改善熱環(huán)境的公共建筑形態(tài)設(shè)計(jì)優(yōu)化

劉聰 單玥 朱嫻

摘要：本文針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)，從形態(tài)設(shè)計(jì)手段著手，改善建筑熱性能，通過Ecotect（節(jié)能技術(shù)）等軟件分析設(shè)計(jì)手段對(duì)建筑熱環(huán)境產(chǎn)生的影響，得出該建筑熱工能耗趨勢(shì)，反映設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)建筑熱環(huán)境的影響。

關(guān)鍵詞：熱環(huán)境;公共建筑;設(shè)計(jì)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TU242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2021）15-0-02

在國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的過程中，建筑業(yè)與交通運(yùn)輸業(yè)能源消耗占比最大，在這種形勢(shì)下，降低建筑耗能，推進(jìn)建筑節(jié)能，有利于減少大氣污染及溫室氣體排放，緩解我國(guó)能源壓力，同時(shí)也能為資源的高效、合理利用提供有力保障。建筑節(jié)能是可持續(xù)發(fā)展概念的體現(xiàn)，也是世界建筑設(shè)計(jì)潮流，已成為世界建筑行業(yè)共同關(guān)注的課題。因此，本文通過設(shè)計(jì)手段達(dá)到建筑本體節(jié)能，降低建筑中采暖和制冷能耗，為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

建筑形態(tài)設(shè)計(jì)差異主要表現(xiàn)在建筑朝向、平面形式、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等方面，建筑受日照輻射影響存在很大的差異，需要分別考慮建筑形式、圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時(shí)，建筑形式、圍護(hù)結(jié)構(gòu)也會(huì)影響建筑能耗與光熱性能。為創(chuàng)造良好的建筑熱環(huán)境，設(shè)計(jì)優(yōu)化方案主要從光、熱、風(fēng)等方面綜合考慮。

1 建筑模型與氣候參數(shù)

1.1 建筑模型概述

該建筑設(shè)計(jì)方案位于上海市長(zhǎng)寧區(qū)廣順路，地勢(shì)平坦、交通便利，是一個(gè)以養(yǎng)老為主的開發(fā)項(xiàng)目。建筑總占地面積2227.95㎡，容積率1.16，無(wú)地下室，采用平屋頂。建筑物各單元高度為19.8 m、16.5 m和6.6 m，對(duì)應(yīng)6層、5層和2層，因此該建筑的熱環(huán)境模擬結(jié)果具有較高的代表性，涵蓋了長(zhǎng)江三角洲地區(qū)低層和多層住宅樓常見高度?？偨ㄖ娣e9340.18㎡，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為7度。保溫外墻采用9 mm刨花板+160 mm石墨聚苯板+9 mm刨花板+12 mm空氣+10 mm石膏;屋面以及樓板保溫層在墻體基礎(chǔ)上去除空氣層;外窗采用三玻兩腔聚氨酯合金窗，玻璃厚度6 mm，中空玻璃空氣層厚度9 mm，傳熱系數(shù)為0.8W/（m2.k）。

1.2 熱氣候條件

上海地處北緯31°40'至31°53'、東經(jīng)120°51'至121°12'之間，亞熱帶季風(fēng)性氣候，年平均氣溫17.1℃。雨熱同期，日照雨量充足，四季分明，春秋較短，冬夏較長(zhǎng)。6月至7月有梅雨，高溫一般出現(xiàn)在6月至9月。上海位于長(zhǎng)江下游，夏季盛行東南風(fēng)，冬季盛行偏北風(fēng)。冬至日正午太陽(yáng)高度角為35°34'，夏至日正午太陽(yáng)高度角為82°26'。

圖1顯示的是上海全年的太陽(yáng)輻射量，橫坐標(biāo)為月份，縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)輻射量。較粗的水平折線為平均輻射量，而較細(xì)的是每日相應(yīng)時(shí)間的輻射變化。其中，中間淺色區(qū)域（6月至8月）為過熱時(shí)間，兩邊淺色區(qū)域（12月至2月）為過冷時(shí)間。分別將中間淺色區(qū)域與兩邊淺色區(qū)域設(shè)定為最熱與最冷月份后進(jìn)行朝向分析，結(jié)果見圖2。圖2為建筑最佳朝向分析圖，圖中下方淺色光圈表示最佳位置，由大到小3個(gè)線圈分別表示最冷3個(gè)月、最熱3個(gè)月以及全年各個(gè)方向太陽(yáng)輻射量，箭頭分別對(duì)應(yīng)輻射量的方向[1]。綜合考慮最冷月份和最熱月份得熱需求，經(jīng)過系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算對(duì)應(yīng)的得熱，得出最佳的朝向是偏北157.5°（下方箭頭所指方向）。建筑設(shè)計(jì)初期，按最佳朝向范圍建造，建筑的采光和日照能達(dá)到最佳效果。

2 熱環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)

為使建筑的熱環(huán)境達(dá)到最優(yōu)效果，采暖季充分利用太陽(yáng)能獲得輻射得熱，炎熱季避免過多陽(yáng)光進(jìn)入室內(nèi)，具體措施有三種。

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

南向采用大面積高性能玻璃窗形成直接受益式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)，冬季充分利用太陽(yáng)能資源采暖，見圖3。同時(shí)，墻體采用9 mm刨花板+160 mm石墨聚苯板+9 mm刨花板+12 mm空氣+10 mm石膏的保溫結(jié)構(gòu)，屋面以及樓板保溫層在墻體基礎(chǔ)上去除空氣層，窗戶采用三玻兩腔聚氨酯合金，有效阻止了室內(nèi)冷熱能的散失。

2.2 遮陽(yáng)優(yōu)化

夏季采用百葉式可調(diào)節(jié)外遮陽(yáng)，同時(shí)加強(qiáng)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱，選用三玻兩腔隔熱窗、保溫隔熱屋頂?shù)?。上海地區(qū)夏季時(shí)間長(zhǎng)，炎熱期設(shè)計(jì)時(shí)需要注意夏季溫度和濕度都較高。遮陽(yáng)設(shè)計(jì)不但能阻止過多陽(yáng)光進(jìn)入室內(nèi)，降低太陽(yáng)輻射得熱和室內(nèi)溫度，還能調(diào)節(jié)進(jìn)入室內(nèi)的光線分布，避免眩光產(chǎn)生，提高人體舒適度[2]。所以，夏季熱環(huán)境改善方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在被動(dòng)式遮陽(yáng)設(shè)計(jì)（見圖3）。

2.3 自然通風(fēng)優(yōu)化

作為建筑內(nèi)部的“室外空間”，中庭的設(shè)計(jì)除了分享外部自然環(huán)境外，還可以有效利用熱壓和風(fēng)壓進(jìn)行自然通風(fēng)。當(dāng)風(fēng)吹向建筑物正面時(shí)，迎風(fēng)面產(chǎn)生正壓，同時(shí)側(cè)面和背面產(chǎn)生負(fù)壓。開敞的建筑外窗及頂部，可充分利用這個(gè)壓力差進(jìn)行自然通風(fēng)。炎熱的夏季將室內(nèi)的熱空氣排出室外，直接降低空氣溫度。在上海，梅雨季節(jié)可有效改善空氣的濕度，提高人體的蒸發(fā)換熱和對(duì)流換熱，改善熱舒適通風(fēng)。

南向大面積玻璃幕墻的設(shè)計(jì)可以在冬季充分利用太陽(yáng)輻射得熱，但也存在夏季得熱過多的問題[3]，而邊庭的引入可有效解決上述問題。除了作為熱緩沖區(qū)保溫隔熱，邊庭還可促進(jìn)通風(fēng)，且季節(jié)不同，邊庭采用的控制策略也不同[4]。夏季邊庭立面窗戶開啟，經(jīng)太陽(yáng)輻射加熱后，內(nèi)部空氣由高側(cè)窗排出，在帶走室內(nèi)余熱的同時(shí)，新鮮空氣經(jīng)綠化冷卻后從邊庭下方進(jìn)入室內(nèi)，見圖5（a）;冬季邊庭窗戶封閉，經(jīng)太陽(yáng)輻射加熱后，內(nèi)部空氣通過自然對(duì)流的方式進(jìn)入室內(nèi)，見圖5（b）。

3 熱環(huán)境改善效果分析

3.1 遮陽(yáng)分析

圖6（a）（b）分別是采用水平遮陽(yáng)和無(wú)遮陽(yáng)措施下的太陽(yáng)日均輻射。圖6中，水平遮陽(yáng)南向窗戶日均太陽(yáng)輻射量為97.65Wh，而無(wú)遮陽(yáng)南向窗戶日均太陽(yáng)輻射量為86.24Wh?？梢钥闯?，夏季水平遮陽(yáng)措施可以有效阻擋夏季太陽(yáng)光進(jìn)入室內(nèi)，降低空調(diào)制冷能耗。

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱分析

分別對(duì)（a）方案外保溫體系圍護(hù)結(jié)構(gòu)和（b）方案一般圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱進(jìn)行分析（見圖7）。橫坐標(biāo)代表月份，縱坐標(biāo)代表得熱所占小時(shí)數(shù)。（a）方案采用結(jié)構(gòu)上文已有涉及，（b）選取的一般圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用墻體220 mm實(shí)心磚+10 mm水泥砂漿層，屋面采用6 mm瀝青層+150 mm水泥+10 mm石膏面層，窗戶采用單層玻璃鋁合金窗框，傳熱系數(shù)為6W/（m2.k）。對(duì)比（b）方案的一般建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，（a）方案的高性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)夏季得熱始終維持在更低的小時(shí)數(shù)，說(shuō)明夏季遮陽(yáng)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫優(yōu)化很明顯地降低了空調(diào)的冷負(fù)荷。對(duì)比冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱發(fā)現(xiàn)，（a）方案在2月、3月寒冷季節(jié)有較好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱，冬季熱量損失主要是圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱損失，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能對(duì)其整體的節(jié)能效果起到了至關(guān)重要的作用。

3.3 熱舒適度分析

圖8中的深色區(qū)域代表熱環(huán)境改善之后的降溫潛力，淺色區(qū)域代表熱環(huán)境改善之前的降溫潛力，從左到右分別代表了圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱能力、夜間通風(fēng)、被動(dòng)太陽(yáng)得熱、自然通風(fēng)、直接蒸發(fā)降溫和間接蒸發(fā)降溫[5]。從圖中可以看出，圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱能力、夜間通風(fēng)、被動(dòng)太陽(yáng)得熱以及自然通風(fēng)在設(shè)計(jì)優(yōu)化之后熱舒適度都有大幅提高，上海地處沿海，氣候炎熱潮濕，高樓林立，熱量難以散失形成熱島，熱環(huán)境的改善有利于改善人居環(huán)境。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從本區(qū)域氣候條件入手，通過南向大面積玻璃窗、保溫隔熱圍護(hù)、中庭和邊庭通風(fēng)開展建筑方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用太陽(yáng)輻射、圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱和熱舒適度模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，反映設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)建筑熱環(huán)境的影響，為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳婕，高虎. Weather Tool在綠色建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].福建建筑，2010（8）：31-33.

[2] 嚴(yán)鈞，趙能，梁智堯. Ecotect在建筑方案設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].高等建筑教育，2009，18（3）：140-144.

[3] 韓培，梅洪元.寒地建筑緩沖腔體的生態(tài)設(shè)計(jì)研究[J].建筑師，2015（4）：56-65.

[4] 宋宇輝，曲冠華，原野，等.高層辦公建筑風(fēng)環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐[J].建筑節(jié)能，2020，48（10）：39-45.

[5] 趙玉芬，楊柳，張同偉.基于Weather tool的氣候分析方法[J].中國(guó)建材科技，2013（1）：54-57.

作者簡(jiǎn)介：劉聰（1986—），女，江蘇宿遷人，博士，講師，研究方向：綠色建筑。

單玥（2000—），女，江蘇泰州人，本科在讀，研究方向：綠色建筑。

朱嫻（1999—），女，江蘇蘇州人，本科在讀，研究方向：綠色建筑。