一種自適應(yīng)地域特征的鄉(xiāng)村太陽能建筑設(shè)計方法
——以2019“臺達杯”獲獎作品“陽光·風動”為引

宋汪耀 周鐵軍，2 張海濱 謝瑞杭

1 重慶大學建筑城規(guī)學院

2 重慶大學山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室

以合理性與機能性為第一要務(wù)的現(xiàn)代鄉(xiāng)村住宅忽略了建筑的個性，安藤忠雄說：“現(xiàn)代住宅并不意味著為滿足商品經(jīng)濟而缺乏個性，住宅能呈現(xiàn)當?shù)鼐用耖L久的生活狀態(tài)和氣候風土，應(yīng)當具有本土性?！薄瓣柟狻わL動”作為2019年“臺達杯”獲獎作品，其設(shè)計挖掘傳統(tǒng)建筑潛在的節(jié)能策略與人文特征，與被動式太陽能技術(shù)一起融入新建筑[1]，使三者耦合一體（圖1）。具體措施如下：體型主要考慮傳統(tǒng)體型以及最佳節(jié)能體型系數(shù)的限制；平面以被動風壓通風為主，借鑒傳統(tǒng)建筑構(gòu)建平面穿堂風的策略，局部采用混凝土相變蓄熱地板；在傳統(tǒng)立面適應(yīng)地域氣候的策略上進行優(yōu)化，并植入適宜的被動制冷采暖組件，配合植物生命周期控制立面得熱[2]；剖面圍繞地域空間形態(tài)進行熱壓通風降溫設(shè)計，將陽光間與太陽能煙囪整合于樓梯、門廳的玻璃腔體中，形成“樓梯—門廳—吊頂—地板”一體化的降溫集熱系統(tǒng)；節(jié)點采用新型模塊夯土墻、長波輻射冷卻玻璃窗、新型容器式屋頂綠化等構(gòu)造，形成一種適應(yīng)地域特征的鄉(xiāng)村太陽能建筑設(shè)計方法。

1 基地條件、地域建筑特征

項目位于桐廬縣鳳川三鑫村鳳溪玫瑰教育研學基地內(nèi)，在三山夾谷、兩溪交匯的小河谷平原上。夏熱冬冷，季節(jié)差異較大，夏季盛行東北風，冬季盛行北風，全年伴有少量西南山谷風，風速3～4m/s，太陽能資源屬于三類。

以典型地域鄉(xiāng)土建筑為對象，按時間、空間、形式、功能、技藝的順序分析其建造行為的組織模式，總結(jié)地域鄉(xiāng)土建筑的三種形態(tài)：“一字形”屋、“對合式”院落、“復(fù)合式”院落。“一字形”屋以山墻與山墻的連續(xù)拼接形成風巷帶，風巷帶是古村落的交通體系，也是古鎮(zhèn)基本肌理以及村落規(guī)劃對風環(huán)境做出的適應(yīng)性策略?！耙蛔中巍蔽莸讓硬辉O(shè)走道，每個房間直接對風巷帶開門，穿堂風與風巷帶協(xié)同帶走室內(nèi)熱量，部分風巷帶還會配合水渠加強通風降溫效果。“對合式”院落和“復(fù)合式”院落具有內(nèi)向型的庭院或天井，多呈狹長或孔狀矩形，可以起到采光、排濕、通風、換氣的作用。坡屋頂向庭院、天井內(nèi)出挑0.6～0.8m，防止陽光的直射。院落兩側(cè)山墻的兩次間各有一條夾道，被稱為四尺弄，四尺弄將天井與室外直接連接，形成“四尺弄+天井”的通風體系[3-4]。

2 自然要素指導(dǎo)節(jié)能規(guī)劃設(shè)計

太陽能鄉(xiāng)村建筑在規(guī)劃前期著重考慮建筑對地域氣候以及物理地形的適應(yīng)[5]。以傳統(tǒng)古村落的風巷帶作為交通以及適應(yīng)地域氣候通風策略的規(guī)劃思想，并將其作為現(xiàn)狀建筑規(guī)劃布局的基本準則，而后充分考慮風、光、水、山等自然地形要素對建筑節(jié)能規(guī)劃設(shè)計層面的制約，進而做出應(yīng)對策略。

2.1 日照制約

在建筑設(shè)計層面，日照主要制約建筑的采光設(shè)計、太陽能板系統(tǒng)的最佳迎面角度、建筑遮陽體系設(shè)計等。在建筑規(guī)劃布局層面，日照主要指導(dǎo)建筑的朝向布局。將桐廬當?shù)厝照諈?shù)導(dǎo)入節(jié)能模擬軟件進行模擬，得出建筑布局的最佳朝向為南偏西15°～南偏東25°（圖2），在此范圍內(nèi)達到全年得熱與散熱綜合平衡點。

2.2 風環(huán)境制約

主導(dǎo)風向制約著建筑的通風布局。利用夏季主導(dǎo)風的基本方式有兩種，一是將風引入建筑之間形成風道帶，利用風壓通風；二是風向與建筑垂直交接形成穿堂風，冬季規(guī)避主導(dǎo)風?！瓣柟狻わL動”基地夏季為東北主導(dǎo)風，受制于建筑的朝向布局，因此選擇利用風壓通風的策略。建筑小體量連續(xù)行列排布，形成三條東西向橫穿基地的風道帶，風道帶在東側(cè)擴大、西側(cè)收縮，成漏斗狀，與頂端局部架設(shè)的玻璃頂協(xié)同優(yōu)化風道帶的通風效果（圖3），同時北向連續(xù)體量也阻擋了冬季主導(dǎo)風。最后將基地的風環(huán)境數(shù)據(jù)導(dǎo)入Winnar中，對建筑風環(huán)境進行可行性驗證及評估，優(yōu)化調(diào)整建筑布局（圖4），從而創(chuàng)造合理、利于節(jié)能的外部風環(huán)境。

1 陽光·風動效果圖

2 建筑布局的最佳朝向

2.3 地形環(huán)境利用

地域性鄉(xiāng)村太陽能建筑設(shè)計應(yīng)充分利用地形組成要素（如植物、水體、山等），在適應(yīng)地形的基礎(chǔ)上進行節(jié)能設(shè)計。此過程主要側(cè)重植物和水系的利用，例如屋頂綠化隔熱、利用植物壽命周期遮陽、水系作為自然冷源調(diào)節(jié)建成環(huán)境的微氣候、與風結(jié)合加強通風降溫效果等?！瓣柟狻わL動”利用地形進行節(jié)能設(shè)計，將周圍玫瑰基地的花草移植于建筑屋頂，有效阻斷夏季屋頂?shù)臒崃總鬟f。南向配合落葉喬木，減少夏季立面的直接得熱；北側(cè)臨水建筑架高2 400mm，在創(chuàng)造開放空間的同時，引河流冷空氣進入風道帶，加強通風降熱效果。將其他建筑組團底部架高900mm，首層地板設(shè)置可開啟通風口，加強底部的通風、隔濕。同時將建筑底部的冷空氣作為冷源，通過通風口引入室內(nèi)，提升室內(nèi)舒適度。

3 適宜被動式太陽能技術(shù)與地域建筑耦合設(shè)計

3.1 耦合概念

引入電子學和電信工程領(lǐng)域的“耦合”概念，“耦合”就像一個電容器，可以幫助直流與交流電適配互轉(zhuǎn)，使兩者兼容共存。地域性鄉(xiāng)村太陽能建筑設(shè)計包含三個對象：適宜的太陽能技術(shù)、建筑形式與功能、建筑地域文化特征。三個對象之間的融合關(guān)系以及一體化的設(shè)計過程是鄉(xiāng)村太陽能建筑的最終走向，建筑的體形、平、立、剖設(shè)計過程為中間介質(zhì)“電容器”[6]，兼容太陽能技術(shù)與典型民居建筑的地域文化特征。

3.2 形體耦合設(shè)計

體形系數(shù)是建筑節(jié)能的一項重要指標，體形越復(fù)雜、系數(shù)越高，越不利于建筑節(jié)能。假設(shè)建筑的長為2a、寬為a（長寬比2:1）、高為 H，則體形系數(shù)計算公式為：

若建筑的總體積和長寬比一定，那么該建筑就能得出一個最佳節(jié)能設(shè)計尺寸[7-8]。因此，在體積一定的前提下，建筑的長寬比相當重要，它與建筑朝向一起影響著建筑接受輻射的熱量（表1）。

分析上述數(shù)據(jù)并結(jié)合模擬的桐廬本地建筑最佳朝向結(jié)果得知，在體積滿足功能排布的前提下，建筑的平面長寬比宜為1:1，帶入公式可求得最佳高度。最終，在建筑體形設(shè)計過程中，采用傳統(tǒng)民居的坡頂形式，并與太陽能光電、光熱板的最佳傾角結(jié)合，選取合適坡度值，再與建筑最佳節(jié)能體形系數(shù)綜合，在滿足平面功能布局的前提下，選定長10.8m、寬9.9m、高7.2m、屋頂坡度25°的建筑體量。

3.3 平面耦合設(shè)計

平面耦合設(shè)計從傳統(tǒng)平面特征的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)譯出發(fā)，在自然通風、避免過量太陽輻射的設(shè)計中遵守窗門對位、避免套間（家具）遮擋室內(nèi)穿堂風道、設(shè)置南向熱傳遞緩沖區(qū)的原則?！瓣柟狻わL動”將傳統(tǒng)建筑“一字形”平面、“內(nèi)向型”庭院的特征進行現(xiàn)代轉(zhuǎn)譯，公共教學、體驗中心給予開放的庭院空間，居住部分建立相對內(nèi)向的庭院空間秩序。以風道作為各功能區(qū)的公共交通空間，將居住功能房間的陽臺、廁所置于南向，形成熱量傳遞緩沖區(qū)。走廊設(shè)置于北側(cè)以規(guī)避冬季主導(dǎo)風，陽臺地面采用相變蓄熱地板集熱，整合陽光間、熱壓通風系統(tǒng)于門廳、樓梯的玻璃腔體中（圖5）。進而形成了“北單廊—復(fù)合功能玻璃樓梯間、門廳—不同功能、不同開放程度庭院”的平面布局。

3.4 立面耦合設(shè)計

將技術(shù)、傳統(tǒng)策略耦合于立面設(shè)計中，遵守傳統(tǒng)建筑立面特征，在現(xiàn)有傳統(tǒng)建筑立面適應(yīng)氣候策略的基礎(chǔ)上進行改良，將更為細致的現(xiàn)代節(jié)能組件和被動式組件植入立面[9-10]。桐廬傳統(tǒng)民居的厚墻小方窗形式，在遮擋太陽輻射的同時也導(dǎo)致了通風采光的不足。在此基礎(chǔ)上進行立面被動式策略層次的優(yōu)化，將小方窗形式復(fù)制，擴大采光面積，增加陽臺空間緩沖隔熱。將傳統(tǒng)挑檐形式弱化并轉(zhuǎn)譯，融入立面中，形成傾斜15°的立面自遮陽體系[11]，使其能夠在夏季遮陽、冬季得熱（圖6，7）。最后于立面各部位植入適宜的被動式采暖組件及被動式制冷組件（表2）。

3 風道帶優(yōu)化

4 建筑風環(huán)境模擬以及優(yōu)化

5 復(fù)合功能樓梯、門廳玻璃腔體

6 自遮陽體形

7 夏、冬立面輻射對比

表1 不同長寬比和朝向的外墻接受輻射的比值

表2 被動采暖制冷組件植入建筑部位

3.5 剖面耦合設(shè)計

剖面設(shè)計包含空間形態(tài)與梁、柱、墻板等支撐維護體系兩部分。受地域環(huán)境和文化特色的影響，“陽光·風動”以空間形態(tài)轉(zhuǎn)譯的方式構(gòu)建傳統(tǒng)建筑剖面，并采用隱喻、暗示等方法回應(yīng)地方文化特征[12]。墻、樓板、梁、柱部位協(xié)助構(gòu)建陽光間、熱壓通風系統(tǒng)和相變蓄熱系統(tǒng)，從而使建筑達到節(jié)能的目的[13]。剖面以物理環(huán)境為基礎(chǔ)，將北側(cè)臨水面架空，創(chuàng)造良好的交往空間和景觀視野。借鑒傳統(tǒng)建筑二層朝庭院天井出挑走道兼作遮陽與活動空間的思想，建筑剖面朝庭院出挑開敞走道，回應(yīng)地方建筑空間形態(tài)。

將陽光間、熱壓通風系統(tǒng)和相變蓄熱系統(tǒng)統(tǒng)一布置于雙層玻璃樓梯間（外層為普通玻璃、內(nèi)層為長波冷卻輻射玻璃）和門廳內(nèi)，形成降溫集熱系統(tǒng)（圖8）。屋頂樓板局部采用蓄熱混凝土，并建造四面開口雙層屋面空腔，做熱緩沖層。夏季關(guān)閉腔體下部樓板出風口，開啟外墻出風口，隔絕屋頂熱量；冬季關(guān)閉外墻出風口，開啟腔體下部出風口，為室內(nèi)提供熱量（圖9），從而營造節(jié)能、生態(tài)、本土的剖面。

4 節(jié)點節(jié)能與主動式補償

鄉(xiāng)村太陽能建筑的節(jié)點節(jié)能設(shè)計主要考慮門窗、墻體的保溫隔熱以及樓地面的構(gòu)造設(shè)計?！瓣柟狻わL動”采用工業(yè)節(jié)能門及雙層中空長波輻射冷玻璃窗，外墻構(gòu)造創(chuàng)造性地運用保溫隔熱性能良好的原始鄉(xiāng)土材料制作的模塊夯土墻（圖10），替代磚作為填充物使用[14]。樓蓋層平坡結(jié)合，坡面以太陽能光電、光熱系統(tǒng)做主動式補償，平面采用較傳統(tǒng)綠化屋面更方便管理、造價更低的新型容器式屋面綠化[15]（圖11），以主、被動技術(shù)的耦合解決被動式蓄熱、放熱不可控的問題（圖12）。夏季夜晚熱壓、風壓通風效率大幅降低，蓄熱組件放熱，以靜音軸流風機輔助通風平衡室內(nèi)外溫度；白天在被動通風不足的時段空調(diào)系統(tǒng)輔助制冷，提高室內(nèi)舒適度。

5 結(jié)語

節(jié)能是當下建筑設(shè)計圍繞的主題之一，也必將是未來很長一段時期討論的主題。目前，太陽能技術(shù)的研究已經(jīng)有了許多成果，現(xiàn)代鄉(xiāng)村建筑中也逐漸出現(xiàn)了太陽能產(chǎn)品的運用，但仍缺乏對主、被動式太陽能技術(shù)系統(tǒng)性的設(shè)計。同時對于鄉(xiāng)村建筑設(shè)計本身的考慮不足，鄉(xiāng)村振興背景下的鄉(xiāng)村建筑應(yīng)當是節(jié)能的、地域的，應(yīng)該更注重“鄉(xiāng)土”與“本土”精神。從基地物理條件出發(fā)而展開的系統(tǒng)性被動式太陽能技術(shù)，通過與建筑、地域精神耦合的設(shè)計方法，可以為今后鄉(xiāng)村建筑的發(fā)展指出方向，也可以為鄉(xiāng)村太陽能建筑設(shè)計提供一種思路。

8 玻璃腔體降溫集熱系統(tǒng)

9 剖面節(jié)能策略

10 夯土模塊墻

11 容器式屋頂綠化

12 主、被動技術(shù)耦合

圖表來源

表1 由作者根據(jù)文獻[5]改繪；其余圖表均由作者自繪。