拉薩院落式住宅太陽輻射熱利用優(yōu)先的設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)＊

姚慧 王慧琳 武玉艷 多慶巴珠 陳景衡 趙龍

1 研究背景

拉薩太陽輻射強(qiáng)烈，素有“日光城”之稱，采暖季（11月—次年3月）的總太陽輻射量大約是北京的兩倍、挪威的十倍、柏林的六倍。最冷月（1月）的平均氣溫-1.6℃，與上海、西安等城市相差無幾，夏季氣溫舒適。住宅建筑供暖期長，約占全年時(shí)長的三分之一，但每日供暖負(fù)荷并不大，且夏季無需空調(diào)。這種獨(dú)特的地域氣候條件為當(dāng)?shù)刈≌ㄖ锰栞椛涓纳贫臼覂?nèi)熱環(huán)境、降低采暖能耗的被動(dòng)式綠色設(shè)計(jì)技術(shù)路線提供了基礎(chǔ)。從建筑全過程節(jié)能角度來看，建筑用能由建筑本體減需向設(shè)備系統(tǒng)高效輸配逐級削減，高寒且太陽輻射資源富集條件下，住宅建筑本體可承擔(dān)70%采暖用能，拉薩地區(qū)住宅建筑直接利用太陽輻射得熱能夠滿足冬季室內(nèi)人體基本的熱舒適要求。

西藏自治區(qū)“十三五”期間計(jì)劃易地安置人口26.6萬人，搬遷定居點(diǎn)現(xiàn)均以低層院落式住宅為主。拉薩市堆龍德慶區(qū)古榮鄉(xiāng)高海拔生態(tài)移民搬遷安置項(xiàng)目總規(guī)模3.2萬m，由政府主導(dǎo)投資建設(shè)，于2018年6月通過驗(yàn)收并投入使用（圖1）。其安置住房均為院落式住宅，1～2層，每戶占地面積不大于180m，戶型人均建筑面積按25m控制，戶型分為以下三類（圖2）：兩室（建筑面積80m和100m）、三室（建筑面積120m和150m）、四室（建筑面積180m）。其中三室戶型規(guī)模占比45%，為典型居住單元。該項(xiàng)目是科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題“西部太陽能富集區(qū)城鎮(zhèn)居住建筑綠色設(shè)計(jì)新方法與技術(shù)協(xié)同優(yōu)化”的示范工程。

拉薩于2003年被列為供暖地區(qū)，由于當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)能源匱乏，集中供暖設(shè)備系統(tǒng)建設(shè)、維護(hù)工程的執(zhí)行限制和困難較多，因當(dāng)?shù)氐蜌鈮?、低含氧量的氣候條件和居民習(xí)慣間歇性采暖的使用需求會(huì)導(dǎo)致燃料嚴(yán)重浪費(fèi)。古榮鄉(xiāng)高海拔生態(tài)移民搬遷安置住宅采用分戶供暖方式，住戶可根據(jù)室內(nèi)熱需求自行采暖。

從綠色建筑設(shè)計(jì)角度來講，低層院落式住宅體形系數(shù)大，雖熱散失表面積大，但建筑內(nèi)部空間單位體積直接接收太陽輻射的表面積也相對較大，屋面和南立面均可直接接收太陽輻射，與室外環(huán)境熱交互敏感。發(fā)揮院落式住宅形體的太陽輻射熱利用優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)利用太陽輻射替代常規(guī)采暖用能或滿足冬季室內(nèi)人體基本熱需求，是示范工程綠色設(shè)計(jì)的鍵術(shù)技關(guān)。

2 分級逐層適配太陽輻射的熱利用設(shè)計(jì)應(yīng)用

應(yīng)用課題組研發(fā)的西部太陽能富集區(qū)居住建筑“三階五步”分級綠色設(shè)計(jì)方法，基于目前城鎮(zhèn)住宅常規(guī)設(shè)計(jì)流程，深化落實(shí)拉薩堆龍德慶區(qū)古榮鄉(xiāng)高海拔生態(tài)移民搬遷安置項(xiàng)目院落式住宅太陽輻射熱利用設(shè)計(jì)決策要點(diǎn)及技術(shù)措施（圖3）。

（1）第一階段，預(yù)判項(xiàng)目太陽輻射熱利用目標(biāo)等級，決策戶型空間模式對住宅太陽輻射熱利用潛在影響。

根據(jù)西部太陽能富集區(qū)居住建筑太陽輻射熱利用目標(biāo)等級，確定古榮鄉(xiāng)高海拔生態(tài)移民搬遷安置項(xiàng)目的太陽輻射熱利用目標(biāo)為“一級區(qū)一級住宅建筑類型”，有條件利用太陽輻射實(shí)現(xiàn)采暖用能全替代。在院落式住宅戶型選型環(huán)節(jié)，以居住單元占地面積、建筑面積的大致范圍為前提條件，從院落圍合方式對主體建筑日照遮擋情況和主體建筑的體形系數(shù)、單位體積可直接接收太陽輻射表面面積、戶內(nèi)“日射得熱直接利用區(qū)”（圖4）覆蓋面積占比，預(yù)判三類當(dāng)?shù)爻Ｒ娫郝涫阶≌瑧粜涂臻g布局模式對住宅太陽輻射熱利用的潛在影響（表1）。安置住宅選用二合院退臺(tái)式空間模式，庭院進(jìn)深與南側(cè)高度比不小于1.34，保障主體建筑獲得充足日照。為降低該建筑物化階段和施工建造階段的環(huán)境負(fù)荷、減少二氧化碳排放，該項(xiàng)目選用鋼框架結(jié)構(gòu)。

（2）第二階段，戶型空間布局優(yōu)化與立面形態(tài)構(gòu)造分區(qū)適配。

根據(jù)戶內(nèi)功能空間熱舒適等級分類，空間分級組合適配戶內(nèi)“熱利用分區(qū)”，調(diào)試功能空間尺度，擴(kuò)大戶內(nèi)“日射得熱直接影響區(qū)”覆蓋范圍（圖5），優(yōu)化“熱利用分區(qū)”界面分類（圖6）。遵循當(dāng)?shù)鼐用駥Α爸魇摇鄙钚螒B(tài)的空間需求，該項(xiàng)目取兩開間設(shè)主室，與同為一級熱舒適空間的臥室均設(shè)于“日射得熱直接利用區(qū)”；將熱舒適需求較低的儲(chǔ)藏室、衛(wèi)生間、戶內(nèi)樓梯間設(shè)于“日射得熱利用薄弱區(qū)”，作為主室、臥室的熱緩沖空間，減少主室、臥室的熱散失。

1 院落式住宅鳥瞰

2 不同戶型條件下的院落式住宅效果示意

3 太陽輻射熱利用設(shè)計(jì)流程

表1 三類院落式住宅太陽輻射熱利用潛力分析

針對“熱利用分區(qū)”界面，根據(jù)空間使用功能和熱舒適需求等級，分空間貫通組合、植入熱補(bǔ)償腔體和強(qiáng)化界面保溫三類設(shè)計(jì)措施進(jìn)行優(yōu)化：1）將樓梯間與主室貫通，擴(kuò)大太陽輻射得熱直接影響范圍，提升北側(cè)樓梯間的環(huán)境熱舒適；2）在80m兩室戶的南、北臥室之間植入太陽能“熱水墻”，利用屋頂太陽能集熱設(shè)備補(bǔ)償位于“日射得熱利用薄弱區(qū)”臥室的熱需求，該項(xiàng)設(shè)計(jì)措施考慮住房分配、造價(jià)和維護(hù)等執(zhí)行限制，工程建設(shè)未實(shí)施；3）儲(chǔ)藏室與主室的隔墻采用內(nèi)保溫以強(qiáng)化主室的保溫效果，由后期落實(shí)細(xì)部構(gòu)造。主室、臥室進(jìn)深尺度相對較大，層高調(diào)整為3.2m、提高南向外窗頂高，擴(kuò)大“日射得熱直接利用區(qū)”范圍，使其均被“日射得熱直接利用區(qū)”覆蓋。以典型居住單元為例，通過戶內(nèi)功能空間組合及尺度調(diào)試，主體建筑戶內(nèi)一級熱舒適空間全部位于“日射得熱直接利用區(qū)”內(nèi)，被戶內(nèi)太陽輻射得熱直接影響范圍覆蓋的面積占戶內(nèi)面積的85%。

拉薩建筑不同朝向圍護(hù)結(jié)構(gòu)的太陽輻射熱分布不均勻、差異明顯，需對立面分區(qū)進(jìn)行形態(tài)構(gòu)造分型設(shè)計(jì)。針對南向圍護(hù)結(jié)構(gòu)、屋面等潛在得熱區(qū)，設(shè)計(jì)方案應(yīng)用外窗直接得熱與太陽墻熱利用技術(shù)原理，結(jié)合地域風(fēng)貌設(shè)計(jì)需求，將紅色金屬窗檐、黑色金屬窗套與雙層外窗組合設(shè)計(jì)，增加得熱構(gòu)件面積，并起到遮陽、避免眩光的作用；通過內(nèi)外層窗戶的啟閉，動(dòng)態(tài)適應(yīng)季節(jié)性、晝夜間氣候環(huán)境變化；利用退臺(tái)形式，在主室屋面設(shè)天窗集熱。這兩項(xiàng)得熱設(shè)計(jì)措施在造價(jià)、施工時(shí)長等工程執(zhí)行限制下，以南立面大面積開窗替代。為減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱區(qū)熱散失，東西向不開窗，北向只開滿足采光需求的小窗，各朝向窗墻面積比見圖3。

（3）第三階段，對材料、部品組件進(jìn)行組合調(diào)試，優(yōu)化細(xì)部節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，落實(shí)技術(shù)指標(biāo)。

當(dāng)?shù)亟ㄖ牧现饕揽客獾剌斎?，運(yùn)費(fèi)、人工費(fèi)消耗大。安置住宅材料部品以優(yōu)先選用當(dāng)?shù)爻墒觳科窞樵瓌t，分別對圍護(hù)結(jié)構(gòu)潛在得熱區(qū)、失熱區(qū)的外窗傳熱系數(shù)、太陽得熱系數(shù)、氣密性等級、非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)等性能參數(shù)進(jìn)行循環(huán)驗(yàn)算，落實(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造方案，熱工性能參數(shù)見圖3。

潛在得熱區(qū)外窗太陽得熱系數(shù)對室內(nèi)太陽輻射增益影響敏感，設(shè)計(jì)方案推薦采用雙層組合窗戶，分型選用內(nèi)外層窗戶，通過窗戶的啟閉，實(shí)現(xiàn)組合窗太陽得熱系數(shù)與傳熱系數(shù)的晝夜差異化轉(zhuǎn)變，以適應(yīng)晝夜氣候環(huán)境的周期性變化；失熱區(qū)選用保溫性能較好的外窗進(jìn)行雙層組合，代替造價(jià)高昂的高性能外窗。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，當(dāng)外層窗選用斷橋鋁合金雙層中空玻璃窗、內(nèi)層窗選用斷橋鋁合金低輻射中空玻璃窗、兩層窗間距為200mm時(shí)，組合窗的傳熱系數(shù)為1.05W/（m·K）。雙層組合窗節(jié)能預(yù)測效果目前難以在工程通用節(jié)能計(jì)算審查中顯現(xiàn)，不便從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性角度決策應(yīng)用，因此工程建設(shè)并未采用。針對屋頂和露臺(tái)保溫性能的提升需求，該項(xiàng)目結(jié)合室內(nèi)吊頂模塊與樓板形成雙層屋面，利用屋面間的空腔強(qiáng)化屋頂、露臺(tái)的保溫性能。

4 拉薩城鎮(zhèn)住宅室內(nèi)太陽輻射熱利用空間分區(qū)

3 太陽輻射熱利用效果測評

古榮鄉(xiāng)高海拔生態(tài)移民搬遷安置項(xiàng)目于2018年6月投入使用，課題組于2020年1月對安置住宅室內(nèi)溫度進(jìn)行測試，測試期間均為晴天。從室內(nèi)外環(huán)境測試結(jié)果來看，測試期間室外氣溫-6～10℃，風(fēng)速集中在1～5m/s，太陽輻射強(qiáng)度為400～800W/m，主室空氣溫度全天維持在9～14℃，陽光間日間氣溫可達(dá)16℃，北向儲(chǔ)藏室、衛(wèi)生間等室內(nèi)溫度8～10℃（圖7）。

5 擴(kuò)大戶內(nèi)日射得熱直接影響區(qū)的設(shè)計(jì)技術(shù)措施

6 戶內(nèi)熱利用分區(qū)界面優(yōu)化設(shè)計(jì)措施

2020年12月，課題組采用問卷的方式對使用者進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境熱舒適調(diào)查，用ASHAE7級標(biāo)度表示使用者的室內(nèi)熱感覺。訪問時(shí)段為11:00～17:00，此時(shí)太陽輻射熱作用效果明顯且為使用者日間活動(dòng)最頻繁時(shí)段。共訪問82戶，收集有效問卷100份，其中男性占比54%、女性占比46%，受訪人員年齡為16～70歲，均身體健康。問卷填寫過程中，受訪人員按照日常生活正常著衣，受訪時(shí)均為靜坐、站立或從事輕體力家務(wù)勞動(dòng)。問卷結(jié)果顯示，日間室內(nèi)熱環(huán)境“可接受”樣本占總樣本比例的91%。

安置住宅日間依靠太陽輻射得熱滿足使用者室內(nèi)熱需求，夜間開啟電取暖設(shè)備輔助供暖，設(shè)備使用時(shí)間大多集中在19:00～20:00，因采暖耗電量在測試中難以單獨(dú)計(jì)量，故將其計(jì)入綜合電耗。按照采暖設(shè)備開啟時(shí)間預(yù)估，供暖時(shí)長大約縮短83.3%。經(jīng)過對實(shí)驗(yàn)住宅項(xiàng)目全年建筑能耗的采樣統(tǒng)計(jì)，計(jì)算其全年戶均燃?xì)庀臑?5.8m/（a·H）、戶均耗電量（含綜合電耗和采暖耗電量）為1 751.3kW·h/（a·H），較《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51162-2016）拉薩市居住建筑燃?xì)庀募s束值降低31.6%，較綜合電耗約束值降低35.1%。采暖能耗具體降幅尚未計(jì)算，還需依賴暖通工程師做進(jìn)一步測算。實(shí)驗(yàn)住宅建筑全生命周期單位面積碳排放量為2.54tCO/m，較2005年基準(zhǔn)值減少45.14%。

4 研究結(jié)論

古榮鄉(xiāng)高海拔生態(tài)移民搬遷安置項(xiàng)目院落式住宅應(yīng)用課題組提出的分級逐層適配太陽輻射的熱利用技術(shù)方案，采用當(dāng)?shù)爻墒斓慕ㄔ祗w系和部品，在不增加造價(jià)的情況下，實(shí)現(xiàn)了建筑直接利用太陽輻射得熱滿足冬季室內(nèi)人體基本熱舒適需求的要求，達(dá)到了課題示范工程制定的目標(biāo)效果。初步踐行了建筑直接利用太陽輻射熱來減少采暖能耗的綠色建筑設(shè)計(jì)流程。

通過這次應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，太陽輻射熱對室內(nèi)熱環(huán)境的改善效果顯現(xiàn)，但隨著居民對室內(nèi)環(huán)境熱舒適性需求的提升，太陽輻射熱利用效果還有較大的提升空間。這要求建筑師在前期設(shè)計(jì)決策層面，主動(dòng)強(qiáng)化對太陽輻射資源利用的認(rèn)知，理解住宅建筑類型形體自身太陽輻射熱利用優(yōu)勢及需要重點(diǎn)平衡的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，建立整體的輻射熱利用技術(shù)原型。在具體操作層面，需對輻射熱利用效果影響明顯的空間設(shè)計(jì)要素、圍護(hù)結(jié)構(gòu)形態(tài)構(gòu)造設(shè)計(jì)要素進(jìn)行約束與引導(dǎo)；對構(gòu)造措施、部品等開放性設(shè)計(jì)建立相關(guān)圖集。執(zhí)行過程中，由于得熱設(shè)計(jì)措施熱補(bǔ)償效果難以在通用節(jié)能計(jì)算審查中直觀預(yù)測，材料部品組合措施的成本增量與建筑整體性能之間的平衡尚難判斷，如能有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、圖集引導(dǎo)和計(jì)算工具支撐，則能更好地輔助設(shè)計(jì)決策。

7 測試期間室外氣象條件和室內(nèi)溫度測試結(jié)果

感謝拉薩市設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司王小軍副院長、陳寶副總建筑工程師在工程項(xiàng)目合作前期給予的支持和幫助。

＊ 本研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“目標(biāo)和效果導(dǎo)向的綠色建筑設(shè)計(jì)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(jì)新方法與技術(shù)協(xié)同優(yōu)化”（2016YFC0700208）資助。

1陳璐宇攝影

2多慶巴珠提供

3-6武玉艷繪制

7貴州省建筑科學(xué)研究檢測中心提供

表1武玉艷繪制

業(yè)主：拉薩市政投建設(shè)項(xiàng)目代建管理有限公司

建設(shè)地點(diǎn)：西藏自治區(qū)拉薩市堆龍德慶區(qū)古榮鄉(xiāng)

建筑設(shè)計(jì)：拉薩市設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司

（原拉薩市設(shè)計(jì)院）

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：王慧琳、多慶巴珠

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：多慶巴珠、李昆、黎忠國、扎西達(dá)娃、鄭亞飛

太陽輻射熱利用設(shè)計(jì)：姚慧、陳景衡、武玉艷、趙龍、趙薇、毛新宇、陳璐宇

太陽輻射熱利用效果測評：貴州省建筑科學(xué)研究檢測中心

總建筑面積：31 629.97m

設(shè)計(jì)時(shí)間：2017.06

建成時(shí)間：2018.06

① 拉薩傳統(tǒng)民居中“主室”承擔(dān)了做飯、就餐、聚會(huì)、就寢等大量室內(nèi)活動(dòng)，相比常規(guī)套型中的起居室，其功能更加復(fù)合、面積需求更大，該空間中的生活形態(tài)保留至今。