基于热性能导向的住宅可持续设计策略

■ 张 磊 Zhang Lei 黄 欣 Huang Xin

0 引言

研究显示，中国目前的建筑与交通能耗占社会终端总能耗的30%左右[1]，并呈持续增长之势。据此预计到2035年，中国的能源消费将比美国还要高出将近70%[2]。我国是世界上年新建住宅面积最大的国家，住宅产业资源消耗巨大，如何实现住宅的高舒适性能与低碳减排目标的结合是住宅可持续设计的重要议题。

1 热性能导向下的住宅可持续设计策略

热性能导向住宅设计是一种以建筑气候学原理为基础的住宅可持续设计策略。建筑气候性能研究提供了一种建筑形式生成的新视角，基于生物气候学方法的研究思路为建筑的形式创造注入了新的依据，是性能导向设计范式的主要内容之一。

基于气候学的住宅热性能设计研究，以数值量化的交互设计为工具，寻求气候参数与其它传统设计要素更优化、更合理的整合，以性能因子的介入影响建筑的形式生成，并与住宅热舒适性密切相关的变量包括体形系数、太阳辐射、朝向等共同构成了基于热性能导向的可持续设计策略 。

2 体型系数导向设计

2.1 体形系数的概念和原理

《住宅性能技术评定标准》（GB/T 50362—2005）中规定,建筑物体形系数是指建筑物的外表面积和外表面积所包的体积之比，即：

式中，SCB—体形系数（Shape Coefficient of Building)；

S—建筑物总外表面积,单位m2；

V—建筑物外表面积所包的体积,单位m3;

F—建筑层数；

W—建筑宽度，单位m;

D—建筑进深，单位m;

H—建筑高度，单位m;

Sg—建筑基底面积，单位m2；

A—建筑物总建筑面积，单位m2。

由上式可知，建筑体形系数与建筑物的宽度、进深、高度和层数有密切关系。体形系数的大小对建筑能耗的影响非常显著，体形系数小，单位面积对应的外表面积越小，外围护结构等传热损失也就越小。因此，从降低能耗的角度出发，应将体形系数控制在一个较小的水平上。但是，体形系数不仅影响建筑能耗，它还与建筑立面、平面布局、采光、通风相关。体形系数规定过小，意味着表面平整，制约建筑师的创造性，平面布置困难甚至有害建筑功能，因此在体形系数的设定上不能仅考虑减少传热面积，必须全面权衡利弊[3]。

2.1.1 层数的影响

对于集合住宅而言，建筑的体形系数与层数有着显著的关系，它将会随着层数的增大而呈衰减趋势（图1）。从递减的程度来看,12层是一个临界点，12层以上的集合住宅对于体形系数的控制较为有利。因此，从控制体形系数、提高建筑性能的角度而言，在居住区规划设计中，应更多地考虑中、高层住宅，这样更利于节能[4]。

图2 德国福伊特公司总部停车楼设计过程的热性能导向[6]

2.1.2 层高的影响

当建筑物的长度、层数确定之后，建筑物的体形系数将会随着层高的增大而减小，尤其对低层住宅影响很大[5]。《上海市工程建设规范居住建筑节能设计标准（2009）》条文说明4.0.4中亦有指出：单位建筑面积能耗与其对应的外表面面积相关，而该相关面积不仅与体型系数相连，同时受到建筑层高的影响，在层高多样化的建筑时代，设计层高过高的居住建筑(如>=4m)不利于建筑节能。而低层建筑，由于其多为别墅，独栋或双拼，屋顶面积占据外表面的百分比较高，房间之间的公共墙体较少，房间多与外表面相关，故客观上，其体形系数比较大，能耗也相对较高。

2.2 体形系数导向设计案例分析

作为建筑性能的重要影响因素，体形系数的考量成为建成环境性能导向可持续设计的一个切入点。墨菲/ 扬（Murphy/Jahn)事务所曾基于建筑性能提出了“工程建筑学”的概念，即设计的最终目标是让建筑在建造和使用过程中更加高效、节能，同时最大限度地提升建筑使用舒适度（如太阳辐射、自然通风、自然采光），以及建筑表皮对于建筑内部小气候的调节作用，这些设计要素应该成为日常设计中的必要组成部分。只有这样，建筑才是真正高科技和低能耗的。

墨菲/扬事务所在德国海登海姆（Heidenheim）设计的福伊特（Voith)公司总部停车楼（图2)是建筑性能导向可持续设计的典型案例。在这个案例中，设计师就是以体形系数为出发点对建筑形体进行塑造的。设计者通过几何学的演算判断，在同等体积情况下，球体的外表面积最小。因此，在设计之初，就采用了球体的形式，希望通过最小的外表面积，带来最少的室内外热量交换，以获取最佳的建筑性能。这样的建筑形式生成过程，印证了以提高建筑性能为目标的体形系数控制对于建筑设计和建筑形式选择的主导作用。

3 太阳辐射导向设计

太阳辐射是住宅热性能中至关重要的影响因素，是住宅得热的主要来源。住宅朝向的选择往往就是基于太阳辐射和日照等因素共同作用的结果。

3.1 光合有效辐射分析

光合有效辐射分析为住区环境的景观设计、植物配置提供了重要的科学依据和评估手段。住宅区内部的绿化植物，对于阳光的喜好程度各有不同。我们可以通过计算软件的模拟分析，对住宅区内特定时段上的太阳辐射进行考察，以此为依据为人居室外环境设计和景观植物配置提供决策导向支持。

图3是上海某高层住宅区的日照辐射分析图。通过此图，我们可以将喜阳植物配置在太阳辐射高于6MJ/（m2d）的区域；而在太阳辐射值为3MJ/（m2d）以下的区域配置喜阴植物。同理，可以在冬暖夏凉的区域配置居民公共活动空间。

3.2 太阳辐射导向设计案例分析

丹麦BIG建筑设计事务所在哈萨克斯坦国家图书馆的国际竞赛中，以领先的可持续设计理念战胜了福斯特和哈迪德等炙手可热的明星建筑师而斩获一等奖。在设计过程中，BIG应用了热性能分析软件对太阳辐射进行分析，并利用太阳辐射计算后的表面辐射结果导入建模程序生成建筑形态（图4）。

新建筑的建筑面积达3.3万m2，庞大的建筑体量被分布在一个连续循环的莫比乌斯环上。变幻的流线使建筑的水平功能空间与竖直空间的转换变得异常复杂：竖直的空间等级、水平连接和斜向穿插的视线被揉合在一个无限循环空间中。这看似相当复杂的设计，借助计算机模拟的帮助，却给出了令人满意的清晰图解。该设计通过Ecotect计算表面的太阳辐射，并根据太阳辐射计算结果设计建筑的表皮，这是通过计算机技术运用热性能因素直接导向生成建筑表皮形式的典型案例，完美体现了太阳辐射性能参数与建筑形式设计相结合的可持续设计理念[5]。

4 朝向导向设计

朝向是实现住宅良好热性能的主要途径之一。控制太阳辐射热量的获取是住宅朝向选择的重要制约因素。同时，日照时数、生活习惯等问题也对朝向有着不同的要求。

4.1 基于垂直面太阳辐射的最佳朝向分析

住宅的朝向是获得建筑太阳辐射热量的重要方面，其主要考量因素是建筑垂直面上的辐射量。

上海地区居住建筑以高层和多层为主，建筑垂直面接受的太阳辐射比水平面（屋顶）接受的太阳辐射要大得多。对于除了极少数顶层住宅单元之外的其他住宅单元而言，分析垂直面的太阳辐射比水平面的太阳辐射更有意义。因此可以认为，上海地区住宅基于垂直面太阳辐射的最佳朝向基本上等同于住宅整体接收太阳辐射的最佳朝向。

图5是使用Weather Tool软件输出的上海地区建筑垂直面太阳辐射最佳朝向的分析图。分析结果显示上海全年平均辐射最大的朝向为220°（由于此方向有可能在过热时期接收到过多的太阳辐射，因此这并不是最佳朝向）；过冷时期辐射量最大的朝向为178°;过热时期辐射量最大的朝向为268°;全年时期内最差朝向为60°，最佳朝向为150°。图中左上角文字分别分析了过冷时期内各个朝向太阳辐射量的总和为990.6kWh/m2；过热时期内各个朝向太阳辐射量的总和为170.0 kWh/m2；Compromise（折中）表示最佳朝向。左下角文字分别表示：全年平均辐射最大的朝向对应的辐射量为0.93kWh/m2；过冷时期辐射量最大的朝向所对应的辐射量为1.38 Wh/m2；过热时期辐射量最大的朝向所对应的辐射量为0.56kWh/m2。根据上述数据可得，就垂直面太阳辐射而言，上海地区的最佳住宅朝向是150°，即南偏东30°。

通常，住宅朝向的设置不仅取决于太阳辐射，还应该同时考虑通风等众多因素。但是，住区的风环境性能可以通过一些中观和微观尺度的设计手法来进行调整和改变，而太阳辐射的影响却是由太阳运行状况本身决定的，很难通过设计手段进行改变。考虑到太阳辐射量对于住宅性能，尤其是热环境性能具有举足轻重的影响，笔者认为上海住宅的朝向问题应该主要由太阳辐射决定。因此，可以认为上海地区居住建筑的综合最佳朝向就是南偏东30°。

4.2 建筑朝向导向设计案例分析

建筑朝向的要求是对城市规划形态影响非常强烈的因素。从图6中不同城市肌理的对比，可以明显看出中国与其它国家城市形态的差异。这是由于中国的传统居住习俗中，对建筑朝向有着明确的要求，这种要求在现代的城市规划与住宅设计中，以住宅规范的形式被固定下来。可以说，中国式的住宅布局是热性能导向设计的典型案例。在中国，严格的住宅日照法规使得建筑朝向的要求对建筑的布局形态影响显著。尽管较低的朝向要求能导向更为灵活的居住群体布局，但严格控制的朝向参数，必然会限制规划格局的灵活性与多样性。不过近年来，对于朝向带来的优越热舒适性能已经越来越受到国际社会的关注，许多国际研究机构已经开始着手研究通过朝向控制，来改变住区热舒适环境的可能性。

5 结语

住宅气候性能研究是一种基于生物气候学方法的研究思路，是性能导向设计策略的主要内容之一。其目标是通过数值量化的交互设计，寻求气候参数与其它传统设计要素更优化、更合理的整合。在低碳住宅设计策略中，气候环境不仅是不可或缺的基础因素，而且将营造活动中最值得积极应对的、最为重要的自然因素。

[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] 上海市城乡建设和交通委员会.居住建筑节能设计标准[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2009.

[4] 黄一如，冯华晟.集合住宅体形系数研究[C].第六届中国城市住宅研讨会.北京.建筑工业出版社，2007.

[5] 贾红，赵鹏，刘小云.关于住宅建筑体形系数的分析[J]. 成都：成都大学学报(自然科学版)，2008 (2): 148-150.

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

[7] 云朋. 阿斯塔纳国家图书馆中的参数化设计和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.