太陽輻射熱利用優(yōu)先的戶內(nèi)空間適配組合模式研究

武玉艷，陳景衡*

0 引言

國內(nèi)外案例分析數(shù)據(jù)表明[1-3]，建筑使用階段碳排放占比最大，是建筑生命周期減碳的關(guān)鍵階段，嚴(yán)寒/寒冷地區(qū)降低建筑采暖用能是減碳應(yīng)對重點(diǎn)[4]，利用太陽能替代碳基能源供暖是實(shí)現(xiàn)建筑綠色低碳的有效技術(shù)途徑[5-6]。從建筑節(jié)能全鏈條角度來看，建筑用能由建筑直接利用太陽輻射熱減少采暖用能需求向太陽能設(shè)備系統(tǒng)高效輸配逐級削減。在嚴(yán)寒/寒冷且冬季太陽輻射資源富集條件下，住宅建筑直接利用太陽輻射熱可承擔(dān)70%采暖用能[7]。于建筑師而言，利用建筑空間布局和形態(tài)構(gòu)造轉(zhuǎn)化地域氣候資源，提高建筑直接利用太陽輻射改善室內(nèi)熱環(huán)境的效能，使建筑不用能或少用能，是建筑師進(jìn)行綠色低碳建筑創(chuàng)作的切實(shí)、可操作路徑[8]。

從建筑用能需求與氣候資源關(guān)聯(lián)的角度，有學(xué)者針對我國太陽能資源富集的典型區(qū)域開展了太陽能利用技術(shù)先導(dǎo)研究。劉加平院士團(tuán)隊對綜合利用太陽能的低能耗建筑節(jié)能設(shè)計方法展開研究，提出“等熱流”熱工設(shè)計原理和性能指標(biāo)[9]，應(yīng)用于西藏地區(qū)建筑節(jié)能設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和圖集[10]，在延安、剛察等地完成多項(xiàng)工程實(shí)踐[11]。戎向陽教授團(tuán)隊經(jīng)模擬計算發(fā)現(xiàn)，在太陽能富集條件下，建筑南向透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)為得熱構(gòu)件，由此提出“等效體形系數(shù)”的概念[12]，并在若爾蓋暖巢項(xiàng)目中綜合應(yīng)用[13]。這些學(xué)者團(tuán)隊對被動式太陽能技術(shù)、太陽能富集條件下建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱過程和室內(nèi)熱環(huán)境的研究，建構(gòu)起建筑直接利用太陽輻射熱的基礎(chǔ)認(rèn)知。目前成熟的住宅產(chǎn)品構(gòu)成了商品化趨勢下建筑師、開發(fā)商對戶型概念的慣性認(rèn)知，直接套用成熟戶型的設(shè)計方式，容易在方案上對地域太陽輻射資源利用造成較大的理解偏差、出現(xiàn)設(shè)計應(yīng)對手段上的錯位。如何將地域太陽輻射資源轉(zhuǎn)化為空間布局和圍護(hù)界面形態(tài)構(gòu)造設(shè)計條件，是打通建筑師進(jìn)行強(qiáng)化建筑直接太陽輻射熱利用效率的綠色建筑創(chuàng)作路徑的關(guān)鍵和難點(diǎn)[14-15]。

拉薩處在我國太陽能資源最豐富地帶[16]，冬季寒冷漫長，采暖季太陽輻射強(qiáng)度居全國主要城市首位[17]，夏季氣溫舒適，無需空調(diào)制冷，這種獨(dú)特的地域氣候條件為當(dāng)?shù)刈≌ㄖ苯永锰栞椛浣档筒膳媚苄枨蟮木G色設(shè)計技術(shù)路線提供了基礎(chǔ)。根據(jù)課題組對拉薩近5年新建城鎮(zhèn)住宅的調(diào)查統(tǒng)計[8]，7～11層集合住宅年建設(shè)量占住宅年總實(shí)施量的比例保持在60%左右，戶型空間布局基本沿襲了內(nèi)地的發(fā)展模式，以三室戶為主。為增加室內(nèi)太陽輻射得熱，住宅南向窗墻面積比通常比國標(biāo)中寒冷地區(qū)住宅南向窗墻面積比約束值大；圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能較差，這是由于拉薩于2004年被確定為采暖地區(qū)，此前圍護(hù)結(jié)構(gòu)不做保溫設(shè)計要求[10]。另外，受地理?xiàng)l件、產(chǎn)業(yè)發(fā)展的限制和氣候環(huán)境與內(nèi)地差異大的影響，建筑節(jié)能設(shè)計工作起步較晚、發(fā)展緩慢。住宅戶型受居住需求、造價等經(jīng)濟(jì)性影響因素約束較強(qiáng)，功能空間及組合方式變化相對較少[18]。因此，本文以拉薩目前常見集合住宅為代表，對其采暖季太陽輻射熱作用下的室內(nèi)溫度分布情況進(jìn)行測試，分析戶內(nèi)太陽輻射熱空間分布規(guī)律，將其與設(shè)計要素整合，量化戶內(nèi)太陽輻射熱利用空間分區(qū)，基于各分區(qū)的空間熱特性分析其設(shè)計應(yīng)對要點(diǎn)，進(jìn)而提出戶內(nèi)空間分類適配組合模式，以在空間布局上實(shí)現(xiàn)更直接高效地利用地域太陽輻射資源。

1 拉薩住宅戶內(nèi)太陽輻射熱空間分布規(guī)律

1.1 測試對象

測試建筑位于拉薩柳梧新區(qū)，于2018年建設(shè)完工，是獨(dú)棟板式集合住宅，共計10層，建筑坐北朝南、南向無遮擋。測試對象是7層西戶，戶型平面及圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造信息見表1。

1.2 測試方案

測試時段處于拉薩市法定供暖期內(nèi)，截選北京時間1月30日9:00—2月1日0:00測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。除1月31日午間偶爾多云外，其余時段均為晴天。測試期間整棟建筑無供暖設(shè)備開啟，測試對象室內(nèi)無設(shè)備運(yùn)行、無人員活動干擾、各房間門窗緊閉。測試內(nèi)容包括太陽總輻射照度、室外空氣溫度、室內(nèi)空氣溫度（測點(diǎn)位置見表1）。

表1 拉薩住宅測試對象戶型平面圖與圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造信息,根據(jù)拉薩市設(shè)計院提供的施工圖填寫

1.3 測試結(jié)果分析

圖1為測試期間太陽輻射與室外氣溫測試結(jié)果，日照時間長達(dá)10h，10:00后太陽輻射強(qiáng)度迅速增大，14:30達(dá)到峰值 804.42W/m2，日照時段內(nèi)太陽總輻射平均照度480 W/m2左右。室外溫度最低值出現(xiàn)在9:00左右，分別為-7.49℃、-5.96℃；峰值出現(xiàn)在17:30左右，分別為4.64℃、7.87℃，平均溫度為0.14℃，低于當(dāng)?shù)毓┡谑彝馄骄鶞囟?.6℃[19]?？梢?，測試期間拉薩室外氣溫條件相對于當(dāng)?shù)氐湫蜌庀髼l件有一定余量，測試結(jié)果的分析相對于當(dāng)?shù)氐湫蜌庀髼l件更為可靠。

圖1 測試期間拉薩太陽輻射強(qiáng)度及室外氣溫測試結(jié)果

圖2為“起居室—廚房”南北貫通空間室內(nèi)溫度場測試結(jié)果，南北進(jìn)深方向溫度測點(diǎn)最大差值近16℃，溫度隨空間進(jìn)深增大快速衰減，衰減梯度存在明顯差異，溫度呈“三段式”分布。測點(diǎn)1、2受太陽輻射變化影響最為明顯，上午10:00左右，室內(nèi)溫度隨太陽輻射強(qiáng)度的增大而迅速、持續(xù)升高；16:30時，室內(nèi)溫度達(dá)到峰值，后伴隨太陽輻射強(qiáng)度的降低而降低，晝夜溫差高達(dá)20℃。測點(diǎn)3、4、5空氣溫度相近，晝夜變化基本保持一致且波動較小，但溫度低于測點(diǎn)1、2。測點(diǎn)6的全天溫度最低，且較其他測點(diǎn)間溫度衰減梯度而言，測點(diǎn)5、6間的溫度衰減梯度最小，這是由于這兩個測點(diǎn)所在進(jìn)深位置受太陽輻射熱效應(yīng)影響微弱所致。可見，在進(jìn)深方向不同位置上的空氣溫度受太陽輻射得熱影響程度不同，空間進(jìn)深與太陽輻射熱效應(yīng)關(guān)聯(lián)敏感。對應(yīng)“三段式”溫度場的進(jìn)深尺度分別為0～4m、4～7m和7m以北（圖3）。模擬結(jié)果顯示[20]，空間開間尺度變化（3.3～4.8m范圍內(nèi)）對室內(nèi)溫度值有影響，對溫度場的“三段式”分布及其對應(yīng)進(jìn)深尺度的變化影響甚微。

圖2 南北貫通空間室內(nèi)溫度分布情況測試結(jié)果

圖3 南北貫通空間進(jìn)深方向溫度分布

起居室南向外窗大、日間得熱能力強(qiáng)，測點(diǎn)1受太陽輻射熱影響最為強(qiáng)烈，空氣溫度日間超過人體冬季室內(nèi)基本熱舒適溫度的時段持續(xù)9小時，但因單一大面積外窗形式難以適應(yīng)當(dāng)?shù)靥栞椛鋾円共町惔蟮臍夂蛱卣?，使室?nèi)的日間大量得熱在夜間快速流失，氣溫驟降。

圖4為測試對象臥室A的室內(nèi)空氣溫度測試結(jié)果，該房間位于南側(cè)、可直接獲得太陽輻射，但室內(nèi)空氣溫度比“起居室—廚房”南北貫通空間最北側(cè)測點(diǎn)6的溫度值持續(xù)低1℃左右，比同一進(jìn)深處測點(diǎn)2的溫度值低3℃。分析形成這一現(xiàn)象的主要原因是該房間接觸室外環(huán)境的表面積大，且未針對以失熱為主的北向、西向墻體采取保溫性能強(qiáng)化措施，使室內(nèi)太陽輻射得熱嚴(yán)重散失。

圖4 南向臥室A室內(nèi)溫度測試結(jié)果

2 戶內(nèi)太陽輻射熱利用空間分區(qū)

戶內(nèi)功能、空間尺度和空間組合是居住模式、使用需求、建造體系等設(shè)計要求的綜合集成，其內(nèi)在規(guī)律明確，是戶內(nèi)空間轉(zhuǎn)化利用室內(nèi)太陽輻射熱分布規(guī)律的基礎(chǔ)。整合臥室、起居室等戶內(nèi)主要功能空間常見進(jìn)深尺度范圍（3～5m）、布局規(guī)律與拉薩住宅室內(nèi)太陽輻射熱分布尺度規(guī)律，借鑒住宅工業(yè)化通用體系中將模數(shù)網(wǎng)格劃分限定在空間內(nèi)，以“區(qū)”在空間進(jìn)深方向劃分功能空間的思路，針對戶內(nèi)常見的南北貫通、南北分隔兩種基本空間組合類型，建立拉薩住宅戶內(nèi)太陽輻射熱利用分區(qū)，對地域住宅戶型方案前期的“冷熱區(qū)”模糊思維模型進(jìn)行細(xì)化和量化。具體來講，根據(jù)室內(nèi)太陽輻射得熱對空氣溫度影響的強(qiáng)弱程度，由南向北，將貫通空間依次劃分為 “日射得熱直接利用區(qū)”（0～4.2m）和“日射得熱補(bǔ)償利用區(qū)”（4.2～7.2m），進(jìn)深7.2m北側(cè)的空間定義為“日射得熱利用薄弱區(qū)”；當(dāng)南北空間分隔組合時，室內(nèi)太陽輻射得熱的向北擴(kuò)散受到空間分隔界面的阻礙，輻射得熱很難影響到更大區(qū)域的室內(nèi)溫度，因此將被分隔在北側(cè)的空間也定義為“日射得熱利用薄弱區(qū)”（圖5）。“日射得熱直接利用區(qū)”范圍與層高、屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型直接相關(guān)，增加層高、提高外窗頂高能夠擴(kuò)大直接熱利用區(qū)范圍，可按照與層高比值為1.45進(jìn)行范圍估算；屋頂局部為透明屋面時，可直接將太陽輻射透射于室內(nèi)，從而擴(kuò)大“日射得熱直接利用區(qū)”范圍。

圖5 拉薩住宅戶內(nèi)太陽輻射熱利用分區(qū)示意

分析戶內(nèi)3種“日射得熱利用區(qū)”的空間熱特性，總結(jié)各分區(qū)空間設(shè)計要點(diǎn)總結(jié)如下：

（1）“日射得熱直接利用區(qū)”熱環(huán)境受太陽輻射得熱和室外氣溫影響最大，該區(qū)域內(nèi)日間氣溫高、晝夜溫差大，對其南側(cè)、東西側(cè)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)潛在得熱區(qū)的氣候環(huán)境晝夜差異化適應(yīng)性設(shè)計需求強(qiáng)烈。這些潛在得熱區(qū)應(yīng)優(yōu)先考慮采用雙層透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)，通過對雙層透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)、外層界面差異化設(shè)計及啟閉控制，實(shí)現(xiàn)日間強(qiáng)得熱與夜間強(qiáng)保溫的熱工性能轉(zhuǎn)換。

（2）“日射得熱利用補(bǔ)償區(qū)”屬于南北空間貫通組合時特有區(qū)域，與“日射得熱直接利用區(qū)”相比，該區(qū)域受太陽輻射熱和室外氣溫影響較小，溫度較低、較穩(wěn)定。該區(qū)域的范圍、溫度與直接利用區(qū)空間交界面上的開口大小直接相關(guān)，與“日射得熱利用薄弱區(qū)”或室外環(huán)境交界面的保溫性能密切相關(guān)。一方面應(yīng)盡量擴(kuò)大該區(qū)域與得熱直接利用區(qū)空間交界面的開口尺度；另一方面，針對該區(qū)域與薄弱區(qū)或室外環(huán)境的交界面，可采用空間化設(shè)計手段形成“雙壁系統(tǒng)”或延用增加保溫層厚度提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的常規(guī)設(shè)計方法，削弱室外氣候環(huán)境與該區(qū)域熱環(huán)境的交互效應(yīng)。南北空間貫通組合類型（如南北轉(zhuǎn)折貫通、南窄北寬或南寬北窄的貫通組合空間等）對該區(qū)域范圍和溫度也會造成影響，從設(shè)計操作動作和空間組合對太陽輻射熱利用效率影響的角度來講，空間貫通組合優(yōu)先于貫通組合類型，熱利用分區(qū)范圍供各類南北貫通空間參考使用。

（3）“日射得熱利用薄弱區(qū)”受太陽輻射得熱影響最小、對室外低溫影響最敏感，該區(qū)域溫度低且晝夜波動較大，對其北側(cè)外圍護(hù)界面保溫性能的提升需求最為強(qiáng)烈，可采用雙層墻體、雙層窗戶等空間化“雙壁系統(tǒng)”或采用高性能保溫材料、增加保溫層厚度等常規(guī)設(shè)計手段提高外圍護(hù)界面整體保溫性能。

模擬數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)測試案例數(shù)據(jù)顯示，拉薩建筑東、西向透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)在采暖季能夠得熱[8]，延長太陽輻射熱利用時間[20]，減少建筑采暖用能需求。緊鄰山墻的戶內(nèi)“日射得熱利用區(qū)”，可在山墻無遮擋或遮擋較少區(qū)設(shè)集熱構(gòu)件，如雙層透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)、集熱蓄熱墻等空間化組件，或設(shè)置金屬太陽能墻、與送風(fēng)管道組合，為室內(nèi)補(bǔ)給熱量；對于山墻上遮擋較嚴(yán)重的區(qū)域，則以強(qiáng)化外墻保溫性能為主。

戶型方案是由成熟戶型選型或草圖開始逐步優(yōu)化成型，在這個設(shè)計過程中，可利用“戶內(nèi)太陽輻射熱利用分區(qū)”分析戶內(nèi)被太陽輻射直接得熱影響區(qū)覆蓋面積比例，預(yù)判戶型方案的太陽輻射熱利用潛力等級，輔助建筑師決策“選型”和確定空間組合方式、功能空間尺度及相應(yīng)圍護(hù)界面形態(tài)構(gòu)造的優(yōu)化方向。

3 戶內(nèi)空間適配組合模式

3.1 空間熱舒適分級分類

空間因功能、使用規(guī)律的不同形成空間熱舒適需求差異，住宅功能空間按照熱舒適需求可分為高、中、普通、低4個等級，分別對應(yīng)：起居室、臥室；餐廳、活動室、書房；戶內(nèi)樓梯、廚房、衛(wèi)生間；生活陽臺、儲藏室和樓梯間等公用空間。住宅空間熱舒適需求等級的差異，意味著4類功能空間與戶內(nèi)“日射得熱利用區(qū)”的差異化匹配，直接影響住宅建筑整體的太陽輻射熱利用效率。

3.2 空間分類適配組合模式

功能空間熱舒適分級組合適配優(yōu)先、有效控制空間進(jìn)深和分類優(yōu)化空間交界面是戶內(nèi)空間組合適配太陽輻射熱利用的基本原則。據(jù)此探尋拉薩住宅戶內(nèi)空間適配組合模式。

3.2.1空間熱舒適分級分類組合適配戶內(nèi)太陽輻射熱利用區(qū)

較戶內(nèi)空間南北分隔組合而言，南北貫通組合利于太陽輻射得熱向北側(cè)空間傳遞、擴(kuò)大太陽輻射直接得熱影響區(qū)、強(qiáng)化戶內(nèi)太陽輻射熱效用，建議盡可能多地采用南北貫通的空間組合方式。對應(yīng)戶內(nèi)太陽輻射熱利用分區(qū)及其3種空間熱特性，將熱舒適需求等級不同的功能空間進(jìn)行組合，并將進(jìn)深尺度盡量控制在相應(yīng)的熱利用區(qū)范圍內(nèi)（圖6）。

圖6 功能空間熱舒適分級組合適配戶內(nèi)太陽輻射熱利用空間分區(qū)示意

3.2.2分類優(yōu)化戶內(nèi)太陽輻射熱利用區(qū)空間交接界面

對于南北空間貫通組合類型而言，建議盡量擴(kuò)大日射得熱直接利用區(qū)與補(bǔ)償利用區(qū)空間交界面的開口尺寸，強(qiáng)化補(bǔ)償利用區(qū)與薄弱區(qū)空間交界面的保溫性能，如隔墻設(shè)內(nèi)保溫、采用雙層門、植入設(shè)備腔等（圖7）。對于南北空間分隔組合類型而言：（1）當(dāng)日射得熱利用薄弱區(qū)的空間熱舒適需求等級為高或中時，可在熱利用分區(qū)交界面處植入熱補(bǔ)償腔體，將北側(cè)空間轉(zhuǎn)換為日射得熱直接利用區(qū)；（2）當(dāng)日射得熱利用薄弱區(qū)的空間熱舒適需求等級為普通或低時，設(shè)置隔墻內(nèi)保溫或植入設(shè)備腔體，強(qiáng)化熱利用分區(qū)交界面的保溫性能，削弱低溫對日射得熱直接利用區(qū)空間熱環(huán)境的影響（圖8）。

圖7 戶內(nèi)空間南北貫通組合類型的熱利用區(qū)空間交界面適配措施示意

圖8 戶內(nèi)南北空間分隔組合類型的熱利用區(qū)空間交界面適配措施示意

3.2.3分類提升太陽輻射熱利用區(qū)外圍護(hù)界面的熱工性能

日射得熱直接利用區(qū)透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)先采用功能性陽臺、一步式陽臺、雙層組合窗等雙層透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)[22]，非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)推薦采用雙層墻體。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，內(nèi)、外層窗分別采用斷橋鋁合金低輻射中空玻璃窗[傳熱系數(shù)K=2.25W/（m2·K）]和斷橋鋁合金高透光中空玻璃窗[傳熱系數(shù)K=2.7W/（m2·K）]、間距為200mm和1400mm時，全關(guān)閉狀態(tài)下，整窗傳熱系數(shù)分別為1.05W/（m2·K）、1.30W/（m2·K）、太陽能得熱系數(shù)可按外層高透光窗計算。雙層墻體組合的腔間具有高蓄熱、高保溫的特性，且對強(qiáng)烈太陽輻射形成的溫度應(yīng)力破壞作用適應(yīng)性強(qiáng)，不僅能夠強(qiáng)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫系統(tǒng)的熱工性能，還能使其與建筑同壽命。

4 結(jié)語

面向建筑與氣候環(huán)境交互作用、以建筑本體“減需”為主導(dǎo)的綠色設(shè)計新理念已成為行業(yè)共識，如何針對特定地域氣候條件落實(shí)這一設(shè)計理念，是困擾建筑師的重要議題。本文以太陽輻射資源利用優(yōu)勢突出的拉薩地區(qū)為例，重點(diǎn)討論如何在戶型空間布局設(shè)計環(huán)節(jié)更直接高效地利用地域太陽輻射資源優(yōu)勢。通過整合當(dāng)?shù)刈≌緫魞?nèi)太陽輻射熱空間分布規(guī)律與戶型空間通用設(shè)計規(guī)律，提出“拉薩住宅戶內(nèi)太陽輻射熱利用空間分區(qū)”；針對3種“日射得熱利用區(qū)”的空間熱特性，總結(jié)設(shè)計應(yīng)對要點(diǎn)，將該地區(qū)太陽輻射條件轉(zhuǎn)化為空間設(shè)計條件，顯化地域太陽輻射對空間布局的適配要求。在此基礎(chǔ)上，面向設(shè)計應(yīng)用，提出戶內(nèi)空間組合適配太陽輻射熱利用分區(qū)的基本原則，基于較穩(wěn)定的戶型空間模式設(shè)計特征，建立了兩類9種適配太陽輻射熱利用分區(qū)的空間組合模式。

太陽輻射熱利用戶內(nèi)空間適配組合模式是地域的、多樣的、可變的，伴隨居民生活形態(tài)的持續(xù)演變和功能空間的需求變化，以及項(xiàng)目開發(fā)條件等現(xiàn)實(shí)情況差異，在地域太陽輻射熱利用空間分區(qū)適配組合的基本原則下，可衍生新的組合模式。另外，住宅建筑戶內(nèi)空間均屬于小空間，上述輻射熱利用空間適配組合模式還可供與住宅相似的密集型小空間建筑設(shè)計參考，如宿舍、公寓、酒店居住部分、辦公建筑等。

后續(xù)將針對住宅建筑具體應(yīng)用情景類型，一方面拓展戶內(nèi)空間適配組合模式，另一方面開展建筑間日照遮擋情況下的圍護(hù)界面形態(tài)構(gòu)造分區(qū)、建筑分段組合模式研究，形成一系列模式圖解，為建筑師針對性開展強(qiáng)化建筑直接太陽輻射熱利用效率的綠色建筑設(shè)計應(yīng)用提供參考?！?/p>