西部太陽能富集區(qū)城鎮(zhèn)居住建筑分級綠色設(shè)計方法＊

陳景衡 武玉艷

我國西部平均海拔高，嚴寒/寒冷氣候區(qū)面積占比大，太陽輻射資源豐富，自然地理條件獨特鮮明。西部人口總量小、總體密度低，經(jīng)濟要素不活躍，發(fā)展模式與東部地區(qū)差異較大。有學(xué)者從建筑與氣候關(guān)聯(lián)的角度提出“太陽能富集區(qū)”概念，對西部典型區(qū)域的太陽輻射可承擔的采暖用能展開了技術(shù)先導(dǎo)研究，認為通過能量集約轉(zhuǎn)化與建筑被動式設(shè)計，可在富集條件下實現(xiàn)太陽能采暖替代。

如何將太陽輻射條件轉(zhuǎn)化為建筑可直接利用的氣候資源，通過設(shè)計要素提高太陽輻射的利用效率，是西部太陽能富集區(qū)綠色建筑設(shè)計的重要課題。對量大面廣的城鎮(zhèn)居住建筑主體類型——住宅建筑而言，其綠色設(shè)計往往被建筑師簡單粗略地執(zhí)行為“提高建筑圍護結(jié)構(gòu)性能達到節(jié)能標準”的設(shè)計方式。在建筑成本投入、部品產(chǎn)業(yè)條件、物資供應(yīng)、施工組織水準、建造需求等受限的西部地區(qū)，上述設(shè)計方法易產(chǎn)生技術(shù)執(zhí)行矛盾與困難，造成綠色設(shè)計技術(shù)空心化。在住宅商品化趨勢下，以“科學(xué)高效利用地域氣候資源”與“主動通過建筑設(shè)計改善建筑性能、降低用能需求”為目標要求，打破建筑師固有的“產(chǎn)品開發(fā)貼皮式”的綠色技術(shù)設(shè)計誤區(qū)，研發(fā)分地域、分條件、分類型提高地域氣候資源利用效益的綠色設(shè)計方法，是重點研發(fā)計劃項目——“目標和效果導(dǎo)向的綠色建筑設(shè)計新方法與工具”在西部太陽能富集區(qū)城鎮(zhèn)居住建筑上的技術(shù)研究要求。

本文將針對分級引導(dǎo)的西部太陽能富集區(qū)城鎮(zhèn)居住建筑綠色設(shè)計要點和“三階五步”綠色設(shè)計流程進行具體介紹。

1 西部太陽能富集區(qū)居住建筑分級引導(dǎo)的綠色設(shè)計技術(shù)需求要點

“太陽輻射資源富集”不僅指太陽輻射量級高，也意味著建筑的太陽輻射直接熱作用具有較明確的采暖補償效能。太陽輻射不只是設(shè)計的被動應(yīng)對條件，而是可轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃討?yīng)用的資源，單一的保溫隔熱設(shè)計邏輯需要重新判定，甚至在局部出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，而這些是以建筑師為主推動實現(xiàn)的一種綠色效益。

太陽輻射熱效應(yīng)須通過“太陽輻射得熱可直接影響到的建筑氣候邊界”影響建筑室內(nèi)熱環(huán)境，在太陽輻射資源極富集條件下，定性識別建筑室內(nèi)可受太陽輻射熱直接影響的空間區(qū)域及可成為得熱構(gòu)件的圍護結(jié)構(gòu)，從而展開有效的設(shè)計構(gòu)思與操作。

目前現(xiàn)行標準對太陽輻射熱效應(yīng)采用計算圍護結(jié)構(gòu)性能“后修正”的思路。對建筑師來講，在設(shè)計前期較難理解、分辨利用太陽輻射富集條件采暖工況下正負兩類不同熱過程，習(xí)慣把室內(nèi)看作一個溫度分布均勻、無差別的連續(xù)空間，圍護結(jié)構(gòu)采用單一的“隔絕式外殼”保溫隔熱設(shè)計邏輯。通過前期設(shè)計提高太陽輻射熱利用的使用效率與質(zhì)量，既要理解太陽輻射熱正向作用過程，判斷其在建筑上的作用范圍，估算輻射程度，還要判斷與區(qū)分建筑圍護結(jié)構(gòu)可得熱構(gòu)件、空間、構(gòu)造、門窗部品和非得熱部分，相應(yīng)采用不同的詳細技術(shù)設(shè)計。這與現(xiàn)行的通用設(shè)計流程、標準有以下幾方面的基礎(chǔ)認知差異：1）建筑體形并不能簡單認為越集約越節(jié)能；2）圍護結(jié)構(gòu)不是越限制開窗越利于節(jié)能（以建筑透明圍護結(jié)構(gòu)越大失熱越多，為寒冷和嚴寒地區(qū)建筑采暖耗能單一假設(shè)），也并非保溫外殼越厚實建筑綠色性能越好，更不應(yīng)只采用高價、高標準材料來粗略對應(yīng)建筑綠色星級標準。另外，部分地區(qū)還需平衡太陽輻射熱利用潛在的引起夏季室內(nèi)過熱的副作用，才能不斷完善整體方案，細化為經(jīng)濟可行的設(shè)計技術(shù)措施。

2 “三階五步”分級綠色設(shè)計流程

在太陽輻射資源富集條件下，建筑師應(yīng)遵循一個更流暢、整體的綠色設(shè)計工作框架，敏銳主動地理解與把握地域太陽輻射資源、建筑用能需求、建筑設(shè)計三方面關(guān)系。順應(yīng)居住建筑設(shè)計選型、調(diào)整、修正的決策流程習(xí)慣，西部太陽能富集區(qū)城鎮(zhèn)居住建筑分級綠色設(shè)計方法按“建筑輻射熱利用潛力預(yù)判—建筑空間布局優(yōu)化的空間因應(yīng)規(guī)律與匹配—建筑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計補償優(yōu)化與參數(shù)循環(huán)控制”三個遞進階段，分為“選型比較—戶型平面布局優(yōu)化—立面形態(tài)分區(qū)優(yōu)化—構(gòu)件設(shè)計優(yōu)化—循環(huán)計算伴隨”五個設(shè)計動作組，逐層落實太陽輻射熱利用綠色設(shè)計目標。

（1）先對建筑太陽輻射熱利用潛力進行預(yù)判，落實被動優(yōu)先的綠色設(shè)計原則，鼓勵建筑師優(yōu)先采用通過太陽輻射熱削減建筑冬季采暖需求的潛在技術(shù)路徑。

我國西部太陽能富集區(qū)代表城市——拉薩，主要采暖月（11月—次年3月）太陽總輻射量是挪威的十倍、柏林的六倍，在西部廣大地區(qū)住宅自改建中有普遍多樣的輻射熱利用方式，而在現(xiàn)代通用設(shè)計標準中的規(guī)定比較籠統(tǒng)，缺乏直觀明確的理解工具與具體指導(dǎo)，容易在設(shè)計起始環(huán)節(jié)被建筑師誤判或者忽略。太陽輻射是一種能量密度較低、較難直接利用的環(huán)境資源。資源富集程度不同意味著可利用潛力和利用方式不同，這一階段要準確、快速地區(qū)分不同地域環(huán)境條件和輻射資源，確定各類型住宅形態(tài)的輻射熱利用具體目標，即輻射熱與建筑類型應(yīng)用間的設(shè)計可執(zhí)行基礎(chǔ)關(guān)系。

參考建筑氣候?qū)W提出的“輻射度日比”可直觀耦合太陽輻射資源與采暖需求匹配程度的思路，經(jīng)過不同建筑類型“太陽輻射可直接影響到的建筑氣候邊界”的邏輯預(yù)判修正，形成參考列表及排序，幫助建筑師提前判斷地域居住建筑太陽輻射熱利用潛力。對應(yīng)設(shè)計決策初期對戶型的比較選擇設(shè)計步驟，即“空間布局選型”，幫助建筑師選擇太陽輻射熱利用基礎(chǔ)較好的戶型，并合理確定太陽輻射熱利用目標區(qū)間及參照標準。

（2）建筑方案形成階段有兩個主要設(shè)計操作動作組，即平面布局適配直接太陽輻射得熱影響范圍、立面形態(tài)構(gòu)造適配太陽輻射熱設(shè)計分區(qū)，構(gòu)成建筑空間布局優(yōu)化的空間因應(yīng)與匹配設(shè)計階段。

緊湊的體形與利用太陽輻射資源有時會有矛盾，在富集條件下建筑各界面太陽輻射熱效應(yīng)差異明顯，在室內(nèi)會形成較為顯著的太陽輻射得熱直接影響區(qū)域，不同類型居住建筑有效影響界面、直接得熱影響空間范圍遵循一般輻射熱規(guī)律。能簡化預(yù)判建筑形體上太陽輻射分布規(guī)律、輻射得熱空間分布規(guī)律、圍護結(jié)構(gòu)影響規(guī)律，有助于建筑師建立起基于現(xiàn)有空間模式“順向”經(jīng)驗性設(shè)計的構(gòu)思要點，形成迅速、簡單、合適的設(shè)計決策。這個過程一般集中于住宅選型和公寓、宿舍空間組織模式構(gòu)架的方案初期。

圍護結(jié)構(gòu)材料、部品選用與組合設(shè)計往往在產(chǎn)品整體設(shè)計指導(dǎo)下“以設(shè)計績效”為導(dǎo)向展開，建筑師會尋求適合的建筑產(chǎn)業(yè)化部品及設(shè)計手段，開展“部品組件選用調(diào)試組合”，該步驟與建筑形態(tài)和表皮整體設(shè)計導(dǎo)向都有較強關(guān)聯(lián)。在完成空間層面的優(yōu)化后，增加立面分區(qū)設(shè)計工具，嵌入圍護結(jié)構(gòu)形態(tài)構(gòu)造設(shè)計分類處理，結(jié)合后期等熱流計算與驗算、SHGC等參數(shù)計算優(yōu)化，實現(xiàn)在空間、部件尺度的優(yōu)化設(shè)計。

（3）在方案提交條件圖形成完整具體技術(shù)方案前，還有大量協(xié)調(diào)性工作，包括落實細部構(gòu)造及諸多性能參數(shù)兩方面設(shè)計內(nèi)容，構(gòu)成建筑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計補償優(yōu)化與參數(shù)循環(huán)控制階段。屋頂、南向圍護結(jié)構(gòu)以及陽臺、門窗、外墻部品在太陽輻射富集條件下，得熱區(qū)內(nèi)構(gòu)件形態(tài)的適應(yīng)性調(diào)整要符合集熱蓄熱的基本原理、滿足夏季通風要求，采用“雙層壁面+空腔”的方式一般能提高太陽輻射熱利用效率，對室內(nèi)熱環(huán)境的影響起到積極作用。但由于涉及透明圍護結(jié)構(gòu)太陽輻射透射、熱傳導(dǎo)、熱輻射和空腔內(nèi)及室內(nèi)空間熱對流等復(fù)雜熱過程，且窗墻面積比與建筑圍護結(jié)構(gòu)整體性能間關(guān)系較為復(fù)雜，需要綜合判斷。該階段與技術(shù)協(xié)同，采用參數(shù)循環(huán)的方式更好地調(diào)適各部分構(gòu)造設(shè)計。

1 西部太陽能富集區(qū)居住建筑“三階五步”分級綠色設(shè)計流程

成熟的住宅產(chǎn)品構(gòu)成了建筑師、開發(fā)者習(xí)慣的“戶型”或“產(chǎn)品類型”概念，這種住宅認識模型具有較為復(fù)雜的層級要素結(jié)構(gòu)，從技術(shù)角度來講是完整、不易拆解的應(yīng)用集成模型。這與目前行業(yè)標準拆解出的“空間—圍護結(jié)構(gòu)”技術(shù)模型有較大的精度差異，常會造成“技術(shù)粗暴干預(yù)設(shè)計”的認識偏差。簡化的“選型”式設(shè)計方式，在方案的地域回應(yīng)上容易造成較大的條件因應(yīng)、資源利用的理解偏差與設(shè)計手段錯位。“三階五步”分級綠色設(shè)計流程（圖1）則對應(yīng)建筑設(shè)計操作，采用適合不同階段思維精度的三類模型展開綠色設(shè)計優(yōu)化，與設(shè)計階段建筑師的思維模式伴隨度高，與建筑氣候分析、節(jié)能貢獻率及設(shè)計要素敏感度排序等工具相比較，結(jié)合了“宏觀判斷—精細設(shè)計—參數(shù)微調(diào)”分級、逐步的設(shè)計手段，采用目標引導(dǎo)與設(shè)計補償措施相結(jié)合的方式，利用建筑師設(shè)計決策思維中必要的戶型比選、優(yōu)化等設(shè)計操作的“前期窗口”，引導(dǎo)建筑師逐步理解建筑與環(huán)境資源條件的多層、多種、多樣設(shè)計因應(yīng)關(guān)聯(lián)途徑。比較與計算整體設(shè)計措施對建筑太陽輻射熱利用效能的貢獻量，需要設(shè)計算法高維決策模型的支持，僅靠建筑技術(shù)較難實現(xiàn)，對于建筑師來講，按照空間尺度和構(gòu)件尺度兩個設(shè)計操作層級分別展開設(shè)計優(yōu)化便能執(zhí)行，對設(shè)計決策思維友好。

3 設(shè)計應(yīng)用

設(shè)計方法不同深度的應(yīng)用在西寧和拉薩的兩項城鎮(zhèn)居住建筑工程中，分別為中高層板式集合住宅和低層院落式住宅（圖2,3）。對應(yīng)“三階五步”分級綠色設(shè)計流程，首先確定兩項工程的太陽輻射熱利用目標分別為“三級區(qū)四級住宅類型”和“一級區(qū)一級住宅類型”。中高層集合住宅體形系數(shù)較優(yōu)、單位體積可直接接收太陽輻射表面積受限、建筑間日照遮擋較嚴重。該工程重點運用空間布局適配太陽輻射熱利用分區(qū)的設(shè)計方法、立面日照時數(shù)可視化軟件輔助建筑立面工程做法分型設(shè)計、多種構(gòu)造組合提升建筑熱工性能的輻射熱利用設(shè)計技術(shù)（圖4,5），采用成熟通用的材料、部品建造，采暖季室內(nèi)環(huán)境用戶滿意度達到83.3%，供暖能耗比《民用建筑能耗標準》（GB/T 51161-2016）約束值降低30.5%。低層院落式住宅體形系數(shù)大，每戶具有多個直接接收太陽輻射表面，單位體積可直接接收太陽輻射表面積大。該工程采用退臺形式，增加單位體積潛在輻射得熱面積，重點運用空間布局適配太陽輻射熱利用分區(qū)的設(shè)計方法，使熱舒適需求高的功能空間被日射得熱直接影響范圍覆蓋，結(jié)合功能空間需求加設(shè)陽光間集熱，改善室內(nèi)熱環(huán)境、降低采暖用能需求、優(yōu)化居住品質(zhì)（圖6）。拉薩院落式住宅項目采用間歇性電采暖設(shè)備，采暖季室內(nèi)環(huán)境用戶滿意度達到91%，采暖設(shè)備開啟時間大多集中在19:00～20:00，供暖時長縮短了83.3%，當將采暖耗電量計入綜合電耗時，該項目綜合電耗比《民用建筑能耗標準》（GB/T 51161-2016）約束值降低35.1%。

設(shè)計方法前期引導(dǎo)項目進行整體性理解，落實“被動優(yōu)先、主動輔助”原則，并以目標等級分解居住建筑太陽輻射熱利用貢獻目標。中間階段對影響太陽輻射熱利用效果的關(guān)鍵、強約束設(shè)計要素，采用空間輻射熱分布規(guī)律和立面輻射熱分級分區(qū)設(shè)計引導(dǎo)；對設(shè)計措施與材料部品要素較為開放，在形態(tài)利用、構(gòu)造措施層面遵循“能用則用”、鼓勵多樣使用的原則，利于建筑師發(fā)揮技術(shù)創(chuàng)造力，因地制宜地采用不同手法進行組合設(shè)計，控制建筑性能保持整體目標一致即可。后階段采用參數(shù)與技術(shù)模型接口循環(huán)驗算，便于建筑師控制居住建筑太陽輻射熱利用最終效果。

該設(shè)計方法根據(jù)不同的居住建筑類型及地域太陽輻射可利用條件設(shè)定太陽輻射資源利用目標，符合現(xiàn)有建筑設(shè)計標準、規(guī)范導(dǎo)則等技術(shù)管理文件體系，便于在方案階段直接轉(zhuǎn)化為施工技術(shù)文件；對各類居住建筑設(shè)計過程友好開放，既適合于前期的引導(dǎo)設(shè)計，也適合于后期的檢驗；在住宅設(shè)計導(dǎo)則、軟件工具、設(shè)計流程、工程上可協(xié)同作用。

4 結(jié)語

住宅是我國城鎮(zhèn)居住建筑的主體，是國家政策法規(guī)關(guān)切、開展技術(shù)引導(dǎo)的重點建筑類型。本研究提出了一種分級響應(yīng)氣候環(huán)境資源的居住建筑綠色設(shè)計工作方法，與住宅建筑主流設(shè)計流程對應(yīng)，適用于西部太陽能富集區(qū)城鎮(zhèn)居住建筑。與豐富多樣的公共建筑設(shè)計作品相比，城鎮(zhèn)居住建筑設(shè)計受綜合技術(shù)約束較多，從設(shè)計技術(shù)路線的角度對居住建筑形態(tài)進行拆解和重組，開發(fā)界面直觀、簡潔且與現(xiàn)有工作習(xí)慣高度統(tǒng)一的方法與工具，才能引導(dǎo)建筑師主動地使用多樣設(shè)計手段轉(zhuǎn)化地域環(huán)境條件為建筑可直接利用資源，讓建筑師在綠色建筑設(shè)計中合理貢獻創(chuàng)造力。

＊ 本研究得到國家重點研發(fā)計劃“目標和效果導(dǎo)向的綠色建筑設(shè)計新方法及工具”（2016YFC0700200）之課題“西部太陽能富集區(qū)城鎮(zhèn)居住建筑綠色設(shè)計新方法與技術(shù)協(xié)同優(yōu)化”（2016YFC0700208）資助。

1,4-6武玉艷繪制

2,3武玉艷攝影

2 西寧中高層集合住宅實景3 拉薩低層院落式住宅實景

4 西寧中高層集合住宅工程戶型空間布局適配太陽輻射熱利用分區(qū)

5 西寧中高層集合住宅工程構(gòu)造、部品組合優(yōu)化提升建筑整體熱工性能

6 拉薩低層院落式住宅工程戶型空間布局適配太陽輻射熱利用分區(qū)示意