基于熱性能導(dǎo)向的住宅可持續(xù)設(shè)計(jì)策略

■ 張 磊 Zhang Lei 黃 欣 Huang Xin

0 引言

研究顯示，中國(guó)目前的建筑與交通能耗占社會(huì)終端總能耗的30%左右[1]，并呈持續(xù)增長(zhǎng)之勢(shì)。據(jù)此預(yù)計(jì)到2035年，中國(guó)的能源消費(fèi)將比美國(guó)還要高出將近70%[2]。我國(guó)是世界上年新建住宅面積最大的國(guó)家，住宅產(chǎn)業(yè)資源消耗巨大，如何實(shí)現(xiàn)住宅的高舒適性能與低碳減排目標(biāo)的結(jié)合是住宅可持續(xù)設(shè)計(jì)的重要議題。

1 熱性能導(dǎo)向下的住宅可持續(xù)設(shè)計(jì)策略

熱性能導(dǎo)向住宅設(shè)計(jì)是一種以建筑氣候?qū)W原理為基礎(chǔ)的住宅可持續(xù)設(shè)計(jì)策略。建筑氣候性能研究提供了一種建筑形式生成的新視角，基于生物氣候?qū)W方法的研究思路為建筑的形式創(chuàng)造注入了新的依據(jù)，是性能導(dǎo)向設(shè)計(jì)范式的主要內(nèi)容之一。

基于氣候?qū)W的住宅熱性能設(shè)計(jì)研究，以數(shù)值量化的交互設(shè)計(jì)為工具，尋求氣候參數(shù)與其它傳統(tǒng)設(shè)計(jì)要素更優(yōu)化、更合理的整合，以性能因子的介入影響建筑的形式生成，并與住宅熱舒適性密切相關(guān)的變量包括體形系數(shù)、太陽(yáng)輻射、朝向等共同構(gòu)成了基于熱性能導(dǎo)向的可持續(xù)設(shè)計(jì)策略 。

2 體型系數(shù)導(dǎo)向設(shè)計(jì)

2.1 體形系數(shù)的概念和原理

《住宅性能技術(shù)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50362—2005）中規(guī)定,建筑物體形系數(shù)是指建筑物的外表面積和外表面積所包的體積之比，即：

式中，SCB—體形系數(shù)（Shape Coefficient of Building)；

S—建筑物總外表面積,單位m2；

V—建筑物外表面積所包的體積,單位m3;

F—建筑層數(shù)；

W—建筑寬度，單位m;

D—建筑進(jìn)深，單位m;

H—建筑高度，單位m;

Sg—建筑基底面積，單位m2；

A—建筑物總建筑面積，單位m2。

由上式可知，建筑體形系數(shù)與建筑物的寬度、進(jìn)深、高度和層數(shù)有密切關(guān)系。體形系數(shù)的大小對(duì)建筑能耗的影響非常顯著，體形系數(shù)小，單位面積對(duì)應(yīng)的外表面積越小，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)等傳熱損失也就越小。因此，從降低能耗的角度出發(fā)，應(yīng)將體形系數(shù)控制在一個(gè)較小的水平上。但是，體形系數(shù)不僅影響建筑能耗，它還與建筑立面、平面布局、采光、通風(fēng)相關(guān)。體形系數(shù)規(guī)定過(guò)小，意味著表面平整，制約建筑師的創(chuàng)造性，平面布置困難甚至有害建筑功能，因此在體形系數(shù)的設(shè)定上不能僅考慮減少傳熱面積，必須全面權(quán)衡利弊[3]。

2.1.1 層數(shù)的影響

對(duì)于集合住宅而言，建筑的體形系數(shù)與層數(shù)有著顯著的關(guān)系，它將會(huì)隨著層數(shù)的增大而呈衰減趨勢(shì)（圖1）。從遞減的程度來(lái)看,12層是一個(gè)臨界點(diǎn)，12層以上的集合住宅對(duì)于體形系數(shù)的控制較為有利。因此，從控制體形系數(shù)、提高建筑性能的角度而言，在居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)中，應(yīng)更多地考慮中、高層住宅，這樣更利于節(jié)能[4]。

圖2 德國(guó)福伊特公司總部停車(chē)樓設(shè)計(jì)過(guò)程的熱性能導(dǎo)向[6]

2.1.2 層高的影響

當(dāng)建筑物的長(zhǎng)度、層數(shù)確定之后，建筑物的體形系數(shù)將會(huì)隨著層高的增大而減小，尤其對(duì)低層住宅影響很大[5]?！渡虾Ｊ泄こ探ㄔO(shè)規(guī)范居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（2009）》條文說(shuō)明4.0.4中亦有指出：?jiǎn)挝唤ㄖ娣e能耗與其對(duì)應(yīng)的外表面面積相關(guān)，而該相關(guān)面積不僅與體型系數(shù)相連，同時(shí)受到建筑層高的影響，在層高多樣化的建筑時(shí)代，設(shè)計(jì)層高過(guò)高的居住建筑(如>=4m)不利于建筑節(jié)能。而低層建筑，由于其多為別墅，獨(dú)棟或雙拼，屋頂面積占據(jù)外表面的百分比較高，房間之間的公共墻體較少，房間多與外表面相關(guān)，故客觀上，其體形系數(shù)比較大，能耗也相對(duì)較高。

2.2 體形系數(shù)導(dǎo)向設(shè)計(jì)案例分析

作為建筑性能的重要影響因素，體形系數(shù)的考量成為建成環(huán)境性能導(dǎo)向可持續(xù)設(shè)計(jì)的一個(gè)切入點(diǎn)。墨菲/ 揚(yáng)（Murphy/Jahn)事務(wù)所曾基于建筑性能提出了“工程建筑學(xué)”的概念，即設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是讓建筑在建造和使用過(guò)程中更加高效、節(jié)能，同時(shí)最大限度地提升建筑使用舒適度（如太陽(yáng)輻射、自然通風(fēng)、自然采光），以及建筑表皮對(duì)于建筑內(nèi)部小氣候的調(diào)節(jié)作用，這些設(shè)計(jì)要素應(yīng)該成為日常設(shè)計(jì)中的必要組成部分。只有這樣，建筑才是真正高科技和低能耗的。

墨菲/揚(yáng)事務(wù)所在德國(guó)海登海姆（Heidenheim）設(shè)計(jì)的福伊特（Voith)公司總部停車(chē)樓（圖2)是建筑性能導(dǎo)向可持續(xù)設(shè)計(jì)的典型案例。在這個(gè)案例中，設(shè)計(jì)師就是以體形系數(shù)為出發(fā)點(diǎn)對(duì)建筑形體進(jìn)行塑造的。設(shè)計(jì)者通過(guò)幾何學(xué)的演算判斷，在同等體積情況下，球體的外表面積最小。因此，在設(shè)計(jì)之初，就采用了球體的形式，希望通過(guò)最小的外表面積，帶來(lái)最少的室內(nèi)外熱量交換，以獲取最佳的建筑性能。這樣的建筑形式生成過(guò)程，印證了以提高建筑性能為目標(biāo)的體形系數(shù)控制對(duì)于建筑設(shè)計(jì)和建筑形式選擇的主導(dǎo)作用。

3 太陽(yáng)輻射導(dǎo)向設(shè)計(jì)

太陽(yáng)輻射是住宅熱性能中至關(guān)重要的影響因素，是住宅得熱的主要來(lái)源。住宅朝向的選擇往往就是基于太陽(yáng)輻射和日照等因素共同作用的結(jié)果。

3.1 光合有效輻射分析

光合有效輻射分析為住區(qū)環(huán)境的景觀設(shè)計(jì)、植物配置提供了重要的科學(xué)依據(jù)和評(píng)估手段。住宅區(qū)內(nèi)部的綠化植物，對(duì)于陽(yáng)光的喜好程度各有不同。我們可以通過(guò)計(jì)算軟件的模擬分析，對(duì)住宅區(qū)內(nèi)特定時(shí)段上的太陽(yáng)輻射進(jìn)行考察，以此為依據(jù)為人居室外環(huán)境設(shè)計(jì)和景觀植物配置提供決策導(dǎo)向支持。

圖3是上海某高層住宅區(qū)的日照輻射分析圖。通過(guò)此圖，我們可以將喜陽(yáng)植物配置在太陽(yáng)輻射高于6MJ/（m2d）的區(qū)域；而在太陽(yáng)輻射值為3MJ/（m2d）以下的區(qū)域配置喜陰植物。同理，可以在冬暖夏涼的區(qū)域配置居民公共活動(dòng)空間。

3.2 太陽(yáng)輻射導(dǎo)向設(shè)計(jì)案例分析

丹麥BIG建筑設(shè)計(jì)事務(wù)所在哈薩克斯坦國(guó)家圖書(shū)館的國(guó)際競(jìng)賽中，以領(lǐng)先的可持續(xù)設(shè)計(jì)理念戰(zhàn)勝了福斯特和哈迪德等炙手可熱的明星建筑師而斬獲一等獎(jiǎng)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，BIG應(yīng)用了熱性能分析軟件對(duì)太陽(yáng)輻射進(jìn)行分析，并利用太陽(yáng)輻射計(jì)算后的表面輻射結(jié)果導(dǎo)入建模程序生成建筑形態(tài)（圖4）。

新建筑的建筑面積達(dá)3.3萬(wàn)m2，龐大的建筑體量被分布在一個(gè)連續(xù)循環(huán)的莫比烏斯環(huán)上。變幻的流線使建筑的水平功能空間與豎直空間的轉(zhuǎn)換變得異常復(fù)雜：豎直的空間等級(jí)、水平連接和斜向穿插的視線被揉合在一個(gè)無(wú)限循環(huán)空間中。這看似相當(dāng)復(fù)雜的設(shè)計(jì)，借助計(jì)算機(jī)模擬的幫助，卻給出了令人滿意的清晰圖解。該設(shè)計(jì)通過(guò)Ecotect計(jì)算表面的太陽(yáng)輻射，并根據(jù)太陽(yáng)輻射計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)建筑的表皮，這是通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)運(yùn)用熱性能因素直接導(dǎo)向生成建筑表皮形式的典型案例，完美體現(xiàn)了太陽(yáng)輻射性能參數(shù)與建筑形式設(shè)計(jì)相結(jié)合的可持續(xù)設(shè)計(jì)理念[5]。

4 朝向?qū)蛟O(shè)計(jì)

朝向是實(shí)現(xiàn)住宅良好熱性能的主要途徑之一。控制太陽(yáng)輻射熱量的獲取是住宅朝向選擇的重要制約因素。同時(shí)，日照時(shí)數(shù)、生活習(xí)慣等問(wèn)題也對(duì)朝向有著不同的要求。

4.1 基于垂直面太陽(yáng)輻射的最佳朝向分析

住宅的朝向是獲得建筑太陽(yáng)輻射熱量的重要方面，其主要考量因素是建筑垂直面上的輻射量。

上海地區(qū)居住建筑以高層和多層為主，建筑垂直面接受的太陽(yáng)輻射比水平面（屋頂）接受的太陽(yáng)輻射要大得多。對(duì)于除了極少數(shù)頂層住宅單元之外的其他住宅單元而言，分析垂直面的太陽(yáng)輻射比水平面的太陽(yáng)輻射更有意義。因此可以認(rèn)為，上海地區(qū)住宅基于垂直面太陽(yáng)輻射的最佳朝向基本上等同于住宅整體接收太陽(yáng)輻射的最佳朝向。

圖5是使用Weather Tool軟件輸出的上海地區(qū)建筑垂直面太陽(yáng)輻射最佳朝向的分析圖。分析結(jié)果顯示上海全年平均輻射最大的朝向?yàn)?20°（由于此方向有可能在過(guò)熱時(shí)期接收到過(guò)多的太陽(yáng)輻射，因此這并不是最佳朝向）；過(guò)冷時(shí)期輻射量最大的朝向?yàn)?78°;過(guò)熱時(shí)期輻射量最大的朝向?yàn)?68°;全年時(shí)期內(nèi)最差朝向?yàn)?0°，最佳朝向?yàn)?50°。圖中左上角文字分別分析了過(guò)冷時(shí)期內(nèi)各個(gè)朝向太陽(yáng)輻射量的總和為990.6kWh/m2；過(guò)熱時(shí)期內(nèi)各個(gè)朝向太陽(yáng)輻射量的總和為170.0 kWh/m2；Compromise（折中）表示最佳朝向。左下角文字分別表示：全年平均輻射最大的朝向?qū)?yīng)的輻射量為0.93kWh/m2；過(guò)冷時(shí)期輻射量最大的朝向所對(duì)應(yīng)的輻射量為1.38 Wh/m2；過(guò)熱時(shí)期輻射量最大的朝向所對(duì)應(yīng)的輻射量為0.56kWh/m2。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可得，就垂直面太陽(yáng)輻射而言，上海地區(qū)的最佳住宅朝向是150°，即南偏東30°。

通常，住宅朝向的設(shè)置不僅取決于太陽(yáng)輻射，還應(yīng)該同時(shí)考慮通風(fēng)等眾多因素。但是，住區(qū)的風(fēng)環(huán)境性能可以通過(guò)一些中觀和微觀尺度的設(shè)計(jì)手法來(lái)進(jìn)行調(diào)整和改變，而太陽(yáng)輻射的影響卻是由太陽(yáng)運(yùn)行狀況本身決定的，很難通過(guò)設(shè)計(jì)手段進(jìn)行改變?？紤]到太陽(yáng)輻射量對(duì)于住宅性能，尤其是熱環(huán)境性能具有舉足輕重的影響，筆者認(rèn)為上海住宅的朝向問(wèn)題應(yīng)該主要由太陽(yáng)輻射決定。因此，可以認(rèn)為上海地區(qū)居住建筑的綜合最佳朝向就是南偏東30°。

4.2 建筑朝向?qū)蛟O(shè)計(jì)案例分析

建筑朝向的要求是對(duì)城市規(guī)劃形態(tài)影響非常強(qiáng)烈的因素。從圖6中不同城市肌理的對(duì)比，可以明顯看出中國(guó)與其它國(guó)家城市形態(tài)的差異。這是由于中國(guó)的傳統(tǒng)居住習(xí)俗中，對(duì)建筑朝向有著明確的要求，這種要求在現(xiàn)代的城市規(guī)劃與住宅設(shè)計(jì)中，以住宅規(guī)范的形式被固定下來(lái)?？梢哉f(shuō)，中國(guó)式的住宅布局是熱性能導(dǎo)向設(shè)計(jì)的典型案例。在中國(guó)，嚴(yán)格的住宅日照法規(guī)使得建筑朝向的要求對(duì)建筑的布局形態(tài)影響顯著。盡管較低的朝向要求能導(dǎo)向更為靈活的居住群體布局，但嚴(yán)格控制的朝向參數(shù)，必然會(huì)限制規(guī)劃格局的靈活性與多樣性。不過(guò)近年來(lái)，對(duì)于朝向帶來(lái)的優(yōu)越熱舒適性能已經(jīng)越來(lái)越受到國(guó)際社會(huì)的關(guān)注，許多國(guó)際研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始著手研究通過(guò)朝向控制，來(lái)改變住區(qū)熱舒適環(huán)境的可能性。

5 結(jié)語(yǔ)

住宅氣候性能研究是一種基于生物氣候?qū)W方法的研究思路，是性能導(dǎo)向設(shè)計(jì)策略的主要內(nèi)容之一。其目標(biāo)是通過(guò)數(shù)值量化的交互設(shè)計(jì)，尋求氣候參數(shù)與其它傳統(tǒng)設(shè)計(jì)要素更優(yōu)化、更合理的整合。在低碳住宅設(shè)計(jì)策略中，氣候環(huán)境不僅是不可或缺的基礎(chǔ)因素，而且將營(yíng)造活動(dòng)中最值得積極應(yīng)對(duì)的、最為重要的自然因素。

[1] China Council for International Cooperation on Environment and Development.CCICD Annual Policy Report(2009): Energy, Environment and Development[M].Beijing: China Environmental Science Press , 2010:65.

[2] International Energy Agency. World Energy Outlook 2011[M].Paris: IEA,2011.

[3] 上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通委員會(huì).居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

[4] 黃一如，馮華晟.集合住宅體形系數(shù)研究[C].第六屆中國(guó)城市住宅研討會(huì).北京.建筑工業(yè)出版社，2007.

[5] 賈紅，趙鵬，劉小云.關(guān)于住宅建筑體形系數(shù)的分析[J]. 成都：成都大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008 (2): 148-150.

[6] Murphyjahn. http://www.murphyjahn.com/VOITH.html.2012.

[7] 云朋. 阿斯塔納國(guó)家圖書(shū)館中的參數(shù)化設(shè)計(jì)和ecotect. http://blog.sina.com.cn/s/indexlist_1407383070_5.html,2010.

[8] Arup, Caup, Ceibs, et al. Towards Sustainable Residential Development in China[R]. Shanghai: ARUP，2010.