1.2　建筑气候设计

1.2.1　气候设计

气候是天气现象的长期平均状态，或者说，气候是某一地区的大气物理性能相当长时期内的统计平均。它是太阳辐射、大气环流和地理环境等几方面因素相互作用的结果。

1.2.1.1　气候设计基本原理

从古至今，创造舒适的室内气候环境始终是建筑的基本目的之一。从某种意义上讲，建筑生物气候设计的历史就是人类尝试如何维持一个合适的室内小气候去取悦人体的历史。世界上大部分地区的室外环境都未能达到人类对热舒适度的要求，人类试图将室外气候环境与人类对热舒适的差距缩小所采取的手段称为“气候调控”。调控手段又可分为主动式的调控手段和被动式的调控手段。主动式的调控手段是人类利用环境设备来创造舒适宜人的室内环境；被动式的调控手段是通过建筑自身调节来创造人类满意的居住使用场所。本着经济、绿色、节能、环保的理念，被动式的建筑自身调控方法将是本节的主要研究范畴。气候设计的目的是在不降低舒适度的前提下降低能耗，通过资源的合理利用和对当地气候的合理分析，降低不利因素的影响，减少设备的使用。

1.2.1.2　被动式气候设计基本原理

由于材料生产技术水平还处于发展阶段，施工工艺还有待提高，创造舒适的室内环境还需要环境设备的调控方法，但是被动式的一些技术策略能够在一定气候状况下提高室内的舒适度。被动式建筑设计就是通过规划、设计，利用材料的物理性能、环境等来顺应自然界的阳光、风、气温、湿度等的变化来改善和创造舒适的生活居住环境，减少对常规能源的使用。被动式的气候设计方法需要了解建筑室外环境与人体需要的舒适环境之间的关系，即确定两者的偏差程度，这是气候设计的首要问题。气候设计包括三个方面的问题，首先是对所研究地区的气候环境分析；然后是居住者对热舒适度的要求；最后是通过设计建筑所能达到的能耗标准。其中涉及气候学、环境学、建筑学、生理学等多方面的问题。

1.2.2　建筑设计中的气候分析方法

建筑气候分析方法是指在设计过程中，建筑师对建筑所处的室外气候做定性及简单定量分析，从而指导建筑师提出相应设计对策，正确利用太阳辐射和大气环流、地热能等气候资源。

在20世纪50年代，由美国的Olgyay（1953）兄弟最早提出气候设计的概念和方法，并提出“生物气候图”。其后，这种气候分析方法得到很多建筑师与工程师的关注，并将这种分析方法不断完善发展。到1969年，Givoni结合温湿度图发展了Olgyay的“气候设计”方法，将气候、人体热舒适和建筑设计被动式方法结合在一张图表上（以下简称Givoni法），对设计的指导更为直观方便。其基本原理方法与Olgyay的“生物气候图”很接近，都是以利用自然能源和恰当的建筑设计策略为手段，以获得室内热舒适为目的，减少建筑对人工能源的依赖和需求。只有在建筑手段难以达到人体舒适所需时，才考虑采用人工设备。因此，将这两个方法和其他由这两种方法衍生的气候设计方法一起，统称作气候设计方法。下文将对现有的几种气候设计方法做简要介绍。

1.2.2.1　Olgyay方法

Olgyay提出了依照人体热舒适要求和室外气候条件进行建筑设计的系统方法，并将这种分析方法用图表的形式表现出来，他将其称为“生物-气候分析图”（Bio-climatic chart），见图1-20。

图中表明了人体的热舒适区域（阴影区域）与空气温度、平均辐射温度、风速、太阳辐射四个环境变量之间的关系。横坐标表示相对湿度，纵坐标表示干球温度。热舒适区域指在静风情况下，平均辐射温度和空气温度相等时，静坐或行走时，穿平常衣服的办公人员的舒适温度。

Olgyay方法的局限性：Olgyay首次将建筑室外环境分析同人体舒适度与建筑设计方法结合起来，尽管有些学者认为该方法存在较大的推断性，但是该方法对于建筑设计向科学化、技术化发展，具有非常重要的意义。

Olgyay生物气候图分析法最大的局限性在于：它对于人体热舒适区域的确定是以室外气候条件分析为基础的，不是以建筑内部预期的条件为基础。然而不同的建筑构造方法和细部设计的差异都会对建筑室内外气候条件的关系产生影响。因而Olgyay方法只适用于室内外气候状况差别不大的建筑，这种状况只有轻质围护结构采用自然通风的建筑才适用，即主要适用于湿热气候区。对于干热气候区和室内外温差较大的建筑，该方法具有一定的局限性。对于建筑自身具有较大热源和湿源的建筑，该方法也显得无能为力。

1.2.2.2　Givoni方法

Givoni发展了Olgyay的生物气候图方法，将气候、人体热舒适性和建筑设计策略与工程设计上常用的温湿图表结合，提出一种称为“建筑气候设计分析图”的方法。建筑气候设计分析图（图1-21）中还标示出不同设计策略适用的环境条件。

Givoni方法也有一定的适用范围，如室内外热源较少的建筑，建筑外表面围护结构热阻较少的情况和建筑外表面以浅色处理的建筑等。

1.2.2.3　Waston方法

Waston （1983）建筑气候分析方法与Givoni建筑气候设计分析图的基本原理相同，只是在考虑气候控制手段时，将主动式的设备调控手段和通过建筑设计策略实现的被动式调节手段表示在一张分析图（图1-22）上，便于使用者分析、比较和决策。Waston的气候分析图将焓湿图划分为17个区域，每一个区代表一种对气候控制较为有利的方法，见表1-1。

1.2.2.4　Mahoney列表法

Mahoney列表法是由O.Koenigsberger等（1971）对热带地区建筑发展研究时提出的一种建筑气候设计方法。下文将采用Mahoney列表法对大连及阜新地区气候进行分析，得出该地区具体适用哪些设计策略。

1.2.2.5　J.Evans“热舒适三角法”

J.Evans“热舒适三角法”完全不同于Olgyay的生物气候图法和Givoni的建筑气候设计分析图法。J.Evans认为上述方法侧重于研究稳定环境下的舒适区研究，不适用于温度波动较大的地区。由于被动式建筑及自然通风房间温度波动较大，因此温度波动的大小同舒适感的关系对建筑气候设计具有很重要的影响。有鉴于此，J.Evans提出针对被动式建筑设计的温度波动与人体舒适度的关系的分析方法——“热舒适三角图”法，见图1-23。其中横坐标表示平均温度，纵坐标为平均温度波动值。

1.2.3　建筑气候设计因素

世界大部分气候区的室外气候与室内的热舒适环境都存在不同程度的偏离，试图缩小这种环境差异的调控手段称为“气候控制”，可以用下面的关系式：

严寒地区：　　Tn=0.121Tm+21.488　　　　　　　　16.3<Tn<26.2

寒冷地区：Tn=0.271Tm+20.014　　　　　　15.8<Tn<29.1

夏热冬冷：Tn=0.326Tm+ 16.862　　　　　　16.5<Tn<27.8

夏热冬暖：Tn=0.554Tm + 10.578　　　　　　16.2<Tn<28.3

式中，Tn为中性温度，范围为18～30℃；Tm为室外温度，℃。

平衡室外实际气候条件、热舒适环境所需要的气候控制手段既可以是通过建筑本身调节的被动式方法，也可以是通过环境设备调控的主动式方法。本着经济、节能和保护环境的目的，通过建筑自身调控的被动式方法是提倡的做法，并且是首要的任务。在建筑调控的能力以外就需要环境设备调控来获得热舒适了，可以表示为：需要的气候控制-建筑的被动式调控=设备的主动式调控。

建筑师首先要考虑的问题，是如何将气候设计方法和其他的设计因素相协调，在建筑设计的初期阶段，规避不利气候因素的影响，利用有利的自然环境资源和气候要素创造舒适的居住环境。气候设计的目标是创造出低能耗、高舒适度的建筑，即在不降低人体热舒适要求的前提下，合理利用有利气候资源，消除不利因素影响，从而减少利用建筑设备不同的气候条件的人工调节。图1-24表示了建筑设计手段调节室外气候并获得舒适的潜力，波动幅度最大的曲线代表了室外气候，第二条曲线代表通过室外环境规划使室外气候波动程度有一定的降低，第三条曲线代表了建筑的被动式技术控制气候的能力，室外气候的波动程度有了进一步的降低，横坐标轴表示了设备调控下的室内微气候环境，是一条稳定的直线。可以看出，由于建筑的调控措施而减少了设备部分需要调节的那部分偏差。

1.2.3.1　建筑聚落形态与群体布局

聚落形态与气候关系密切。宽敞的建筑布局有利于湿热气候的通风降温；紧密的布局形式既利于冬季防风，又可以利用建筑遮挡夏季烈日，这在炎热气候区的传统聚落形态中可以得到清楚的印证。干热气候条件下，建筑彼此紧靠在一起，便于相互遮挡，使街道和户外空间有更多的阴影空间。在湿热气候条件下，由于湿度很高，为了尽可能获得自然通风，建筑的间距很大，体型较小，室外空间开敞，形成散落、稀疏的聚落形态。

我国绝大部分地区（设计1～7区）冬季都有寒冷的气候特点，建筑设计需要考虑采暖。争取太阳能采暖是获得舒适和建筑节能的重要措施之一。同时，一定的日照时间也是保持房间卫生的需要。因此，建筑群的布局需要考虑恰当的日照间距，保证房间有足够的日照时数。日照间距大小与太阳高度角和建筑高度有关系，可利用表1-3对各纬度地区建筑间距进行简单计算。日照间距等于建筑高度乘以表中对应纬度地区日照间距系数，高纬度地区太阳高度角很低，有效日照时间段集中在上午10时至下午2时，对日照的考虑应该集中在这段时间内。同时，可以调节建筑屋面法线的角度，在不增加建筑间距的情况下，获得足够的日照，达到节约用地的目的。建筑高度与日照间距的关系如图1-25所示。

1.2.3.2　太阳围合体

太阳围合体是考虑建筑自身和周边环境同时获得日照时，由建筑外表面围合而成的形体。太阳围合体设计是保证建筑周围得到有效日照的设计方法，这种方法是指对一个给定的场地，调整建筑各个立面的法线向，使建筑在不遮挡临近场地的情况下达到最大的体积容量，同时保证周边场地得到足够的日照。太阳围合体的形状和大小与场地尺寸、建筑的高度、朝向、地理纬度以及日照时间有关系。当场地的形状尺寸决定以后，就可以确定建筑的太阳围合体。如图1-26所示。

1.2.3.3　防风

设计1区到设计3区，皆属于寒冷和温寒地区。由于冬季室外气候寒冷，建筑防风是聚落选址的基本要求之一，因为较强的外部风环境会大大增加围护结构的散热量和冷风渗透量。建筑防风最常用的手段是利用防风林或挡风构筑物创造避风环境。一个单排、高密度的防风林（穿透率36%），距4倍树木高度处，风速会降低90%。同时可以减少被遮挡的建筑物60%的冷风渗透量，节约常规能耗15%。利用防护林做防风墙时，其背风区风速取决于树木的高度、密度和宽度。防风林背后最低风速出现在距离林木高度4～5倍高处。

高层建筑在人行高度处产生的“涡流”对人的影响取决于该地区的气候。寒冷地区的高层“涡流”会增加人体的不舒适感；但是，涡流在炎热地区会对室外街区起到降温作用，从而增加人的舒适感。室外风速和人体的热舒适的关系见表1-4。