四川夏熱冬冷地區(qū)生態(tài)住區(qū)規(guī)劃及被動(dòng)式節(jié)能住宅設(shè)計(jì)初探
——以成都市為例

李虹霖 （成都大學(xué)，四川 成都 610000）

1 研究背景

建筑耗能在整個(gè)能源消耗格局中占較大比例，其消耗世界資源并產(chǎn)生環(huán)境污染。在中國(guó)，城鎮(zhèn)化促使各地居住用地和住宅不斷增多，住宅規(guī)劃和設(shè)計(jì)開始受到廣泛關(guān)注。然而，目前住宅設(shè)計(jì)多停留在依靠機(jī)械設(shè)備的主動(dòng)式節(jié)能，所采用的生態(tài)節(jié)能方式的效果也有待評(píng)估與反饋。

成都是夏熱冬暖地區(qū)，建筑無供暖，存在能耗大、通風(fēng)差的問題，同時(shí)城市發(fā)展也帶來了環(huán)境污染問題，熱島效應(yīng)日趨嚴(yán)重。

1.1 研究意義

生態(tài)節(jié)能建筑能減少耗能從而改善環(huán)境污染；優(yōu)化居住區(qū)生態(tài)，提高生活質(zhì)量，間接體現(xiàn)城市的現(xiàn)代化水平；能夠?yàn)閱我坏氖袌?chǎng)發(fā)展提供更多更合理的生態(tài)節(jié)能方式，避免節(jié)能技術(shù)的簡(jiǎn)單堆砌；將生態(tài)節(jié)能設(shè)計(jì)從二維提升到三維，以實(shí)際工程為基礎(chǔ)，輔以計(jì)算機(jī)模擬及環(huán)境測(cè)試突破傳統(tǒng)研究模式。

生態(tài)住區(qū)規(guī)劃及被動(dòng)式節(jié)能住宅的推廣對(duì)減少不可再生能源的消耗及我國(guó)大氣污染的改善有著明顯作用，對(duì)優(yōu)化自然環(huán)境起到積極作用。

1.2 研究現(xiàn)狀

生態(tài)建筑的研究國(guó)內(nèi)已有學(xué)者涉及，多數(shù)為生態(tài)學(xué)理論在建筑領(lǐng)域運(yùn)用、指導(dǎo)的設(shè)計(jì)理論框架、原則，學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)的建筑經(jīng)驗(yàn)等，但對(duì)實(shí)際工程、實(shí)踐項(xiàng)目的研究較少，以計(jì)算機(jī)模擬、環(huán)境效果測(cè)試進(jìn)行分析的研究較為缺乏。國(guó)內(nèi)外對(duì)于生態(tài)住區(qū)及被動(dòng)式節(jié)能住宅的研究均未有結(jié)合軟件模擬對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行論證闡述的先例。

2 地理位置基本信息收集

將成都的地理信息輸入Autodesk Ecotect Analysis 中的WeatherTool，提取以成都為代表的夏熱冬暖地區(qū)的氣象資料。

2.1 太陽輻射分析

如圖1 和圖2 所示，成都地區(qū)夏季平均曝輻射量約為1400 kWh∕m2，冬季約為400kWh∕m2。成都地區(qū)建筑最佳朝向165°，最差朝向75°，全年平均輻射量最多的朝向108°，過冷時(shí)間內(nèi)輻射量最多的朝向166°，過熱時(shí)間內(nèi)輻射量最多朝向88°。根據(jù)分析得出的太陽能利用角度對(duì)初步設(shè)計(jì)有著重要作用，影響建筑朝向、體形系數(shù)以及建筑的窗墻比。

圖1 太陽輻射量

圖2 最佳朝向分析

2.2 焓濕圖（圖3）

焓濕圖可提取舒適區(qū)域范圍，其同時(shí)考慮了空氣溫度、相對(duì)濕度、氣流速度和周圍環(huán)境的輻射溫度。焓濕圖中顯示的地域數(shù)據(jù)資料同時(shí)也決定了該地區(qū)室內(nèi)被動(dòng)式節(jié)能的設(shè)計(jì)方式對(duì)建筑熱舒適的影響，以此可確定最有效的被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)方式。如圖3所示，黃色區(qū)域?yàn)闊崾孢m區(qū)間，藍(lán)色的深淺表示逐日頻率。

圖3 焓濕圖

2.3 被動(dòng)式策略分析

如圖4 所示，采用被動(dòng)式太陽能采暖可以提高成都3、4、5、6、9、10、11月的室內(nèi)舒適度，但效果不顯著。采用自然通風(fēng)可以提高成都5～10 月的室內(nèi)舒適度。夜間通風(fēng)與高蓄熱性的圍護(hù)結(jié)構(gòu)或附加構(gòu)件一起使用時(shí)，可改善3～6月，9～12月的室內(nèi)舒適度。

圖4 被動(dòng)式策略逐月效果圖

如圖5所示，被動(dòng)式策略在3～10月效果明顯，自然通風(fēng)在夏季作用顯著，綜合運(yùn)用各種被動(dòng)式策略可提高全年舒適度約3倍。

圖5 被動(dòng)式策略總效果圖

3 節(jié)能設(shè)計(jì)方法與案例分析

被動(dòng)式住宅的節(jié)能需要考慮多方面因素。其中外圍護(hù)結(jié)構(gòu)是耗能最嚴(yán)重的部分；建筑設(shè)備，生物景觀等都可以輔助降低能耗；而能耗也與室內(nèi)舒適度相關(guān)。

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)

3.1.1 墻體設(shè)計(jì)

外圍護(hù)結(jié)構(gòu)首先應(yīng)滿足規(guī)范需求，節(jié)能方面可采用保溫技術(shù)減少建筑對(duì)能源的依賴，根據(jù)成都地區(qū)環(huán)境特征，選擇適當(dāng)?shù)谋馗魺岵牧?，于墻體結(jié)構(gòu)增設(shè)一層或多層保溫材料形成內(nèi)保溫、夾心保溫和外保溫復(fù)合墻體。

3.1.2 屋頂設(shè)計(jì)

適用于成都市的屋頂熱工設(shè)計(jì)方法有：加隔熱保溫材料、倒置屋面（改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)）以及屋頂通風(fēng)防熱設(shè)計(jì)（利用風(fēng)壓、熱壓）。

Ecotect中對(duì)屋頂熱工分析主要也是通過對(duì)屋頂材料的替換對(duì)比來實(shí)現(xiàn)，即改變屋頂材料的熱阻和傳熱系數(shù)。

3.1.3 窗戶設(shè)計(jì)

采用高能量穿透率和地傳熱系數(shù)的玻璃和窗框窗扇材料。成都西曬嚴(yán)重，因此西向應(yīng)注意遮陽，而東向外窗玻璃的遮陽系數(shù)可降低，并提高外窗的氣密性。根據(jù)功能、預(yù)算等選擇合適的節(jié)能玻璃，如中空玻璃、熱反射玻璃、吸熱玻璃、玻璃替代品（聚碳酸酯板）等。除了材料，窗戶的大小也會(huì)直接影響建筑能耗，應(yīng)根據(jù)房間功能設(shè)置合適的窗墻比。

3.2 通風(fēng)組織

3.2.1 建筑朝向

建筑朝向應(yīng)有利于自然通風(fēng)，風(fēng)與建筑產(chǎn)生的夾角，建筑與周圍環(huán)境的遮擋關(guān)系，建筑外形等都會(huì)影響通風(fēng)，利用風(fēng)壓實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)需要塑造良好的建筑外部風(fēng)環(huán)境。根據(jù)成都市全年風(fēng)向特征調(diào)整建筑朝向，將原為北偏東30°的建筑改為正北方向之后，全年總能耗降低。

3.2.2 熱壓通風(fēng)

利用建筑內(nèi)部空氣的熱壓差形成自然通風(fēng)是建筑設(shè)計(jì)中常用的方式，也稱為“煙囪效應(yīng)”。它廣泛應(yīng)用于高層建筑中，利用狹小空間受熱促使空氣升溫上升，外部的新鮮冷空氣則被吸入內(nèi)部，形成風(fēng)力循環(huán)，降溫節(jié)能。熱壓通風(fēng)依靠室內(nèi)外的溫差，需合理設(shè)置進(jìn)、出風(fēng)口的高差。

在實(shí)際案例中，在對(duì)角布置門窗位置，增加其高差，以及空間夾層的設(shè)計(jì)，都是利用風(fēng)壓與熱壓的共同作用，增強(qiáng)建筑自然通風(fēng)效果。調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的同時(shí)，保證空氣質(zhì)量，也能輔助節(jié)能。

3.3 生物氣候?qū)?/h3>

生物氣候?qū)W建筑是生態(tài)建筑的基礎(chǔ)，其原理是學(xué)習(xí)生物體的有機(jī)特性實(shí)現(xiàn)連續(xù)自我調(diào)節(jié)。生物氣候?qū)W方法并不能完全取代人工機(jī)械設(shè)備在建筑中的作用，但可以有效減短依賴設(shè)備的時(shí)長(zhǎng)，相比傳統(tǒng)建筑全年依靠設(shè)施設(shè)備，其能源消耗大幅減小。

3.3.1 垂直循環(huán)系統(tǒng)

垂直循環(huán)系統(tǒng)主要指建筑內(nèi)的豎向聯(lián)系空間，如樓電梯、自動(dòng)扶梯、坡道等，通常是整個(gè)建筑的“服務(wù)核”，同時(shí)是高層建筑交通、支撐的重要部分，是保障多高層建筑正常使用的核心。

從生物氣候?qū)W角度，認(rèn)為服務(wù)核應(yīng)設(shè)在建筑表面“熱”的一側(cè)或兩側(cè)，既能獲得自然光和自然通風(fēng)，又可形成“緩沖區(qū)”，避免外部冷熱空氣對(duì)內(nèi)部空間的直接沖擊。在成都地區(qū)，西側(cè)設(shè)置可防曬，北側(cè)設(shè)置可防寒。

3.3.2 垂直景觀

垂直景觀是把景觀引入建筑，吸引其他生命體，再結(jié)合地面綠化，形成景觀微系統(tǒng)，可調(diào)節(jié)建筑微氣候。綠色植物光合作用和視覺美觀可為使用者提供新鮮的空氣和更舒適的環(huán)境?？罩谢▓@，屋頂綠化等是常用的方式，在成都垂直景觀需要考慮風(fēng)作用及生物影響，共同改善室內(nèi)外環(huán)境。

3.4 室內(nèi)照明技術(shù)節(jié)能設(shè)計(jì)

成都地區(qū)以陰天為主，需要的人工照明時(shí)間長(zhǎng)，功率大，因此合理的照明設(shè)計(jì)也是降低建筑能耗的關(guān)鍵。應(yīng)盡可能利用自然光提供照明；利用Ecotect分析室內(nèi)的自然采光，找出使用照度不足的位置，再根據(jù)功能需要增設(shè)人工照明；注意選擇節(jié)能燈具。

3.5 案例分析

以成都市某小區(qū)為例，進(jìn)行能耗分析。同一個(gè)戶型，保持其他條件不變，分別改變南、西墻材質(zhì)，改小窗戶尺寸，改為相反朝向后的能耗模擬分析圖進(jìn)行比較。從全年總能耗圖中可以看出，改變外墻材料，即改變傳熱系數(shù)對(duì)總能耗的影響最大，縮小窗戶大小，使得散熱更少，保溫性能更好，總能耗降低，但效果不如改變外墻材料明顯，改變朝向?qū)偰芎囊灿幸欢ㄓ绊?。如圖6所示，改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計(jì)，可以找到最經(jīng)濟(jì)，最有效的構(gòu)造。同時(shí)可看出，外墻材料還是原材料更優(yōu)，房間窗戶可以改小，改變朝向后更優(yōu)。

圖6 能耗分析圖

如圖7所示，太陽輻射能小于3MJ∕m2d的區(qū)域需要種植喜陰植物，太陽輻射能介于3MJ∕m2d～6MJ∕m2d的區(qū)域適合種植中性植物，太陽輻射能高于6MJ∕m2d的區(qū)域適合種植喜陽植物。原設(shè)計(jì)庭院中主要為中性植物，植物種類單調(diào)不夠豐富。南部鏤空后的建筑外部場(chǎng)地植物配置基本不變，內(nèi)部植物配置有較大變化，中性植物依舊占大部分，喜陰植物的比例有所增加，這樣能改善庭院內(nèi)部植物配置情況，豐富植物種類。

圖7 植被配置分析圖

原始設(shè)計(jì)中，燈具布置較為稀松，照度值達(dá)到300lux的面積不足一半，故設(shè)計(jì)存在照明不足的問題，如圖8 所示。修改后，增加燈具數(shù)目，建筑中大部分平面的照度值達(dá)到了300lux，特別是客廳和餐廳的照度比較均勻，修改后合理利用設(shè)施滿足使用及節(jié)能要求。

圖8 人工照明分析圖

4 結(jié)語

對(duì)于生態(tài)建筑來說，各種技術(shù)或者是策略的堆砌不是解決能源與環(huán)境問題的好方法。一個(gè)好的生態(tài)住區(qū)和被動(dòng)式節(jié)能住宅的設(shè)計(jì)除了滿足國(guó)家以及建筑設(shè)計(jì)規(guī)范，還應(yīng)該立足于自己的地域環(huán)境，運(yùn)用的節(jié)能策略應(yīng)該適應(yīng)于當(dāng)?shù)丨h(huán)境特征，真正做到因地制宜，讓生態(tài)建筑更具實(shí)施性。