大陆性气候地区建筑混合式运行环境设计——以北京为例

C.艾伦·肖特 姚润明 罗国志 李百战 / C.Alan Short, YAO Runming, LUO Guozhi, LI Baizhan译_余娟 校_林波荣 / Translated by YU Juan, Proofread by LIN Borong

1 引言

在中国，建筑行业的能源消耗已占我国商品总能耗的31%（仇保兴， 2005）。在笔者看来，中国的商业设计团队倾向于引用西方的建筑技术，对办公建筑进行大面积玻璃幕墙的使用。这一趋势使得建筑空调能耗不断攀升，从而增加了执行国家节能减排政策的难度。为了实现2020年碳排放量较1983年（CNS 2001）降低50%的目标，中国住房和城乡建设部从2000年开始扶持了一批节能建筑示范工程，试图将节能减排真正落到实处，从而形成通用导则以指导新建建筑的设计和既有建筑的改造。本文的研究对象——未来之家，位于北京五环路北七家，是一个集展览、会议和行政办公为一体的办公建筑， 2003年被评为“国家住宅科技综合示范工程”，2006年获科技部批准，作为“国际绿色建筑科技示范工程”和“中国农村建筑科技创新工程”。

未来之家汇集了来自世界各地的创新低能耗住宅展品，以展示各国在住宅低能耗方面的专业设计技术。未来之家，地上3层、地下一层，南北朝向，总建筑面积大约4 000m2。

未来之家探索了混合模式运行环境设计策略的应用前景，由智能建筑管理系统和用户共同控制，具体分为以下两种建筑运行模式：（1）全封闭的机械通风模式 ；（2）自然热压通风冷却降温模式，该模式在室外气候条件运行的情况下充分利用自然通风。近年，有学者以美国Judson大学的某建筑为对象，在同处于大陆性气候的芝加哥地区进行了混合式运行环境设计策略的研究，使得该环境运行策略得到了进一步的发展（Short，Lomas，2007）。

未来之家实际上是一个未完成的钢筋混凝土框架结构的改造项目，其初始设计方案是采用高性能玻璃幕墙和光伏发电技术相组合的大面积玻璃幕墙，如4.1部分的图4所示。开发商出于建筑节能的考虑，对初始设计方案进行了修改。这些修改一方面增强了建筑的适用性，同时也使得该建筑成为示范工程。本文运用计算机模拟技术，比较了5种设计方案对应的建筑能耗，探讨了混合式运行环境设计的节能潜力。此外，针对混合式运行所需要的通风井个数进行了技术经济比较，减少了4个通风，从而降低了初投资成本。同时运用敏感性分析的方法，对通风井个数不同的两个方案对应的建筑室内热环境进行了预测对比研究。笔者对可持续建筑设计和施工中的方案选择、优化的过程进行了整理、总结，希望能够和最初的设计方案、最终的运行效果一样保留下来，从而为其他建筑的可持续设计、施工提供经验。笔者猜想建筑设计的这些变化在可持续设计和施工阶段中并不少见，只是很少被记录下来，仅有理想的设计方案及其预期的运行效果是被公布的。

2 气候

依据中国热工设计规范（CNS1993），北京属于寒冷地区，具有大陆性气候特点。在冬季，北京受到从蒙古高原南下的西伯利亚气团影响，室外空气干燥、寒冷；在夏季，受东南向的热湿季风影响，天气炎热。本研究使用的是《中国建筑热环境分析专用气象数据集》（China Standard Weather Data for Building Thermal Environment Design，CSWD2005）的气象数据资料。CSWD以1971～2003年的实测逐时气象数据为基础，生成的典型气象年数据。表1列出了北京地区设计用室外气象参数。

对北京典型气象年室外逐时干球温度和相对湿度数据（图1）进行分析，得到4月至10月期间各月环境温度超出25～28℃的小时数（图2），以评估建筑进行自然通风的可行性。由图2可知，在典型气象年中最热的7月，室外空气温度在25～28℃范围内的有90小时，高于28℃的有187小时，分别占工作时长（8：00～18：00）的29%和60%，这对自然通风技术的使用造成了相当大的挑战，极端天气的出现以及北京城市热岛效应的加剧也会增加该技术应用的难度。此外，应用自然通风技术的建筑室内舒适温度的常规设定方法也受到了热适应理论的质疑，接下来将对此进行讨论。

3 热适应模型的应用意义

混合式运行环境设计策略的可行性，在一定程度上取决于更宽的室内舒适温度范围而不仅仅是室外气候的变化。大量文献对“舒适”进一步研究，指出“舒适应该是动态的（Chappells and Shove ，2005）。这就意味着人们可以接受的舒适温度范围远远超过现有的舒适标准。面对气候变化的不确定性，不应该拘泥于现有的舒适标准。查普尔斯（Chappells） 和肖夫（Shove）深入讨论了这一议题，他们将舒适标准理解为与人们价值观、期望和愿望息息相关的复杂社会的、甚至文化的一种现象，并且认为这些“文化和制度公约可能会改变”。他们最后指出，在英国，办公空调使用率普遍增加，并非因为人们实际的舒适需求，而是人们被空调产品质量和信誉吸引所致。 在空调市场日益扩大形势下，他们指出销售代理商与最终用户和客户一样重要。Shove等带讽刺意味地评论“世界各国之间建筑以及不同类型建筑之间室内环境惊人的一致”，他们将其归因于办公建筑室内环境国际化的“强大支持”，而不是气候多样性和人们可能出现的适应性反应。笔者提议在建筑中使用混合式运行模式，由于其能使建筑周期性地自由运行，这样既可以满足人们使用空调的愿望和价值观，又能显著降低建筑能耗。

表1 北京地区主要设计用室外气象参数（CSWD，2005）

美国国家标准学会（American National Standards Institute，ANSI）和美国采暖、制冷与空调工程师学会（American Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，ASHRAE）颁布了《ANSI/ASHRAE标准（55-2004）》，规定室内操作温度允许的上限值为28℃（ASHRAE 2004），并规定对应的等效温度上限值27℃以适用于潮湿环境，如空气中水蒸汽含量上升到12g/kg（ASHRAE 2004）。然而，通过在不同气候地区开展大量的人体热反应调查，形成了另一套室内热环境评价方法，建立了热适应模型（Humphreys 1978; Brager et al.1998, de Dear and Brager 1998, Yao et al.2009a）。该模型尤其适用于可手动开窗的非空调建筑热环境评价，对本文描述的未来房屋建筑，被认为是一种合适的确定室内热环境的方法，最高可达到80%～90%的用户满意率。热适应模型定义了以室外月平均温度为基准的室内可接受温度范围，对室内空气湿度则无要求。在建筑中使用这种评价方法，显然可以延长自然通风时间，减少全机械通风时间。热适应模型的基本假设是如果人们对室内热环境出现不适，就会以维持舒适的方式加以反应，这些反应包括穿衣、脱衣，开、关风扇或加热设备，喝热、冷饮，开窗或打开空调，使用遮阳等（ Nicol and Humphreys，2002）。基于此，ASHARE 55-2004 标准在“人类热环境控制”标准条文中（ASHRAE 2004, de Dear et al 2002）确定了一套自然通风建筑室内热环境评价方法，规定舒适区为80%和90%的用户可接受率所对应的温度范围（图3）。

图1 北京典型气象年室外逐时干球温度和相对湿度 （CSWD, 2005）

图2 北京典型气象年各月份工作时段内（08:00～18:00）室外空气温度介于25～28℃和＞28℃小时数（来源：中国标准气象数据）

图3 北京室外月平均温度与AHSARE标准舒适区、热适应模型确定的80%和90%可接受操作温度区间

表2 北京地区室内可接受温度（℃）

姚润明等（Yao et al 2009）采用动态模拟方法，在中国五大气候区开展了办公建筑使用自然通风冷却降温可行性的调查研究。该研究使用自然通风冷却潜能（the Natural Ventilation Cooling Potential ，NVCP）指标作为评价指标，其数值等于建筑室内舒适小时数与建筑自然通风使用小时数的比值。研究中还应用了 ASHARE标准中的热适应模型，根据记录下的室外月平均温度计算出室内舒适温度（de Dear 2002，ASHRAE 2004）。对北京地区一个普通办公楼进行模拟，计算室内热量也就是室内得热量在低、中、高3种水平下，建筑分别采用“白天通风”、“夜间通风”和“全天通风”3种不同策略对应的NVCP值。模拟结果表明：（1）北京地区早晚温差较大，对该地区建筑使用自然通风冷却降温有利；（2）在夏季，若采用高舒适标准即达到90%的用户对室内热环境表示接受，NVCP值为37%～78%；若采用低舒适标准即达到80%的用户对室内热环境表示接受，NVCP值为47%～86%。

初步分析结果表明，即使在开窗通风的情况下，建筑室内温度仍然符合ASHARE55-2004标准规定的舒适区。

热舒适温度

使用上文描述的相同方法，利用CSWD气象数据，通过公式（1）计算月舒适温度，结果如表2所示 。

Tcom= 0.31Taout+ 17.8（公式 1）

式中, Tcom为舒适温度，Taout为月平均温度。

4 设计策略

未来之家作为一个非住宅能效示范建筑，其设计初衷是提高建筑围护结构性能，从而减少建筑室内夏季空调负荷和冬季采暖负荷。施工设计是在方案设计基础上的深化。方案设计采用了大面积玻璃幕墙以此对太阳能进行充分利用，力图实现建筑净碳排放量为零。方案设计较施工设计更容易实现，这是因为施工设计几乎与建筑的整个施工过程同步进行。

图4 AGT建筑东南方向透视

4.1 策略一：玻璃幕墙的应用（Advanced Glazing Technology ，AGT）

玻璃幕墙的应用可以增强建筑室内自然采光的效果，同时，可以增加冬季建筑室内的太阳辐射量。该方案下，未来之家南外墙为全玻璃幕墙，东西向外墙窗墙比约为50%，此外，屋面铺设有光伏板（图4）。北向外墙以及东西向墙体部位均采用超保温材料，具体做法如下：从外到里依次为200mm的灰砖层，100mm的保温层，铝箔反射层，20mm空气层和50mm木质结构层，其传热系数的设计平均值为0.1W/m2K，该墙体设计方案目前在中国建筑行业尚难以推广应用，其性能参数详见表3案例3所示。

该设计策略虽然最大限度地对太阳能进行了被动式和主动式的利用，冬季可降低采暖能耗，但夏季却需要使用空调设备以避免室外炎热气候对室内环境的影响。

4.2 混合式运行环境设计策略

4.2.1 策略评估

为了对混合式运行环境设计方法的前景进行评估，利用一种简单的可以模拟室内“光、热、通风”的动态热模型对北京地区建筑室内热环境进行了模拟，并使用 NVCP指标（Yao et at，2009b）对被动式自然通风的节能收益进行了评价。研究表明过渡季节自然通风效果较为明显，在这期间，利用自然通风便可以使室内热环境达到舒适状态。此外，热惰性较高的墙体的使用也可以强化自然通风的效果，同时也能一定程度上降低夏季空调能耗。对于北京地区而言，最热月（7月）室内舒适温度约为26℃。动态热环境模拟结果表明，7月份，以80%可接受舒适温度上限值28.2℃为界，NVCP值为63%；以90%可接受舒适温度上限值29.8℃为界，NVCP值为81%。由此可见，北京地区建筑运用混合式运行模式能够获得较好的节能收益。

4.2.2 建筑控制策略：控制模式

图5、6所示为未来之家不同季节下的具体建筑控制模式。

（1）冬季 (机械供热、加湿)

由于冬季室外空气温度、湿度较低，需对送入室内的空气进行加热、加湿。室外空气首先进入地下室空调箱中进行处理，然后被送入1层下方的新风集气室。这部分新风也可由集气室内管道输送到室内“新风口”（图5、6）和边侧风道底部，以确保新风能够到达整个建筑。这种模式下，风道顶端的通风器关闭，空气（及热量）将通过回风管道返回空调箱中。

机械通风模式的空气处理管道遵循自然通风管道基础设施的设计。这一原则是参照芝加哥贾德森大学大楼的设计方案（Short and Lomas，2007）确定的。为避免重复设计和控制土建成本，需尽量控制通风井的数量。

图5 南北向剖面（实心黑色部分表示原有混凝土框架）

图6 沿通风井道，新风口和双层外立面处的东西剖面

当空调系统运行能耗高于室内提供所需空间和加热空气所需的热量时， 建筑通风运行模式将在“冬季”（A）和“过渡季”（B）模式之间变化。“过渡季”模式不进行排气热回收，这是因为该模式下排气将在自然热压驱动力作用下，发展成相对较低的排气压力而分布在12风道内，导致有效热回收将很分散，花费也将十分昂贵。

（2）过渡季（被动式通风和冷却）

建筑在自然通风模式下运行，只需很少或根本不需要额外供热和制冷。新风进入一层下方的集气室的3处位置（图7），根据室内需要进行调节，然后在烟囱效应作用下自然排出，完成由浮升力驱动的置换通风（图 5、6）。通过建筑围护结构设计和有效的“夜间换气”策略使建筑得热最小，这种“自由运行的”通风模式也可以在夏季使用，其目的是使建筑在一年中尽可能多地保持这种自由运行模式。通过改善建筑围护结构的蓄热性能，利用自然通风使室内处于热适应模型所定义的舒适温度区间的时间还可能延长。原方案中混凝土结构设有若干地下管道和房间，现在被用来作为地面冷空气供给通道。风道末端数组光伏板后部产生的热量有助于增强风道内浮升力作用，以此驱动空气向上流动。

所谓夜间通风降温，是指夜间通过引入温度较低的室外空气，在建筑不被使用时，对建筑进行冷却降温，排出室内前一天蓄存的热量（包括计算机、照明设备、室内人员散热量和太阳辐射得热量），并冷却裸露的混凝土结构尤其是通风井道以排出接下来一天的室内热量。对通风井道进行预冷却后，可在送入工作区的过程中对新风进行冷却，而通风井道的蓄冷能力则会直接影响新风的冷却效果。而当室内温度高于或即将高于舒适温度设定值28℃时，建筑通风运行模式将在“过渡季”和“夏季”模式之间进行转换。基于每日的气象数据，建筑可以设置不同的运行模式——当气候条件出现极端情况时，只在“夏季高峰期”模式下运行，当气候条件许可时，切换回被动模式。

（3）夏季（机械制冷和除湿）

当室外空气温度和相对湿度过高，使用自然通风难以维持室内舒适条件时，建筑将切换到机械制冷模式。如前文所述，冬季模式下，室外空气先进入空调箱进行加热和定期加湿处理。在机械制冷模式下，室外空气也需进入空调箱进行处理，此时运行空调箱的部分电能可由排气风道末端上方的光伏板提供。不同的模式转换过程中，用户是否能够觉察到建筑运行模式的变化，他们对舒适环境的期望值是否会发生变化？贾德森大学建筑学教授正在对芝加哥地区建筑的用户开展调查。我们也希望未来之家投入使用后进行类似信息的收集。

机械通风策略的气流组织原理与自然通风策略相似，在机械式策略下，由于管道和阀门等的阻力较小，风机能耗也得到有效地降低。这种混合式通风策略已经在贾德森大学新学术中心大楼的方案中进行了使用，但它与本文介绍的存在本质上的不同。贾德森大学新学术中心大楼所采用方案采用的是一个中央供气舱和一个双层外墙进行分散式通风，未来之家则对混合通风策略进行了深入的应用，利用集中冷源和热源进行通风换气，我们称之为“新风口”和“分散式排气装置”。空调系统通过地板下的静压箱输送具有一定温差的处理后的新风，根据重力作用，新鲜空气会自动地跟踪展览区的用户并消除他们产生的负荷。同样，在冬季可以有效地实现供暖，这区别于传统的辐射供暖方式（Lomas K.J.et al，2009）。

4.3 设计

4.3.1 风口面积

根据英国Short and Associates建筑师事务所在类似的非住宅建筑设计、施工、调试和运行过程中积累的经验，来确定风口面积（Short et al，2004；Lomas et al，2009；Short et al，2009）。风口面积的大小决定了建筑“过渡季”模式的运行时间以及建筑提供被动式通风冷却的效果。自然通风模式下，气流的热压作用驱动力比机械通风模式下的驱动力小得多，因此，前者的风口面积要显著大于后者。此外，进风口面积和排风口面积需要匹配，从而使得建筑内的气流组织较为合理——如果排风口面积大于进风口，很有可能无法控制建筑顶部的空调流动路径，从而发展成为“乱流”（Woods et al, 2003）；排风口面积小于进风口，则会减弱热压作用，甚至使得建筑顶部的排风口变成进风口。

集气室（图7）位于一层混凝土地板下方，作为地下室内的吊顶和隔板。新风从建筑周边进入集气室。南侧有两个进气口，空气从一层混凝土板上的开口进入集气室（1）。在北侧，新风通过车库入口引入集气室（2）。进气口百叶四周设有金属网，防止鸟、鼠类动物进入。由于地下室东侧的净空高度不够，为了能从北侧进气口和其中一个南侧进气口引入足够的空气，采用了供气舱而非隔板。气流调节器由建筑智能管理系统控制，用来控制引入的空气量。空气进入集气室后，被电热丝加热（6）。为使进入室内的空气不出现回流，电热丝通常倾斜安装。

图7中标出了混凝土板上需要新增的开口和已经开启的洞口，图中9和10为集气分隔室间的连接点。为了确保来自各方向的空气通过进风口进入集气室，将东西两侧集气室进行连接。根据地下室防火等级安全要求，通风机需吊装在混凝土隔墙上（10），地下室东侧新增风口处也了一台防火风机（11）。

图7 集气室平面

图8 架空地板平面

图9 一层平面

集气室的地板保温隔热性能良好，以保持集气室里冬暖夏凉。此外，集气室需有良好的气密性。图7中详细说明了每层楼面布置图、建筑边侧每个新开的风口、被拆除的混凝土构件以及在地下室东侧混凝土隔板上可能安装的防火风机的位置。

4.3.2 架空地板

图8所示的是架空地板平面。从图中可以看出，新风进入集气室后，经架空地板被送入多个边侧（1）和中央送风风道（2）。为了确保空气不会从架空地板大量泄漏，需要对架空楼板进行密封性处理（3）。如前所述，考虑到消防安全，东侧集气室混凝土板上新开风口需设置防火风机（4）。

4.3.3 一层平面

为将新风从架空地板空间送入边侧风道，需要拆除部分原有小型混凝土墙（5）。此外，还需拆除一面南侧的大面积混凝土墙（6），该墙之前作为AGT系统倾斜立面的承重墙。保温外墙置于南侧周边进风口口内（7）。

一层（图9）是一个独立的通风区域，包含北侧中庭区域和挑高的入口空间。建筑对一、二层两个通风区域进行了分隔，可以避免一层下方不新鲜的空气在顶层聚集或分层，从而降低顶层过热的可能性。

新风分别通过底部的进风口从南北两侧（3）和通过两个新风口从中央送入一层。新风口面积随着高度增加而减小，为了实现对送风量的调节，新风入口内均设有风机和小型加热器，新风入口周围可设置办公区。

污浊空气通过砖砌通风风道，挑高的入口空间和屋顶排气装置排入中庭（2）。为了平衡排气压力和减少前排风道排气口变成进气口的可能性，南北两侧通风井道的高度要求一致（图5）。

入口区域需设置前厅，以减少室外气候对室内的直接影响，该影响在冬、夏两季尤为明显。沿南立面将空气引入到集气室的进风口正上方（6）的展台附近。通风风道底部设有固定座椅，可使新风从架空地板空腔进入风道底部，控制关键横断面区域的环境温度。用钢结构（8）（T型钢或角钢）作为混凝土通风风道的承重结构，将砖砌风道5～7的负荷直接传递到地下室下方的混凝土柱上，并将砖砌风道15～18的负荷转移到南侧原有的保留下来的墙体上（9）。

外墙的保温性能良好（10），窗户为高性能的双层玻璃窗（在可能情况下做3层玻璃窗）。混凝土过梁漆成白色，墙体其他部位裸露在外——这将有效利用夜间通风对建筑进行冷却降温。

图10为墙体透气膜断面详图。尽管楼板是一个网格板，与设计团队预期的可排出楼层污浊空气的楼板不同，但依照以往的经验，工作区上方会形成热空气层。卫生间采取机械通风，对室内空气流动可能有影响，除非室内也用相同的风速补入空气，并对楼梯间的通风进行单独处理，才能消除此类影响。

4.3.4 二层平面

二层和三层通过图11的前部空腔（1）及大型楼梯通道空间（2）垂直相连，并通过沿北向布置的玻璃屏（3）以及南侧带有大玻璃窗开口的砖砌墙（4）与一层隔开（1）。二层和三层通过计算机控制北侧玻璃屏上的窗户开启（5），将污浊空气排入中庭。为了将一层和二、三层的完全分隔，需要在一层通往二层的楼梯通道顶部设置一个玻璃过厅。

该层新风的输送方式大体上与一层相同。空气通过边侧排风道（6）和中部的新风口从周边和中央引入（7），而后从边侧排风道2、3、9、10、11和中庭后方排出，二层污浊空气通过图中的前排空腔（9）和楼梯通道（9）排入3层。

一层的排气方式（图11）—— 风机布置在砖砌通风风道一侧的高处（10），图中散点为建筑上方的采光天窗（11），在图中前排砖砌风道的对角位置插入钢支撑（12），对边侧办公室的通风进行单独处理，空气通过边侧风道（13）引入和排出。

4.3.5 三层平面

如前文所述，三层与二层在空间上是相通的。空气通过边侧风道（1）和中部的新风口（2）进入室内，然后从边侧风道（3）排出，该层以上不再设置新风口，会议室配有一个专用送风口（4），室内空气直接排入中庭（5）。

图中所示的屋顶采光天窗（6）——天窗采光良好，并采用与主立面和窗户类似的遮阳方式避免阳光直射。通风井将从建筑内伸出并穿过这些采光天窗，用户也可以通过天窗看到建筑的运行状态。三层的通风井同样也从采光天窗伸出（7）。

4.3.6 屋顶平面

建筑保留了最初AGT设计的屋顶平面布局。电梯、植被空间（1）以及楼梯入口（2）与最初设计一样。由于建筑南侧断面设计的重大改变，屋顶平面图与最初设计的差别很大。

虽然屋顶（图13）大部分位置高度与原定高度一样（4），但前侧（南侧）位置较低，遮挡了两层楼高的入口空间。设计保留了初始设计提出的“屋顶绿化”方案。为了最大限度降低对室内采光的影响，屋顶外侧的砖砌墙砌筑高度较低（5），并在屋顶外围设置了防护栏（6）。通风井末端的设计要能尽可能削弱风向的影响——确保在任何风向情况下，室内空气都能排出（7）。中庭排气方式设计不同，以处理室内所需的排风量——它被设计为一组排气末端链，其同样能够不受风向影响。

通风井周围的采光天窗能为1～3层室内创作较好的自然采光条件（9）。为避免过多的太阳辐射热量进入室内，中庭屋顶做成实心结构。屋顶上方铺设光伏板，当建筑处于冬季模式和夏季模式运行时，可为空调处理设备运行提供部分电能。

此外，在过渡季模式的高峰时段，光伏板还能为风道顶部的低能耗风机提供电能。

图13 屋顶平面

4.3.7 双层墙

图14为双层墙施工详图。

4.3.8 西立面和南立面遮阳设计

通过分析西立面和南立面的太阳高度角变化的变化对室内太阳光入射量的影响规律，确定双层外立面结构设计（图15、16）。双层墙结构的设计目的在于显著减少夏季室内太阳辐射得热，从而降低建筑夏季高峰期的制冷能耗，延长其最有效的过渡季建筑自然通风的时间（除了控制室内太阳辐射得热之外，还需合理选择室内照明灯具及电子显示设备）。

由于冬季太阳光强度变弱，室内允许阳光直射。阳光进入室内可以提高室内温度，但仍需采用百叶窗对室内眩光进行控制。图中橙色阴影所示为某天工作时间内阳光直射到的区域（2）。

图16取了南立面一个典型隔区，分别表示全年某天不同时刻渗透到玻璃墙的阳光直射量——如3月22号和9月21号（1）。

6月22日（夏至）墙内壁上的玻璃窗几乎被外墙完全遮挡。某些时间段，由于太阳高度角下降，阳光直射入室内（参考5月15日和7月29日）。可以再双层墙上开启的窗户内侧设置一些半透明板，当夏季（如4月和5月）阳光直接射入室内时，达到遮阳的目的。阳光直射量最大值出现在12月，此时太阳强度角最小。对于冬季，由于太阳光不强烈，可以允许更多的阳光进入室内。从图中可以看出所选典型日不同时刻的太阳高度角和方位角的变化情况，将移动凹壁上的窗户进行遮阳尤其是遮挡傍晚的太阳。当建筑室内太阳得热量过大时，可以开启凹壁上窗户的遮阳措施。图17所示为已建成的西立面。

图14 双层墙施工详图

5 环境设计策略比较

整个设计过程中，共考虑了5个设计方案：

案例1：参照旧标准（1980年发布）的设计；

案例2：参照现行标准（2011年发布）的设计；

案例3： AGT（先进的玻璃幕墙技术）设计，如4.1；

案例4：带12风道的混合式运行模式设计，如4.2；

案例5：带8个风道的混合式运行模式设计，如4.2。

5.1 能耗模拟

使用Energy Plus 模拟软件进行模拟（Energy Plus，2011），该软件能够对热压通风进行可靠的模拟，从而研究自然通风策略的潜在价值，并在此基础上确定建筑自然通风系统的运行方案以及控制策略。

5.1.1 建筑模型

图18表示在EnergyPlus平台上根据各设计方案所建立的模型。分别是（1）标准设计（案例1、2）；（2）先进的玻璃幕墙技术；（3）12风道混合模式系统 ；（4）8风道混合模式系统。

5.1.2 模型基本信息

为了预测各个案例的建筑能耗，对建筑围护结构参数、内部得热量等进行了设置（表3）。

模型中所需的其他设计参数参考当前设计标准（标准2009）关于国内典型办公大楼的要求设计。对于办公和展厅人员，其活动水平为“轻度办公室工作/站立/行走”。假设每位人员的散热量为10W/m2，人工照明散热量为11W/m2，设备散热量为 20W/m2。使用时间为工作日早上8点到18:00点，周末不上班。

5.1.3 环境系统运行方式

5.1.3.1 案例1、2和3

表3 5种案例的建筑基本情况说明

案例1、2和3是全空调案例（供热 和制冷）。采暖和制冷系统设计温度参考中国设计标准（NTMDCC，2009），室内采暖温度为18℃，制冷温度为26℃。

5.1.3.2 案例4、5

案例 4 和 5 采取了自然通风和混合模式，控制策略如下：

（1） 根据CSWD 2005，供暖季节包括1月、2月、3月、11月和12月。当供热系统工作时，通风系统只提供根据卫生要求的新风量，即每人30 m3/h；

（2） 过渡季节包括4月、5月、9月和10月。 在这期间，供热和空调系统都不工作。通风系统将在维持室内空气温度不超过适应热舒适温度上限（如表4所示）的基础上运行。必要时竖向通风井在夜间运行；

图16 南立面遮阳设计

图17 2011年建造的西立面局部

图18 5种案例模拟的4种配套模型

（3）制冷季节包括6月、7月和8月。在此期间，竖向通风井和空调系统将以混合式控制策略运行。

5.1.4 所需能耗

使用Energy Plus软件包进行动态模拟，各案例分项能耗和总能耗的结果如表5～9所示。锅炉的热效率为0.89，冷却装置的制冷系数（Coefficient Of Performance，COP）为5.5。表10是各案例的能耗对比情况。

效能分析： 5种案例的每月供热、制冷以及风机能耗负荷对比如表5所示。

从表10中我们可以看到，参考建筑全空调系统的能耗是混合式运行系统的2倍多。从案例1和案例2中我们可以看到，新规范在外墙保温设计方面的改进显著提高了能源使用效率，节约了近22%。先进的玻璃幕墙技术连同使用超保温材料的设计可以进一步节省6%的能耗，但建筑物外观采用这种结构其成本是很高的。此外，超保温材料目前在中国建筑市场还难以推广应用。 案例3和案例4使用自然通风技术，能耗显著降低了约51%，大大减少了对环境的潜在影响。比较案例4和案例5，通风井的数量从8个增加到12个，尽管热舒适满意度略有改善，但节能率并未显著提高。因此，考虑到成本和建筑有效使用面积，最终选择了8个通风井的方案。值得注意的是，混合式运行系统在过渡季的室内热舒适满意率达不到100%。室内空气温度在某一特定时间超过了热舒适温度的上限值（图19 a和b）。显然，当室内所有的灯具和设备都开启时，室内得热量将非常高。这种情况可以通过减少室内得热来改善，如通过使用高效节能灯具和自然采光来减少照明设备的散热量，以及关掉不用的电气设备。

表5 1980's标准参考模型的分项能耗

表6 当前标准参考模型的分项能耗

表7 ACT模型的分项能耗

表8 12风道混合模式系统模型分项能耗

表9 8风道混合模式系统模型分项能耗

表10 5种案例模型预期能耗比较

6 结论

北京地区建筑室内的自然室温湿度超出了ASHRAE标准55-2004规定的热舒适区，全年大部分时间需采用人工手段控制室内热环境。未来之家最初的设计方案（AGT）为一个依靠空调系统控制室内热环境的全封闭建筑，即通过部分玻璃幕墙被动吸收太阳能，其中，南向外墙为全玻璃幕墙结构，同时利用主动式的可再生能源，在完全被玻璃幕墙覆盖的南外立面上铺设大量的太阳能光伏板，以减少冬季热负荷。这与现行行业标准是相互呼应的。大面积玻璃幕墙以及太阳能光伏板的使用却加剧了夏季室内过热的问题。ASHRAE标准中的热适应模型（de Deer和Brager1998），如姚润明等在CSWD气象数据基础上，使用它来生成北京地区建筑夏季的舒适温度范围，表明前文提到的未来之家在4月到9月期间有着自由运行的可能性。这种季节性的夜间自然通风运行模式可以显著降低建筑能耗。通过比较不同时段的自然通风策略，确立了NVCP指标适宜的通风时段，从而为未来之家制定了混合式运行的设计方案，该系统能够在自然通风运行模式和机械式运行模式之间进行切换。这两种模式的气流组织所依赖的建筑结构几乎一致，因此降低了建筑投资以及节约了建筑内部空间。模拟试验中以1980年设计标准中的参考模型为基准，比较了各方案的节能潜力。AGT方案的节能率28%，采用12个通风井的混合式运行系统设计方案的节能率达到了52%，去除该方案的中间4个通风井，节能率仍可达到51%。因此，混合式运行设计方案是合理的，在保证建筑使用功能不受影响的基础上，使得建筑能耗得到了有效的降低。研究表明，全玻璃幕墙建筑不适用于北京地区。冬季，高性能的玻璃幕墙系统导致的建筑热损失较大，夏季也会显著增加空调冷负荷从而增加了建筑能耗。相反，通过对太阳高度角变化的分析，形成的深色调围护结构的建筑设计方案，太阳辐射量较大的时间段，这种色调本身就能有效地遮阳。

图19 已建建筑和设计建筑依据ASHRAE标准和热适应模型设定运行方式的相对性能

所谓混合式运行模式就是将建筑在供热、制冷、机械通风、自然通风等工况下进行切换，以此达到ASHRAE55标准规定的室内热舒适要求。对于该示范工程的实际运行情况，我们也会进行跟踪监测并进行分析，以便为其他建筑的可持续设计、施工提供经验。

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