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摘要：从未来发展的方向上来看，建筑领域的节能减排、低碳转型是我国实现“双碳”目标的关键一环。近年来“3060双碳”政策密集出台，从政策发布数量来看，各地被动式超低能耗建筑发展仍存在较大差距。相比德国，我国气候分区复杂，各个气候区温度、日照、降雨、湿度差异较大，所以各省市制定被动房（词条“被动房”由行业大百科提供）标准时并没有照搬德国标准，而是采取了因地制宜的策略。本文通过对夏热冬冷地区地域气候的分析，对超低能耗建筑的被动式设计及适宜性提出了自己的观点。
关键词：被动式;高保温;气候条件;夏热冬冷;超低能耗
1. 引言
地域气候条件是限制建筑形式与构造方式的重要条件，相对于传统建筑而言，被动式超低能耗建筑需要对地域气候条件进行更为细致和严格的气候条件分析，这是由于超低能耗建筑主要依靠被动式技术手段而非人工技术对建筑内部的物理环境进行控制，达到人体舒适度需求，地域条件的不同会限制不同被动技术措施的使用。因此，需要对地域气候条件进行详细分析，使室内微气候达到相应的要求。
2.夏热冬冷地区气候特征
我国面积广阔，自然条件复杂，气候存在明显的多样性，只有充分掌握气候特点，才能使建筑更好地利用气候、适应气候。为更好地将因地制宜理念运用到建筑设计建造中，《民用建筑（词条“民用建筑”由行业大百科提供）热工设计规范》GB50176-2016进行了热工设计分区，将我国气候划分为5大气候区，并对不同气候区提出不同的设计要求，具体建筑气候区划图如图 1。
目前，我国夏热冬冷地区划分是以陇秦豫海铁路为北界线，岭南为南界线，四川盆地为东界线，主要包括上海、重庆、湖北、湖南、江西、安徽、浙江、四川、贵州、江苏、河南、福建省、陕西、甘肃、广东、广西16个省、市及自治区。
2.1 温度气候特征
温度是影响人热舒适度的首要因素，只有空气温度比人的皮肤表面温度低2—4℃时，流动的空气才能带走人体自身所产生的热量。建筑的室内温度与空调能耗都和室外温度息息相关。
夏热冬冷地区最显著的特点就是从气温上反映出来的夏热冬冷。夏季由于纬度较低、辐射（词条“辐射”由行业大百科提供）强烈，使得该地区许多城市温度普遍较高，而冬季该地区又受到西伯利亚刮向太平洋冷风的影响，且冷空气进入该地区时又被南部的东南丘陵所阻挡，产生冷空气回流，导致该地区冬天温度较低。
气象学采用最热(冷)月平均温度和极端最高(低)气温来衡量某地的炎热(寒冷)程度，建筑节能方面一般采用空调度日数(CDD26)和采暖度日数(HDD18)来进行评估，表 1列举了夏热冬冷地区几个代表城市的相关气象数据。
可以看出夏热冬冷地区城市最热月平均温度在30℃左右，极端最高气温普遍在35℃以上，CDD值普遍在200左右;而冬季最冷月平均温度在5℃左右，极端最低气温普遍在0℃以下，HDD值普遍在1500左右，由于该地区大多未采用集中供暖，导致冬季该地区的室内较为寒冷。
2.2 湿度气候特征
建筑内的空气湿度也是影响热舒适度的一个重要因素，空气流速和相对湿度决定人体是否能通过蒸发来散热，空气流速不变时，较高的空气相对湿度会大大减少人体的蒸发散热率。
夏热冬冷地区全年湿度较高，主要受到气候和湖泊分布的影响。夏热冬冷地区属于亚热带季风气候，夏季受海陆气温差异影响，吹东南风，将海面上的很多水分带入内陆，水汽在高空遇到冷空气便凝聚成小水滴，导致该地区的降雨量增加，进一步增加了区域内的湿度;同时，该地区江河密集，湖泊众多，由于水体的蒸腾作用，空气湿度较高。
由于上述原因，该地区相对湿度全年都在70%以上(表 2)，夏季高温高湿环境使得汗液难以排出和挥发，使人感到闷热;而冬季潮湿水汽从人体中吸收热量，使人感到寒冷阴凉。
2.3 太阳辐射气候特征
太阳辐射强度与建筑的热环境和能耗表现关系密切，我国夏热冬冷地区的大部分范围属于我国热工分区意义上的光气候（词条“光气候”由行业大百科提供）IV类地区，全年日照平均在30%到50%之间，其中的四川南部和贵州北部地区不足30%，冬季日照的缺乏使得冬季的舒适度进一步降低。
此外，由于太阳辐射强度会受到纬度、云层状况、空气湿度、地形和周边环境等的影响，因此同为夏热冬冷区的不同城市太阳辐射也会存在较大差异;下面选取该热工分区12个主要城市，根据中国气象数据网提供的《中国地面气候标准值月值数据集(1971-2003)》，分析了不同城市的月均总辐射情况(表 3)。
由上表 9可知，对于同一个城市，夏季6、7、8月之间和冬季12、1、2月相应季节之间的月总辐射都比较接近，但城市之间、冬季与夏季之间差异明显。夏热冬冷地区总体上太阳资源并不算丰富，唯一的集中时段还是在夏季。夏季总辐射月均值是冬季的2倍以上，其中重庆的夏季月均值是冬季的4倍。在夏季，各城市之间的总辐射月均值差异很小，最小值和最大值分别是117KW·h/㎡和148 KW·h/㎡。在冬季，大部分城市的总辐射月均值在50KW·h/㎡至70KW·h/㎡之间，但小部分城市的冬季总辐射月均值明显低于平均水平，重庆及成都的冬季总辐射月均值分别是30 KW·h/㎡和44 KW·h/㎡。
2.4 风气候特征
合理地利用自然通风不但能降低空调能耗，还可以改善室内空气新鲜度。室外风速和主导风向是影响建筑自然通风最重要的因素。
风环境与太阳辐射一样，受更多因素的影响，因此不同城市都需要进行具体的分析。下面选取该热工分区4个主要城市，根据epw气象数据，分析了不同城市的最热月风速平均值情况(图 2)。
由上图 2可知，华中地区如长沙、武汉晚上风速较低。这是由于夏季从太平洋吹向内陆的凉风受到东南丘陵的阻挡，使夏热冬冷部分地区如长沙、武汉、南昌等城市在夏天位于背风面，往往夜间静风率较高。至于长江中下游地区的上海、苏州等城市白天和夜晚风速差异不大。这是由于上海地区和江苏平原没有山脉丘陵的阻挡，使得静风率较低。少部分沿海地区有台风与大风天气，其余大部分地区全年风速不大。
风向方面，夏热冬冷地区冬季以偏北风为主，夏季以偏南风为主。夏热冬冷地区大多数城市风向都属于季节变化型，即城市风向随季节而发生变化，受冬夏两季大气环境的变化及季风影响，风向相反。
2.5 气候总体特征
根据对夏热冬冷地区地气候特征分析研究，该地区的总体气候情况有以下几个特点：
(1)温度——夏热冬冷
该地区大部分范围夏季气温较高，空气闷热，冬季空气潮湿阴冷;7月平均气温在25至30℃的范围之内，全年有40至110天日平均气温高于25℃;1月平均气温通常为0至10℃之间;冬季寒潮来袭时极端最低气温可降至零下10℃以下，全年有90至100天的年日平均气温低于或等于5℃。
(2)湿度——全年高湿
该地区年降雨量较大，年平均相对湿度在70%到80%之间，四季均处在较高水平;全年降雨天数为150天左右，年降雨量1000-1800mm。
(3)太阳辐射——日照率低
该地区全年总太阳辐射照度为110-160W/㎡，其中四川盆地东部辐射照度尤其低，不足110W/㎡;年日照时数范围在1000小时至2400小时之间，年日照百分率为30-50%，其中四川南部与贵州北部日照资源匮乏，为1000至1200 小时，占比低于30%，为全国低值。
(4)风速——风速不大
该地区大部分范围夏季主导风向偏南，冬季盛行偏北风;年平均风速1至3m/s，冬平均风速比夏平均稍大，年大风日数一般在10天至25天之间。少部分沿海地区会有台风，持续时间较短。除少数极端天气外，常年风速不大。
3.夏热冬冷地区气候对建筑的影响
气候因素作为建筑设计的关键因素之一，气候特点在不同程度上影响了当地建筑的形式。夏热冬冷地区建筑由于自身的气候特点，其建筑特征有别于北方寒冷地区和热带地区。以下结合上述总结出的夏热冬冷地区气候特征，从温度、湿度、太阳辐射和风四方面分析气候对夏热冬冷地区建筑的影响，并总结出气候对建筑负荷的影响。
3.1 温度因素
夏热冬冷地区的夏季常常出现持续高温天气，为了应对闷热的室内环境，人们通常会采取空调、电扇等措施来达到降温的目的，这也就导致了夏季的建筑能耗较高。该地区冬季的室外气温一般不低于0℃，但因为日照率较低，相对湿度较大，室内体感温度仍然较低。同时，夏热冬冷地区没有集中采暖，在建筑内主要依靠空调等设备来维持房间舒适度，所以冬季的建筑能耗也相对较高。
因此，针对夏热冬冷地区“夏热冬冷”的气候特征，既要满足室内热舒适水平，又要节约能源，建筑就必须采取合适的保温隔热措施。
3.2湿度因素
夏热冬冷地区常年湿度较大，对建筑室内热环境（词条“室内热环境”由行业大百科提供）影响较大。空气湿度大，在夏天表现为闷热，在冬季表现为湿冷，导致人体的热舒适性很差，所以需要借助空调、风扇、新风、暖气等设备来改善人体舒适度，这就使得建筑能耗大幅度上升。
同时，高湿环境也会影响建筑保温隔热材料的实际性能。建筑的保温隔热材料多为多孔材料，材料在吸收了空气中的潮气后，保温性能会有所降低，从而影响节能效果。当空气湿度较大时，在建筑的内表面，特别是冷热桥部位，还易产生结露，从而使这些部位霉变（词条“霉变”由行业大百科提供）、脱落，不仅影响美观，也影响保温效果和使用寿命。
因此，针对夏热冬冷地区全年高湿的气候特征，该地区的建筑需要考虑通过自然通风手段排除湿空气来降低额外的设备能耗。同时，考虑采取必要的防潮措施来降低高湿空气带来的不利影响。
3.3 太阳辐射因素
夏热冬冷地区冬季日照时间较少，加上空气湿度较大，为了尽可能的获得日照，建筑需要尽量南向布置，保证居住建筑的间距，使居住建筑的主要居室在冬季有足够的日照时间，充分利用太阳辐射热，节约采暖能耗。
夏热冬冷区夏季会间歇性地出现照度极高的太阳辐射，大量的热辐射通过围护结构的传热进入室内，使室内气温增高。
因此，针对夏热冬冷地区太阳辐射的气候特点，该地区的建筑需要同时考虑夏季的遮阳及冬季的太阳能利用。
3.4 风因素
夏热冬冷的大部分地区，夏季主导风向偏南，可考虑充分利用夏风，组织自然通风。该地区冬季主导风向偏北。在冬季，要注意加强建筑物的气密性，防止冷风从这一方向渗透。由于风环境受外界因素影响较大，因此还需要结合建筑所在地的具体状况进行详细的风环境分析。
夏热冬冷地区常年风速不高且全年需要除湿，因而绝大部分地区的建筑需考虑合理利用并增强良好的自然通风。但是由于夏热冬冷地区普遍风速不高，因此建筑物有时难以通过利用室外来风增强室内风压来进行通风。尤其是在夏季湿热的天气，通风除湿的要求很高，而室外又处于静风的状态之时，热压通风就显得尤其重要。因此，对于夏热冬冷地区建筑而言，需要考虑利用热压通风作用进行除湿。
3.5 建筑负荷影响
由于夏热冬冷地区冬季湿冷且持续时间较短，夏季闷热且持续时间较长，因此，夏季围护结构冷负荷和新风冷负荷会大于冬季围护结构热负荷和新风热负荷。另外，夏热冬冷地区冬季大部分时间太阳辐射强度较低，夏季又间歇性地出现照度极高的太阳辐射，因此夏季的太阳辐射得热量较大，由该得热而引起的冷负荷也相对较大。
通过以上分析可知，夏热冬冷的气象因素从根本上决定了建筑物冷热负荷不平衡率较大。
4.夏热冬冷地区超低能耗建筑被动式设计
上面从温度、湿度、太阳辐射和风四个气候因素出发，归纳出夏热冬冷地区具有夏热冬冷、全年高湿、日照率低和风速不大的气候特征。同时分析了夏热冬冷地区气候对建筑的影响。夏热冬冷的气象因素要求建筑设计需要考虑保温隔热、防潮排湿、遮阳防晒、自然通风措施。夏热冬冷的气象因素也从根本上决定了建筑物冷热负荷不平衡率较大。建筑设计时需要考虑气候适宜性，针对气候特点解决突出问题。
4.1自然通风设计
自然通风是指通过利用建筑内外的风力来促进室内的空气流通来进行相应的空气通风。在传统建筑设计中，由于生产工具相对不足，因此人们常常会利用自然风改善建筑的外部及内部环境。自然通风不仅能够改善室内的空气质量，实现生态性发展，还能够减少室内建筑对于通风设备的依赖，从而实现建筑的节能环保（词条“节能环保”由行业大百科提供）设计。
在夏热冬冷地区被动式建筑设计中，在过渡季节利用自然通风可以改善建筑室内的热舒适情况，同时合理的自然通风可以延长建筑的“过渡季节”的时间，缩短全年使用制冷采暖设备的时间，达到节约建筑能耗的效果。
夏热冬冷地区风速较小，可利用的风资源较为匮乏，所以应优先考虑为建筑塑造良好的自然通风条件。选址应处于利于通风位置，并通过场地设计引导过渡季节的主导风;建筑采用适宜的开口形式、大小和数量，利用风压和热压原理，改善自然通风效果;同时，可采用灵活隔断、开放布局的细部处理，优化室内气流路径。
4.2自然采光设计
自然采光设计是指将自然光引入到建筑物内部，根据一定的设计方式，实现建筑物内部的照明效果。良好的自然采光不仅减少了灯光设备的使用，节约了能源，而且还创造了更舒适的光环境，利于人们健康生活。
夏热冬冷地区冬季日照时间较少，所以需要考虑借助自然采光加强对于太阳辐射热的利用。规划布局宜坐北朝南，通过水平展开的方式最大限度获取南向采光。建筑宜设置具有适宜位置、方向、大小和数量的天井，让足够的自然光线可以进入室内。细部处理方面，灵活开启的长窗，可以在需要时尽可能引入自然采光，屋顶开设天窗，可以优化室内照度和采光均匀度。
4.3遮阳防晒设计
遮阳防晒是指通过减少照射到建筑及室内的直射光，以减少建筑太阳辐射得热，从而达到降低室内温度的方法。遮阳防晒可以营造适宜的室内温度环境，提供舒适的室内空间效果。
夏热冬冷地区夏季湿热，所以需要考虑全面的遮阳和快速散热。规划布局宜采用紧密式布局，利用建筑自遮阳原理，塑造阴凉空间;建筑设置挑檐、围廊等空间，利用灰空间进行室内外空间过渡，有效缓冲室外不利气候对室内环境的影响;细部处理考虑窗上挑檐的设计、窗户外部加装可调式遮阳卷帘等设计，彰显地域特色的同时减少太阳直射。
5 结语
环境和气候是被动式超低能耗建筑设计过程中需要考虑的核心因素。我国不同地区的气候差异明显，南方夏季温度高，空调供冷的需求高;北方冬季寒冷，需要大量供热。因此，在不同地区实施被动式超低能耗建筑设计时，要因地制宜地选择最合适的技术，并根据环境条件调整设计方案。
参考文献
[1]GB50176-2016.民用建筑热工设计规范[S]
[2]GB/T 51350-2019.近零能耗建筑技术标准[S]
[3] DB 13(J)/T 8359-2020.被动式超低能耗居住建筑节能设计标准[S]
[4]DB11/T 1971-2022.超低能耗居住建筑节能工程施工技术规程[S]
[5]上海市超低能耗建筑技术导则(2019年试行)[S]
[6] 江苏省超低能耗居住建筑技术导则(2020年试行)[S]
作者单位：中亿丰控股集团有限公司工程研究院
