四川夏熱冬冷地區(qū)生態(tài)住區(qū)規(guī)劃及被動(dòng)式節(jié)能住宅設(shè)計(jì)初探
——以成都市為例

李虹霖 （成都大學(xué)，四川 成都 610000）

1 研究背景

建筑耗能在整個(gè)能源消耗格局中占較大比例，其消耗世界資源并產(chǎn)生環(huán)境污染。在中國(guó)，城鎮(zhèn)化促使各地居住用地和住宅不斷增多，住宅規(guī)劃和設(shè)計(jì)開(kāi)始受到廣泛關(guān)注。然而，目前住宅設(shè)計(jì)多停留在依靠機(jī)械設(shè)備的主動(dòng)式節(jié)能，所采用的生態(tài)節(jié)能方式的效果也有待評(píng)估與反饋。

成都是夏熱冬暖地區(qū)，建筑無(wú)供暖，存在能耗大、通風(fēng)差的問(wèn)題，同時(shí)城市發(fā)展也帶來(lái)了環(huán)境污染問(wèn)題，熱島效應(yīng)日趨嚴(yán)重。

1.1 研究意義

生態(tài)節(jié)能建筑能減少耗能從而改善環(huán)境污染；優(yōu)化居住區(qū)生態(tài)，提高生活質(zhì)量，間接體現(xiàn)城市的現(xiàn)代化水平；能夠?yàn)閱我坏氖袌?chǎng)發(fā)展提供更多更合理的生態(tài)節(jié)能方式，避免節(jié)能技術(shù)的簡(jiǎn)單堆砌；將生態(tài)節(jié)能設(shè)計(jì)從二維提升到三維，以實(shí)際工程為基礎(chǔ)，輔以計(jì)算機(jī)模擬及環(huán)境測(cè)試突破傳統(tǒng)研究模式。

生態(tài)住區(qū)規(guī)劃及被動(dòng)式節(jié)能住宅的推廣對(duì)減少不可再生能源的消耗及我國(guó)大氣污染的改善有著明顯作用，對(duì)優(yōu)化自然環(huán)境起到積極作用。

1.2 研究現(xiàn)狀

生態(tài)建筑的研究國(guó)內(nèi)已有學(xué)者涉及，多數(shù)為生態(tài)學(xué)理論在建筑領(lǐng)域運(yùn)用、指導(dǎo)的設(shè)計(jì)理論框架、原則，學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)的建筑經(jīng)驗(yàn)等，但對(duì)實(shí)際工程、實(shí)踐項(xiàng)目的研究較少，以計(jì)算機(jī)模擬、環(huán)境效果測(cè)試進(jìn)行分析的研究較為缺乏。國(guó)內(nèi)外對(duì)于生態(tài)住區(qū)及被動(dòng)式節(jié)能住宅的研究均未有結(jié)合軟件模擬對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行論證闡述的先例。

2 地理位置基本信息收集

將成都的地理信息輸入Autodesk Ecotect Analysis 中的WeatherTool，提取以成都為代表的夏熱冬暖地區(qū)的氣象資料。

2.1 太陽(yáng)輻射分析

如圖1 和圖2 所示，成都地區(qū)夏季平均曝輻射量約為1400 kWh∕m2，冬季約為400kWh∕m2。成都地區(qū)建筑最佳朝向165°，最差朝向75°，全年平均輻射量最多的朝向108°，過(guò)冷時(shí)間內(nèi)輻射量最多的朝向166°，過(guò)熱時(shí)間內(nèi)輻射量最多朝向88°。根據(jù)分析得出的太陽(yáng)能利用角度對(duì)初步設(shè)計(jì)有著重要作用，影響建筑朝向、體形系數(shù)以及建筑的窗墻比。

圖1 太陽(yáng)輻射量

圖2 最佳朝向分析

2.2 焓濕圖（圖3）

焓濕圖可提取舒適區(qū)域范圍，其同時(shí)考慮了空氣溫度、相對(duì)濕度、氣流速度和周圍環(huán)境的輻射溫度。焓濕圖中顯示的地域數(shù)據(jù)資料同時(shí)也決定了該地區(qū)室內(nèi)被動(dòng)式節(jié)能的設(shè)計(jì)方式對(duì)建筑熱舒適的影響，以此可確定最有效的被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)方式。如圖3所示，黃色區(qū)域?yàn)闊崾孢m區(qū)間，藍(lán)色的深淺表示逐日頻率。

圖3 焓濕圖

2.3 被動(dòng)式策略分析

如圖4 所示，采用被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖可以提高成都3、4、5、6、9、10、11月的室內(nèi)舒適度，但效果不顯著。采用自然通風(fēng)可以提高成都5～10 月的室內(nèi)舒適度。夜間通風(fēng)與高蓄熱性的圍護(hù)結(jié)構(gòu)或附加構(gòu)件一起使用時(shí)，可改善3～6月，9～12月的室內(nèi)舒適度。

圖4 被動(dòng)式策略逐月效果圖

如圖5所示，被動(dòng)式策略在3～10月效果明顯，自然通風(fēng)在夏季作用顯著，綜合運(yùn)用各種被動(dòng)式策略可提高全年舒適度約3倍。

圖5 被動(dòng)式策略總效果圖

3 節(jié)能設(shè)計(jì)方法與案例分析

被動(dòng)式住宅的節(jié)能需要考慮多方面因素。其中外圍護(hù)結(jié)構(gòu)是耗能最嚴(yán)重的部分；建筑設(shè)備，生物景觀等都可以輔助降低能耗；而能耗也與室內(nèi)舒適度相關(guān)。

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)

3.1.1 墻體設(shè)計(jì)

外圍護(hù)結(jié)構(gòu)首先應(yīng)滿足規(guī)范需求，節(jié)能方面可采用保溫技術(shù)減少建筑對(duì)能源的依賴，根據(jù)成都地區(qū)環(huán)境特征，選擇適當(dāng)?shù)谋馗魺岵牧希趬w結(jié)構(gòu)增設(shè)一層或多層保溫材料形成內(nèi)保溫、夾心保溫和外保溫復(fù)合墻體。

3.1.2 屋頂設(shè)計(jì)

適用于成都市的屋頂熱工設(shè)計(jì)方法有：加隔熱保溫材料、倒置屋面（改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)）以及屋頂通風(fēng)防熱設(shè)計(jì)（利用風(fēng)壓、熱壓）。

Ecotect中對(duì)屋頂熱工分析主要也是通過(guò)對(duì)屋頂材料的替換對(duì)比來(lái)實(shí)現(xiàn)，即改變屋頂材料的熱阻和傳熱系數(shù)。

3.1.3 窗戶設(shè)計(jì)

采用高能量穿透率和地傳熱系數(shù)的玻璃和窗框窗扇材料。成都西曬嚴(yán)重，因此西向應(yīng)注意遮陽(yáng)，而東向外窗玻璃的遮陽(yáng)系數(shù)可降低，并提高外窗的氣密性。根據(jù)功能、預(yù)算等選擇合適的節(jié)能玻璃，如中空玻璃、熱反射玻璃、吸熱玻璃、玻璃替代品（聚碳酸酯板）等。除了材料，窗戶的大小也會(huì)直接影響建筑能耗，應(yīng)根據(jù)房間功能設(shè)置合適的窗墻比。

3.2 通風(fēng)組織

3.2.1 建筑朝向

建筑朝向應(yīng)有利于自然通風(fēng)，風(fēng)與建筑產(chǎn)生的夾角，建筑與周圍環(huán)境的遮擋關(guān)系，建筑外形等都會(huì)影響通風(fēng)，利用風(fēng)壓實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)需要塑造良好的建筑外部風(fēng)環(huán)境。根據(jù)成都市全年風(fēng)向特征調(diào)整建筑朝向，將原為北偏東30°的建筑改為正北方向之后，全年總能耗降低。

3.2.2 熱壓通風(fēng)

利用建筑內(nèi)部空氣的熱壓差形成自然通風(fēng)是建筑設(shè)計(jì)中常用的方式，也稱為“煙囪效應(yīng)”。它廣泛應(yīng)用于高層建筑中，利用狹小空間受熱促使空氣升溫上升，外部的新鮮冷空氣則被吸入內(nèi)部，形成風(fēng)力循環(huán)，降溫節(jié)能。熱壓通風(fēng)依靠室內(nèi)外的溫差，需合理設(shè)置進(jìn)、出風(fēng)口的高差。

在實(shí)際案例中，在對(duì)角布置門窗位置，增加其高差，以及空間夾層的設(shè)計(jì)，都是利用風(fēng)壓與熱壓的共同作用，增強(qiáng)建筑自然通風(fēng)效果。調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的同時(shí)，保證空氣質(zhì)量，也能輔助節(jié)能。

3.3 生物氣候?qū)?/h3>

生物氣候?qū)W建筑是生態(tài)建筑的基礎(chǔ)，其原理是學(xué)習(xí)生物體的有機(jī)特性實(shí)現(xiàn)連續(xù)自我調(diào)節(jié)。生物氣候?qū)W方法并不能完全取代人工機(jī)械設(shè)備在建筑中的作用，但可以有效減短依賴設(shè)備的時(shí)長(zhǎng)，相比傳統(tǒng)建筑全年依靠設(shè)施設(shè)備，其能源消耗大幅減小。

3.3.1 垂直循環(huán)系統(tǒng)

垂直循環(huán)系統(tǒng)主要指建筑內(nèi)的豎向聯(lián)系空間，如樓電梯、自動(dòng)扶梯、坡道等，通常是整個(gè)建筑的“服務(wù)核”，同時(shí)是高層建筑交通、支撐的重要部分，是保障多高層建筑正常使用的核心。

從生物氣候?qū)W角度，認(rèn)為服務(wù)核應(yīng)設(shè)在建筑表面“熱”的一側(cè)或兩側(cè)，既能獲得自然光和自然通風(fēng)，又可形成“緩沖區(qū)”，避免外部冷熱空氣對(duì)內(nèi)部空間的直接沖擊。在成都地區(qū)，西側(cè)設(shè)置可防曬，北側(cè)設(shè)置可防寒。

3.3.2 垂直景觀

垂直景觀是把景觀引入建筑，吸引其他生命體，再結(jié)合地面綠化，形成景觀微系統(tǒng)，可調(diào)節(jié)建筑微氣候。綠色植物光合作用和視覺(jué)美觀可為使用者提供新鮮的空氣和更舒適的環(huán)境。空中花園，屋頂綠化等是常用的方式，在成都垂直景觀需要考慮風(fēng)作用及生物影響，共同改善室內(nèi)外環(huán)境。

3.4 室內(nèi)照明技術(shù)節(jié)能設(shè)計(jì)

成都地區(qū)以陰天為主，需要的人工照明時(shí)間長(zhǎng)，功率大，因此合理的照明設(shè)計(jì)也是降低建筑能耗的關(guān)鍵。應(yīng)盡可能利用自然光提供照明；利用Ecotect分析室內(nèi)的自然采光，找出使用照度不足的位置，再根據(jù)功能需要增設(shè)人工照明；注意選擇節(jié)能燈具。

3.5 案例分析

以成都市某小區(qū)為例，進(jìn)行能耗分析。同一個(gè)戶型，保持其他條件不變，分別改變南、西墻材質(zhì)，改小窗戶尺寸，改為相反朝向后的能耗模擬分析圖進(jìn)行比較。從全年總能耗圖中可以看出，改變外墻材料，即改變傳熱系數(shù)對(duì)總能耗的影響最大，縮小窗戶大小，使得散熱更少，保溫性能更好，總能耗降低，但效果不如改變外墻材料明顯，改變朝向?qū)偰芎囊灿幸欢ㄓ绊憽Ｈ鐖D6所示，改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計(jì)，可以找到最經(jīng)濟(jì)，最有效的構(gòu)造。同時(shí)可看出，外墻材料還是原材料更優(yōu)，房間窗戶可以改小，改變朝向后更優(yōu)。

圖6 能耗分析圖

如圖7所示，太陽(yáng)輻射能小于3MJ∕m2d的區(qū)域需要種植喜陰植物，太陽(yáng)輻射能介于3MJ∕m2d～6MJ∕m2d的區(qū)域適合種植中性植物，太陽(yáng)輻射能高于6MJ∕m2d的區(qū)域適合種植喜陽(yáng)植物。原設(shè)計(jì)庭院中主要為中性植物，植物種類單調(diào)不夠豐富。南部鏤空后的建筑外部場(chǎng)地植物配置基本不變，內(nèi)部植物配置有較大變化，中性植物依舊占大部分，喜陰植物的比例有所增加，這樣能改善庭院內(nèi)部植物配置情況，豐富植物種類。

圖7 植被配置分析圖

原始設(shè)計(jì)中，燈具布置較為稀松，照度值達(dá)到300lux的面積不足一半，故設(shè)計(jì)存在照明不足的問(wèn)題，如圖8 所示。修改后，增加燈具數(shù)目，建筑中大部分平面的照度值達(dá)到了300lux，特別是客廳和餐廳的照度比較均勻，修改后合理利用設(shè)施滿足使用及節(jié)能要求。

圖8 人工照明分析圖

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于生態(tài)建筑來(lái)說(shuō)，各種技術(shù)或者是策略的堆砌不是解決能源與環(huán)境問(wèn)題的好方法。一個(gè)好的生態(tài)住區(qū)和被動(dòng)式節(jié)能住宅的設(shè)計(jì)除了滿足國(guó)家以及建筑設(shè)計(jì)規(guī)范，還應(yīng)該立足于自己的地域環(huán)境，運(yùn)用的節(jié)能策略應(yīng)該適應(yīng)于當(dāng)?shù)丨h(huán)境特征，真正做到因地制宜，讓生態(tài)建筑更具實(shí)施性。