建築能設計成冬暖夏涼嗎?

一棟房子能設計得室內冬暖夏涼嗎?如果可以,如何設計?其背後的科學原理又是什麼?


這個解答只講自然達到冬暖夏涼的方法,不涉及機械系統。這種方法現在叫做被動式節能,或者自然空調,就是利用建築本身的形態,材料和結構進行室內溫度調節從而達到舒適的室內環境。

對普通的建築來說,天然的夏涼原理就是夏天通過白天建築材料吸收/阻隔大量熱量從而保持室內空氣溫度均衡,晚上可以空氣快速散發熱量自然製冷。白天的遮陽很重要。如果在較乾燥的地方還可以使用蒸發製冷(如往地上潑水,水塘,植被),增大空氣流動速度也可以加快人的熱量流失從而達到涼快的感覺(如涼亭,氣溫低於體溫前提下)。如果晚上也是三十幾度(如熱島效應),經常又一直很潮濕,那就很難辦了。

天然的冬暖原理就是永遠最小化熱量流失,白天儘可能吸收保存太陽熱量,晚上釋放保存好的熱量。冬天需要的是熱源,而冬季的天然熱源很單一,無非就是太陽和地下水。天然地熱比較少見,一般很少直接用在建築採暖上。

這是一個熱傳遞和熱力學問題。涼快和熱也是熱傳遞問題(舒適度模型)。

下面開始講一些實際例子(圖片來自網路),隔熱什麼的就不講了。

屋檐/上窗檐(overhang)的遮陽功能

(圖片來自NREL)

很多人都忽略的屋檐和上窗檐的重要性。這個很便宜的小東西可以在夏天太陽角度很高的時候遮擋太陽直射,冬天太陽角度低的時候不妨礙室內獲取太陽熱量。中國的傳統建築從農宅到故宮所有的屋檐做法都是很有講究的。

地板的儲熱功能

地板的選擇也很重要。一個合適的地板可以在冬天儲存熱量,夏天吸收熱量。像傳統建築里的地磚儲熱效果就非常好。冬天配合合理的採光,太陽直射到地磚上從而達到吸收太陽能的效果,較深的顏色吸熱效果更好。而夏季通過夜晚自然降溫的地磚,在白天吸收空氣中的熱量起到平衡室內溫度的作用。

利用空氣浮力(熱空氣上升,stack effect)和地埋管製冷

(來自living green magazine)

(來自Wikipedia,華氏度單位)

這個方法我很喜歡,在中東各種建築里都有用到。熱空氣會上升從而從煙囪-就是那個高塔排出,這個作用所產生的吸力導致較低的冷空氣從地埋管中通過,因為地下溫度較低從而達到降溫的作用。中東有些地方整個村莊都用這個原理配合天然地下洞穴冷卻的空氣來製冷。圖中的這個建築則是利用了門前的水池對建築吸入的空氣進行預製冷(之前提到的蒸發製冷,中東較乾燥)。

細節決定成敗,建築也是。在資源匱乏的過去很多傳統建築對舒適的考慮都是很不錯的,有很多細節值得現在的建築學習。現在很多新的樓,外表看起來很美,卻是依靠機械系統和大量的能源浪費保持室內的舒適度,建築本身對室內人的關懷和自然環境的考慮都是很欠缺的。

一些我所了解的現代建築的應用

EcoTerra House

加拿大魁北克省Eastman的EcoTerra房是比較早零能耗建築(全年能耗平衡為0)。看起來和普通的房子差不多,但是設計出發點都是基於節能的。比如屋檐的設計是最優化了冬季的採暖和夏季的遮陽,隔熱係數非常高。朝南的窗較多,加大冬季太陽輻射,其他方向窗戶少,北牆沒有窗戶。因為加拿大夏季太陽角度極高,所以朝北的窗中午反而會受到太陽直射。南邊的樹林是落葉植物,夏季可以遮陽降溫,冬季樹葉掉光了就不影響採光取暖了。朝南的客廳地板使用了混凝土和水系統的地暖,增加儲熱量。建築屋檐上的整合式太陽能光電熱系統這裡就不多講了。有興趣的可以到網上查,資料蠻多的。

University of La Reunion 的 ENERPOS

Reunion是印度洋上的法屬小島。主要以製冷需求為主,白天較熱晚上涼爽,(24-31攝氏度)。但是這棟樓沒裝空調(只有一個)。首先作為一個教學樓,一般設備(電腦之類)的發熱量是很大的,所以這棟樓的電腦主機全部在地下的伺服器室里,只有這個房間有空調製冷,而教室和實驗室里只有顯示器和滑鼠鍵盤,大大降低了人活動區域的製冷需求。建築朝向面對著海洋季風,再配合很誇張的遮陽系統(上面裝了光電板),通透的房間增加空氣流速,所以教室內只用了電風扇就能滿足舒適需求。注意第一張圖窗外的那些橫向遮陽板不僅僅能夠提供遮陽,這種設計還可以增加空氣流速,將其引導到窗內。這棟樓往上資料也蠻多的。關於標準:

一般來說冬暖夏涼的建築我們稱其為被動式建築,德國的Passivehaus被動房的一些設計理念值得借鑒。這個標準還有認證的建築材料/部件,值得參考,切勿迷信。


要轉載,先私信!

有人說窯洞、有人說山洞、有人說地下室、還有人說防空洞。這些空間就我們的生活經驗來說就能判斷是冬暖夏涼的。

那背後的原理是什麼呢?或者說什麼因素決定是不是冬暖夏涼呢?或者說怎麼控制這些因素可以做到冬暖夏涼呢?

自己畫了個圖

圍護材料圍護方式再加一些物理原理

建築是由材料組成,關係到建築內溫度的無非是材料和建築師使用這些材料的方式。

先說圍護材料

與之相關的特性是材料的熱阻和材料厚度

每種材料都有自己的各種特性,強度、剛度、密度、透光性、可塑性、耐火性、熱阻等等,與我們說的冬暖夏涼關係最大的是熱阻,熱阻:反映阻止熱量傳遞的能力的綜合參量。在傳熱學的工程應用中,為了滿足生產工藝的要求,有時通過減小熱阻以加強傳熱;而有時則通過增大熱阻以抑制熱量的傳遞。建築設計中大部分情況下是熱阻越大越好,與之相對應,熱傳遞係數越小越好。生活經驗就知道泡沫板比鋼板隔熱,泥土比水泥隔熱。

厚度的話很好理解,同一材料當然越厚熱阻越大,同一做法1000mm厚的牆肯定比200mm厚的更保溫隔熱。住過簡易工棚的就知道,因為牆太薄,太陽一曬就是蒸籠了。所以你能理解窯洞冬暖夏涼的原因了,無他,圍護材料厚啊!

圖中的建築雖然高大上一點,但原理基本與窯洞類似,都是用泥土、超級厚的泥土當它的圍護材料。

上兩張圖,讓大家了解一下建築師在考慮熱阻這個事情的工作方法。

以北京為例,先確定當地的氣候分區,北京屬於寒冷(B)區。對於傳熱係數各地都是有建築規範的,也就是說大家住的房子大部分都是有標準的,不會出現熱死人的情況的(落後地區或自己蓋的不一定),根據項目條件知道了應該控制的傳熱係數,然後再選擇材料和材料厚度。細心的朋友可能發現了體形係數這個詞,這就與圍護方式有關了。

關於圍護材料,這些是做材料研究人的領域,建築師大部分是運用這些材料,很少自己去發明材料。比如有材料廠商發明了透明但傳熱係數很小的玻璃,紅外線射不過,那是極好的事情,建築師對於材料多了一種選擇。比如材料廠商發明了一種傳熱係數極小的保溫板,那也是極好的事情。比如發明混凝土的人是法國人艾納比克,使用到藝術極致的是柯布西耶。前者是工程師,後者是建築師。

看了以上,你一定覺得建築師的工作無聊透頂,我也覺得。但建築師的魔術在於下半部分:圍護方式。通俗的說建築師怎麼使用這些材料,這才是真正的設計。

圍護方式主要控制幾個因素:太陽輻射、通風、其他物理方式。

太陽輻射

最典型的就是我們傳統民居里的大屋頂,除了排水的作用外還能控制建築的日照,不讓夏季中午毒辣的陽光直接照射到牆面加高室內溫度,同樣,還要讓冬季溫暖的陽光照射到牆面,給寒冷的室內升溫。通過挑檐的距離來控制的,這個是可以根據緯度自己設計太陽照到牆面的時間的。上兩張貴州民居的圖對比一下。

找不到兩張同一建築同一角度的照片,原諒我。夏季、中午、太陽照射不到牆面

大約在冬季(看植物和穿著)、中午、太陽能照到牆面,給室內提供熱量。

其實我們勤勞的先民有一個更簡單的辦法,我自己也很喜歡:種樹。夏季綠蔭遮擋日照,冬季樹葉落去,讓陽光照射建築。

現代建築運用這兩條的很多,圖中是台灣的北投圖書館。

大大的屋頂、挑出很深的走道,都是經過計算的遮陽措施。台北主要是解決夏季熱的問題,冬季倒不是太冷。蠻喜歡這個建築的。

諾曼福斯特在德國國會大廈的大玻璃穹頂也使用了一下遮陽。下圖左上角那個半透明的網就是一個可以隨著太陽旋轉的「遮陽傘」,夏季遮陽,冬季可以休息了不用追著太陽跑了。

當然,福斯特是知道內遮陽不如外遮陽的(外遮陽空氣流通性好效果好),但我猜他是為了這個純粹的形體了。理解,理解。

其實影響室內外熱傳遞的還有一個因素:體型係數

體型係數是指單位建築體積所分攤到的外表面積,一般來講,體形係數越小對節能越有利。建築師經常要做的事情就是算體型係數了。

通風:夏季加強空氣流通、冬季減少空氣流通

埃及建築師哈桑·法賽的作品

可以看到「捕捉」風是建築的一個使命。很多喇叭狀通風天窗對著上風向,為的是加強空氣流通,帶走室內的熱量。

(感謝築龍網的圖片)

還得說說我國南方的民居,坡屋頂+頂層隔層的做法夏季很實用,將夏季太陽輻射的大量熱量讓風在頂層的隔層帶走。

設計活動牆也是很有效控制空氣流通的辦法。像窗戶一樣,需要通風時打開,不需要時關上。

找到了一個師兄做的項目。原諒渣像素與logo,視頻截圖來的,

冬季減少空氣流通最簡單常見的是密封玻璃、雙層玻璃等。

用紅外來看冬季建築,顏色越紅表示溫度越高,即建築越損失熱量。所以,窗牆的比例與減少冷橋是做到冬暖的一個重要因素。

物理原理用的最多的是水的蒸發。

上海世博會大家都感受過的。

其實空調系統是很強大的,但我把它歸為設備,而非設計。


謝邀。答案是可以。

方式是各種複雜,有依靠設備的,有依靠建築自身結構的。


  可以。

  但是錢砸出來的。

  先從西北地區說起。因為在西北地區,我們一般不討論空氣濕度的問題,干就干點吧,反正都習慣了。這樣就能很大程度上簡化這個問題。

  高中地理說了,西北地區地表裸露面大,加上砂石的比熱容實在太小,所以在夏天的時候,白天特別熱,晚上特別冷。

  這時候,咱們的建築外牆、樓板,都是有自己的熱容量的。你白天拚命吸熱,但是還沒吸飽,就到了晚上了。這時候又開始拚命放熱,加之晚上的室內外溫度都不高,所以人都要蓋被子睡覺。

  你涼不涼爽 o(* ̄▽ ̄*)o

  所以,在西北地區,只要外維護結構足夠厚,夏天就妥妥涼爽。

  到了冬天,比較關鍵的參數是外牆的熱阻。因為如果你不用暖氣不用空調,到了冬天採暖基本靠抖,好不容易抖出來一點熱量,全送給冷冰冰的外牆和室外的冰天雪地了,你開不開森?

  反正我是不開心。這時候,我們就要想法設法提高外牆的熱阻啦,就相當於給房子穿了羽絨服,熱量就不那麼容易跑出去啦,媽媽再也不用擔心越抖越冷啦。

  提高熱阻,最好的是什麼你猜猜?

  就是批發冰棍的大媽用的塑料泡沫~便宜好用,就是脾氣比較暴躁,一點就著【大霧】。

  緬懷上海靜安區火災的罹難者。

  所以現在很流行的結構,就是內側用混凝土多孔磚壘出熱容量大大的部分,外側弄一層泡沫殼子,再糊一層水泥,妥了!

  冬暖夏涼有木有!

  經濟實惠有木有!

  以上內容被前輩斧正啦,實際上的保溫材料是有一定的燃點的,打火機煙頭什麼的是很難點著的。

  另外保溫材料也不可能是大媽用的泡沫,那個太便宜啦,這東西實際上還是比較貴的,只不過相對其他的外保溫方式,以擠塑聚苯板為代表的有機外保溫材料的價格太良心啦!

  最外層的水泥當然也不是隨便抹抹的,當然這部分屬於工程構造的問題了,只不過我們在這裡簡化這個模型的話,就可以發現:

  厚實又便宜的混凝土多孔磚——提供強大的蓄熱能力,和一定的熱阻;

  深藏功與名的保溫材料——提供超級變態的熱阻。

  華北地區的氣候特徵也差不多如此,就是夏天的濕度要高一點,如果不想用空調,在房子撒把石灰吧,扇扇子就足夠涼爽了。

  至於華中、華南、華東地區,估計你要住在石灰倉庫里才能感受到「夏涼」。因為乾燥的空氣是最好的保溫隔熱材料你造嗎?但是以武漢長沙南京為代表的各大火爐城市怎麼可能給你提供乾燥的空氣呢?綠油油的大好河山看得人心醉,但也是要付出代價的好嘛(西北漢子仰天大笑哈哈哈哈哈)。

  本來水的比熱容就夠大了,空氣濕度越高,說明水蒸氣分壓力越大,同體積空氣下的水蒸氣的汽化潛熱就更大。更慘的是,如果再全天候被雲層蓋住,就相當於給你戴了頂帽子,地表的溫度很難通過輻射的方式傳遞到太空,直接結果就是晚上依舊很熱。

  所以,關上窗戶,買個空調吧,只要你家的泡沫足夠厚,耗電不會特別特別特別多的。

  但是這些地區,夏天的夜晚,外維護結構的散熱不太好,最後就是不斷積累積累積累,所以只能依靠機械的方式來消除。

  最後,不差錢的話。

  暖氣片你見過嗎?

  在房間的牆壁里,吊頂里,底板下,把這玩意塞滿。

  夏天供低溫水,冬天供熱水。

  絕逼冬暖夏涼,而且沒有「吹風感」。

  就是造價和運行費用都太高了。

  北方的地暖就是這個原理,冬天供45攝氏度左右的熱水,家裡就熱的不要不要的。

以上啰啰嗦嗦了這麼多,主要就是為了說明:無論在世界上的任何位置,追求冬暖夏涼都是可以實現的。最關鍵的問題就是在外圍護結構的保溫隔熱性能上。而最關鍵的兩個參數,也就是熱阻和蓄熱能力。其中,熱阻是關鍵中的關鍵。

  同時,根據上面的描述,聰明的題主一定發現了,冬暖夏涼還有一個必不可少的條件:在夏天,白天牆體蓄熱,但不怎麼向室內散發熱量,晚上牆體放熱,等待第二天繼續蓄熱;在冬天,儘可能地減少室內的熱量向室外傳遞。

  然後,我們要做的就是儘可能實現「讓熱量在原有的地方呆著,不要亂竄」的目標。

  比如,減小建築的體形係數,就是 外表面積/體積 的比值。俗話說抱團取暖,體形係數越小,意味著建築我外圍護結構用於熱傳遞的面積越小,熱量/冷量就不宜散失;

  比如,控制南向窗戶的窗牆比,以儘可能滿足在夏天不要因為陽光直射,而輻射進室內太多熱量,同時也能在冬天提供一定的陽光輻射的熱量,同時又要避免冬季夜間通過窗戶傳導出去太多的熱量——這個問題我覺得是最糾結的。

  比如,根據當地的日照情況和氣候特徵,控制建築的朝向。比如,在東北,夏天不是辣么熱,冬天卻辣么冷,所以我們要儘可能讓建築多吸收一點陽光;在廣州,咳咳,你多吸一點?

  比如,通過風玫瑰圖,合理布置建築各外窗的位置,從而形成合理的自然通風。

  ……

  最後,為題主推薦幾本』教『科』書『

  《建築節能技術》建工出版社,就是泛泛而談如何從各個方面又快又好地讓建築節水節電節材。

  《建築物理》建工出版社,東南大學柳孝圖編的,建築熱工的部分基本上能解答題主的疑惑,並且從此放棄追求普適性的』夏熱冬冷『建築。

  ——因為,太TM燒錢啦!


可以,一般建築設計做好保溫輔以一定的主動措施即可。


窯洞。

黃土具有很好的隔熱、蓄熱功能。窯洞除小面積的洞口部位相對單薄外,其他各面全包裹在厚厚的土層中。厚實的土層所起的隔熱作用,使洞內溫度變化很小。

黃土高原乾旱地區,日溫差雖較大,但日溫波動對厚土層中窯洞影響甚微。這些給窯洞帶來了十分可貴的冬暖夏涼的熱環境。覆土窯覆蓋很厚的土層,同樣取得冬暖夏涼的溫度效應。

晉、陝地區的一些地面庭院建築,正房常常不建木構平房、樓房,而特地建造單層錮窯或窯上房,就是吸取了窯洞冬暖夏涼的優點。

參考文獻:

[1]李崢, 裴蕾. 中國傳統建築中的「土」文化——窯洞建築[J]. 武漢科技大學學報, 2000(3).


作為一個住了二十多年窯洞的人,我想說其實並沒有想像中的那麼冬暖 -_-||

我5歲之前的記憶,窯洞是在土裡挖洞,整個鑽在土裡,拿石頭或土脫的泥積蓋成的。

現在大部分人都住著相對平的地地方,在平地挖出倆長方體的溝,拿石頭蓋上來,然後向中間填土,成拱形,沿著拱形繼續用石頭繼續覆蓋,成形之後,往窯洞頂覆蓋上厚厚的土,它是冬暖夏涼的重要因素。最後把窯洞里的土掏空,裝修就可以住人了

(圖來了,但是很潦草,不知大家能看懂不。。。。)

如此,它左右是土,上面也覆蓋了厚厚的土層,通風,散熱,受熱的地方只剩窯洞的洞口,陝北的夏天屬於那種乾熱,太陽火辣辣的烤著地面,柏油馬路的瀝青會被烤的黏糊糊的,可以拿小棍挑起來。由於它三面(上面,左右倆側和窯洞背面)有土覆蓋,土的導熱性差,且坐北朝南,太陽永遠都不直射,夏天真的超級涼爽。

大家還說它冬暖,對於這點我卻不是很認同。同樣由於上述的原因冬天考自然(太陽)取暖完全是不可能的,大家以為的冬暖其實是燒炕,但燒炕暖的只是炕,並不像暖氣,可以整個房間都暖。原來我們的門窗都是拿麻紙糊的,一年倆換。記不記得《鹿鼎記》裡面韋小事經常手蘸唾沫捅破窗戶紙寶偷看,麻紙比小時候用過的寫大字的本子厚些,並且裡面加了玻璃絲,質地細薄,堅韌,上面會有一些超級小的孔,是窯洞的門窗是和外面的通風透氣的唯一通道。

由於我家是原來是麻紙糊的窗子,冬天的時候陝的那個風呼呼的刮,在學校住習慣了有暖氣的房子,每年寒假回到家,很少出門,盡量在炕上呆著,還會裹個小被子,都感覺外面的風會透過窗戶呼到臉上,有一年回家還把手凍的又癢又腫,當然也有我看書採光,所以坐的位置在相當靠近外邊的窗戶邊的原因,以及我家只燒了一孔窯洞,倆邊的窯洞由於沒人住所以空著沒燒,導致中間的窯洞有被架空,不是很暖和。我爸媽倒是沒覺得得冷,可能住習慣了,反正不管我穿多厚,不去外面,保持裹著小被子坐炕上,手還是一直冰著,總要媽媽熱乎乎的手的給我暖手。

但是最近幾年不流行糊麻紙了,一年一換或倆換,麻煩又不美觀,改成請裝修工人用玻璃包裹門窗,而且里外包倆層,簡直沒法透氣,但如此冬天會比用貼麻紙暖和很多,弊端就是,冬天燒炕家裡做飯,煙霧很難散出去,灶台都布置在窯洞的中後部,裝油煙機根本不實際,夏天有時候雨水多,窯洞頂部處理不好時,水會滲下來,用玻璃包住的窯洞通風透氣不好,粉刷過白白的窯洞很容易發霉或鹼性,致使原來的牆很難看。

補充,今年夏天回去,發現家裡悶熱了不少,玻璃窗好看是好看,但是透氣真的是太差了 T-T,門窗都開著,蚊子呀蟲子什麼的又可勁的往有燈的家裡撲。評論要補的圖加上了哦。

(麻紙門窗的窯洞)

(玻璃門窗的窯洞圖片)


———

節能一直是建築關注的方向,在不考慮能源和材料的情況下,任何建築輕而易舉的能做到冬暖夏涼。但真正好的建築不是這樣。

公元前32年左右,羅馬建築師維特魯威,就已經在《建築十書》裡面寫的很清楚明白,如何利用自然環境給建築帶來便利,至今很多知識和觀點到現在依然受用。

例如古時建築師們是怎麼通過土被的健康和動物的身體來判斷城市的選址和坐向的,當然還有街道是怎麼引入自然風,形成迴流,這些風和疾病又有何關係的。

很有趣。


聽說山西的窯洞可以


正好我的研究生大論文也寫的這個問題,加上設計院做的被動房項目,我認為,冬暖夏涼,在夏熱冬冷地區還是比較難實現,在北方地區實現可能性很大。這是由於長江流域的氣候特點決定,濕度大,溫差小,上文說的保溫等等在寒冷地區很有效,但是對於夏季供冷可能有副作用,南方地區的被動式設計其實很複雜,不是簡單照搬北方的那一套。空調還是很有用的。


民智一郎_新浪博客

這個博客里說了很多日本德國的節能建築,被動房,零能耗房.還有很多施工細節圖.

請參考.


當然可以。

如何設計,就要從「冬暖夏涼」,或者「舒適的室內環境」這個目的出發,考慮可以調動的資源和手段。也就需要先弄清影響室內環境的因素。建築的核心功能是提供一個穩定的內部環境。如果把建築理解成一個小盒子,牆、門窗、屋頂、地面就是盒子的外殼,在建築上,通常稱這個外殼為圍護結構。圍護結構把建築隔成一內一外,內部空間環境變化既受內部因素影響,也受外部環境的影響。因此,設計的核心就是搞清楚內、外部因素,讓它們最大化為我所用。其中:

  • 外部環境包括大小兩個方面,大的環境指建築所在地區的氣象、水文等特徵,它們直接影響著建築外部的溫濕度、太陽輻照等。小的指周邊的微氣候,風、光、熱、聲。
  • 內部環境主要包括室內人員和設備。


建議樓主去看看被動房吧。你這個完全就是這個需求,目前國內建的也不多。


錢。


防空洞


可以的,保溫隔熱材料,加太陽能發電,加空調。


山洞就是冬暖夏涼啊


再怎麼設計也不如空調。。


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