墙夏季使用示意

(3)附加日光间。这是为建筑物主体采暖而设计的房间，也是一种较为特殊的直接获取方式，它实质上是一座覆盖着玻璃外墙、朝南的缓冲空间。常在建筑南向缓冲区如南廊、封闭阳台、门厅等，增加透明玻璃成为封闭空间，即成为日光间。其屋顶做成倾斜玻璃，集热量将大大增加。但斜面玻璃容易积灰且玻璃须有足够的强度，以保证安全。附加日光间的作用不只是接收太阳光照，在很多情况下，它还起到一种气候缓冲的作用。如图4.51所示为附加阳光间太阳能传递方式。

图4.50　水墙由竖向管子组成

4.4.5.3　主动式太阳能

主动式太阳能是以太阳采集器、管道、风机或泵、散热器及贮热装置等组成的太阳能采暖系统或与吸收式制冷机组成的强制循环太阳能供暖和空调系统。通过采集器把阳光中的热能储存于水或者其他介质中，在需要的时候，这些储存的能量可以在一定程度上满足建筑物的能耗需要。(如图4.52所示)

屋顶接受太阳能最为有利，既能节省地方，又能避免放置地面被损坏的可能。通常，采集器安装在此，其最好朝向是正南，在偏东20°到偏西20°范围内的朝向也可以。

这种系统控制的调节比较方便、灵活，用于公共建筑、住宅、工业厂房，20世纪70年代主动式太阳房建造得比较多。由于主动式太阳能建筑的一次性投资比较高，技术复杂，维修管理工作量大，而且仍要耗费一定数量的常规能源，目前，已逐渐为被动式太阳能利用的方式所代替。

4.4.5.4　太阳能光电转换

随着太阳能应用技术的不断发展，出现利用太阳能电池等光电转换设备提供建筑所需的全部能源，通过利用太阳能电池，将太阳辐射直接转化为电能，为建筑提供照明等清洁能源。

图4.51　附加日光间太阳能传递方式

图4.52　主动式太阳能热水供应系统

太阳能电池，又称光伏电池，是一种可将太阳能直接转换为电能的半导体器件。1954年第一个实用的硅太阳电池在美国贝尔实验室研制成功，不久即运用于人造卫星。1973年的能源危机，促进了太阳能电池地面应用的发展。

早期的太阳能电池多是单晶硅电池，随着对太阳能电池的材料、结构、工艺等进行的大量研究和改进，目前，除单晶硅电池以外，已研制成多晶硅电池、聚光电池，光电化学电池等多种新型太阳能电池。

1.太阳能电池的工作原理

当太阳光(或其他光)照射到太阳能电池上时，电池吸收光能，产生光生电子－空穴对。在电池的内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，光电池的两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光伏效应(Photovoltaic Effect，缩写为PV)”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载中就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就直接变成了电能。

2.太阳能电池发电系统(PV系统)的组成

PV系统主要由太阳电池方阵(又称太阳能电池模板)、储能装置、调节控制器、阻塞二极管、用电负载组成。其作用是:太阳能电池方阵将太阳辐射直接转换成电能，它应有足够的输出功率和输出电压以满足设计要求，单体太阳能电池是将太阳辐射能转换成电能的最小单元。作为电源使用时，应按要求将几片或几十片单体电池串、并联连接，经封装，组成一个可以单独作为电源使用的单元，即太阳电池组件(或称太阳电池组合板)。太阳能方阵则是由若干个太阳电池组件串、并联连接构成的阵列，在有阳光照射时，太阳电池方阵对负载供电，同时提供一些电能储存在储能装置中。

储能装置是将多余电加以贮存，蓄电池组是太阳电池方阵常用的贮能装置。在无日照的阴雨天气或夜间，它对负载供电;当负载有短时间脉冲功耗时，即使有很强的太阳光照射，太阳电池方阵也不能满足负载所需的全部电能，这时，蓄电池也将给以补充。如太阳电池方阵和城市电网相连时，城市电网则成为其储能装置。

调节控制器由电子线路和继电器(或无触点的电子继电器)等组成，其作用是:当蓄电池过充电或放电时，可以报警或自动切断线路，保护蓄电池;按需要给出高精度的恒电压;当蓄电池有故障时，可以自动切换，保证负载正常用电;当线路发生短路时可以自动断开。

阻塞二极管作用是避免太阳电池方阵不发电或出现短路故障时蓄电池通过太阳电池放电，它串接在太阳电池方阵电路中起单向导通作用。

3.PV系统的分类

PV系统可依据是否和城市电网系统并联而分为独立型和并联型两大类。

独立型是系统单独提供所需电力，不与城市电网系统并联，由太阳能电池方阵、电力调节器、蓄电池等组成，该系统一般用于功能较简单的小型独立式建筑上。

并联型是系统与城市电网并联，成为城市电网系统的一个小型发电设备。当负载用电大于系统发电量时，将从城市电网系统上取电;当负载用电小于系统发电时，将向城市电网系统上送电，工作原理同独立型，只是并入到城市电网系统后使得负载可两路或多路供电，达到应急和备用的目的，该系统一般用于较复杂的大型建筑上。

4.PV系统在建筑中的安装

整个PV系统中太阳能电池方阵所占的面积最大，其安装方式可以分为以下几种。

1)屋顶部位安装

由于太阳能电池方阵发电需要充足的日照而且不能有遮挡，屋顶成为其应用最合适的部位，目前太阳能光电转换系统在屋顶上的安装方式可分为以下两类。

(1)PV系统和建筑屋顶相对分离。这种方式的PV系统一般作为后加设备构件，不承担屋顶系统的保温、隔热、防水等方面的功能，系统只有发电、造型方面的要求。

(2)PV系统和建筑屋顶系统结合为一体(太阳能光电屋顶系统)。此系统较复杂，但系统综合效率较高。它是由太阳能瓦板、空气间隔层、屋顶保温层、结构层组成的复合屋顶。太阳能光电瓦板是由太阳能光伏电池与屋面瓦板结合形成的一体化产品，它是由安全玻璃或不锈钢玻璃作基层，用有机聚合物将太阳能电池包起来。这种瓦板既能防水，又能抵御撞击。此系统即可以得到电能又可以得到热能，为防止屋顶过热，在光电板下留有空气隔层，并设有热回收装置。(如图4.53所示)

图4.53　太阳能PV板与屋顶结合

2)墙体系统(主要指其围护结构)与PV系统相结合(太阳能电力墙)

电力墙是太阳能光电池与建筑材料相结合构成一种可用来发电的外墙贴面，既具有装饰作用，又可为建筑物提供电力能源。

3)阳台、屋檐、雨棚、遮阳等部位安装

这些部位的安装方式弥补了建筑受光面积不够的缺陷，扩大了光电转换板的受光面积;遮阳部位的运用使得光电转换板利用效率大大提高。(如图4.54、图4.55所示)

4)窗户(或玻璃幕墙)安装

此部位的太阳能电池必须选择透光性比较好的(应用于其他部位的太阳能电池可选择不透光的)，这类产品大多数是经过特殊设计的一体化产品。

图4.54　太阳能PV板与雨棚结合

图4.55　太阳能PV板与阳台结合

5)独立安装

将PV系统附加在构筑物上，一般此类构筑物体量较大，发电量也较大，可以兼做城市电网供电。由诺伯特·凯萨设计的西班牙托莱多“太阳能墙”示范建筑，其示范的目的是演示利用太阳能的各种技术。这是理想的收集太阳能的状态，“太阳能墙”综合了所有的技术功能，包括加热水和空气、除湿、隔热、降温、热水净化和光电转换等。

悉尼奥运会也成功地运用了太阳能技术(如图4.56所示)，在奥林匹克大道上矗立着19座像起重机吊臂一样的建筑物，它们安装了1 524块高效的光伏电池板，每年可以发电16万千瓦，除满足自身用电需要和路灯照明外，还可以向当地电网售电。

6)复合安装

复合安装是将上述几种方式综合起来使用，扩大了光电转换板的受光面积，发电量大为提高。目前此种方式应用得最为普遍(如图4.57、图4.58所示)。

图4.56　太阳能PV板与路灯结合

墙体和屋面综合安装方法举例见表4.3。

表4.3　墙体和屋面综合安装方法举例

图4.57　国际商务区太阳能办公大楼主入口

目前已经成功地把太阳能组件和建筑构件加以整合，如太阳能屋面(顶)、墙壁及门窗等，实现了“光伏－建筑照明一体化(BIPV)”。1999年，德国建成了全球首座零排放太阳能电池组件厂(如图4.27所示)，工厂全部用可再生能源提供电力，生产过程中不排放CO₂。南墙面为约10米高的PV阵列玻璃幕墙，包括屋顶PV组件，整个工厂建筑装有575米²的太阳能电池组件，仅此可为该建筑提供三分之一以上的电能，其墙面和屋顶PV组件造型、色彩、建筑风格与建筑物的结合，与周围的自然环境的整合达到了十分完美的协调。该建筑另有一园区太阳能办公楼，其PV外墙有45千瓦容量，由以自然状态的菜子油作燃料的热电厂提供。经设计燃烧菜子油时产生的CO₂与油菜生长所需的CO₂基本平衡，是一座真正意义上的零排放工厂。BIPV还注重建筑装饰艺术方面的研究，在捷克由德国W IP公司和捷克合作，建成了世界上第一面彩色PV幕墙。

图4.58　荷兰ECN42大楼将PV系统安于屋顶

德国由于其在经济实力和科研技术方面的优势，在相当一部分建筑中采用了太阳能集热技术和太阳能光电技术。

德国建筑师罗尔夫·迪施在弗莱堡设计的旋转别墅中(如图4.28所示)，使整幢建筑可以根据太阳的方向旋转，建筑不再是“凝固的”，建筑中的所有房间都可以接受到阳光的照射，屋顶上安装太阳能光电板，光电板可以根据太阳一天中的高度角和方位角变化调整角度和方向，能够最大限度地利用太阳能。因此，屋顶上安装的约54米²的太阳能光电板在一天中所提供的功率峰值可达6.6千瓦，并能够在一天中大部分时间保持较高的功率。这种高效利用的太阳能光电板一年可以为旋转别墅提供大约9 000千瓦时的电量，在很大程度上能够满足建筑的能耗。