試談性能優(yōu)化分析在可持續(xù)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用
——以嘉興平湖溫室項(xiàng)目為例

溫海濤

(上海朗詩規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)有限公司,上海 200092)

0 引 言

在現(xiàn)今全球能源和環(huán)境不斷惡化的情況下，低碳環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的理念已經(jīng)成為時(shí)代共識(shí)。可持續(xù)的設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)營在高碳排放的房地產(chǎn)行業(yè)里逐漸成為主流，是否有可持續(xù)方面的設(shè)計(jì)理念也成為項(xiàng)目推進(jìn)過程中無法忽視的考量維度。如何在保障人體舒適度的情況下，盡可能降低建造過程中的碳排放，并在后期運(yùn)營過程中維持一個(gè)盡可能低的能耗水平，越來越成為一個(gè)項(xiàng)目是否成功的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

國內(nèi)建筑市場受到國家綠色施政及全球環(huán)保水平發(fā)展影響，開始在綠色設(shè)計(jì)施工和能耗標(biāo)準(zhǔn)方面出臺(tái)一系列規(guī)范和政策引導(dǎo)，可持續(xù)設(shè)計(jì)開始成為一種不可或缺的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)日益提升的人民生活水準(zhǔn)和生活品味，也使得大眾開始對居住品質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的改善訴求。

從開發(fā)商和業(yè)主角度來講，在開發(fā)項(xiàng)目中自持比例的不斷提高，使得房地產(chǎn)快銷品的屬性不斷降低，想要確保一定利潤，除去精簡成本，提高溢價(jià)外，必須大幅降低物業(yè)的運(yùn)營成本，這也在很大程度上要求項(xiàng)目在設(shè)計(jì)之初就要對能耗水平有一個(gè)優(yōu)化預(yù)判的研究過程。

對具體項(xiàng)目而言，如何通過前端設(shè)計(jì)將實(shí)際運(yùn)營階段的能耗控制在較低水平，一直都是個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜、莫衷一是的論題，但學(xué)術(shù)界目前的一個(gè)共識(shí)是：通過前端設(shè)計(jì)的確能以較小的成本獲取相當(dāng)可觀的能源系統(tǒng)優(yōu)化，大幅降低能耗開支。

1 可持續(xù)建筑的主要控制因素及分析手段

對于建筑來講，影響運(yùn)營能耗和人體舒適度的因素主要有以下幾個(gè)方面：

1.1 建筑方面

(1) 外維護(hù)的熱交換水平：包含外維護(hù)材料構(gòu)造，冷熱橋，氣密性和門窗洞口部位。

(2) 外遮陽：是否有效調(diào)解熱輻射的吸收。

(3) 新風(fēng)系統(tǒng)：能否進(jìn)行高效熱回收。

(4) 清潔(可再生)能源：是否有清潔能源的補(bǔ)充，減少對不可再生和二次能源的需求。

1.2 室內(nèi)環(huán)境方面

(1) 室內(nèi)溫濕度。

(2) 室內(nèi)風(fēng)環(huán)境。

(3) 室內(nèi)光環(huán)境。

1.3 模擬分析

目前各國在可持續(xù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域都是運(yùn)用各種模擬分析軟件對建筑上述關(guān)鍵因素進(jìn)行模擬預(yù)測，并提出優(yōu)化建議。這在優(yōu)化建筑整體能耗水平的同時(shí)，也顯著影響了建筑的形態(tài)甚至總體布局。考慮到建筑本身就是個(gè)非常復(fù)雜的大系統(tǒng)，很難確認(rèn)這些具體的設(shè)計(jì)優(yōu)化分析對運(yùn)營期的建筑能耗的降低存在哪些明確的對應(yīng)關(guān)系，但有數(shù)據(jù)支持的一個(gè)結(jié)論是：在前端主動(dòng)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)的項(xiàng)目比沒有做的項(xiàng)目整體能耗水平要低17%以上。對于投資動(dòng)輒千萬甚至數(shù)億的建筑項(xiàng)目來說，這確實(shí)是一筆巨大的收益。更值得稱道的是，建筑本身低碳、環(huán)保、高舒適度的生命周期得到了更好的延續(xù)。

目前全球主要應(yīng)用的幾款性能優(yōu)化軟件表1。

表1 主要的性能優(yōu)化軟件對比分析

1.4 展望

日益強(qiáng)大的軟件分析能力(人工智能和算法)絕不意味著建筑師職業(yè)的消亡，讓建筑設(shè)計(jì)變成了一個(gè)純粹的數(shù)學(xué)游戲，給出幾個(gè)初始條件帶入程序運(yùn)算得到一個(gè)明確的最優(yōu)解。實(shí)際情況恰恰相反，強(qiáng)大的算法可以解放傳統(tǒng)建筑師被壓抑和分散掉的創(chuàng)造力和文化表達(dá)力。性能分析可以為建筑師提供精確定量的技術(shù)支持，而建筑師才是賦予建筑靈魂和文化內(nèi)涵的主導(dǎo)者。比如，根據(jù)軟件分析建議，在某具體地理方位的建筑南向需設(shè)置橫向遮陽百葉；在滿足遮陽60%的情況下，選擇做細(xì)密的百葉還是單片的挑檐，塑造出的空間將具有截然不同的氣質(zhì)和文化韻味，而這完全取決于建筑師的取舍。形式應(yīng)該追隨功能和精神訴求，成為表達(dá)的結(jié)果而非原因。

2 基于性能分析的項(xiàng)目實(shí)踐

筆者就自身實(shí)踐的一個(gè)小型可持續(xù)項(xiàng)目，粗淺探討一下性能優(yōu)化分析對設(shè)計(jì)的指導(dǎo)價(jià)值。

2.1 項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目位于嘉興平湖一片農(nóng)田之上，屬于農(nóng)業(yè)用地展示接待用房，北面是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大棚,南面是大片的彩色稻田，未來西面也會(huì)有大片竹林和果樹。由于國家嚴(yán)控農(nóng)業(yè)用地紅線，本項(xiàng)目整體將以全玻璃溫室進(jìn)行設(shè)計(jì)建造并完成報(bào)建審批。業(yè)主希望通過完成一個(gè)綠色超低能耗建筑項(xiàng)目的實(shí)踐示范，探索農(nóng)業(yè)綜合體的應(yīng)用場景，驗(yàn)證可持續(xù)設(shè)計(jì)在人體舒適度和低碳環(huán)保方面的優(yōu)勢，以便未來大范圍推廣。

設(shè)計(jì)內(nèi)容： 1 500 m2的玻璃盒子,未來將成為容納接待、餐飲、農(nóng)事體驗(yàn)、培訓(xùn)、會(huì)議、辦公等多種功能于一身的小型農(nóng)業(yè)綜合體；以不高于正常公建的運(yùn)營能耗，確保在強(qiáng)烈溫室效應(yīng)下的人體舒適度。

2.2 設(shè)計(jì)策略及推演

設(shè)計(jì)策略包括:

(1) 以被動(dòng)式設(shè)計(jì)手段應(yīng)對能耗問題。

(2) 以單元模塊標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)對周期短、可復(fù)制需求,并盡可能降低建造成本。

(3) 以木結(jié)構(gòu)+玻璃為建造體系,發(fā)揮木結(jié)構(gòu)在小型建筑中標(biāo)準(zhǔn)化率高、質(zhì)輕近人、熱惰性好等特點(diǎn)。

我們首先確定的一個(gè)底層邏輯是做庭院。作為一個(gè)當(dāng)?shù)貧v史文脈和鄉(xiāng)土情感的載體,庭院的作用毋庸置疑,其地域風(fēng)土屬性極強(qiáng),我們希望能以一種致敬地方文脈的方式來構(gòu)筑這間特別的溫室。

而庭院的圍合營造,我們也是仿照前人做法,用標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行拼接組合。大模塊作為人群活動(dòng)主空間,居于空間主軸,小模塊作為溫室,居于廂房位置,中間圍合出種上水稻的庭院,形成一個(gè)院落單元,動(dòng)靜有序,主次有別。如有需要即可快速拓展至多進(jìn)院落。

在幾進(jìn)院落的中軸線上我們設(shè)置了連續(xù)的落地景窗，在人視限高度范圍采用高透玻璃,形成一長條綿延至廣袤田野、景深極大的視野, 尤其是在過渡季全部打開的情況下,會(huì)將整個(gè)建筑融進(jìn)大自然里,這也與國人秉承的天人合一的理念不謀而合。

通過有針對性的制定能耗標(biāo)準(zhǔn),可以盡量降低項(xiàng)目造價(jià)成本,減少不必要的花費(fèi)。對于人群聚集的大模塊,我們進(jìn)行多維性能優(yōu)化和能耗模擬,通過調(diào)整其空間形態(tài)、遮陽效果和通風(fēng)性能,在盡量節(jié)能的情況下確保人體舒適度;對于溫室模塊,則盡量精簡結(jié)構(gòu)構(gòu)造,達(dá)到植物生長的最低能耗需求即可。

2.3 性能優(yōu)化分析及能耗模擬

在明確了整體的開發(fā)策略和設(shè)計(jì)思路之后，就需要借助性能分析幫助我們進(jìn)一步定性定量地設(shè)計(jì)建筑的空間形態(tài)和新風(fēng)系統(tǒng)。首先，我們通過CFD和Energy Plus軟件，對坡屋頂建筑的截面空間形態(tài)進(jìn)行了分析，希望可以盡量借助煙囪效應(yīng)增加建筑的自然通風(fēng)效果，最大限度地利用氣壓差形成對流，將熱空氣排走，同時(shí)在院落中設(shè)置了水庭，增加下層空氣的水汽含量，也是為了加強(qiáng)對流效果。

另外，對于受熱面積最大、吸收熱量最顯著的屋頂部分，我們設(shè)置了橫向的光伏遮陽板，并通過軟件分析對比了每個(gè)月遮陽百葉固定角度的遮陽效果。

3 建筑形體

經(jīng)過軟件分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)置屋頂外遮陽板會(huì)極大地改善室內(nèi)超溫現(xiàn)象。對于屋頂外遮陽板，我們設(shè)計(jì)了兩種方案，如圖1所示。

圖1 屋頂外遮陽板設(shè)計(jì)方案

用軟件對兩種屋頂設(shè)計(jì)方案進(jìn)行能耗模擬分析比較，結(jié)果為：在僅考慮熱壓通風(fēng)的情況下，方案一的體型更有利，即頂部熱壓通風(fēng)區(qū)域越高越好；而且建議頂部設(shè)置方式為南向坡度宜較小、北向坡度宜較大。

通過模擬計(jì)算，整理出隨遮陽板角度改變屋面每月輻射強(qiáng)度累計(jì)值，以及各遮陽板角度下每月輻射強(qiáng)度累計(jì)值與輻射強(qiáng)度最低值的增幅(表2)。表2中，-6°為與夏季正午最高太陽高度角垂直的角度；37°為與冬季正午最高太陽高度角垂直的角度。

表2 屋頂遮陽板不同角度下每月輻射強(qiáng)度累計(jì)值與輻射強(qiáng)度最低值相比較的增幅

4 結(jié) 論

屋頂外遮陽板角度變化范圍在-6°～37°，結(jié)合表2中數(shù)據(jù)分析，制定遮陽板調(diào)節(jié)方案。調(diào)節(jié)方案為：遮陽板傾斜角在夏季(6～9月)宜調(diào)節(jié)為-6°；在冬季(10～12月)宜調(diào)節(jié)為37°；其余過渡季僅從遮陽效果考慮不做強(qiáng)制要求，可綜合考慮采光、光電效果等調(diào)節(jié)遮陽板角度。性能優(yōu)化團(tuán)隊(duì)還對項(xiàng)目的整體工況進(jìn)行了多種模擬分析對比，限于篇幅，此處不一一贅述，僅列出主要模擬內(nèi)容，分別為：

(1)東西立面考慮遮陽，遮陽率考慮30%、50%、70%。

(2)外窗的性能考慮：1.8 SHGC 0.63、VT0.7，2.4 SHGC 0.63、VT 0.7，以及2.8SHGC0.68、 VT0.75。內(nèi)窗的性能考慮：2.8 SHGC 0.68、VT 0.75。

(3)自然通風(fēng)面積。

(4)內(nèi)窗性能6+13+lowe+61. 912 SHGC 0.568、VT 0.744。

(5)夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度30℃、冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度20℃。

最終我們得到了如下對建筑設(shè)計(jì)具有具體數(shù)值建議的優(yōu)化分析結(jié)論：

(1)玻璃性能不低于1.8 SHGC 0.63、VT 0.7。

(2)屋面設(shè)置外遮陽板，外遮陽板結(jié)合屋面光伏板設(shè)置。

(3)熱壓通風(fēng)面積不小于進(jìn)排風(fēng)口，且均不小20m2，最好能做到40m2。

(4)局部雙層玻璃1.2 SHGC 0.68、VT 0.53，對設(shè)備選型基本無影響，無須設(shè)置。

(5)東西立面設(shè)置內(nèi)遮陽卷簾對夏季能耗降低幅度有限，不建議設(shè)置。

正是遵循著性能優(yōu)化分析提供的可以量化的參數(shù)指標(biāo)，通過設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)各專業(yè)之間緊密高效的配合協(xié)作，建筑設(shè)計(jì)方案得以不斷推進(jìn)深化，逐步將布局形態(tài)、構(gòu)造以及暖通設(shè)備系統(tǒng)等逐一完善確定，最終在3周內(nèi)快速高效地完成了本次設(shè)計(jì)任務(wù)。方案也順利通過了匯報(bào)和甲方的成本管控，得到了業(yè)主的贊許。

5 結(jié)束語

通過該溫室項(xiàng)目設(shè)計(jì)的整個(gè)實(shí)踐過程可以看到，在合理引入性能優(yōu)化分析技術(shù)支持的情況下，同時(shí)在暖通及建筑物理工程師的配合下，整個(gè)建筑方案會(huì)在成熟度與可實(shí)施度方面達(dá)到令人驚訝的程度，既可以讓業(yè)主在建設(shè)階段降低設(shè)備采購成本，又在未來運(yùn)營階段有明顯的低能耗成本優(yōu)勢。性能優(yōu)化分析可以給項(xiàng)目提供非常直觀、可量化的數(shù)據(jù)，幫助設(shè)計(jì)師不斷完善和深化方案，在設(shè)計(jì)前端就對人體的舒適度和運(yùn)營能耗進(jìn)行全面細(xì)致的管控規(guī)劃，同時(shí)大量減少設(shè)計(jì)過程中無謂的反復(fù)修改，工作的導(dǎo)向性非常強(qiáng)。雖然目前還達(dá)不到將能耗指標(biāo)及物理微環(huán)境完全數(shù)據(jù)化的程度，但以現(xiàn)在技術(shù)發(fā)展的速度，我們有理由相信，依靠人工智能和算法，性能優(yōu)化分析將會(huì)變得日益強(qiáng)大，必能協(xié)助設(shè)計(jì)師發(fā)揮更大能力。