陳敏佳，孫建梅，周炯奕，蘇 端，周靈貴，劉 晗

（上海電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海 200120）

0 引言

建筑作為城市文明的象征，其能耗占社會(huì)全部能耗的1/3以上，引發(fā)了二氧化碳濃度過高、氣候變暖、大氣污染等一系列環(huán)境問題，然而傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)難以達(dá)到當(dāng)今社會(huì)的節(jié)能要求，降低能耗成為建筑設(shè)計(jì)過程中的重要目標(biāo)，為鼓勵(lì)推行與環(huán)境和諧共處的綠色零能耗建筑，國(guó)內(nèi)外也出臺(tái)了一系列政策及規(guī)范，重建人、自然、建筑的關(guān)系。

我國(guó)土地遼闊，各地區(qū)氣候類型眾多，因此設(shè)計(jì)出適應(yīng)當(dāng)?shù)刈匀粴夂驙顩r的零能耗建筑，保護(hù)環(huán)境的開放系統(tǒng)至關(guān)重要。而被動(dòng)式房屋概念的產(chǎn)生有效推動(dòng)了我國(guó)建筑行業(yè)由“主動(dòng)式向被動(dòng)式”的發(fā)展，其在提升人類居住環(huán)境舒適度的同時(shí)，大幅有效減少建筑所產(chǎn)生的能耗問題。重慶市是長(zhǎng)江流域的三大火爐之一，且年溫差較大，是夏熱冬冷地區(qū)的典型代表，因此本項(xiàng)目選取重慶市為設(shè)計(jì)參照地區(qū)，為適應(yīng)該氣候進(jìn)行被動(dòng)式綠色建筑設(shè)計(jì)。

1 建筑設(shè)計(jì)

建筑整體總面積為802.62平方米，地面部分一共分為三層，地下部分一層，每層層高3米。整體外形為幾組長(zhǎng)方體銜接而成，二層以及三層分離出兩個(gè)露天陽(yáng)臺(tái)，并且三層為微斜面屋頂，結(jié)合重慶地區(qū)多雨、潮濕的氣候特征，微斜面屋頂能夠適應(yīng)重慶多雨的氣候，防止雨水在屋頂堆積，同時(shí)屋頂?shù)奶?yáng)能電池板為建筑提供了環(huán)保的能量來(lái)源。建筑外表部分使用了玻璃幕墻材質(zhì)，保證了采光。建筑除了傳統(tǒng)的利用房間窗構(gòu)件進(jìn)行通風(fēng)以外，通風(fēng)系統(tǒng)分為三部分：夾層通風(fēng)、捕風(fēng)器通風(fēng)以及采光井通風(fēng)。夾層通風(fēng)是指在地下一層和首層、首層與二層、二層與三層之間，有經(jīng)過特殊處理設(shè)計(jì)的夾層。夾層與各個(gè)房間都擁有通風(fēng)口。每層的夾層都與相應(yīng)的捕風(fēng)器相連接，通過夾層以及捕風(fēng)器的作用以實(shí)現(xiàn)全屋的通風(fēng)。捕風(fēng)器樣式如圖1，通過對(duì)防雨百葉開口角度的設(shè)置，捕捉不同風(fēng)向的風(fēng)。而在捕風(fēng)器內(nèi)部，4個(gè)薄片狀的隔板將捕風(fēng)器等分成4個(gè)截面為等腰直角三角形的空間，每個(gè)空間既可以作為迎風(fēng)面引入室外新鮮空氣，也可以作為背風(fēng)面排出室內(nèi)污濁的熱空氣。在捕風(fēng)器供電方面，在裝置頂部安裝有太陽(yáng)能電池，可為電動(dòng)風(fēng)閥供電以省下外部電源的接入以實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

圖1 捕風(fēng)器樣式

建筑采光方面同樣分為三部分：自然采光、管道式日光照明系統(tǒng)以及采光井采光。自然采光方面，建筑外墻部分使用玻璃幕墻，臥室也使用大量落地窗，能夠有效提升室內(nèi)的進(jìn)光量，增強(qiáng)室內(nèi)的光線感。而管道式日光照明系統(tǒng)是通過采光罩采集室外自然光線并導(dǎo)入系統(tǒng)內(nèi)重新分配，在經(jīng)過特殊制作的導(dǎo)光管利用折射原理傳輸和強(qiáng)化后由系統(tǒng)底部的漫射裝置，把自然光均勻照射到建筑內(nèi)部需要光線的房間內(nèi)部。同時(shí)裝置管道內(nèi)部有太陽(yáng)能電池板及蓄電池裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)夜晚房間的部分照明需求。在一樓以及地下一層設(shè)置有采光井如圖2，能夠?yàn)橐粚右约暗叵乱粚拥牟晒庖约巴L(fēng)做出巨大幫助，同時(shí)增強(qiáng)了別墅地下部分的空氣流動(dòng)性，也為地下一層的空間利用做出貢獻(xiàn)。

圖2 采光井

2 模擬分析——通風(fēng)

本項(xiàng)目選取Autodesk可持續(xù)性建筑設(shè)計(jì)及分析工具Ecotect對(duì)該項(xiàng)目建筑室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬分析。

經(jīng)分析得，主要功能房間氣流組織分布均勻，沒有出現(xiàn)渦旋，該建筑整體氣流基本通暢。夏季通風(fēng)模擬圖如圖3所示，每層地面風(fēng)速1.2m/s，冬季通風(fēng)模擬圖如圖4所示，每層地面風(fēng)速為0.97m/s，主要功能房間通風(fēng)良好。在冬夏季節(jié)室外主導(dǎo)風(fēng)向下，該項(xiàng)目通過建筑間距來(lái)改善首層公共活動(dòng)區(qū)域風(fēng)環(huán)境，保證人體舒適度要求。在夏季主導(dǎo)風(fēng)向下，該項(xiàng)目建筑前后壓差基本都在5Pa以上，滿足綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)要求，有利于自然通風(fēng)的利用，以改善室內(nèi)熱環(huán)境。該建筑人行高度處風(fēng)速均小于5m/s，且風(fēng)速放大系數(shù)小于2，符合《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378—2019）標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 夏季通風(fēng)模擬圖

圖4 冬季通風(fēng)模擬圖

此外，該建筑東部區(qū)域出現(xiàn)風(fēng)速較小，通風(fēng)狀況不良的情況，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步研究，原因指出房屋首層玻璃幕墻部分未合理利用，幕墻上沒有做出通風(fēng)開窗區(qū)域，導(dǎo)致通風(fēng)效果不佳。因此，在玻璃幕墻上合適的地方增加可手動(dòng)開啟的舷窗，以保證該區(qū)域通風(fēng)流暢。

3 模擬分析——采光

本項(xiàng)目選取Ecotect Analysis采光模擬軟件分析軟件進(jìn)行采光分析模擬，建筑總面積802.62m2，地面部分一共3層，每層層高3米。為模擬該建筑夏季與冬季的采光系數(shù)，根據(jù)建筑所處的地理位置、經(jīng)度緯度（北緯29.35）與海拔（244.14米）計(jì)算出該地的日照間距與日照時(shí)間。以首層模擬結(jié)果為例，該層主要功能有采光井、會(huì)客廳、老人房、客房等，采光要求功能空間面積為267.95m2，依《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50033-2013）中住宅采光標(biāo)準(zhǔn)值規(guī)定，其中臥室、起居室的采光均高于300lx照度標(biāo)準(zhǔn)值，滿足采光標(biāo)準(zhǔn)。而冬季位于北部?jī)蓚€(gè)房間因太陽(yáng)照射角度不同且受墻體遮擋有較大影響，其他部分功能采光效果好，如表1所示，該建筑主要功能區(qū)房的采光系數(shù)均滿足《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。

表1 首層模擬結(jié)果

4 模擬分析——節(jié)能

本項(xiàng)目選取PKPM綠建節(jié)能軟件對(duì)建筑模型進(jìn)行模擬，依《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ134-2010），從該建筑體形系數(shù)、窗墻比兩方面分析，其中體形系數(shù)如表2（P298），符合有關(guān)規(guī)定，滿足要求；窗墻比中每套戶型允許一個(gè)房間的窗墻比超限值，且不大于0.6，符合規(guī)范要求。外墻構(gòu)造、熱橋梁傳熱系數(shù)K=1/(0.15+∑R)=0.60和熱橋板構(gòu)造傳熱系數(shù)K=1/(0.15+∑R)=0.60，其K值均滿足表中規(guī)定(K≤1.00)。

表2 體型系數(shù)

該建筑計(jì)劃修建位置位于重慶地區(qū)，重慶地區(qū)春早氣溫不穩(wěn)定，夏長(zhǎng)酷熱多伏旱，秋涼綿綿陰雨天，冬暖少雪云霧多，對(duì)于建筑的隔熱檢查和外窗氣密性均有要求。在本次建筑模型分析中，可知隔熱檢查中外墻與屋頂構(gòu)造的內(nèi)表最高溫度均未超過溫度限值40.80℃，且該建筑中最不利氣密性等級(jí)為6級(jí)，參照《建筑外門窗氣密，水密，抗風(fēng)壓性能分級(jí)及檢測(cè)方法》（GB/T 7106-2008）標(biāo)準(zhǔn)要求，經(jīng)分析均滿足要求。該建筑通往非封閉空間或戶外的戶門（保溫門）面積所占比例為1.000，面積為3.15m2，滿足K≤2.0的標(biāo)準(zhǔn)要求；樓板平均熱工性，控溫房間和樓板構(gòu)造傳熱系數(shù)K=1/(0.22+∑R)=1.67、控溫與非控溫樓板構(gòu)造傳熱系數(shù)K=1/(0.22+∑R)=1.67均滿足《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50176)中K≤2.0的標(biāo)準(zhǔn)要求。為增加空調(diào)節(jié)能效益，經(jīng)過分析設(shè)計(jì)建筑和參照建筑的空調(diào)耗電量與采暖耗電量可知該建筑中設(shè)計(jì)建筑的能耗不大于參照建筑的能耗。

由此可知該建筑符合重慶市居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)窗、樓板、墻等數(shù)據(jù)的分析來(lái)獲得和進(jìn)行建筑模型分析優(yōu)化各項(xiàng)指標(biāo)，并通過使用太陽(yáng)能電池板作為能量來(lái)源、蓄水裝置、被動(dòng)式零能耗采光通風(fēng)來(lái)減少對(duì)建筑的能耗，增加節(jié)能效益。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，設(shè)計(jì)被動(dòng)式綠色建筑既要通過住宅自身構(gòu)造減少或不使用主動(dòng)供給能源，降低資源消耗，也要根據(jù)當(dāng)?shù)鼐用竦纳盍?xí)慣及居住環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化。此次針對(duì)重慶市氣候條件所設(shè)計(jì)的被動(dòng)式房屋，經(jīng)模擬軟件分析，該建筑通風(fēng)、采光、節(jié)能三方面均符合相關(guān)規(guī)范要求，應(yīng)利用自然通風(fēng)、日照、太陽(yáng)能等資源，對(duì)建筑進(jìn)行保溫隔熱，做到舒適與節(jié)能兼并。