第1章 气候与建筑
1.1 建筑的起源
建筑原本就是人类为了抵御严酷的自然气候而建造的改善生存条件的“遮蔽所(shelter)”，其微气候适合人类生存。随着技术与文明的进步，在生存问题解决后，如今人们追求的是舒适、健康的室内环境。无论在严寒的冬季，还是在酷热的夏季，舒适、健康的室内环境，是人类对生活及工作环境的基本需求。良好的室内环境不仅有益于身体健康，*重要的是还可以提高工作效率。因此，创造舒适、健康的工作和居住环境是建筑物的基本功能之一，是建筑师在设计时必须要考虑的问题。
舒适室内环境的获得可以通过两个层面的设计来完成，如图1-1所示。第一个层面是建筑物自身的建筑学设计，如合理的朝向选择有利于充分利用太阳能，良好的平面和剖面设计有助于自然通风的形成等，也就是通常所说的被动式设计。从城市规划到建筑群体布局，从建筑平面、剖面设计到建筑构件的细部设计，应尽量减少冬季热量损失和夏季热量获取，并尽可能利用天然采光。当这一层面的设计完成后，室内环境仍达不到舒适要求时或者在极端气候的情况下，可以通过第二个层面的设计，也就是机械设备的辅助调节来完成。但是靠第二个层面的设计来实现室内的热舒适是需要付出代价的，即增加能耗量。第一个层面的设计完成得越少，第二个层面的设计耗费的能量就越多，因此第一个层面的设计决策的好坏将直接影响到建筑能耗量的大小。好的建筑设计决策是指不需耗能或耗费少量的能源就能获得理想的室内环境，欠佳的决策会使建筑*终能耗量增加2倍甚至3倍。可见，建筑方案设计的好坏将会直接影响建筑运行能耗量的大小，也就是说在整个节能建筑的设计中担负主要责任的不是别人，正是建筑师。
图1-1 舒适室内环境的获得途径
图1-2 赫尔佐格设计的建筑工业养老基金会扩建项目
但很多建筑师在通过改进建筑物自身来改善室内环境方面做得很少，或者对此漠不关心，甚至设计出完全与气候要求相违背的建筑，设备工程师完全依赖第二个设计层面来解决建筑的室内环境问题。例如，在酷热或严寒地区设计带有大片玻璃的建筑，迫使设备工程师不得不采用那些吞噬能源的巨大降温或采暖设备来保证舒适的室内环境。但是如果建筑师可以对第一个层面的设计加以重视，那么就可轻而易举地使机械设备投资降低50%，如果再多花些心思的话，甚至可以使这部分投资降低90%。在某些气候条件下，建筑设计中甚至可以完全不使用机械设备。而当建筑师真正可以把室内环境的好坏和建筑本身的设计结合起来考虑的时候，建筑形式往往也会变得更加丰富，因为不同于被隐藏起来的设备系统，类似遮阳板这样的建筑构件可以带来相当大的审美价值，有些甚至可以成为标志性设计，正如赫尔佐格设计的建筑工业养老基金会扩建项目中，遮阳构件是其外立面的主要特征，如图1-2所示。
建筑节能是一个系统的工程，作为建筑师，应在方案设计前期就树立环保节能的观念，融合一些绿色建筑的理念和技术，主动采纳采暖、通风、采光、照明、材料、声学等多个技术工种的专业意见。单靠后期的调整，建筑的节能设计是很难完善的。在设计中，建筑师除了应该利用先进适用的节能方法和材料来满足节能设计标准外，还必须从本专业要求出发，在总体规划上，应更多地关注地域和气候特点的研究，通过建筑物的朝向布局、日照分析、通风研究、绿化布置、透水地面等方式，在总体布局、生物气候设计上，控制和改善气候与环境要素对建筑的不利影响。在建筑设计中，应细致规划各种交通流线和交通设施，使流线方便快捷，减少人力物力的浪费，交通设施数量和位置应适宜，提高效率；应认真推敲室内空间的大小、比例和各空间的位置关系，研究其空气流动关系，避免能源的浪费；应关注一些可以替代的适宜技术与方法，如屋顶花园代替屋面隔热、立面造型结合遮阳等。因为建筑在构筑室内外空间的同时，也在创造一个供人居住、生活的环境，所以无论哪一种生活形态，都必须以舒适、有效、安全为前提。人居环境的形成和维持也必须通过可持续技术来完成，建筑节能则是可持续建筑永恒的主题。
相对于现代建筑，传统民居建筑在第一个设计层面上就解决得非常巧妙：在选址、朝向、平面布局、空间组合、建筑用材、构造处理等方面，积淀了千百年来人们适应与利用自然、保护自然，以*简洁灵巧且经济的方式创造居住环境的思想和经验。例如，我国北方地区的合院式民居的平面布局与空间组织利于在冬季收集太阳能和防止冷风渗透；南方地区的庭院式民居则利于夏季的自然通风和蒸发吸热降温；过渡地区的合院式民居，往往同时具备自然采暖与降温特性。以现代建筑技术科学的观点来审视民居建筑所呈现的这些效应，可以发现人们自发且巧妙地在民居建筑中考虑了自然条件和气候特征，运用了“烟囱效应”原理、相变蒸发(冷凝)吸(放)热原理、土壤蓄热(冷)原理、太阳能热利用原理以及地表风场的分布规律等，获得了合理的室内空气流场。在国家自然科学基金的资助下，西安建筑科技大学绿色建筑研究中心在大量实地考察和测试研究的基础上，将这些“被动式”环境控制的科学原理和技术运用于建筑平面和空间的设计当中，在没有现代采暖空调技术，不需要运行能耗的条件下，创造出了适宜的室内外物理环境。这个研究在现代建筑领域是开创性的，它有利于将我国优秀的传统建筑经验传承下去。
为了满足社会发展的要求，现代建筑需要在空间中筑起一个人工环境，并使室内环境保持舒适和稳定，因此需要付出很大的代价。建筑环境设计应该正视室外环境对室内环境的影响，通过相应的技术手段和控制方法做到尊重气候。利用气候条件的有利因素，调整环境对建筑的影响程度，可以营造出符合现代社会要求的更舒适、更有效的空间环境，从而成为真正人性化的建筑。
1.2 影响建筑设计的气候要素
室外热环境是指作用在建筑外围护结构上的一切热物理量的总称，在设计建筑外围护结构时，要想得到令人满意的室内热环境，就必须熟悉作用在其上的各种室外热作用。
在研究人体热舒适感及建筑设计时，涉及的主要气候要素有太阳辐射、长波辐射、空气温度、风、空气温度、降水等。这些要素是相互联系的，共同影响着建筑的设计和节能。
1.2.1 太阳辐射
太阳辐射是来自太阳的电磁波辐射，是地球上热量的基本来源，是决定气候的主要因素，也是建筑物外部*主要的气候条件之一。冬季应尽可能地应用太阳能采暖，在夏季应尽量避免太阳辐射，以免室内过热，从而达到舒适、节能的目的。
太阳以辐射的方式不断地向地球供给热量，太阳辐射的波长范围很广，但绝大部分辐射能量的波长为0.15～4μm，占太阳辐射总能量的99%。其中，可见光的波长为0.38～0.78μm，其辐射能量占太阳辐射总能量的50%，红外线的波长大于0.75μm，其辐射能量占太阳辐射总能量的43%，紫外线的波长小于0.4μm，其辐射能量占太阳辐射总能量的7%。
当太阳辐射透过地球的大气层时，其强度将减弱，而且光谱的分布也会因大气层的吸收、反射与散射而改变。太阳辐射波长不同，因此在大气层内被有选择地吸收：大部分紫外线和辐射线均被臭氧所吸收，还有相当一部分红外线被水蒸气及二氧化碳所吸收。反射主要发生在小水滴表面，并且实际上是无选择性的。另外，空气分子和尘埃微粒可以有选择性地扩散那些与其大小相当的太阳辐射，故天空会呈现出蓝色、黄色或乳白色等不同颜色。
1.2.2 长波辐射
由地表向大气及外层空间放射的是长波辐射，其强度取决于地表温度与大气或外层空间中吸收辐射的介质温度的差值。大气层中的各种气体也会向各个方向放射长波辐射，地面则吸收了向下放射的部分。在大气所含的各种气体中，水蒸气是主要的长波吸收体，其次是二氧化碳。
由地表放射出的辐射量与大气对地表放射的逆辐射量的差值称为净辐射散热量。阴天时，这个值会降至极低的水平，这是因为云层中的水滴能吸收并反射由地表所放射的全部长波光谱。因此，地表所散发的全部辐射在云层底部就已被充分吸收了。在明净干燥的大气中，净辐射散热量*大，且随着水蒸气、微尘，特别是云量的增加而减小。
1.2.3 空气温度
地球表面加热或冷却的速率是决定其上部空气温度的主要因素。与温暖的地表直接接触的空气层，由于导热的作用而被加热，此热量又主要靠着对流的作用而转移至上层空气，由此，气流和风带着空气团不断与地表接触而被加热。在冬季及夜间，地表空气较冷。这样，就产生了反向的净热交换，与地表接触的空气就会变冷。
在不同地点、不同高度、不同时间、不同朝向，空气的实际温度都会有所变化。气象学中所指的空气温度是距离地面1.5m、背阴处空气的温度。室外空气通过建筑门窗的通风作用进入室内，给室内带来或者带走热量，改变室内的空气温度，影响室内热平衡。
1.2.4 风
风是由于空气流动而形成的，了解风形成的原因及其受地面物体的制约，对建筑设计有很大的指导意义。因此，了解地方风的形成比大气环流有更大的实用价值。
风是由高气压的空气向低气压的空气流动而产生的结果。空气的温度不同导致了空气气压的高低变化：气温高，则空气膨胀，密度变低，此时的空气稀薄，气压也较低；反之，气温低，则空气密度较高，气压也较高。由于空气受太阳辐射的强弱不同，以及空气对热量吸收率是变化的，气温产生高低变化，从而形成了风。
风速和风向从两个方面来影响建筑物的热状态：一方面，它们决定着建筑物外表面的热阻，因而决定了建筑物外围护结构的隔热性能；另一方面，它们影响了通过开口的换气量，从而影响了建筑物总的热平衡。
根据其成因、范围和规模，风可分成大气环流、季风、地方风等类型。
1. 大气环流
在地球的赤道地带，由于气温高，空气受热膨胀上升，气压的垂直梯度变小；而在两极地带，由于气温低，气压的垂直梯度变大。这样，在赤道上空的气压比同一水平面上的极地处高，在上空形成由赤道指向极地的气流。在极地上空积聚了来自赤道的空气，向下沉降，使地面的空气密度增大、气压升高；而赤道地面因空气上升，地面的空气密度减小，气压降低，在地面上就形成了由极地流向赤道的气流。在赤道地区，空气以上升运动为主；在两极地区，空气以下沉运动为主，从而形成赤道和极地之间的大气环流。
大气在赤道受热上升，从高空流向南北半球，由于受地转偏向力的影响，到南、北纬30°的地方，气流运动方向大致与纬圈平行，形成压力很大、风速很小的地带。从这一带开始，地面的气流向南北流动。例如，在北纬30°以南形成北风，在北纬30°以北形成南风，这种风进到北纬60°时抬头向上，在地面造成低压吸引两极气流，形成了整个大气的完整环流。
2. 季风
大气环流的产生是以假定地球表面结构均一为条件的，但实际上地表是不均匀的，有海洋和大陆的分异。夏季，大陆受热强烈，近地面层形成热低压；而在海洋上，副热带高压范围大大扩展，从而使气流由海洋流向大陆。冬季，大陆迅速冷却，近地面层形成冷高压，而海洋上的副热带高压范围逐渐缩小，大陆低压范围扩展，气流由大陆向海洋运动。这样，一年中盛行风向随季节有规律地变化，从而形成季风。对我国气候影响*大的就是季风，在南方地区，夏季主要受东南季风和西南季风影响。
3. 地方风
受局部环境，如地形起伏、水陆分布、绿化地带的影响，某些局部地区加热与冷却不均，引起小范围气流，称为局地环流或地方风。地方风主要包括水陆风、山谷风、林原风、街巷风、天井风、庭园风等。
水陆风是在江岸、湖滨、海滨等水陆相接处，由于水面与陆地加热、冷却速率不一，出现了由水到陆的水风(白天)，以及由陆到水的陆风(夜晚)。
山谷风是由于山坡受日照的时间较早且长，日辐射强，升温快，白天，风沿坡而上形成谷风，夜晚，风顺坡而下形成山风。
林原风是由于绿化地带的茂密森林与开阔的田园两地受热不均，白天风从林中吹来，夜间，风向林中吹去。
同理，街巷风、天井风和庭园风等都是因为建筑设计中采取了不同的处理方法，造成局部环境和温差不同而产生的。
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