5个项目说清夏热冬冷地区公建的被动式设计

 0 引 言 

随着全球气候变暖的趋势日益明显，减少碳排放、实现“碳中和”已经成为国际社会的共识。绿色建筑在这一背景下应运而生，并得到了迅速发展。绿色建筑并不是一个原生的建筑类型，而是指遵循可持续发展理念的各种类型建筑。适应地域环境、健康舒适、节能环保、节约资源、利用和亲近自然等绿色建筑设计理念，是所有优质的建筑设计的共同目标。

绿色建筑的设计离不开对当地地域、气候的适应性设计，包括从场地、布局、形体、功能、空间、界面等多方面采用不同设计手法，同时，叠加新技术、新设备、新材料等主动式绿色技术的使用，屏蔽或减少外部环境和气候对建筑室内外空间环境的负面影响，提高建筑的环保性能和居住舒适度。

然而，当前绿色建筑实践中仍然存在一些问题，如主动式绿色技术的堆砌，不仅带来了高昂的设备投入费用，复杂的运维管理往往也使得实际节能效果并不显著，对建筑运营中能耗减少及使用舒适等需求并未起到质的改观。

在生态文明发展的背景下，建筑师应在设计中发挥主导作用，采用被动式绿色设计技术，通过合理的建筑布局、朝向、窗墙比，充分利用自然光、自然通风等手段，减少对机电设备的依赖。同时，针对室外不利气候，建筑师可以运用建筑形体、材料、构造等设计元素，调节建筑的微气候环境，达到适用、健康、舒适、节能的效果。这并不意味着要完全放弃主动式绿色技术的应用，而是要在被动式设计的基础上，辅以适当的机电设备进行主动式调节，如智能照明系统、节能空调系统等，实现节能与舒适的平衡。

被动式绿色建筑设计体系涵盖场地、功能、空间、形体、界面等多个方面，笔者主要分析夏热冬冷地区的公共建筑场地、空间、形体设计环节中被动式绿色建筑设计技术的控制要点，及其相关设计手法的应用。

 1 场地设计 

场地设计应结合夏热冬冷地区的气候特征，对不同的场地条件进行分析，选取最适宜的场地布局方式进行组合，形成最优绿色建筑布局方案。一方面注重生态保持与重塑，包括自然环境协调、规划设计研究、环境资源利用，针对场地内部及周边前置条件的分析和研究；另一方面，注重绿色布局与组织，包括场地交通组织、建筑体量布局、生物气候设计等，从而针对性地开展绿色设计策略与布局。

1.1 自然环境的协调与利用设计实践

1.1.1 设计理念

在选择场地时，首先应注意场地安全，避免具有环境污染及自然灾害的场地。在此基础上，应尊重用地及周边的生态本底，减少对自然环境的改变与破坏，促进场地的自然生态资源、自然景观资源、人文景观资源的可持续利用与发展。自然环境的协调与利用可采取的措施如下。

（1）在夏热冬冷地区的场地选址和规划中，应结合地区气候特色，对场地内部的生态本底、自然景观资源和人文景观资源进行有效的评估和保护。生态本底的具体内容如表1所示。

表1 生态本底具体内容

（2）规划与建筑设计应支持生态城市的构建，包括合理规划城市生态用地、恢复和改善城市水系、维护和弘扬地方独特风貌。同时，应积极采纳低影响的开发策略，加速推进海绵城市、森林城市等生态城区的建设。

1.1.2 项目实践

湖南省醴陵一中是当地的百年名校，应校方要求，在校区指定场地设计一幢新建教学楼，以满足日益增长的教学需求与逐渐更新的教学模式。在教学楼功能满足走班制教学的前提下，整个设计过程贯穿了对自然场域精神的尊重、对百年校园文化的传承、对学习方式的探索与溯源。其中场地设计充分实践了对自然环境的协调与应用，具体措施如下。

（1）充分利用植被资源，保留场地高大乔木。基地位于山地环境，树木保有量大、高差大，情况复杂。场地设计决定尽量保留现有树木，尊重场地自然环境。项目南部通过形体转折，避让场地内已有高大乔木，如图1所示。建筑建成即“绿”，教室被场地树木环绕。

图1 形体转折避让基地现有乔木

（2）尊重场地高差，通过竖向交通完成不同功能空间的连接，如图2所示。空间的连接与功能具有延展性、通达性。地下车库分层布置，集约经济，负1层车库平进，采用自然通风与采光，如图3所示。底层注重教学空间可达性；2层为林间步廊，联通南北，人车分流，其主入口效果图如图4所示；3层注重教学空间快速通达与人流的快速通过。通过这些设计理念，既创造了一栋真正具有场域归属感的建筑，也创造了多元丰富的空间体验。

图2 多层竖向交通设计示意图

图3 负1层流线示意图及车库实景图

图4 教学楼2层主入口效果图

1.2 建筑总体布局与组织设计实践

1.2.1 设计理念

建筑整体规划与布局应尊重城市肌理与文脉传承，与城市风貌和谐统一。根据建筑外部环境特征，合理开展外部交通、出入口、内部交通、静态交通的设计，使之安全、方便、快捷。合理控制地上面积的使用，以实现空间利用最大化。同时，结合气候特色开展总体布局，利用气候优势最大限度改善并保持舒适的室内热环境，延长自然热舒适度时长。建筑总体布局与组织可采取的措施如下。

（1）建筑总体布局应遵循上位规划，保证建筑高度、密度、形态、风格与城市结构肌理相协调。具体设计中，可考虑视线通廊、景观空间互视等手法，加强城市空间之间的呼应与延续，提升居住质量与美学舒适度。

（2）建筑总体布局与组织应在结合地域气候与环境特征的前提下，合理布置间距与体量组团，达到降低能耗的目的。合理设置建筑朝向，保证主要功能空间日照标准，通过组合布局，采用南低北高、合院式等布局形态，优化采光能效，冬季采光获得热辐射，夏季自遮阳减少热辐射。

（3）建筑群布局对自然通风的影响很大，在夏热冬冷地区，风环境设计原则为“疏导夏季风、阻挡冬季风”。在夏季主导风向上采取“前短后长、前疏后密”“前低后高、逐步升高”的布局形式，可通过开放式布局、局部断开、退层、架空等设计手法实现。冬季主导风向上封闭设计，以疏导夏季风和阻挡冬季风。主要街巷、道路与夏季主导风向呈0°～30°夹角。风环境设计时也应注意室外活动区风环境舒适度，避免无风或风速过高等情况。宜通过对室外风环境的模拟分析调整优化建筑布局。

1.2.2 项目实践

金鹰中学是一所全日制高级中学，位于湖南省醴陵市，用地面积为2.3万m²，总建筑面积为3.1万m²。在建设用地相对紧张的条件下，要满足48个教学班的教学需求，并配备图书室、体育馆、行政楼、食堂、实验楼、教学楼、宿舍、停车场等功能空间。在贯彻“以人为本、功能合理分布”的总体原则下，设计师融合绿色舒适、经济适用等理念，在总体布局与体量组织设计时，采用被动式设计技术，为金鹰中学打造了一个无风雨、空中、绿色校园。

（1）无风雨校园。设置连续长廊贯穿整个校园，构筑无风雨体系，尤其适应夏热冬冷的多雨气候。进入校园后，无需撑伞，并可开窗通风，校内人行流线形成多个环，便捷流畅。金鹰中学鸟瞰效果图及无风雨连廊效果图如图5所示。

图5 金鹰中学鸟瞰效果图及无风雨连廊效果图

（2）空中校园。将大运动场架空，下设停车库，利用看台、连廊等将教学区和运动场紧密衔接起来。学生白天活动的主平面位于2层，空气清新、阳光充沛，脱离城市喧嚣，降低攀爬楼层，增进户外活动和交流，营造舒心学习、尽情运动的乐园。采用风环境模拟，调整建筑形态与群组布局，最大限度保证室外活动场地风环境舒适、架空停车区采光通风，场地风环境模拟如图6所示。

图6 场地风环境模拟

平台活动层冬季和夏季室外风环境较好，适宜学生开展室外活动。在夏季，阵列的教学楼能够起到导风墙的作用，提升运动场体感舒适度。在冬季，科教楼对西北风提供了有效遮挡，减缓风速，绝大部分运动场区域相对风速缓和舒适。冬夏两季架空操场风环境模拟如图7所示。

图7 冬夏两季架空操场风环境模拟

 2 建筑设计 

2.1 空间组织与连接设计实践

2.1.1 设计理念

在建筑单体布局中，根据夏热冬冷地区气候特征及场地环境要素，组织不同能耗性能空间（相互关系、位置选择及连接方式），旨在创建一个既满足使用功能又促进建筑与自然环境和谐共存的节能型开放体系，从而优化建筑空间的能效表现，夏季有效散热通风，冬季保温隔热，同时在过渡季节减少空调的运行时间和能耗，以实现能源的高效利用。

室内外气候差异是导致能源消耗的主要原因。不同功能的使用空间对气候适应性的要求各异，这导致了其在气候性能上存在不同的等级划分。这种划分基于对气候适应性要素及其相关指标的严格程度。在公共建筑中，根据这些标准，空间可以被分为普通性能空间、低性能空间和高性能空间。这种分类有助于在设计和运营过程中，针对不同空间的具体需求采取相应的节能措施，具体如下。

（1）确保气候调节系统仅在必要区域启用，减少对人工环境的依赖。普通性能空间适宜布置在气候条件良好的位置，确保有充足的自然通风和光照；对性能要求不高的空间（如卫生间、楼梯间等），可以布置在东西向以避免西晒对主要使用空间的影响，或者北向以抵御冬季西北风；高性能空间或主要使用空间对热环境、人工能耗系统的依赖性较高，适宜布置在与自然环境隔离的区域，利用低性能和普通性能空间的布局为其提供更优的环境条件。

（2）合理规划布局相同功能或相同性能区域，达到降低能耗的目的。控制相同功能或相同性能空间在建筑中的相对位置关系，同层或分层布置、通高或错层布置，实现同类空间能源效率得到优化配置。相同性能空间集中布置示意图如图8所示。

图8 相同性能空间集中布置示意图

（3）为了实现节能，普通性能空间可以根据热量需求选择靠近热源的位置以获取热量，或远离热源以降低温度。普通性能空间应优先考虑利用自然通风和自然光照。可以将普通性能空间安排在建筑的外围，以获得良好的采光和夏季风；或将普通性能空间设计成开放式平面，靠近中庭、边庭、天井等垂直通风空间，以增强自然通风效果。

2.1.2 项目实践

醴陵华瓷汇总部大厦位于湖南省醴陵市华瓷汇产业园区内，总部园区为展销研一体的融合性产业园区。项目为一期工程，以研发、办公为主要功能，为园区智力之源。本项目设计为巨构形板式建筑，高度集中资源，提升使用效率；同时外立面呈现一张世界最大的色谱以及一副世界最大的模具，体现企业文化内涵；通过室内空间组织布局，打造多元绿色共享空间，塑造了国际化、科技化的品牌企业形象。

（1）立体组合

本项目内部设有多个挑空开放共享空间，并通过平层通廊连接外部，形成了空间丰富、绿色舒适的共享内庭。从功能上，共享内庭为共享办公、多样化活动提供了灵活的共享空间；从气候性设计上，立体组合中庭，连通南北，通过采光中庭、通风阳台与外界气候进行可调节交换，夏季通风散热、冬季保温，减少原本过高中庭带来的建筑能耗。立体组合中庭方案设计如图9所示。

图9 立体组合中庭方案设计

（2）平面布置

在平面布置上，整个平面面朝东南向布置，东南侧大量布置办公空间（普通性能空间），这些空间能够获得最佳的采光与风环境；西北向布置电梯厅、洗手间等低性能空间，冬季自身能耗需求少，同时可作为气候缓冲腔体，起到对主要功能空间的气候缓冲作用。项目5、6层平面图示意图如图10所示。

图10 华瓷汇总部大厦5、6层平面图

2.2 体形系数与形体设计实践

2.2.1 设计理念

建筑物的体形系数反映了其外表面积与内部体积的比例。为了有效减少能源消耗，理想的设计应当追求较低的体形系数。通过对单一形体的设计，可以优化建筑能耗。形体设计具有前置性，需要在设计初期统筹多方因素开展。

（1）通过单一建筑的体形系数设计，调节建筑物与室外大气接触的外表面积，控制建筑能耗，提高建筑效能。在夏热冬冷气候区域，建议采用简洁的建筑形态，减少复杂的凹凸设计，同时确保建筑层高设置得当。以上海地区为例，对于板式建筑，建议其体形系数控制在0.35以下；而点式建筑的体形系数则不应超过0.40。这样的设计有助于实现更高的能效和建筑效能。

（2）综合考虑建筑体形系数和方位布局的同时，可采用局部形体变化减少建筑能耗。采用架空结构提升建筑高度，在雨季有效防止潮湿并降低通风系统的能耗。设计包含热缓冲能力的外廊和过渡空间，以调节室内外的温度差异。调整建筑的倾斜角度，实现自然遮阳，减少直射日光带来的热量。此外，设置垂直通风井也可促进建筑内部的空气流通和热压通风，进一步提高建筑的自然通风效率。

（3）可变体形系数是一种建筑设计概念，它允许建筑物的外形在一定程度上根据环境条件或使用需求进行调整。这种设计策略旨在通过改变建筑的外表面积和形状，以响应不同的气候、光照、通风和能源效率需求，从而优化建筑的整体性能。夏热冬冷气候区可充分利用其特色进行可变体形系数设计，灵活调整不同季节建筑能耗，精准优化建筑能效。

在进行建筑形态设计时，除非有特定的功能需求，否则应避免设计过高的建筑空间，避免造成不必要的空间浪费。若建筑空间的高度过高，会导致热空气上升而冷空气下沉，这样的自然对流现象会显著降低空调和供暖系统的效率，还会影响室内的舒适度。通过合理控制建筑的层高，不仅可以提升能源使用效率，还能有效降低经济成本。

2.2.2 项目实践

建科中心位于上海市建科大厦徐汇科技园区，是一幢总部办公楼，通过主动技术与被动技术的结合，打造上海市零碳办公园区综合改造技术示范项目。方案设计阶段通过形体架空、建筑自然采光与自然通风、太阳能光伏一体化示范、建筑整体气密性控制、高性能围护结构等手段，实现低碳、健康、舒适的设计目标。

（1）形体设计。本项目采用底层架空、下沉广场的形体设计手法，对于通风散热极为重要的夏热冬冷地区极为有效。同时，在建筑高度密集的中心城区，将底层空间让出为广场，也极大地提高了室外空间使用舒适度。

项目中的下沉广场利用上部建筑遮风挡雨，地下餐厅全面采光通风，冬夏两季降低开放性，减少照明能耗；过渡季增强开放性，减少照明与通风能耗，同时营造丰富的室内外使用空间。首层架空内退处理，增补核心广场空间，提升视觉通透性。项目底层架空效果图如图11所示。

图11 建科中心底层架空效果图

（2）高性能围护结构。相对公共建筑，本项目采用高性能围护结构，具体如表2所示。屋面热工性能有效提升超70%、外墙热工性能提升近60%、外窗热工性能提升近40%。25% 的外墙采用超高性能混凝土（UHPC）、预制装配式外墙。

2.3 外遮阳界面设计实践

2.3.1 设计理念

建筑设计中，建筑界面是指建筑与外界环境相接触的表面，包括外墙、屋顶、窗户等。气候性界面则特指这些界面在设计时考虑到气候因素，以适应特定的气候条件，提高建筑能效与舒适度。气候性界面主要涉及隔热保温、通风遮阳、防水防潮、界面热惰性、界面绿化与可调节界面等。外遮阳界面可采取的措施如下。

（1）夏热冬冷地区夏季温度高、冬季温度低，建筑能耗主要来自制冷和采暖。设置可变遮阳系统（如百叶窗、遮阳帘等），可根据太阳辐射的强度和室内外温度变化自动调节遮阳设施，以减少夏季制冷能耗和冬季供暖能耗。

表2 建科中心采用的围护结构类型与节能性能

（2）方案设计阶段，应结合模拟和节能设计要求对各朝向的外窗综合遮阳系数进行计算，重点对辐射得热量较高的区域进行遮阳设计分析。同时，注意对重点区域的防雨设计，结合建筑类型和功能，在建筑屋面、主要出入口、窗口处设计挑檐或者雨篷。通过玻璃自身遮阳、遮阳构件及垂直绿化的外遮阳方式降低夏季太阳辐射得热，同时兼顾冬季室内得热。

（3）针对夏热冬冷地区的气候特点，墙体垂直绿化优先设置在西向外墙，其次为东向和南向。该气候区的垂直绿化宜选用落叶型植物，夏季可实现良好的遮阴作用，冬季落叶后又可使阳光照射到墙面，增加得热。

2.3.2 项目实践

绿方中心是中英两国在低碳领域合作的重要项目，总建筑面积为11859.29m²。设计团队以 “绿色节约、低碳生活”的可持续发展观为设计理念，通过采用太阳能利用、立体绿化等先进技术，使其成为集“现代、高科技、节能”为一体的绿色建筑。

（1）可变体形系数

项目通过室内景观花园窗户的开启和关闭来改变不同季节建筑体形系数，减少建筑本体能耗需求。冬季通过关闭景观花园窗户以减小体形系数，花园作为空调过渡区，降低主要使用空间热流失。夏季通过开启花园窗户以增大体形系数，加快空间散热效果，同时作为室外空间调节室内热舒适性。

（2）复合遮阳体系

在景观花园中设置电动可调磨砂玻璃外遮阳，并根据日照高度调整角度。条窗外设置竹木板遮阳。与建筑整体效果相呼应。建筑3 层以上挑空，为1、2层提供一定建筑自遮阳，复合遮阳体系示意图如图12所示。同时采用屋顶绿化、爬藤等垂直绿化、复层绿化以及室内景观花园来提升建筑品质。项目场地绿地率达36.9%，屋顶绿化率达到50%。绿化物种选择适宜当地气候和土壤条件的本地物种。

图12 复合遮阳体系示意图

 3 结束语 

长期以来，我国的建筑体系以低舒适度和高耗能为主，但随着社会的发展和人们生活水平的提高，人们对建筑的性能提出了更高的要求。因此，推动绿色建筑的发展，提高建筑的舒适度和节能性能，成为当前建筑行业的重要任务。

在建筑设计的过程中，设计师扮演着至关重要的角色，不仅需要考虑建筑的功能需求和美学要求，还需要充分平衡各种设计输入条件与建筑成果需求之间的关系。面对复杂的气候条件和各种功能需求，因地制宜融合被动式绿色建筑设计技术，使其真正达到适用、健康、舒适、节能。