長三角夏熱冬冷氣候下的被動式綠色設計策略及其量化效果分析＊

張麗娜 季亮 方舟 張宏儒

上海市建筑科學研究院有限公司

1 長三角地區(qū)氣候特征分析

長三角地區(qū)位于北緯32°34'～29°20'，東經(jīng)115°46'～123°25'，長江的下游地區(qū)，是長江入海之前形成的沖積平原。根據(jù)2019年國務院印發(fā)的《長江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》，長三角地區(qū)以上海市及江蘇、浙江、安徽三省的27個城市為中心區(qū)，規(guī)劃范圍涵蓋了以上三省一市全域。該區(qū)域夏季高溫，大部分地區(qū)最高溫度可達到40℃，極端時甚至能達到42℃，平均溫度較同緯度其他地區(qū)高2℃左右；冬季寒冷，常有冷空氣襲擊，大部分地區(qū)平均溫度0～8℃，具有典型的夏熱冬冷氣候特征。由于長江流域水網(wǎng)密集，夏季受江南春雨和江淮梅雨的影響，空氣濕度高；同時受南邊丘陵和山脈影響，夏季靜風率高，局部區(qū)域會出現(xiàn)地方性風場。

長三角地區(qū)具有夏季悶熱高濕、冬季陰冷潮濕的夏熱冬冷氣候特征，這種季節(jié)交替的極端性與氣候對建筑設計提出了更高的挑戰(zhàn)。該地區(qū)在進行綠色建筑設計時應做到統(tǒng)籌兼顧，處理好保溫與隔熱、日照與遮陽、通風與除濕的有效平衡。通過自然通風延長過渡季，減少主動能源的使用時間；合理運用遮陽設施，實現(xiàn)夏季有效阻擋太陽輻射得熱，冬季減弱對太陽輻射的反向削弱作用；通過建筑體形設計控制體形系數(shù)、建筑空間與功能的設計、圍護結構的設計與材料選用、屋頂綠化等措施，實現(xiàn)冬季保溫和夏季隔熱的要求；同時應充分利用自然采光，降低人工照明及空調能耗。

相比于其他氣候區(qū)的“恒”（強化保溫，增強氣密），長三角地區(qū)的建筑設計應更加突出以“變”來應對夏冬兩季對建筑的不同需求。這種“變”可以通過可變的建筑表皮來實現(xiàn)，如可調節(jié)遮陽、雙層表皮、攀援落葉植物等；也可以通過不同朝向的窗墻比、熱工性能參數(shù)的差異來實現(xiàn)。

2 被動式綠色設計策略選用

上文由長三角地區(qū)氣候特征分析得出了該地區(qū)常用的幾種被動式設計策略：自然通風、自然采光、屋頂綠化、固定遮陽、節(jié)能圍護結構及可變建筑表層等。下面將從工程適用和設計角度探討長三角地區(qū)被動式綠色設計策略的選用。

2.1 工程案例

長三角地區(qū)引領全國綠色建筑的發(fā)展，優(yōu)秀的綠色建筑設計案例眾多（表1）[1-3]。筆者調研了長三角地區(qū)72個綠色公建項目的綠色設計策略，其中綠色建筑三星項目24個、二星項目45個、一星項目3個。按照綠色設計策略在工程項目中的使用頻次排序，結果如下：自然采光＞屋頂綠化＞自然通風＞地下空間采光＞固定遮陽＞節(jié)能圍護結構＞中庭或天井＞活動遮陽（圖1）。

2.2 設計調研

通過建筑師訪談及問卷調研的方式，了解建筑師對長三角地區(qū)綠色建筑設計策略的偏好、選用原則及關注要點。其中，問卷調研采用線上發(fā)放的形式，回收有效問卷77份。

表1 長三角地區(qū)典型綠色建筑設計案例

1 長三角地區(qū)綠色設計策略調研結果

調研發(fā)現(xiàn)，關于可變建筑表皮技術，被調研者中有13%表示不了解；可調遮陽、建筑外層使用攀援落葉植物和雙層玻璃幕墻技術是建筑師最熟悉和最常使用的（圖2）。在被動式綠色設計策略的使用方面，按照建筑師的使用頻次排序，依次為：自然通風＞自然采光＞固定遮陽＞活動遮陽＞節(jié)能圍護結構＞建筑形體遮陽＞立體綠化。其中，自然采光、自然通風、節(jié)能圍護結構技術是大多數(shù)建筑師的必選策略（圖3）。

2 可變建筑表皮技術了解程度

3 被動式綠色設計策略使用頻次

從氣候適應角度出發(fā)，建筑師普遍認為長三角地區(qū)夏季悶熱、冬季陰冷，夏季日照輻射較強，在圍護結構設計及材料選擇上，應兼顧隔熱和保溫；遮陽設計在實現(xiàn)夏季有效遮擋的同時，應兼顧冬季日照；考慮到6～7月梅雨季節(jié)降雨多、濕度大，應采用恰當?shù)耐L除濕策略。

在建筑設計初期，關于建筑布局（如間距、朝向）和建筑環(huán)境（如聲、光、熱）等初步方案的確定，建筑師主要通過直接參考規(guī)范或者經(jīng)驗判斷，也有多數(shù)建筑師采用軟件模擬分析確定。但部分建筑師由于對建筑性能分析技術認識不夠充分，且無專業(yè)的數(shù)值模擬分析團隊配合前期方案設計，對于不同窗墻比、窗戶/幕墻的可開啟面積、遮陽形式等設計策略達到的預期效果不能做出快速的評估，這是綠色建筑設計中普遍存在的問題。

基于此，筆者所在團隊結合數(shù)值模擬分析方面的經(jīng)驗，給出了長三角地區(qū)適用的自然通風、自然采光及遮陽三種設計策略的量化建議，以便建筑師快速查用。

3 通風設計定性及定量分析

3.1 通風設計原則與策略

自然通風的動力來源于風壓和熱壓。風壓主要是指建筑室外風作用在建筑物外圍護結構，造成室內外靜壓差；熱壓主要產(chǎn)生在室內外溫度存在差異的建筑環(huán)境空間。方案設計之初，應結合當?shù)刈匀毁Y源條件，充分利用風壓與熱壓，優(yōu)化空間布局、剖面設計和外窗設置，從而優(yōu)化氣流組織。

長三角地區(qū)通風設計關鍵布局策略：

（1）通過CFD軟件分析建筑立面風壓，確定開口位置、形式和大小，并進行驗證性分析。

（2）開口位置、形式應有利于形成穿堂風，且減少通風死角。

（3）控制建筑進深小于14m，在建筑兩側設置通風口，保證穿堂風[4]。

（4）公共建筑中應通過大空間的布置，增強空間內部的自然通風效率。

（5）可結合中庭或邊庭的拔風效應加強自然通風效果。

（6）采用中庭設計時，在建筑結構合理的前提下，可優(yōu)先選擇A字形剖面（如文丘里漸縮斷面）；中庭體量應盡量小型化，以3～6層為宜，中庭高寬比宜控制在3:1左右[5]。

3.2 通風效果速查表

本文以24m（長）×16m（寬）×3m（高）房間為對象，采用CFD軟件分析了不同可開啟窗扇或玻璃幕墻與房間地板面積比（以下簡稱“開啟窗地比”）、不同主導風向與開窗立面夾角情況下房間的換氣次數(shù)，流風速設定為3m/s，結果如表2所示。考慮到不同類型窗的室內自然通風效果有差異，筆者所在團隊通過對同一房間安裝不同類型窗的室內自然通風效果進行數(shù)值模擬分析，得出上、下懸窗和平推窗的通風量折算系數(shù)，如表3所示。方案設計初期窗型確定后可以根據(jù)項目所在城市主導風向和來流風速大小來估算建筑的開口面積。

表2 自然通風效果速查表（換氣次數(shù)：次/h）

表3 不同窗型通風量折算系數(shù)表

4 采光設計定性及定量分析

4.1 采光設計原則與策略

充分利用自然采光不但可以節(jié)省大量照明用電，還能提供更為健康、高效、自然的工作環(huán)境[6]。在確保自然采光效果的同時，應注意遮陽、眩目，提高室內采光均勻度。在方案階段，通過側墻開窗、天窗、中庭、導光管等方式，將自然光引入室內，提高室內自然采光效果。

長三角地區(qū)采光設計關鍵布局策略：

（1）合理控制房間進深，單側采光的房間進深宜控制在10m以內。

（2）結合外遮陽構件，采取漫反射的方法，將更多的自然光引入室內。

（3）對于大進深和地下空間，宜優(yōu)先通過合理的建筑設計改善天然采光條件，盡可能避免無窗空間[7]。大進深空間設置中庭、采光天井、屋頂天窗等措施[8]；地下空間宜采用下沉式庭院、半地下室、天窗。

（4）對于無法避免的情況，鼓勵采用反光、導光設施將自然光線引入室內。其中地下空間常用的530mm導光管的采光面積可按22m2/個進行快速估算[9]。

（5）控制建筑室內表面裝修材料的反射比，頂棚面0.7～0.9，墻面0.5～0.8，地面0.3～0.5[8]。

（6）單一立面窗墻比＜0.4時，透光材料的可見光透射比ρ≥0.6；單一立面窗墻比≥0.4時，ρ≥0.4[10]。

4.2 采光效果速查表

本文采用軟件分析了12m（長）×10/12m（寬）×4m（高）兩個房間不同窗地比、不同透光率情況下房間的采光系數(shù)平均值。長三角地區(qū)屬于Ⅳ類光氣候區(qū)，光氣候系數(shù)K=1.1，室外天然光設計照度值Es=13 500lx，模擬房間地面、墻面、天花板反射比分別設置為0.3、0.6、0.75。計算結果如表4所示。

由于自然采光效果受周邊建筑、遮陽構件及表面反射比的影響較大，在具體設計時除查上表外，應進一步通過數(shù)值模擬分析進行量化效果確認。

5 遮陽設計定性與定量分析

5.1 遮陽設計原則與策略

遮陽設計應考慮季節(jié)變化、朝向變化對太陽輻射的不同需求，注重遮陽設施的可調節(jié)性和氣候適應性。

長三角地區(qū)夏季炎熱、冬季寒冷，遮陽設計時應以減少夏季太陽輻射得熱為主，兼顧冬季室內得熱。在利用建筑之間或建筑自身的構件（陽臺、構架、挑板）、形體形成互遮陽和建筑自遮陽的基礎上，優(yōu)先考慮設置可調遮陽設施，尤其是東向和西向；采用固定遮陽時，需配合使用反射比高于0.6的內部可調遮陽措施，且南向宜設置水平外遮陽，具體位置、形式、尺寸等參數(shù)可結合數(shù)值模擬確定。

表4 自然采光效果速查表（采光系數(shù)平均值：%）

綜上，長三角地區(qū)遮陽設計關鍵布局策略：1）充分利用互遮陽和自遮陽；2）優(yōu)先采用可調遮陽；3）固定遮陽結合模擬優(yōu)化設計。

5.2 遮陽效果速查表

為了方便建筑師快速選用固定遮陽的尺寸，本文采用軟件分析了長三角地區(qū)典型城市——上海、杭州、南京、合肥夏季和冬季采用不同遮陽形式的遮陽效果，并將結果整理成速查表，供建筑設計人員在初期設計根據(jù)工程預期達到的遮陽效果，快速查圖表以確定遮陽板的尺寸。本文的遮陽效果指與無遮陽工況相比，設置遮陽后立面累計太陽輻射得熱的降低幅度。限于篇幅，僅列出上海地區(qū)6個朝向的橫向遮陽設計速查表（圖4）和6個朝向的豎向遮陽設計速查表（圖5），詳細內容可參考筆者之前的研究成果[11]。

根據(jù)分析結果，南向、東南及西南向均宜采用橫向遮陽，兼顧夏季遮陽和冬季日照，遮陽板尺寸可按照L/H（遮陽板挑出長度/窗高）在0.1～0.2之間選??；豎向遮陽設計時，建議根據(jù)遮陽效果在10%～30%查表確定遮陽板挑出長度與間距。

4 上海地區(qū)橫向遮陽效果速查表

5 上海地區(qū)豎向遮陽效果速查表

6 結語

本文基于長三角地區(qū)氣候特征的分析，結合工程案例、設計調研、多工況模擬分析，給出了該地區(qū)適用的被動式設計策略的量化建議，并提供了通風、采光和遮陽三大被動式技術的定性原則和量化效果的圖表，便于建筑師在方案設計階段速查確認，以促進被動式綠色技術與建筑設計的有效融合。

圖片來源

表1 中武進維綠大廈圖片來源于文獻[1]，太平鳥高新區(qū)男裝辦公樓圖片來源于上海建科建筑設計院，莘莊10 號樓圖片來源于上海建科文化傳媒有限公司，申都大廈、滬上生態(tài)家、寶業(yè)中心圖片來源于網(wǎng)絡；其他圖表均為作者自繪。