熱帶地區(qū)凈零能耗建筑設(shè)計策略淺析
——以新加坡國立大學(xué)SDE4教學(xué)樓為例

王高遠，陳天（通訊作者）/WANG Gaoyuan, CHEN Tian (Corresponding Author)

1 SDE4教學(xué)樓整體外觀（圖片來源：參考文獻[20]）

表1 主要國家對凈零能耗建筑的定義[2]

1 零能耗建筑的概念與發(fā)展背景

凈零能耗（Net Zero Energy Building，以下簡稱NZEB）是近年來建筑環(huán)境領(lǐng)域不斷被提及的可持續(xù)與能源中性發(fā)展新概念。國際上一直試圖建立對NZEBs的一致理解與評估方法，但對其定義始終未能達成統(tǒng)一。Delia D'agostino等人比較了歐盟和美國對NZEB的定義，提出了辨析近零能耗、零能耗及正能源建筑定義的標(biāo)準[1]。ZHANG J等人比較了世界領(lǐng)先地區(qū)的NZEB定義[2]，指出各定義間的兩個關(guān)鍵差異：（1）是否統(tǒng)計插頭終端負荷，（2）是否統(tǒng)計非現(xiàn)場產(chǎn)生的可再生能源。對比主要國家對凈零能耗建筑的定義（表1[2]）發(fā)現(xiàn)各定義對系統(tǒng)邊界、評價依據(jù)、插座終端能源的使用情況、最低舒適要求與能源要求都有著不同規(guī)定，但在一些議題上存在共性：（1）一次能量是最常用的度量依據(jù)，對于不同類型的能源，該度量容易理解和實現(xiàn)；（2）能源消耗主要包括暖通制冷、日常用水和照明，一般不包括插頭負荷；（3）各定義都強調(diào)采用節(jié)能電器以減少能源消耗。新加坡國立大學(xué)設(shè)計與環(huán)境學(xué)院4號教學(xué)樓（以下簡稱SDE4教學(xué)樓）的凈零能耗理念遵循了美國能源部對NZEB的定義，即建筑每年實際消耗的能源量小于或等于建筑現(xiàn)場產(chǎn)生的可再生能源量[3]。

NZEB的定義目前尚未明確統(tǒng)一，現(xiàn)有研究雖然基本建立了NZEBs的關(guān)鍵技術(shù)體系，但在生命周期能源分析、氣象參數(shù)對建筑物能效的影響、儲能系統(tǒng)、智能建筑運行管理系統(tǒng)等方面仍需發(fā)展和完善。強制政策和激勵措施對促進NZEB的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。表2[10]總結(jié)了當(dāng)前世界范圍內(nèi)零能耗建筑相關(guān)政策，可見發(fā)達國家及地區(qū)的NZEB發(fā)展較早，而我國的相關(guān)政策制定較晚，2017年方由住建部頒布了《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》。2019年9月1日，我國正式實施《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準》，明確了超低能耗、近零能耗、零能耗建筑的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)、建筑能耗指標(biāo)、技術(shù)性能指標(biāo)等，為未來我國近零能耗建筑的發(fā)展建設(shè)指明了方向?，F(xiàn)階段我國凈零能耗建筑發(fā)展仍相對滯后，依然存在以下問題：國土廣闊，氣候差異大，能耗指標(biāo)與技術(shù)路線難以統(tǒng)一；缺乏對氣密性、熱舒適性、新風(fēng)系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等基礎(chǔ)性理論的研究；缺乏高性能的主被動關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品，可再生能源與蓄能技術(shù)集成度低；缺乏對試點示范工程的系統(tǒng)化全過程跟蹤評價，難以對新技術(shù)進行驗證推廣。因此，迫切需要對發(fā)達國家的NZEB實踐典范進分析，為我國零能耗建筑的發(fā)展需求提供參考。

2 熱帶凈零能耗建筑典范——新加坡國立大學(xué)SDE4教學(xué)樓

“可持續(xù)性”是新加坡國立大學(xué)教學(xué)理念的重要組成部分。作為新加坡第一個嚴格意義上的凈零能耗建筑，SDE4教學(xué)樓（圖1）完美詮釋了這一辦學(xué)訴求。其主要結(jié)構(gòu)設(shè)計由亞洲最大的城市化方案提供商之一的盛裕集團負責(zé)，綠建專項設(shè)計由來自德國的建筑氣候性能優(yōu)化公司Transsolar主導(dǎo)。其綜合設(shè)計原則如下：（1）凈零能耗：自身產(chǎn)能≥能量消耗，基于全年建筑用電量和發(fā)電量平衡實現(xiàn)凈零能耗；（2）交互式教育：學(xué)習(xí)，工作和社交場所之間沒有正式界限，建筑本身就是節(jié)能綠建的設(shè)計典范，同時也是現(xiàn)實中的實驗室與教學(xué)場地（圖2）；（3）全面健康：室內(nèi)空間設(shè)計在光照、通風(fēng)、尺度、空氣質(zhì)量等方面都基于大量物理環(huán)境模擬和用戶體驗測評，營造出健康舒適的教學(xué)環(huán)境；（4）互動社群：建筑物在其自身環(huán)境中并不是孤立的實體，通透的結(jié)構(gòu)使其與周邊場地相融，形成類似社區(qū)鄰里的共生關(guān)系，促發(fā)師生間的社交互動。

3 區(qū)位環(huán)境與場地條件

新加坡位于赤道附近，為典型熱帶海洋性氣候國家，全年炎熱潮濕，降雨充沛，海風(fēng)富足。24小時平均溫度從12月和1月的26℃到5月和6月的27.8℃不等，每日溫度范圍為夜間不低于23～25℃，白天不高于31～33℃ （圖3），因此，調(diào)節(jié)得當(dāng)無需空調(diào)即可實現(xiàn)熱舒適。年平均太陽輻照度為1580kWh/m2/year，比溫帶氣候國家的平均水平高出約50%。漫長的日照時間提供了日光利用的巨大潛力，使太陽能光伏技術(shù)在新加坡?lián)碛袕V闊前景[22]。但同時這些氣候條件也對凈零能耗建筑的熱舒適空間設(shè)計產(chǎn)生挑戰(zhàn)。

SDE4教學(xué)樓是新加坡國立大學(xué)設(shè)計與環(huán)境學(xué)院的第四棟教學(xué)樓，位于校園西南部，其周邊環(huán)境日間氣溫（30.8℃）高于校園平均水平，夜間氣溫（28.0℃）低于平均水平，晝夜溫差較小，通風(fēng)良好，日照充足。建筑坐落于肯特崗校區(qū)一個北高南低的山丘，場地高于外部道路約6m，是在原有3幢教學(xué)樓用地附近擴建的示范性教學(xué)空間，同時也是大型校園重建項目的一部分（圖4）。

表2 主要國家對零能耗建筑的政策[10]

4 主動式與被動式建筑設(shè)計策略

主被動式建筑設(shè)計的出現(xiàn)是針對建筑節(jié)能目標(biāo)而提出的。主動式建筑設(shè)計節(jié)能解決方案是指通過技術(shù)創(chuàng)新來降低能耗或提高能效的方式，如節(jié)能燈具、節(jié)能空調(diào)或水泵、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)等。而被動式建筑設(shè)計是指在滿足室內(nèi)舒適度要求（風(fēng)、光、熱等）的前提下，以節(jié)能目標(biāo)為導(dǎo)向，利用自然方式，不需任何機械動力（或機械動力是不以實現(xiàn)室內(nèi)舒適度為目的的輔助動力）來降低能耗的設(shè)計方法，如自然通風(fēng)與采光、被動太陽房、建筑遮陽、屋頂綠化等。SDE4教學(xué)樓充分綜合兩者優(yōu)勢，搭配運用，最大化實現(xiàn)凈零能耗。

2 SDE4教學(xué)樓二至五層平面圖（繪制：王高遠根據(jù)Multiply Architects事務(wù)所項目資料整理繪制）

1-綠建技術(shù)實驗室

2-模型裝配工作室

3-GIS實驗室

4-城市綠植實驗室

5-行政辦公室

6-信息資源中心

7-NUS-CDL智慧綠色實驗室

8-建筑能效中心

9-建筑能效中心訓(xùn)練房

10-展覽空間

11-教學(xué)室

12-景觀平臺

13-建筑工作室

14-專業(yè)教室

15-工業(yè)設(shè)計專業(yè)教室

16-工業(yè)設(shè)計研討室

17-工業(yè)設(shè)計辦公室

18-3D打印實驗室

19-原型實驗室

20-階梯教室

21-計算機實驗室

22-設(shè)計孵化中心

4.1 主動式設(shè)計策略

4.1.1 太陽能農(nóng)場

SDE4教學(xué)樓的巨型遮陽屋頂配備了“太陽能農(nóng)場”（圖5），通過屋頂上的1225塊太陽能光伏電池產(chǎn)生可再生能源。這些電池每年的電能產(chǎn)量超過500mWh，完全滿足SDE4教學(xué)樓的年能耗需求。設(shè)計團隊還考慮到其產(chǎn)能效率會因模塊老化而降低，特增加10%的光伏電池組預(yù)算確保建成后10年內(nèi)仍能保持能耗平衡。

4.1.2 分步節(jié)能程序

設(shè)計團隊通過仿真工具模擬建筑運行，研究立面設(shè)計與室內(nèi)光照及熱環(huán)境的復(fù)雜交互作用，以此指導(dǎo)形體結(jié)構(gòu)、材料搭配與環(huán)境技術(shù)運用等建筑決策。通過特制的迭代交互設(shè)計程序，用戶可重復(fù)介入并定義其目標(biāo)和需求。建筑的能源需求在各步驟中分別計算，每一階段都會引入并測試新的能耗方案。基于這一框架，凈零能耗的實現(xiàn)過程如下（圖6）：（1）以某一參考建筑為基準；（2）優(yōu)化建筑圍護結(jié)構(gòu)：采用光譜選擇性玻璃、防眩光裝置、遮陽懸挑、熱防護材料；（3）優(yōu)化建筑技術(shù)系統(tǒng)：高效的送風(fēng)、回風(fēng)系統(tǒng)，顯熱、潛熱回收系統(tǒng)；（4）從傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢蕴岣呖諝饬魉俚倪m應(yīng)性混合空調(diào)系統(tǒng)；（5）對31個熱區(qū)詳細建模，分區(qū)優(yōu)化采光和人工照明系統(tǒng)；（6）優(yōu)化操作細節(jié)：加強自然通風(fēng)措施，提供可變風(fēng)量；減少插頭負載；采用整體性能系數(shù)大于5.5的高效冷卻裝置。

3 新加坡的月平均溫度，相對濕度和日照時間（圖片來源：圖片來源：參考文獻[21]）

對每一步能耗所需的屋頂或立面光伏區(qū)域面積進行評估，以明確當(dāng)前狀態(tài)與凈零能耗目標(biāo)間的差距[25]。

4.1.3 智能傳感系統(tǒng)

SDE4教學(xué)樓建筑還具有多項智慧能源管理系統(tǒng)（圖7）。如：室內(nèi)空調(diào)的啟動溫度設(shè)定為27℃，并結(jié)合風(fēng)扇與空調(diào)構(gòu)成的混合制冷系統(tǒng)，使室內(nèi)空間不至于過度寒冷。當(dāng)室內(nèi)空氣溫度和濕度高于設(shè)定值時，空調(diào)系統(tǒng)將供應(yīng)冷卻空氣，同時風(fēng)扇功率加強以加快空氣流動。室內(nèi)窗戶裝有感應(yīng)器，當(dāng)窗戶開啟時會自動關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)。

4.1.4 用戶參與

K Janda認為，使用者在建筑物環(huán)境中起著至關(guān)重要的作用[26]。O Masoso等人在2010年進行的一項有趣研究表明，辦公樓在非工作時間比在工作時間消耗的能源更多。這主要由于使用者在工作結(jié)束時將燈光和設(shè)備保持打開狀態(tài)，另有部分原因是分區(qū)和控制不佳[27]。

SDE4教學(xué)樓在運行過程中積極尋求促進用戶參與建筑物性能反饋的方法，采用了Engie開發(fā)的Spacematch App，允許用戶將其舒適度評價傳達給后臺，從而根據(jù)反饋信息來調(diào)節(jié)設(shè)施滿足用戶舒適度需求。該App類似一款游戲，用戶通過選擇他們的舒適條件及按照教學(xué)指令完成節(jié)能任務(wù)（關(guān)燈、不使用空調(diào)、使用樓梯等）贏得積分，既可提高舒適度，又可優(yōu)化日常能耗（圖8）[28-29]。

4.2 被動式設(shè)計策略

4.2.1 形體設(shè)計契合熱帶氣候

SDE4教學(xué)樓是基于氣候適應(yīng)性的凈零能耗建筑，建筑形體深度響應(yīng)了熱帶氣候條件。懸于建筑之上的巨型屋頂覆蓋了建筑與周邊場地，其南部的出挑阻隔了大量太陽輻射。東西向的立面維護結(jié)構(gòu)使用穿孔鋁板，使內(nèi)層玻璃免受太陽直射，為維持較低的內(nèi)部空間溫度提供保障。

建筑在體量組合上采用“浮動箱體”的概念，內(nèi)部空間設(shè)計盡量降低進深，提高布局的通透性（圖9）。同時這些松散堆疊的體塊與半室外公共空間有機結(jié)合，使功能性用房能夠有效換氣，并與豎向風(fēng)路形成密集通風(fēng)網(wǎng)，最大限度利用自然通風(fēng)，降低空調(diào)使用頻率。大部分房間安裝落地窗，可長時間開啟保持通風(fēng)狀態(tài)。建筑效仿傳統(tǒng)東南亞建筑中的“涼廊”手法，尺度形態(tài)各異的半開放空間穿插于實體房間之中，承擔(dān)起隔熱緩沖與社交互動的作用?？傮w來說，遮陽大屋頂與通透的空間設(shè)計，借助太陽能系統(tǒng)、混合制冷系統(tǒng)、自然通風(fēng)與采光系統(tǒng)等綠色節(jié)能技術(shù)的運用為各空間中用戶舒適性及環(huán)境適應(yīng)性提供了建筑體量基礎(chǔ)與保障。

4.2.2 親生物設(shè)計1）融入自然

SDE4教學(xué)樓的周邊景觀為建筑提供了多層次遮陽，有效緩解城市熱島，有助于降低噪音和改善空氣質(zhì)量。對于較高的樓層，綠色景觀對居住者的體驗和幸福感有積極影響。建筑周圍的植被可直接或間接在微觀層面上削減氣候的負面影響。包括地表溫度的降低、熱增益效應(yīng)的減少和不同植物引起的環(huán)境氣候指數(shù)的變化（圖10）。

研究[31]表明各種植物覆蓋下的地面最高溫度不超過36℃，而裸露的硬質(zhì)地面最高溫度達到了58℃。僅裸土層的引入就可使一天的總熱增量顯著降至297.2KJ(約40%的硬質(zhì)地面總熱增量)。再加上植物作用，日熱增量將進一步減少（圖11）。以密集灌木為例，在其熱防護下，地表溫度的最大日變化不超過30℃，最高地表溫度僅為26.5℃，最大熱增量約為164.3KJ(約22%的硬質(zhì)地面總熱增量)。這表明至少在熱帶氣候中，植物的降溫吸熱作用十分顯著，可以充分緩解建筑與氣候之間的沖突。

4 SDE4教學(xué)樓場地分析（繪制：王高遠根據(jù)參考文獻[23]資料整理繪制）

5 太陽能農(nóng)場

6 分步驟實現(xiàn)凈零能耗的“能源故事”（繪制：王高遠根據(jù)參考文獻[25]資料整理繪制）

7 室內(nèi)智能傳感調(diào)控裝置（5.7 繪制：王高遠根據(jù)參考文獻[24]資料整理繪制）

4.2.3 環(huán)境友好型材料

在全年光照充裕的熱帶地區(qū)，某些人工林的生長速度可能比在溫帶氣候下高約4倍。SDE4教學(xué)樓的部分立面材料就來自快速生長的人工林，這些木材本身機械性能相對較弱，而如果開發(fā)成聚合工程木材組件（Mass Engineered Timber，以下簡稱MET，圖12），其比強度將是混凝土的5倍，可適用于柱、梁、樓板等建筑構(gòu)件。熱帶氣候帶來的技術(shù)難點在于要保持木材的水分含量低于20%，以避免真菌侵襲和機械性能下降，同時防止雨水滲入。創(chuàng)新的構(gòu)造設(shè)計增加了木材直接暴露在陽光下的表面積，并增強表面氣流以加快脫水速度，允許木材“呼吸”[32]。

熱帶木材便于就地取用，進行簡單加工即可投入建設(shè)，結(jié)合成熟的預(yù)制工藝可縮短35%的施工時間，避免了工業(yè)材料在生產(chǎn)和運輸過程中的能源消耗與環(huán)境污染。同時，該木材適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂?，采用被動式設(shè)計策略，可獲得良好的建筑性能，減少建筑運行能耗碳排。

4.2.4 水體自然凈化系統(tǒng)

SDE4教學(xué)樓遵循新加坡“ABC”親水設(shè)計導(dǎo)則，將雨水收集與景觀生態(tài)結(jié)合，采用生物自然凈化工藝。在節(jié)水凈水的同時，提高景觀美感與生物多樣性。室外的生物滯留盆地會接納1/3的屋頂雨水徑流。徑流沿途還會通過茂密的濾水植被層，從而減弱雨水侵蝕，美化景觀。這種低維護技術(shù)與低成本的人工微自然系統(tǒng)可以有效吸收、過濾雨水徑流。剩下的2/3徑流會儲存在6層的雨水回收箱中，其容量可以滿足建筑物4天的非飲用水需求（如洗滌與灌溉）。屋頂集水、雨水收集箱及生物沉降池的綜合設(shè)計，既有效降低了雨水的流速與峰值徑流量，又通過營造建筑水循環(huán)將雨水二次利用最大化，并提高了生物多樣性與場地景觀活力（圖13）。

4.2.5 防眩光立面設(shè)計

在熱帶特別是在東南亞地區(qū)，人們對強光十分敏感，習(xí)慣保護自己不受高強度日照的傷害。因此，在熱帶環(huán)境設(shè)計立面需要在高效的太陽能吸收、高比重的自然采光和低眩光率之間權(quán)衡協(xié)調(diào)。為達到最佳的體驗平衡，建筑師采用了綜合對比矩陣以輔助立面設(shè)計決策。

設(shè)計團隊進行了室內(nèi)動態(tài)熱模擬，詳細檢測每個房間的熱舒適狀況，對懸挑設(shè)計及內(nèi)外遮陽（固定的、可變的）的不同方案與多種光譜選擇性玻璃的搭配組合做出評價[25]。混合制冷系統(tǒng)需在特定的條件下為房間提供既定量的新鮮空氣，所以系統(tǒng)的制冷負荷是固定的，而熱舒適性則會因不同的立面方案而產(chǎn)生差異。

圖14展示了南向空間各方案組合下的綜合效果(東、西立面由外部結(jié)構(gòu)保護)，綠色代表更好的性能。其中的牽制關(guān)系是顯而易見的。例如：對于2m懸挑裝置搭配外部遮陽板的方案，其熱舒適性良好，空間全自然采光度較高，但眩光概率也較高；而對于2m懸挑裝置搭配有眩光防護作用的內(nèi)部屏障方案，則眩光概率降低，但熱舒適性與空間全自然采光均會降低。綜合考量各種組合的優(yōu)勢與局限性，最終立面方案確定為2m懸挑裝置搭配上部遮光百葉窗和下部防眩光屏障（圖15）。

8 Spacematch 反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)（圖片來源：參考文獻[28]）

9 建筑形體設(shè)計示意（繪制：王高遠根據(jù)Multiply Architects事務(wù)所項目資料整理繪制）

10 場地中多樣化的綠植（圖片來源：參考文獻[30]）

11 不同地表覆蓋面的溫度變化（圖片來源：參考文獻[31]）

12 由熱帶人工林加工而成的MET組件（圖片來源：參考文獻[32]）

4.3 主被動結(jié)合式設(shè)計策略

SDE4教學(xué)樓并沒有一味追求室內(nèi)空調(diào)節(jié)能技術(shù)，而是將主動式的機械通風(fēng)與被動式的自然通風(fēng)相結(jié)合，運用混合制冷系統(tǒng)，以較低能耗滿足更具氣候特色的熱舒適要求。研究結(jié)果表明[25]，更快的空氣流速與更高的整體熱舒適水平在一定范圍內(nèi)呈相關(guān)，特別是在混合通風(fēng)或自然通風(fēng)空間。在溫暖的氣候下，使用風(fēng)扇增加空氣流速可以提高舒適溫度上限，使其更接近平均操作溫度。平均熱感覺指數(shù)（Predicted Mean Vote，以下簡稱PMV）是以人體熱平衡的基本方程式及心理生理學(xué)主觀熱感覺等級為基礎(chǔ)構(gòu)建的熱舒適評價指標(biāo)。PMV指數(shù)代表群體對于7個等級（+3～-3）熱感覺投票的平均指數(shù)，可以表征同一環(huán)境下絕大多數(shù)人的熱感覺。PMV值越小，體感越冷；反之亦然。

圖16展現(xiàn)了在0.7m/s的風(fēng)速下，4種制冷系統(tǒng)的PMV值分布情況。右側(cè)柱狀圖表示PMV處于相應(yīng)數(shù)值范圍內(nèi)的時間百分比?？梢妭鹘y(tǒng)空調(diào)制冷系統(tǒng)和混合制冷系統(tǒng)都能提供高舒適度（0.5≥PMV≥-0.5）的環(huán)境，但顯然后者可以提供更寬容的環(huán)境參數(shù)范圍，即可以通過更小的環(huán)境調(diào)節(jié)成本使使用者得到相同舒適度的體驗。而在能耗方面，混合系統(tǒng)同樣事半功倍，可在不影響熱舒適性的前提下，減少高達50%的電能消耗。

SDE4教學(xué)樓的混合冷卻系統(tǒng)是一個沒有循環(huán)空氣的單通道系統(tǒng)，由中央空調(diào)、吊扇與自然風(fēng)構(gòu)成。雖然無法為房間提供預(yù)冷空氣，但通過吊扇增加空氣速度，建筑仍可在較高的溫度濕度條件下營造出比傳統(tǒng)空調(diào)制冷空間更為舒適的環(huán)境。其室內(nèi)溫度由恒溫器控制在27～28℃，當(dāng)被動式手段無法滿足使用者需求時，會啟動空調(diào)系統(tǒng)降低溫度。相較于純空調(diào)制冷的密閉環(huán)境，該系統(tǒng)還通過可操作式窗戶增加自然通風(fēng)與新鮮空氣（圖17）。

5 性能驗證

SDE4教學(xué)樓作為新加坡第一座以凈零能耗為目標(biāo)導(dǎo)向的建筑贏得了多項綠建殊榮。它是新加坡建設(shè)局在2018年國際綠色建筑會議期間推出的首個Green Mark超低能耗示范性建筑，并贏得了BCA2019鉑金級 Green Mark Awards for Buildings，能耗類別被判定為Zero energy[34]。2019年10月，SDE4教學(xué)樓又榮獲金獎級別WELL認證，是新加坡首個WELL認證建筑，也是WELL史上首個獲此殊榮的大學(xué)建筑。

5.1 相關(guān)綠建指標(biāo)驗證

SDE4教學(xué)樓的節(jié)能效率（38.10kWh/m2/year）在能源友好型教育建筑中并非最為突出（圖18）。根據(jù)新加坡建設(shè)局制定的能效指數(shù)（Energy Efficiency Index）計算公式EEI=（TBEC/GFA）×（55/OH）可得，其能效指數(shù)為34.93kWh/m2/year，遠遠小于Green Mark鉑金級節(jié)能建筑的能效指數(shù)標(biāo)準（120-140kWh/m2/year）[35]，表明SDE4教學(xué)樓已是同類建筑中能效表現(xiàn)的佼佼者。

使用Ecotect分析每層樓的太陽輻射狀況，統(tǒng)計出每層樓太陽輻射度大于120Wh/m2的面積比例，再經(jīng)匯總核算后得知SDE4教學(xué)樓建筑總面積的82.75%滿足太陽輻射度的要求。

將主要綠建設(shè)計目標(biāo)與實際運行狀況對比可知（表3），SDE4教學(xué)樓整體上達到了預(yù)期效果，除景觀可獲得性外，其他目標(biāo)均已實現(xiàn)，尤其在核心節(jié)能表征——能效指數(shù)上表現(xiàn)優(yōu)越，完全實現(xiàn)了凈零能耗目標(biāo)。

13 建筑水循環(huán)（圖片來源：參考文獻[32]）

14 立面方案評估（圖片來源：參考文獻[25]）

15 立面防眩光設(shè)施（圖片來源：參考文獻[24]）

16 4種制冷方案下的舒適度狀況（圖片來源：參考文獻[25]）

17 混合制冷系統(tǒng)示意圖（圖片來源：參考文獻[24]）

表3 SDE4教學(xué)樓實際性能對比設(shè)計目標(biāo)

5.2 熱舒適度驗證

5.2.1 室內(nèi)空間熱舒適

室內(nèi)空間采用混合制冷系統(tǒng)，對于其熱舒適驗證，首先從不同制冷條件下使用者對熱環(huán)境的主觀接受度開始。26位受訪者（13名男性，13名女性）分別在相對濕度基本保持恒定（58%）的SDE4中3號研討室進行3小時的學(xué)習(xí)活動，期間可按要求更改制冷條件（圖19）。結(jié)果表明，熱環(huán)境可接受度最終達到100%，混合制冷系統(tǒng)能夠完全滿足SDE4教學(xué)樓使用者的室內(nèi)熱舒適要求。

在此基礎(chǔ)上繼續(xù)探究空氣流速的作用效果，采用ASHRAE標(biāo)準7級量表統(tǒng)計使用者在不同溫度與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下的熱感覺投票（Thermal Sensation Vote，以下簡稱TSV，圖20）。結(jié)果顯示在各溫度段，使用者都可以依靠調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速實現(xiàn)熱舒適。在溫度較高時，混合制冷比空調(diào)制冷有更高的中性響應(yīng)率，即更多的使用者在混合通風(fēng)空間中達到舒適體驗。

5.2.2 半室外開放空間熱舒適

SDE4教學(xué)樓的半室外開放空間在活動場所中占很大比重，其熱舒適主要依靠被動式策略實現(xiàn)。2019年12月1日的實地測量選取5個典型開放空間作為測點，首先運用方法一，借助RayMan model[36]對實測數(shù)據(jù)處理計算，以生理等效溫度（Physiological Equivalent Temperature，以下簡稱PET）為指標(biāo)，以Matzarakis等人[37]的熱帶地區(qū)熱感覺分級為標(biāo)準驗證熱舒適狀況（表4[38]）。結(jié)果顯示，氣象站的熱舒適為“稍暖”，2、4號測點均實現(xiàn)熱中和，而3、5號測點非常接近熱中和范圍。1號測點因暴露于太陽直射下，實測時段PET達到“暖”區(qū)間。再運用方法二，借助加利福尼亞大學(xué)伯克利分校開發(fā)的Thermal Comfort Tool[39]，以焓濕圖的方式驗證熱舒適度 （表4）。結(jié)果顯示3、4、5號測點均達到ASHRAE Standard 55-2017熱舒適要求，2號測點非常接近熱舒適標(biāo)準，1號測點與氣象站未能達標(biāo)。兩套驗證方法的結(jié)果大體一致，綜合判斷可知大部分測點的熱舒適度較氣象站整體上有顯著提升，并基本滿足使用者熱舒適需求。憑借被動式設(shè)計策略，SDE4教學(xué)樓的半室外開放空間達到了良好的熱舒適效果。

18 SDE4教學(xué)樓對比其他綠色教育建筑的節(jié)能效率（繪制：王高遠）

19 3號研討室熱環(huán)境可接受度

20 3號研討室TSV百分比堆積柱形圖（19.20 圖片來源：參考文獻[24]）

表4 SDE4教學(xué)樓半室外開放空間測點及氣象站數(shù)據(jù)

6 綠建對比

新加坡2005年推出首個針對熱帶地區(qū)的綠色建筑認證體系Green Mark，此后進行了大規(guī)模的綠色建筑實踐。將SDE4教學(xué)樓與其他建筑類型的成功案例Khoo Teck Puat，PARKROYAL On Pickering及Sky Ville進行對比，探尋它們在綠建設(shè)計策略上的異同。對比發(fā)現(xiàn)（表5）：（1）四者都在體量上開設(shè)孔洞、頻繁使用架空錯層、設(shè)置中庭等手法，以此導(dǎo)入自然通風(fēng)，并增加建筑表面積與建筑面積之比，從而減少建筑用料與熱損失；（2）高層建筑的親生物性主要通過構(gòu)建垂直綠化體現(xiàn)，多層建筑則致力于營造與場地的共生關(guān)系，將場地植被與景觀延續(xù)進建筑內(nèi)部；（3）外窗作為熱工性能最弱的構(gòu)件，在圍護結(jié)構(gòu)中占據(jù)最大比例的傳熱量。對此的基本解決思路分為兩種：一是從玻璃性能入手，使用隔熱節(jié)能、熱反射鍍膜等遮陽系數(shù)小的玻璃；二是從可變性上入手，使用可調(diào)節(jié)式百葉窗控制進入建筑的氣流。SDE4教學(xué)樓的做法則是基于大量實驗將兩者兼之；（4）在節(jié)水方面，SDE4教學(xué)樓采用與其他三者感應(yīng)式滴灌不同的生物滯留系統(tǒng)，實現(xiàn)循環(huán)儲水再利用，并提高場地生物多樣性；（5）雖然SDE4教學(xué)樓選擇太陽能作為可再生能源，與其他三者無異，但它以混合制冷系統(tǒng)為主要途徑削減能耗，在充分節(jié)能基礎(chǔ)上，更直接地面向用戶熱舒適體驗。綜上對比，SDE4教學(xué)樓的綠建設(shè)計策略充分吸取現(xiàn)有經(jīng)驗并深入優(yōu)化，開創(chuàng)了一套能整體實現(xiàn)凈零能耗且更針對用戶熱舒適優(yōu)化的技術(shù)方法。

表5 綠建項目對比

7 結(jié)語

新加坡國立大學(xué)SDE4教學(xué)樓是新加坡第一個嚴格意義上的凈零能耗建筑，其創(chuàng)新之處在于：（1）在保證熱舒適的前提下，不僅利用屋頂1225塊太陽能光伏電池組成的“太陽能農(nóng)場”生產(chǎn)足夠的再生能源，同時采用周全的節(jié)能減排方案，盡量減少建筑能耗，提升建筑用能效率，使實際能效指數(shù)遠小于目標(biāo)能耗，實現(xiàn)了凈零能耗目標(biāo)。（2）將親生物設(shè)計融入自然。建筑周邊的大面積植被覆蓋與建筑形成良好互動；采用熱帶氣候友好型木材，不僅獲得良好的建筑性能，也減少了建筑運行能耗與碳排放；將雨水收集與景觀生態(tài)結(jié)合，在節(jié)水凈水的同時，提高景觀美感與生物多樣性。（3）主被動結(jié)合式設(shè)計策略將主動式的機械通風(fēng)與被動式的自然通風(fēng)相結(jié)合，運用混合制冷系統(tǒng)，以較低能耗滿足更具氣候特色的熱舒適要求。（4） 使用戶介入建筑自調(diào)節(jié)機制，既可以提高用戶舒適度，又可優(yōu)化日常能耗，提高建筑的可持續(xù)性。然而其局限性依然存在，如：僅對建筑單體進行改造提升，若能與周邊建筑群及其他用電單位有機結(jié)合，將會對環(huán)境與能源供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生更積極影響。我國開展熱帶地區(qū)凈零能耗建筑實踐的過程中，在發(fā)揚SDE4教學(xué)樓的主動式與被動式氣候適應(yīng)性設(shè)計優(yōu)秀經(jīng)驗的同時，應(yīng)著重考慮建筑與社區(qū)或更大尺度區(qū)域間的復(fù)雜影響，探討將其與城市電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)合配置的可能性，從單體優(yōu)化轉(zhuǎn)向群體協(xié)同，進而實現(xiàn)片區(qū)整體能耗平衡[40]。

注釋

1）譯自英文“biophilic design”，親生物設(shè)計是建筑行業(yè)中使用的一種概念，通過使用直接或間接方式，從空間和位置上增加建筑與自然環(huán)境的連通性。