适应气候的生态建筑学

适应气候是指在设计建筑和周边环境的时候试图寻找或创造良好的微气候环境（图4-46）。需要研究的因素有：光与影、遮蔽与风、冷与暖、潮湿与干燥。

1）气候适应性

一直以来建筑都是适应环境的，但是现代建筑和国际式风格导致了全世界范围的建筑越来越相像。在北方国家玻璃幕墙建筑需要很多能源来采暖，而在赤道附近这样的建筑则需要大量能源用于制冷。在斯堪的纳维亚地区，平屋顶建筑在多雨和寒冷的季节常常发生渗漏。建筑应该根据所在地区气候条件的不同显现出独特性。

2）向传统学习

世界各地的传统建筑总是适应气候的（图4-47）。一项关于传统建筑的研究表明，人们在建造他们的房屋时对气候有充分的了解。在沙漠区域，人们建造厚实的房子来帮助平衡白天的酷热和夜晚的寒冷（图4-48），有些房子甚至是在泥土里挖出来的。在湿热的条件下，人们架空建筑的底部，以充分利用风的冷却作用，同时利用挑檐形成阴影以及较高的房屋层高来增强空气流通。在格陵兰岛极端寒冷的气候中，因纽特人建造圆顶建筑，以较小的表面积以及在入口处设置气匣来保证良好的保温。

图4-46　生物气候图

维克托 奥吉尔的生物气候图常被用于气候分析，提供关于气候适应性建筑的信息。图中表明某个地区的气候情况，以及保证人体舒适的前提下对通风、遮阳、采暖和制冷的需求。资料源于笔者根据奥吉尔（Olgyay）的相应资料改编，1963

图4-47　全球气候区域分布

资料源于瑞典皇家工程学院（KTH）编，《城市建设简编 通识课程》，斯德哥尔摩，1968

图4-48　梅萨维德国家公园的普韦布洛村

该村庄位于美国科罗拉多州南部，其选址可以在夏季获得遮阳，冬季获得日照。厚重的建筑材料能够蓄藏太阳热能

小贴士4-4　瑞典的气候适应性

瑞典四季分明，建筑自然应该反映对不同季节的适应性（图4-49至图4-51）。建筑必须能够抵挡最坏的天气情况，运用合理简单的技术方法在春秋季节被动式地利用太阳的热能。当太阳高度较高时，玻璃阳台成为室内迷人的空间。在夏季，玻璃会使室内过热，有必要采取遮阳措施，并且利用通风带走过多的热量。冬季，房屋必须具有很好的保温性能，而壁炉提供了温暖和舒适 （同时参见第2.1节“采暖和制冷”）。

瑞典建筑的气候适应性包括选择阳光下温暖的南向坡地，避免阴冷的北坡。尤其要注意挡风，将户外的休憩区设在静风区域。设置新风口时，应考虑风向和污染源。应该方便扫雪与堆雪，避免将建筑落置在冷风口。

在瑞典，不恰当的选址会给建筑增加至少25%的能耗（图4-52）。目标不仅仅是减少能耗，更为重要的是创造宜人的环境和充满阳光的家。

图4-49　艺术家埃肯格伦（Ekengren）住宅

该住宅位于瑞典约弗索（Järvsö），是建筑适应当地气候的一个好例子。房子建造于20世纪50年代。在建筑的北面，密实的树林遮挡了北风，而南向的草地使得冬季低平的阳光照射进三层玻璃围护的室内。房屋保温性能优越，有大面的南向坡屋顶。厚实的地板可以蓄存太阳和炉火的热量。资料源于斯图尔 伊肯戈恩（Sture Ekengren）摄影

图4-50　从南到北的气候适应性建筑

从左至右，依次为湿热、干热、温和、寒冷以及极地气候。寒冷（斯堪的纳维亚）地区的建筑需要有很好的保温性能，选择南向和静风的场地。但是与温和气候区域（如：美国或奥地利）的建筑相比，南向玻璃房则显得不是那么重要

图4-51　夏季别墅

该别墅由建筑师鲁尔夫 耶夫塔 昂格斯特鲁默（Rolf Jefta Engströmer）自建于20世纪50年代早期，位于斯德哥尔摩的南岛。卧室位于东面，为的是朝向日出，便于晨泳，在南面有一个静风的室外区域和一片位于岩石和建筑之间的草地。客厅在西侧可以欣赏海港的日落，也便于客人到访。厨房与库房在北边，通向码头，带有一个养鱼池。资料源于《建造者》，1957，A12

图4-52　不同选址的建筑能耗比较

位于阳光充足、干燥、背风区域的建筑，与位于阴冷、潮湿、多风区域的建筑相比较，两者在能耗数值上约有25%的差别。资料源于毛里茨 格鲁曼（Mauritz Glaumann）

3）光与影

瑞典建筑选址的一个重要考量是使其在漫长的采暖季中位于阳光的沐浴下。阳台、室外休憩区域、游戏区域要设置在阳光充沛、静风的区域，可以通过在北、东、西三面种植树木来营造一个充满阳光的空间。

（1）对阳光的需求。除了考虑不同角度光照的特点之外，还需要考虑不同房间在早晨、下午或傍晚对光线的不同需求。厨房和客厅在秋分日和春分日应该至少有4 h的日照。如果厨房和客厅面向不同的朝向，那么加起来应该有不少于5 h的日照。在秋分日和春分日，户外休憩区域和阳台应该能在上午九点以后获得不少于5 h的日照，或者在中午12点以后获得4 h的日照。在入口附近50 m范围内的户外活动场所，在秋分日和春分日，应该确保从早上9点到下午5点之间有至少5 h的太阳光。建设量对光照有很大的影响，容积率1.2和1.6就会有很大的不同。

（2）建筑的阴影。建筑之间需要保持一定的间距，这样才能摄入阳光。建筑的间距取决于纬度，在12月的斯德哥尔摩（北纬60º），为了使阳光射入公寓底层，建筑需保持8.4倍高度的间距。而在6月，间距只需要是建筑高度的0.7倍（图4-53、图4-54）。

（3）对日照的研究。电脑数值模拟分析是研究日照最有效的方法，有不同分析软件，多数与建筑CAD兼容。也可以在模型中使用日晷。一个有效的方法是在秋分和春分日进行24 h逐时验算，同时选择冬季的特定时间进行检验。

（4）风与避风。普通的风向图对于一个特定地区的局域风条件几乎提供不了什么信息。绘制风玫瑰图是一个有效的方式，也可以应用数值模拟分析研究特定建筑周边的风环境参数。生态型的建筑策略包括在规定和设计中充分考虑当地的风环境，评估其特征与防护的需要。一般的风屏障设置应该与建筑保持一定距离，同时应结合场地、建筑形态与组合方式的特征。在建筑的细部设计中，同样要考虑防风的要求，以期在建筑周边与室内创造舒适宜人的风环境。几乎所有的高层建筑都会引发风环境问题，它们把风吸向地面。在院子、阳台和室外就餐区域，风速不宜高于1.5 m/s；人行道、自行车道、运动场等区域，风速不宜高于3 m/s。

（5）防风。防风的方式多种多样：在旷野中可在下风面种植防护林（图4-55）；没有防风措施的建筑更耗能，对于住区，可以通过建造低层高密度的建筑、合理的形体组织、精心设置的围篱和植被来防风。① 种植防护林。地表的凹凸不平会改变风的方向和强度。在山谷中，主导风向通常会顺着谷地的走向。在开阔区域，风速会明显增加。而在森林里面或成排的树木背后风力会减弱。在下风面上种植林木是远距离防风的一种很好的方式。防风林带应该设置在与盛行风向垂直的位置，间距宜为100—150 m之间。风力越大，间距越小。多条窄的防风带效果比一条宽的好。防风林带的设计非常重要，可将高大的乔木和低矮的灌木分层种植，组合成防风带（图4-56）。例如，可将高大的白杨和较低的山楂树组合起来。在建筑的下风区域，林带可以薄些，以便抽出冷空气。在瑞典的海岸区域，云杉和松树是较好的抗风树种。有防风林带保护的农田作物，产量可以提高5%—10%。防风林带可由以下部分组成： 生长快速的保育树种，可以保护其他生长相对缓慢的乔木和灌木，保育树种如白杨、桤木、柳树、桦树，生长期为5—10年，在林带内的比例宜为5%—10%；生长较慢、需要有其他树种保护的乔木，包括枫树、榆树、桦树、橡树、菩提树、山毛榉、野黑樱桃树、角树、稠李；乔木下面可种植数层低矮的灌木，每隔3—5年修剪一次。① 建造低层高密度的建筑、合理的形体组织、精心设置的围篱和植被。一个考虑到风环境的规划需要精心设计建筑的位置、组合方式和高度（图4-57）。一个理想的城镇规划方案中，建筑的布局应该能降低风速，形成宜人的静风区域。实际的情况可能不尽完美，但至少应该最大限度地降低恶劣风向的影响。通常，一个具有不规则形态的城镇，其风环境要优于那些简单行列式布局的城镇。建筑设计非常重要。孤立的高层建筑暴露在风中，并把风拉向地面；条形建筑或成行排列的建筑会形成屏障效应，当风成角度吹向建筑时，会被导向下风区域。一组平行而相互错动的建筑会增强平行于建筑物方向的风力。形成回廊状、漏斗状或者窄的风口的建筑会极大地增加风速（图4-58）。带架空骑楼的建筑或者有门廊的建筑有着同样的效果。因此，建筑组团之间的排列最好是不规则的。建筑及其周边的设计细节对于降低风速非常重要。延长的分隔墙和入口处的屋顶可以形成保护区域。应该使用不规则轮廓的屋顶以及檐口、栏杆和围墙。藤架、植草屋顶以及墙体绿化也是可供选择的设计。通过紧邻的防护措施，在障碍物高度的3—5倍距离内，风速可以降低70%—80%。错误的做法包括：转角阳台、架空的屋角和建筑上贯通的开口。在这些建筑的上部，雨雪会被从下往上吹向建筑立面和屋檐。院子可以使用防风屏障来防风（图4-59、图4-60）。密集的风障形成较浅的背风区域，多孔的风障（30%—50%的孔率）形成较深的具有较少湍流的背风区域。在边角处可以用格架、穿孔板或者植物来降低风速。因为风向总是在不断变化，有角度的风障比直板的风障更有效（水手深知这一点）。

图4-53　不同纬度下的建筑内院尺度比较

在瑞典，建筑内院的尺度需要根据所处场地的不同纬度来确定，以保证在秋分日和春分日得到不少于5 h的日照。资料源于毛里茨 格鲁曼（Mauritz Glaumann）

图4-54　戈登霍夫 斯德隆格（Gartenhof Siedlung）地区市政规划图

戈登霍夫 斯德隆格（Gartenhof Siedlung）地区位于德国曼海姆的北部。为了尽可能获取多的采光面，该地区的市政规划采用了菱形的格网。资料源于德国约阿希姆 伊布建筑事务所（Joachim Eble Architektur）(www.xing528.com)

图4-55　防风方式1

在下风面种植林木能给这个区域提供基本的风防护

图4-56　防风方式2

提供良好防风效果的防风林应该包括高低错落的不同树种。防风林带还应该具有足够的密度

图4-57　瑞典布胡斯（Bohuslän）的莫勒松德（Mollösund）

沿海多风的小渔村中，建筑的排列方式是为了降低风速并相互保护

图4-58　马尔默的克鲁克贝克（Krokbäck）地区刮西南风时的相对风速

一些开发类型，例如在高层建筑之间留有狭窄的空隙，会在该处形成令人很不舒适的强风。资料源于《气候研究作为开发规划的基础》，毛里茨 格鲁曼（Mauritz Glaumann），1993

4）潮湿与干燥

湿气蒸发吸热。因此，当地面潮湿的时候会更凉快一些。冷空气比暖空气重，因此倾向于在低处聚集形成冷压槽。冷空气下沉通常发生在湿润且地势低的区域和有水道的区域，这里容易形成雾、霜和露。出于能源和舒适的考虑并避免建筑地基的潮湿问题，应当避免在这些区域修建建筑。除潮非常难。在北方，最好在干燥的地方修建建筑。在炎热的气候下则相反，因为大家都知道蒸发可以吸热，有降温的效果。树木可以防风并提供阴凉，喷泉使空气湿润，湿气的蒸发可以给花园及建筑降温（图4-61）。

图4-59　屏障效应示意图

屏障效应将上层的强风引向地面

图4-60　多孔风障与实心风障防风效果的比较

多孔的风障比实心的能提供更好的防风效果。多孔的屏障可以缓和风速，将其化解并减少湍流，在其后形成背风区域。实心的屏风会加大屏障效应，在背风一侧，风被引向地面

图4-61　沙漠气候中带喷泉和池塘的花园

在沙漠气候中，有喷泉和池塘的花园是适应气候措施的一部分。人们相信，花园最初建于沙漠气候的宫殿周围，被用作一种空气调节的措施

5）冷与暖

地图显示了平均气温的变化。室外温度受到地形、与海岸的距离以及建筑密度的影响。一种对本地气候分类的方法是给出每年的每日平均温度。在一个平均年份的每一天，计算室内温度（例如+20℃）和室外温度的差值。然后对这些值进行求和得到每日评价温度数据。即使是在一个很小的区域，不同地方的微气候也会有所不同。因此从能源的角度，在温暖的区域放置建筑很有意义。例如，应当注意何处的雪在春天最先融化。海拔高度也是个重要因素：在海平面以上，随着海拔的高度每升高100 m，温度平均降低0.5℃。因此，在冬天山谷中和山顶上的温度通常比山坡上更低。甚至曾经有观察到高度相差1 m温度相差了0.1 0.3℃的情况。海洋和湖泊通过缓和这种差异影响温度。在接近水体的地方，每天和每年的最高和最低温度不像在内陆那么极端。通常，在温度上会有几摄氏度的缓和。

（1）表面温度。颜色、湿度、导热性以及质量的不同都会影响物体表面接受太阳光照时的受热情况。周围表面的温度影响人对温暖的体验。地表的属性影响温度。树木首先对地表接受太阳热量的情况产生影响。干沙、沥青和沙石路面很快变热，潮湿的草地最凉。暗色的金属变得最热，例如屋顶（图4-62）。

（2）冷压槽。由于冷空气相对较重，在晴朗无风的夜晚，山坡上形成的冷空气就会下降到洼地和山谷中。在一个丘陵地区冷空气下降造成温度显著降低是个问题。在较大的山谷中，温度下降可以达到100℃以上。由于冷空气的下沉，在山坡上部留下一个相对温暖的区域，称为高温带。冷空气沿着斜坡缓慢下沉，因此很容易被障碍物阻挡。它可以包围大的障碍物，例如树木和小型建筑。因为低温，下降过程中比其他地方更早发生冷凝。因此，出现雾、霜和露的频率会更高。然而，3—4m/s的风速就足以形成湍流，因此温差大部分都会消失。应当避免在有冷空气下沉风险的地方建造建筑（图4-63）。然而通过移除植被或是挖掘形成的洼地能削弱冷风槽效应。尽管冷空气很容易被建筑和树丛阻挡，但是可以通过有策略地放置障碍物使其绕过房屋和建筑。

（3）热岛效应。大城市的平均气温通常比周边乡村高出几摄氏度。在晴朗无风的冬天，温度差可以达到5 10℃。这种被称为热岛效应（图4-64、图4-65）的现象由很多因素造成，如城市中的厚实材料对太阳能的储存，由于排水而造成的地表蒸发作用的减少，建筑、工厂和交通排放的热量。引发的一种现象是，温度升高使得城市空气上升，城市中的气温升高，阴天、暴雨以及落尘增加，同时风、辐射增益和散热减少。另一种现象是倒置现象，冷空气在城市上空凝结，就像一个盖子。空气缓慢地下降，垂直方向上的空气交换受阻，造成了空气污染的积聚。适当的绿地空间可以改善城市空气质量和空气流通。植被覆盖的区域形成一个蒸发面，可以降低城市温度。同时，植被改变了空气运动的模式，至少部分打破了这种倒置现象。

图4-62　晴天不同材料特性所造成的地表温度差异比较

因为不同的吸收、反射和蒸发特性，地表以不同的速率受热。资料源于根据高伊扎古（Gajzagó）改编

图4-63　不同建筑选址的比较

避免在冷空气下沉区域建造建筑。在谷底，条件通常最差，在两侧略高的地方条件最好。资料源于《正确对待风和气候》，P.-G.安德贝特（Andbert），1979

图4-64 热岛效应示意图

在有很多供热建筑的地方形成热岛效应。建筑相互之间辐射热量，因此热岛效应区域比其他地方的温度要高

图4-65　热岛效应的测量旅程

由于有很多建筑以及伴随的热量泄露，城市中产生热岛效应。曲线中的温度通过一个“测量旅程”测得，在12月的一个清朗无风的晚上，从斯卡耐克（Skärpnäck）开始，通过斯德哥尔摩南部的郊区到达城市中心。资料源于毛里茨 格鲁曼
（Mauritz Glaumann）和麦基塔 诺德（Margitta Nord）通过一个车载温度测量设备获得的测量结果

图4-66　自行车——环保交通工具