基于自然气候影响下的建筑节能设计

基于自然气候影响下的建筑节能设计
【摘要】自然气候是关系到人类住宅建筑设计的重要因素，建筑必须注重形态布局设计与当地气候条件相适应，才能展现建筑的灵活性和可持续性等特点，笔者根据多年工作经验，探
讨适应自然气候特征的建筑形态布局设计。

【关键词】气候；建筑形态；建筑设计
现代建筑为提高使用舒适性与节能性，设计时最大限度考虑利用自然资源，来为人们提供适
用与高效和自然环境相协调的生活空间。

1 自然气候与建筑形态布局设计的关系
自然气候包括日照、风向、气温、湿度等相关要素，这些要素会影响到现代建筑的形态布局
设计。

建筑形态布局设计中应考虑自然气候的重要影响，特别是要能够抵挡气候灾害的影响。

如我国北方多寒冷地区的建筑更强调保暖，应合理设计楼栋朝向，保证更多的日照时间；而
南方温和多余地区要注重雨水气候的影响，建筑设计应注重排水方便，避免洪涝。

在现代建筑强调绿色、节能、可持续发展的前提下，开发利用自然气候条件是总的发展趋势。

该思路主要考虑到建筑所在地区的太阳辐射情况、风向、风速、温度、湿度和常年降水等，
从微观和宏观方而服务于居民生活，居民的热舒适度和建筑的能耗标准等因素。

2 气候导向下的建筑设计案例
某建筑综合体建于我国高纬度地区，设计要求建筑须达到对该地区自然资源的合理开发和利用，并体现建筑造型的美观、大方、简约等。

该区域昼夜温差大、日照充足，平均气温较低，常年降水充足，植被较好。

太阳热辐射和采光角度是高纬度地区该建筑的使用舒适度的自然影响因素，该综合体建筑设
计时为后期能更节能、更经济的运行，朝向及建筑布局设计时保证建筑的日照（采光和采暖）的需要，采取止采光的设计方式，使建筑在严寒季节时，能有更长时间的日照，产生更多的
热量，并采用建筑外围保温技术，减少建筑外围热量的散失；风向风速也是影响建筑形态设
计的重要因素，低温严寒季节情况下，只有使风速与热交换降至最低、减少风速对建筑的破
坏的同时，才能保证建筑内温度。

而我国北方高纬度地区大多区域降雪或低温严寒情况较多，低温天气不仅会带走建筑更多的热量，还会对建筑荷载造成一定的影响。

3 气候影响下的建筑设计思路
建筑形态布局设计应符合所在区域的相关标准，同时应考虑到所在区域的气候特征如温度、
风向、风速和太阳光照，关注太阳辐射和主导风的影响。

因此，在北方寒冷较多的地区，综
合考虑后选择南北立而长东西立而短的建筑形体，适应太阳辐射状况的影响，并且在建筑墙
体做好保温措施，通常将墙体的热传导系数控制在0.1W/（m•K）-0.2W/（m•K，窗户的热传
导系数为0.8W/（m•K）以下，现代外墙保温技术的应用中要求更高，以尽量减少建筑的热
损失，保证建筑所需的充足热量的同时，减少了建筑的能耗。

3.1主导风向的利用
主导风向是直接影响冬季住宅室内的热损耗及夏季室内的自然通风的因素。

从住宅群的气流
流场可知，住宅长轴垂直主导风向时，各幢住宅楼栋之间产生涡流，会影响自然通风效果。

因此，应避免住宅长轴垂直于夏季主导风向，从而减小前排楼栋对后排通风的不利影响。

在
实际设计运用中，应根据日照和太阳辐射将楼栋基本朝向确定后，再进一步核对季节性主导
风向，此时会出现主导分享与建筑朝向形成夹角的情况。

从单栋楼体的通风条件来看，房屋
与主导风向垂直的效果是最好的，但是从整个住宅群来看，这种情况并不完全有利，而希望
形成个角度，来让各排住宅楼栋都有比较满意的通风条件。

在建筑节能设计中，建筑群应该
满足良好的通风性能，常见的建筑群布局方式有行列方式、并列方式、错列方式、斜列方式、周边方式以及自由排列方式。

为防止产生涡流区域，通常采用前后错列，后低前高的方式提
高通风质量；在高层建筑群中，建筑总体排列问错列方式可使通风效果更好。

对于风向的利
用在建筑群设计时应根据具体情况设计布置。

3.2太阳辐射的利用与建筑保温
太阳辐射会对建筑产生热能，因此建筑朝向应与太阳辐射方向一致，同时采取错位方式进行
楼栋的布置，控制太阳直射时间与辐射强度。

选择合理的建筑朝向，是保证建筑物良好的保
温和通风的基本前提，在建筑设计时，朝向的选择应尽可能得利用光照，使建筑有良好的保
温性能，降低能量损耗，并保证一定的通风效果。

综合考虑后，我国大部分地区建筑设计采
用南北走向，通过充分利用自然气候条件，可以满足建筑节能的要求。

通过建筑最佳朝向的确定后，可得到建筑在一定气候下所受辐射能力。

为提高建筑的保温性能，设计时通常采用隔热技术的外围护结构，隔热屋顶等等。

在围护结构（包括屋顶、外窗、门窗等）单薄、保温不足的建筑易受室外低温的影响，从而
导致内表面温度过低，引起结露、长霉、潮湿，使室内热环境恶化。

从保证室内适当的热环境，以及从降低建筑物传热热损失的角度出发，建筑物都需加强保温。

通过提高建筑墙体材
料自身保温性能可以改善整个墙体保温性能。

采用外墙保温材料，是将高效保温材料置于外
墙主体结构外侧的墙体，称为外保温复合外墙。

这种墙体的优点包括：
（1）外保温材料对主体结构有保护作用，室外气候条件引起墙体内部较大的温度变化，发
生在外保温层内，避免内部的主体结构产生大的温度变化，使主体墙寿命延长。

（2）有利于消除或减弱局部传热过多的热桥作用，如果采用内保温，则热桥问题就相当严重。

热桥作用会产生热损失，产生冷凝结露现象，造成对建筑物的破坏，影响使用寿命。

（3）主体结构在室内一侧，由于蓄热能力较强，可避免室温出现较大波动。

（4）既有建筑采取外保温进行改造施工时，可大大减少对住户的干扰。

（5）有些居民对新房要重新装修。

在装修中，内保温层容易遭到破坏，外保温则可避免发
生这种问题。

（6）外保温可以取得很高的经济效益。

虽然外保温造价比内保温高一些，但只要采取适当
的技术，单位面积造价可以增加不多，但由于比内保温增加了使用面积，实际上使单位使用
面积造价降低，加上节约能源及改善热环境等优点，总的效益十分显著。

3.3建筑体形设计
建筑形态的变化直接影响建筑采暖空调的能耗大小。

建筑节能设计中的关键指标之一是体形
系数，是指单位建筑体积所分摊到的外表面积。

体形系数越大，外表面积就越大，因而热损
失也就越大。

从节能的角度讲，应将体形系数控制在一个较低的水平。

建筑形态复杂，凹凸太多，就会造
成外表面积增大，从而造成建筑能耗增加。

低层和少单元住宅对节能不利，而对于高层住宅，在建筑面积相近条件下，高层塔式住宅的耗热量指标比高层板式住宅的高10%-14%。

体形复杂，凹凸面过多的点式建筑对节能更为不利。

而且，体形系数不仅影响建筑物外围护结构的
传热损失，它还与建筑造型、平面布局、采光通风等紧密相关。

体形系数过小，将制约建筑
师的创造性，造成建筑呆板，平面布局困难，甚至损害建筑功能。

因此要权衡利弊，两者兼顾，尽可能减少房间的外围护面积，即体形不要太复杂，凹凸面不宜过多。

4 结束语
建筑所在地区的气候是影响建筑布局设计的重要因素，现代建筑在体现现代造型突出个性的同时，应综合考虑所在区域的气候影响，让整个建筑与该地气候相配合，建筑布局设计尤其是要做好与该地风向、日照等重要气候因素的关系，以此更好的利用自然资源，提高建筑在自然环境中的适应性，促进建筑的生态性与可持续发展。

参考文献：
[1]王涛.大型商业建筑节能技术研究[D].长安大学 2014
[2]朱璿伊.武汉市高层居住建筑以通风为导向的被动式节能设计研究[D]. 武汉工程大学 2013。