建筑节能规划设计

第一节　建筑节能规划设计

建筑的节能设计首先应该从规划入手，并以节能作为指导规划设计的主要原则，分析气候条件和地理因素的有利、不利影响，通过建筑的规划布局对上述因素进行充分利用、改造、将设计与建筑技术和能源利用有效地结合，充分利用建筑所在地区的自然环境资源和条件，减少常规能源的利用，使建筑在冬季最大限度地利用自然能采暖，多获得热量，减少热损失，夏季最大限度地减少得热和利用自然条件降温和冷却，在保证人们居住环境舒适的同时达到节能的效果。

一、依据气候条件进行建筑节能规划设计

1.气候条件

气候是指地球上某一地区多年的大气和大气活动的综合状况，是某个时段的天气的平均统计特征，由太阳辐射、大气环流、地面性质等相互作用决定。与建筑密切相关的气候参数包括太阳辐射、空气温度、空气湿度、风向和风速等。我国幅员辽阔，具有多样性气候的特点。青藏高原海拔4 500mm以上地区四季常冬，南海诸岛终年为夏，云南中部四季如春，其余地区四季分明。因此，建筑设计应依据建筑所在地区的气候条件，以便利用室外气候条件中的有利元素规划设计出与当地气候相符合的节能建筑。

在气候对建筑的影响中，太阳辐射是建筑外部的主要热源，太阳辐射对建筑外墙加热，通过窗口直射进入室内使内墙和地面升温并加热室内空气。室内空气直接决定建筑物热工性能计算，决定外围护结构的保温和隔热设计计算，决定建筑采暖、通风或空调的设计计算。空气运动的风向和风速关系建筑物的布局和自然通风效果。因此，太阳辐射、风向和风速是影响建筑规划设计的主要因素。

2.日照环境节能设计

日照环境的设计主要是确定建筑的布局，建筑的间距和建筑适宜的朝向以便最大程度的利用太阳辐射能。

(1)建筑布局节能设计。建筑的合理布局，能够争取日照条件，避免季风干扰，改善建筑的日照和风环境，减少耗能。建筑群在组合布置时，可采取以下方式，争取良好日照。①多排、多列楼栋布局中，采用错位布置，利用山墙空隙争取日照，见图2－1。②点、条组合布局时，点式建筑布置在朝向较好位置，条式布置其后，争取日照，见图2－2。③在严寒地区，城市住宅布置时可通过利用东西向住宅围合成封闭或半封闭的周边式住宅方案。这种布局可以扩大南北向住宅间距，可以形成较大的院落，对节能省地都有利。南北向与东西向住宅围合一般有4种情况，如图2－3所示。这4种情况从争取室内日照，减少日照遮挡来看，方案2、方案4最好。④封闭围合时，开口的位置和方位以向阳和居中为好。

图2－1　错落布置，利用山墙间隙提高日照水平

图2－2　条式和点式住宅结合布置改善日照效果

图2－3　东西向住宅四种拼接形式比较

(2)建筑朝向节能设计。建筑物主立面的方位角称为朝向，一般由建筑与周围道路之间的关系确定。选择合理的建筑朝向是节能建筑群体布置中首先考虑的问题。建筑朝向的选择要考虑两个方面，首先是在冬季能获得足够的日照，主要房间要避开冬季风向。其次，在夏季能有效防止太阳辐射与暴风雨的袭击。在选择建筑朝向时，需要考虑以下几点因素:①炎热季节尽量减少太阳直射室内及居室外墙面。②冬季能有适量并具有一定质量的阳光射入室内。③夏季有良好的通风，冬季避免冷风吹袭。④充分地形和节约用地。⑤照顾居住建筑群体组合的需要。

不同地区太阳辐射强度各不同，最佳朝向不同。如哈尔滨市最佳建筑朝向范围是南偏东15°，南偏西15°。北京市最佳建筑朝向范围是南偏东30°至南偏西30°。在同一地区，不同建筑物朝向，或统一朝向太阳辐射随季节变化各不相同。朝南墙与其他朝向墙相比，冬季接受的辐射热最多，而夏季的辐射的热又比东、西朝向少，可参见图2－4。由于不同朝向上太阳辐射强度变化比较大，因此，合理选择建筑朝向对争取更多的太阳辐射量是有利的。部分城市最佳朝向见表2－1。

图2－4　太阳辐射热日总量变化

(a)北京地区太阳辐射热日总量变化［kJ/(m²·d)］(b)上海地区太阳辐射热日总量变化［kJ/(m²·d)］

表2-1　全国部分城市建筑最佳朝向

建筑物的朝向对于建筑的得热量有很大的影响。所以从节能的角度出发，如总平面布置允许自由考虑建筑物的形状和朝向，则应首选长方形体型，采用南北朝向。通过对不同体形的建筑研究，如图2－5至图2－8、表2－2至表2－3，可得到以下结论，实际设计中建筑的体型和朝向可参考这些结论进行设计。

·不同体型对朝向变化敏感程度不同。长方体最敏感，“Y”形次之，正方形敏感度最小。

·板式建筑以南北主朝向时获热量最多。

·“Y”形建筑总辐射面积小于点式和板式建筑两种。

·点式建筑与板式相仿，但总辐射面积小于板式建筑，总获热较少。

·“Y”形建筑中以图2－8(a)、(c)两种建筑朝向的建筑体形获热量最多。

·无论何朝向如何，总有一个辐射面积较大之面。

图2－5　板式体型住宅

图2－6　点式体型住宅

图2－7　 Y形住宅基本体型

图2－8　不同角度的Y形住宅

(3)建筑间距节能设计。为保证阳光不受遮挡，并可以直接照射到建筑室内，在建筑的规划设计中，就必须在建筑物之间留出一定的距离，也就是建筑物的日照间距。影响建筑物日照间距的因素有许多方面，包括当地日照标准、地理纬度、建筑朝向、建筑物的高度、长度及建筑用地的地形等。因此，在建筑节能设计时，在节约用地的前提下，应该综合考虑各种因素来确定建筑的日照间距。根据以往经验，夏热冬冷的地区建筑要保证日获得日照1h的要求，日照间距系数就应该控制在1.2以上，按2h的标准则日照间距系数应大于1.3。由于不同城市的纬度、土地资源及经济发展水平等条件的不同，规定日照间距的标准也有所差异，但是总体上是控制在1.1～1.3H(H为建筑高度)，即日照距系数为1.1～1.3的范围以内，以保证建筑的采光。

住宅组群中房屋间距的确定首先应以能满足日照间距的要求为前提。因为在一般情况下日照间距总是最大的。当日照间距确定后，再确定其他因素对间距的要求。正午的太阳辐射强度比日出或日没时的辐射强度约大6倍。因此，确定日照间距的日照时间一般取正午(一天中太阳高度角最大时)前后。太阳方位垂直于建筑物比两者相交30°时的辐射强度约大1倍。因此，计算建筑物的日照间距时常以冬至日中午(11～13时)2h为日照时间标准。

日照间距是建筑物长轴之间的外墙距离，通常以冬至日正午正南方向，太阳照至后排房屋底层窗台高度O点为计算点。

1)平地日照间距的计算公式见图2－9。

图2－9　平地日照间距的计算

式中: h——建筑总高;

h₂——底层台高;

h₁= h－h₂;

r_h——当地冬至日正午的太阳高度角。

2)坡地日照间距的计算公式。在坡地上布置住宅时，其间距因坡度的朝向而异，向阳坡上的房屋间距可以缩小，背阳坡则需加大。同时又因建筑物的方位与坡向变化，都会分别影响到建筑物之间的间距。一般来说，当建筑方向与等高线关系一定时，向阳坡的建筑以东南或西南向间距最小，南向次之，东西向最大，北坡则以建筑南北向布置时间距最大。

向阳坡间距计算公式见图2－10(a)。

背阳坡间距计算公式见图2－10(b)。

3.建筑风环境节能设计

空气流动形成风，所谓风环境是指室外空气流动在建筑区域的分布。建筑规划设计时应考虑风的影响，良好的室外通风环境是规划设计需要考虑的重要因素，不仅影响着室外的热舒适和室内的自然通风，而且也影响着室外活动的安全和卫生。影响风环境的规划设计因子主要体现在建筑选址、建筑平面布局、建筑朝向、建筑间距等。

图2－10　坡地间日照间距计算

(a)向阳坡日照间距关系(b)向阳坡日照间距关系

D——两建筑物的日照间距(m);h——前面建筑物的高度(m);

W——后面建筑物底层窗台离设计基准点高差;r₀——地面坡度角;

O、O'——分别为前后建筑物地面设计基准标高点;β——建筑方位角;r₀——太阳高度;

d、d'——分别为前后建筑物地面设计基准高点与外墙距离(m);a——地形坡向与墙面的夹角;

β₀——太阳方位角(图中β₀表示太阳的两个不同方向);w——建筑方位与太阳方位差角w=β－β₀

(1)建筑选址节能设计。在建筑物选址时，主要考虑冷空气渗透量以及冷风对建筑围护体系的形成的风压。冷风渗透量越大，室温下降越多;冷风对建筑围护体系的形成的风压越大，则外表面散热越多，房间的热损失就越多。冷风渗透和冷风对建筑围护体系的风压均对建筑物冬季防寒保温有不利的影响，尤其严寒地区和寒冷地区冬季季风对建筑物和室外小气候威胁很大。

冷空气渗透量与风压差有关，风压与风速的平方成正比。风速和风压差随建筑物的高度变化规律如图2－11所示。

当风垂直吹向建筑物正面时，受到建筑物表面的阻挡而在迎风面上产生正压区。气流在向上偏转的同时，绕过建筑物侧面，而在这些面上造成负压区，如图2－12至2－14所示。

图2－11　风速和风力作用造成的风压差与高度的关系

图2－12　建筑物的正压区与负压区

图2－13　风槽

图2－14　墙面上的压力分布图

(a)平面图(矩形建筑物)(b)平面图(L形建筑物)

因此，建筑规划设计中应避风建宅，避开不合理的风向、通过适当布置建筑物，降低冷天风速阻隔冷风、降低风速、减少风压作用，降低能耗。

(2)建筑布局节能设计。建筑布局应遵循改善建筑的日照和风环境的准则。在建筑平面布局中，布局的形式多种多样，依据建筑群的平面布局，主要有行列式、错列式、斜列式、周边式、自由式。尽管他们均能达到较好的通风效果，但各有自身的特点。自由式、行列式能争取到较好的朝向和较好的通风效果。错列式相当于加大了前、后栋建筑之间的距离，较好地规避了前方建筑背风涡流区的影响，对通风更有利，同时有利于山墙争取日照。而斜列式的布局更好一些。周边式太封闭，不利于风的导入，而且使得较多的房间受到强烈的东、西晒阳光直射室内，同时对于高层建筑群而言，周边式中部天井通风不好，影响区域卫生与舒适。一般而言，自由式由于与外界交流的自由界面较多，同时建筑体量一般不大，所以室内外的通风性能一般较好。但是自由式的风场则比较复杂，需要规划师精心布置。

图2－15　建筑平面布局对风环境的影响

(3)建筑间距节能设计。欲使建筑物获得良好的自然通风，周围建筑物，尤其是前栋建筑，其阻挡状况是决定因素。要根据风向投射角对室内环境的影响程度来选择合理的间距，同时也可结合建筑群体布局方式的改变以达到缩小间距的目的。综合考虑风的投射角与房间风速、风流场和漩涡区的关系，选定投射角在45°左右较为恰当。据此，房屋间距争取(1.3～1.5)H，最少也要保证(1.0～1.2)H。而保证日照时间确定的房屋间距的是总体上是控制在(1.1～1.3)H(H为建筑高度)。因此，建筑间距应综合考虑日照间距和通风间距来确定最终结果。

(4)建筑朝向节能设计。在建筑朝向选择时，室内外通风是重要的考虑因素。主导风向冬季热损失和夏季自然通风。为了组织好房间的自然通风，应当使房间朝向尽量靠近夏季的主导风向。但当风正面吹向建筑物，由图2－12可知，建筑物的背风侧会产生负压涡流区，影响后面的通风效果。若将建筑受风面与主导风向成角度布置，则有明显改善，适当的加大风向入射角，对建筑通风有利，当风向入射角加大至30°～60°时，气流能较顺利地导入建筑间距内，如图2－16所示。对于建筑朝向的确定要综合考虑室内外通风、日照、暴风雨吹袭方向的影响。在广州地区，选择南偏西5°到南偏东10°作为住宅朝向最佳，详见表2－1。

二、依据地形地貌进行建筑节能规划设计

一般来说，建筑所在地区的地形地貌，会直接影响建筑室内外热环境和空调能耗的大小，进而影响建筑的能源消耗情况。因此，对不同地形地貌的建筑环境要区分对待，设计出不同的节能方案。尤其在建筑的选址，选址要结合建设地段的地形、地物、地貌，合理布局建筑物，保证夏季防热、通风，兼顾冬季向阳、避风。

图2－16　不同风向入射角对建筑气流影响

在建筑选址时，首先要考虑到建筑物可能会受到“窝风”影响，如图2－17所示。处于山谷位置的建筑物往往会受“窝风”的影响，由于冬季的风往往来自北向或西北向，因此，设在这个“窝风”位置的建筑物反而有可能在冬季里享受到南向或东南向吹来的“窝风”。所以建筑基地应尽量选择在向阳、避风的地段上，为建筑争取日照创造必要的条件。

图2－17　建筑物所受“窝风”的影响

其次，应注意避免凹地建筑，对于严寒和寒冷地区的建筑不适宜选择在山谷、洼地及凹地等处，因冬季冷气流在凹地易形成对建筑物的“霜洞”效应。“霜洞”效应是指冬季晴朗无风的夜晚，冷空气沉降并停留在凹地底层或半地下层建筑，若保持所需的室内温度，所耗能量会相应增加，如图2－18。

图2－18　建筑物的“霜洞”效应