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摘要：從未來發(fā)展的方向上來看，建筑領域的節(jié)能減排、低碳轉型是我國實現“雙碳”目標的關鍵一環(huán)。近年來“3060雙碳”政策密集出臺，從政策發(fā)布數量來看，各地被動式超低能耗建筑發(fā)展仍存在較大差距。相比德國，我國氣候分區(qū)復雜，各個氣候區(qū)溫度、日照、降雨、濕度差異較大，所以各省市制定被動房（詞條“被動房”由行業(yè)大百科提供）標準時并沒有照搬德國標準，而是采取了因地制宜的策略。本文通過對夏熱冬冷地區(qū)地域氣候的分析，對超低能耗建筑的被動式設計及適宜性提出了自己的觀點。
關鍵詞：被動式;高保溫;氣候條件;夏熱冬冷;超低能耗
1. 引言
地域氣候條件是限制建筑形式與構造方式的重要條件，相對于傳統(tǒng)建筑而言，被動式超低能耗建筑需要對地域氣候條件進行更為細致和嚴格的氣候條件分析，這是由于超低能耗建筑主要依靠被動式技術手段而非人工技術對建筑內部的物理環(huán)境進行控制，達到人體舒適度需求，地域條件的不同會限制不同被動技術措施的使用。因此，需要對地域氣候條件進行詳細分析，使室內微氣候達到相應的要求。
2.夏熱冬冷地區(qū)氣候特征
我國面積廣闊，自然條件復雜，氣候存在明顯的多樣性，只有充分掌握氣候特點，才能使建筑更好地利用氣候、適應氣候。為更好地將因地制宜理念運用到建筑設計建造中，《民用建筑（詞條“民用建筑”由行業(yè)大百科提供）熱工設計規(guī)范》GB50176-2016進行了熱工設計分區(qū)，將我國氣候劃分為5大氣候區(qū)，并對不同氣候區(qū)提出不同的設計要求，具體建筑氣候區(qū)劃圖如圖 1。
目前，我國夏熱冬冷地區(qū)劃分是以隴秦豫海鐵路為北界線，嶺南為南界線，四川盆地為東界線，主要包括上海、重慶、湖北、湖南、江西、安徽、浙江、四川、貴州、江蘇、河南、福建省、陜西、甘肅、廣東、廣西16個省、市及自治區(qū)。
2.1 溫度氣候特征
溫度是影響人熱舒適度的首要因素，只有空氣溫度比人的皮膚表面溫度低2—4℃時，流動的空氣才能帶走人體自身所產生的熱量。建筑的室內溫度與空調能耗都和室外溫度息息相關。
夏熱冬冷地區(qū)最顯著的特點就是從氣溫上反映出來的夏熱冬冷。夏季由于緯度較低、輻射（詞條“輻射”由行業(yè)大百科提供）強烈，使得該地區(qū)許多城市溫度普遍較高，而冬季該地區(qū)又受到西伯利亞刮向太平洋冷風的影響，且冷空氣進入該地區(qū)時又被南部的東南丘陵所阻擋，產生冷空氣回流，導致該地區(qū)冬天溫度較低。
氣象學采用最熱(冷)月平均溫度和極端最高(低)氣溫來衡量某地的炎熱(寒冷)程度，建筑節(jié)能方面一般采用空調度日數(CDD26)和采暖度日數(HDD18)來進行評估，表 1列舉了夏熱冬冷地區(qū)幾個代表城市的相關氣象數據。
可以看出夏熱冬冷地區(qū)城市最熱月平均溫度在30℃左右，極端最高氣溫普遍在35℃以上，CDD值普遍在200左右;而冬季最冷月平均溫度在5℃左右，極端最低氣溫普遍在0℃以下，HDD值普遍在1500左右，由于該地區(qū)大多未采用集中供暖，導致冬季該地區(qū)的室內較為寒冷。
2.2 濕度氣候特征
建筑內的空氣濕度也是影響熱舒適度的一個重要因素，空氣流速和相對濕度決定人體是否能通過蒸發(fā)來散熱，空氣流速不變時，較高的空氣相對濕度會大大減少人體的蒸發(fā)散熱率。
夏熱冬冷地區(qū)全年濕度較高，主要受到氣候和湖泊分布的影響。夏熱冬冷地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候，夏季受海陸氣溫差異影響，吹東南風，將海面上的很多水分帶入內陸，水汽在高空遇到冷空氣便凝聚成小水滴，導致該地區(qū)的降雨量增加，進一步增加了區(qū)域內的濕度;同時，該地區(qū)江河密集，湖泊眾多，由于水體的蒸騰作用，空氣濕度較高。
由于上述原因，該地區(qū)相對濕度全年都在70%以上(表 2)，夏季高溫高濕環(huán)境使得汗液難以排出和揮發(fā)，使人感到悶熱;而冬季潮濕水汽從人體中吸收熱量，使人感到寒冷陰涼。
2.3 太陽輻射氣候特征
太陽輻射強度與建筑的熱環(huán)境和能耗表現關系密切，我國夏熱冬冷地區(qū)的大部分范圍屬于我國熱工分區(qū)意義上的光氣候（詞條“光氣候”由行業(yè)大百科提供）IV類地區(qū)，全年日照平均在30%到50%之間，其中的四川南部和貴州北部地區(qū)不足30%，冬季日照的缺乏使得冬季的舒適度進一步降低。
此外，由于太陽輻射強度會受到緯度、云層狀況、空氣濕度、地形和周邊環(huán)境等的影響，因此同為夏熱冬冷區(qū)的不同城市太陽輻射也會存在較大差異;下面選取該熱工分區(qū)12個主要城市，根據中國氣象數據網提供的《中國地面氣候標準值月值數據集(1971-2003)》，分析了不同城市的月均總輻射情況(表 3)。
由上表 9可知，對于同一個城市，夏季6、7、8月之間和冬季12、1、2月相應季節(jié)之間的月總輻射都比較接近，但城市之間、冬季與夏季之間差異明顯。夏熱冬冷地區(qū)總體上太陽資源并不算豐富，唯一的集中時段還是在夏季。夏季總輻射月均值是冬季的2倍以上，其中重慶的夏季月均值是冬季的4倍。在夏季，各城市之間的總輻射月均值差異很小，最小值和最大值分別是117KW·h/㎡和148 KW·h/㎡。在冬季，大部分城市的總輻射月均值在50KW·h/㎡至70KW·h/㎡之間，但小部分城市的冬季總輻射月均值明顯低于平均水平，重慶及成都的冬季總輻射月均值分別是30 KW·h/㎡和44 KW·h/㎡。
2.4 風氣候特征
合理地利用自然通風不但能降低空調能耗，還可以改善室內空氣新鮮度。室外風速和主導風向是影響建筑自然通風最重要的因素。
風環(huán)境與太陽輻射一樣，受更多因素的影響，因此不同城市都需要進行具體的分析。下面選取該熱工分區(qū)4個主要城市，根據epw氣象數據，分析了不同城市的最熱月風速平均值情況(圖 2)。
由上圖 2可知，華中地區(qū)如長沙、武漢晚上風速較低。這是由于夏季從太平洋吹向內陸的涼風受到東南丘陵的阻擋，使夏熱冬冷部分地區(qū)如長沙、武漢、南昌等城市在夏天位于背風面，往往夜間靜風率較高。至于長江中下游地區(qū)的上海、蘇州等城市白天和夜晚風速差異不大。這是由于上海地區(qū)和江蘇平原沒有山脈丘陵的阻擋，使得靜風率較低。少部分沿海地區(qū)有臺風與大風天氣，其余大部分地區(qū)全年風速不大。
風向方面，夏熱冬冷地區(qū)冬季以偏北風為主，夏季以偏南風為主。夏熱冬冷地區(qū)大多數城市風向都屬于季節(jié)變化型，即城市風向隨季節(jié)而發(fā)生變化，受冬夏兩季大氣環(huán)境的變化及季風影響，風向相反。
2.5 氣候總體特征
根據對夏熱冬冷地區(qū)地氣候特征分析研究，該地區(qū)的總體氣候情況有以下幾個特點：
(1)溫度——夏熱冬冷
該地區(qū)大部分范圍夏季氣溫較高，空氣悶熱，冬季空氣潮濕陰冷;7月平均氣溫在25至30℃的范圍之內，全年有40至110天日平均氣溫高于25℃;1月平均氣溫通常為0至10℃之間;冬季寒潮來襲時極端最低氣溫可降至零下10℃以下，全年有90至100天的年日平均氣溫低于或等于5℃。
(2)濕度——全年高濕
該地區(qū)年降雨量較大，年平均相對濕度在70%到80%之間，四季均處在較高水平;全年降雨天數為150天左右，年降雨量1000-1800mm。
(3)太陽輻射——日照率低
該地區(qū)全年總太陽輻射照度為110-160W/㎡，其中四川盆地東部輻射照度尤其低，不足110W/㎡;年日照時數范圍在1000小時至2400小時之間，年日照百分率為30-50%，其中四川南部與貴州北部日照資源匱乏，為1000至1200 小時，占比低于30%，為全國低值。
(4)風速——風速不大
該地區(qū)大部分范圍夏季主導風向偏南，冬季盛行偏北風;年平均風速1至3m/s，冬平均風速比夏平均稍大，年大風日數一般在10天至25天之間。少部分沿海地區(qū)會有臺風，持續(xù)時間較短。除少數極端天氣外，常年風速不大。
3.夏熱冬冷地區(qū)氣候對建筑的影響
氣候因素作為建筑設計的關鍵因素之一，氣候特點在不同程度上影響了當地建筑的形式。夏熱冬冷地區(qū)建筑由于自身的氣候特點，其建筑特征有別于北方寒冷地區(qū)和熱帶地區(qū)。以下結合上述總結出的夏熱冬冷地區(qū)氣候特征，從溫度、濕度、太陽輻射和風四方面分析氣候對夏熱冬冷地區(qū)建筑的影響，并總結出氣候對建筑負荷的影響。
3.1 溫度因素
夏熱冬冷地區(qū)的夏季常常出現持續(xù)高溫天氣，為了應對悶熱的室內環(huán)境，人們通常會采取空調、電扇等措施來達到降溫的目的，這也就導致了夏季的建筑能耗較高。該地區(qū)冬季的室外氣溫一般不低于0℃，但因為日照率較低，相對濕度較大，室內體感溫度仍然較低。同時，夏熱冬冷地區(qū)沒有集中采暖，在建筑內主要依靠空調等設備來維持房間舒適度，所以冬季的建筑能耗也相對較高。
因此，針對夏熱冬冷地區(qū)“夏熱冬冷”的氣候特征，既要滿足室內熱舒適水平，又要節(jié)約能源，建筑就必須采取合適的保溫隔熱措施。
3.2濕度因素
夏熱冬冷地區(qū)常年濕度較大，對建筑室內熱環(huán)境（詞條“室內熱環(huán)境”由行業(yè)大百科提供）影響較大。空氣濕度大，在夏天表現為悶熱，在冬季表現為濕冷，導致人體的熱舒適性很差，所以需要借助空調、風扇、新風、暖氣等設備來改善人體舒適度，這就使得建筑能耗大幅度上升。
同時，高濕環(huán)境也會影響建筑保溫隔熱材料的實際性能。建筑的保溫隔熱材料多為多孔材料，材料在吸收了空氣中的潮氣后，保溫性能會有所降低，從而影響節(jié)能效果。當空氣濕度較大時，在建筑的內表面，特別是冷熱橋部位，還易產生結露，從而使這些部位霉變（詞條“霉變”由行業(yè)大百科提供）、脫落，不僅影響美觀，也影響保溫效果和使用壽命。
因此，針對夏熱冬冷地區(qū)全年高濕的氣候特征，該地區(qū)的建筑需要考慮通過自然通風手段排除濕空氣來降低額外的設備能耗。同時，考慮采取必要的防潮措施來降低高濕空氣帶來的不利影響。
3.3 太陽輻射因素
夏熱冬冷地區(qū)冬季日照時間較少，加上空氣濕度較大，為了盡可能的獲得日照，建筑需要盡量南向布置，保證居住建筑的間距，使居住建筑的主要居室在冬季有足夠的日照時間，充分利用太陽輻射熱，節(jié)約采暖能耗。
夏熱冬冷區(qū)夏季會間歇性地出現照度極高的太陽輻射，大量的熱輻射通過圍護結構的傳熱進入室內，使室內氣溫增高。
因此，針對夏熱冬冷地區(qū)太陽輻射的氣候特點，該地區(qū)的建筑需要同時考慮夏季的遮陽及冬季的太陽能利用。
3.4 風因素
夏熱冬冷的大部分地區(qū)，夏季主導風向偏南，可考慮充分利用夏風，組織自然通風。該地區(qū)冬季主導風向偏北。在冬季，要注意加強建筑物的氣密性，防止冷風從這一方向滲透。由于風環(huán)境受外界因素影響較大，因此還需要結合建筑所在地的具體狀況進行詳細的風環(huán)境分析。
夏熱冬冷地區(qū)常年風速不高且全年需要除濕，因而絕大部分地區(qū)的建筑需考慮合理利用并增強良好的自然通風。但是由于夏熱冬冷地區(qū)普遍風速不高，因此建筑物有時難以通過利用室外來風增強室內風壓來進行通風。尤其是在夏季濕熱的天氣，通風除濕的要求很高，而室外又處于靜風的狀態(tài)之時，熱壓通風就顯得尤其重要。因此，對于夏熱冬冷地區(qū)建筑而言，需要考慮利用熱壓通風作用進行除濕。
3.5 建筑負荷影響
由于夏熱冬冷地區(qū)冬季濕冷且持續(xù)時間較短，夏季悶熱且持續(xù)時間較長，因此，夏季圍護結構冷負荷和新風冷負荷會大于冬季圍護結構熱負荷和新風熱負荷。另外，夏熱冬冷地區(qū)冬季大部分時間太陽輻射強度較低，夏季又間歇性地出現照度極高的太陽輻射，因此夏季的太陽輻射得熱量較大，由該得熱而引起的冷負荷也相對較大。
通過以上分析可知，夏熱冬冷的氣象因素從根本上決定了建筑物冷熱負荷不平衡率較大。
4.夏熱冬冷地區(qū)超低能耗建筑被動式設計
上面從溫度、濕度、太陽輻射和風四個氣候因素出發(fā)，歸納出夏熱冬冷地區(qū)具有夏熱冬冷、全年高濕、日照率低和風速不大的氣候特征。同時分析了夏熱冬冷地區(qū)氣候對建筑的影響。夏熱冬冷的氣象因素要求建筑設計需要考慮保溫隔熱、防潮排濕、遮陽防曬、自然通風措施。夏熱冬冷的氣象因素也從根本上決定了建筑物冷熱負荷不平衡率較大。建筑設計時需要考慮氣候適宜性，針對氣候特點解決突出問題。
4.1自然通風設計
自然通風是指通過利用建筑內外的風力來促進室內的空氣流通來進行相應的空氣通風。在傳統(tǒng)建筑設計中，由于生產工具相對不足，因此人們常常會利用自然風改善建筑的外部及內部環(huán)境。自然通風不僅能夠改善室內的空氣質量，實現生態(tài)性發(fā)展，還能夠減少室內建筑對于通風設備的依賴，從而實現建筑的節(jié)能環(huán)保（詞條“節(jié)能環(huán)保”由行業(yè)大百科提供）設計。
在夏熱冬冷地區(qū)被動式建筑設計中，在過渡季節(jié)利用自然通風可以改善建筑室內的熱舒適情況，同時合理的自然通風可以延長建筑的“過渡季節(jié)”的時間，縮短全年使用制冷采暖設備的時間，達到節(jié)約建筑能耗的效果。
夏熱冬冷地區(qū)風速較小，可利用的風資源較為匱乏，所以應優(yōu)先考慮為建筑塑造良好的自然通風條件。選址應處于利于通風位置，并通過場地設計引導過渡季節(jié)的主導風;建筑采用適宜的開口形式、大小和數量，利用風壓和熱壓原理，改善自然通風效果;同時，可采用靈活隔斷、開放布局的細部處理，優(yōu)化室內氣流路徑。
4.2自然采光設計
自然采光設計是指將自然光引入到建筑物內部，根據一定的設計方式，實現建筑物內部的照明效果。良好的自然采光不僅減少了燈光設備的使用，節(jié)約了能源，而且還創(chuàng)造了更舒適的光環(huán)境，利于人們健康生活。
夏熱冬冷地區(qū)冬季日照時間較少，所以需要考慮借助自然采光加強對于太陽輻射熱的利用。規(guī)劃布局宜坐北朝南，通過水平展開的方式最大限度獲取南向采光。建筑宜設置具有適宜位置、方向、大小和數量的天井，讓足夠的自然光線可以進入室內。細部處理方面，靈活開啟的長窗，可以在需要時盡可能引入自然采光，屋頂開設天窗，可以優(yōu)化室內照度和采光均勻度。
4.3遮陽防曬設計
遮陽防曬是指通過減少照射到建筑及室內的直射光，以減少建筑太陽輻射得熱，從而達到降低室內溫度的方法。遮陽防曬可以營造適宜的室內溫度環(huán)境，提供舒適的室內空間效果。
夏熱冬冷地區(qū)夏季濕熱，所以需要考慮全面的遮陽和快速散熱。規(guī)劃布局宜采用緊密式布局，利用建筑自遮陽原理，塑造陰涼空間;建筑設置挑檐、圍廊等空間，利用灰空間進行室內外空間過渡，有效緩沖室外不利氣候對室內環(huán)境的影響;細部處理考慮窗上挑檐的設計、窗戶外部加裝可調式遮陽卷簾等設計，彰顯地域特色的同時減少太陽直射。
5 結語
環(huán)境和氣候是被動式超低能耗建筑設計過程中需要考慮的核心因素。我國不同地區(qū)的氣候差異明顯，南方夏季溫度高，空調供冷的需求高;北方冬季寒冷，需要大量供熱。因此，在不同地區(qū)實施被動式超低能耗建筑設計時，要因地制宜地選擇最合適的技術，并根據環(huán)境條件調整設計方案。
參考文獻
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作者單位：中億豐控股集團有限公司工程研究院
