零能耗建筑的整合设计与实践——以清华大学O-House太阳能实验住宅为例

张弘，李珺杰，董磊/ZHANG Hong, LI Junjie, DONG Lei

零能耗建筑的整合设计与实践
——以清华大学O-House太阳能实验住宅为例

张弘，李珺杰，董磊/ZHANG Hong, LI Junjie, DONG Lei

针对建筑、技术和工程的整合设计是可持续建筑设计的一项重要议题。城市住宅面临人口密度高、建造方法传统、建筑物理性能缺陷、系统设备老化和资源紧缺等诸多问题，且这些问题在中国大中城市尤为显著，因此，整合可持续策略与住宅建筑设计成为一项挑战。本文意在建立一个基于中国住宅市场情况、在零能耗住宅设计到建造的过程中、整合可持续策略的技术框架。O-House是中国国际太阳能十项全能竞赛的参赛作品之一，是一个面向中国住宅市场的零能耗建筑。该实例证明了建筑的组成发展模式、建筑设计和材料、建筑与可再生资源策略利用的一体化、建筑与系统设备一体化、建筑与室内家具一体化等整合设计的策略和流程。文末列举了可持续住宅设计的利用范围领域，同时指出未来发展中可能存在的优势和局限。

零能耗，太阳能住宅，整合设计

1 2013中国国际太阳能十项全能比赛现场（图片来源：参考文献[4]）

发展零能耗住宅已逐步被决策者和设计师普遍关注[1]。零能耗太阳能住宅的设计，不仅是技术创新的一个重要目标，即从主、被动式设计、可再生能源技术、能源系统优化、节能及智能家居、建筑材料及构造等诸多方面进行整合和革新，并且，从建筑学和社会学的角度上，也是设计思想和设计理念的创新[2]。从用户需求出发的创新更是一切技术创新的出发点和立足点。国际太阳能十项全能竞赛是一个展示太阳能在居住建筑中结合运用的平台，依托该竞赛，世界多个国家已经成功地研制出一批优秀的、具有市场潜力以及地域适应性的零能耗太阳能住宅，对于设计具有中国适应性的零能耗太阳能住宅有一定的借鉴作用。

1 背景及设计目标

2 建筑夜景（摄影：陈尧）

国际太阳能十项全能竞赛是一项面向全球优秀高校的高水平国际竞赛。该大赛由美国能源部发起，

自2002年起，曾在美国和欧洲举办多次[3]，在与中国国家能源局的密切合作下，2013年首次在中国举办（图1）。大赛借助世界顶尖研发、设计团队的技术与创意，将太阳能、节能与建筑设计以一体化新方式紧密结合，设计、建造一座功能完善、舒适、宜居、具有可持续的太阳能居住空间。竞赛要求各参赛队（大学）在两年的时间内设计并建造一栋60m2～100m2完全依靠太阳能自给自足的独立式小住宅，从而证明，单纯依靠太阳能的住宅，同样可以宜居舒适，满足人们高质量的生活要求[4]。大赛旨在通过比赛加快太阳能界国际化的产、学、研融合与交流，推进相关技术的创新、发展和商业化。

借助国际太阳能竞赛的平台，清华大学团队经过两年时间对零能耗住宅的市场潜力、设计方法、技术策略进行跟踪论证。O-house项目是清华大学太阳能团队的参赛作品，是一栋以零能耗为设计目标的太阳能实验住宅，是一次根植现状、面向未来的创新实践（图2）。

2 零能耗住宅的整合设计框架

3 零能耗住宅的整合设计框架

4 标准模块组成层级

发展零能耗住宅首先应找出城市居住环境中所存在的问题，从人们对生存环境的需求出发，依托各类可持续技术，有效地提高零能耗住宅的推广价值，否则永远只能是实验性或示范型项目。城市住宅面临人口密度高、 建造方法传统、建筑物理性能缺陷、系统设备老化和资源紧缺等诸多问题，且这些问题在中国大中城市尤为显著， 因此，整合可持续策略与住宅的建筑设计成为一项挑战。本论文意在建立一个基于中国住宅市场情况，在零能耗住宅设计到建造的过程中，整合可持续策略的技术框架（图3）。

3 模块化设计应对中国住宅市场

3.1 应对城市老化问题的解决途径

随着城市建设的不断发展，大量的城市建筑尤其是住宅建筑将面临快速老化和适时更新的问题,其类型包含两个方面：其一，由于缺乏对旧城的有机保护和更新，传统居住建筑亟需维护；同时，居住在旧城中的居民为改善居住条件,在有限条件下自行增建的大量厨房、卫生间等临时建筑,从根本上破坏了旧城风貌；其二，经过几十年城市居住建筑的大规模快速建设，住宅建筑的技术及品质标准逐步提高，大批住宅在达到设计寿命前就已经面临抗震加固、节能改造、设备更新等迫切的更新改造问题。问题与机遇并存，更新与建设同步，采用合理的城市更新模式，结合可持续的技术措施，是逐步解决城市老龄化的途径。

新旧城市的更新可通过标准化模块的插入，逐步更新城市，应对城市发展问题。改造方式可根据实际需求，采用标准化模块方法插入城市老旧街区，整合原先无序建造的辅助功能，模块的设备系统利用可再生能源，实现城市的可持续发展。模块部品预制生产，改造迅速，具有较强的适应性。此外，针对中国住宅市场即将面对的多、中、高层住宅老龄化的问题，一方面,通过技术手段实现建筑结构更新，另一方面,通过设备模块实现建筑的系统更新，并在建筑的空间品质上，结合建筑屋顶扩展居住品质。

3.2 分层级的模块化应对方法

5 标准模块组成部分（1-A模块，2-B模块，3-C模块，4-D模块，5-E模块，6-太阳能光电光热系统，7-快速拼接体系）

6 光热光电标准模组与建筑的结合

7 三重空间的被动式节能策略

8-11 室内可变家具设计（摄影：陈尧）

12、13 模块化装配运输（摄影：黄海阳，闵嘉剑）

模块设计包含4个层级（图4），从产品模块、部品模块、基本模块原型到住宅体系逐层扩展。基本模块原型包含设备基本模块和空间扩展模块两种。两种模块的原型尺寸均符合中国高速公路的运输尺寸。A、B、C 3个部品模块组成的设备基本模块，包含太阳能光热、光电系统以及整个建筑用电控制或用水控制系统、室内集成家具等。D、E两个部品模块组成空间扩展模块，可以根据用户的需求定制内部的功能空间。可能包含的空间如厕所与卧室模块、厨房与餐厅模块、仓储与客厅模块等（图5）。由两个基本模块原型进一步扩展，衍生成为目标市场所对应的独立式小住宅、多中高层住宅更新甚至太阳能住宅社区。模块组合自由并建造迅速，附着的系统设备能够依靠太阳能系统独立运行。此外，模块之间采用快速连接，操作简便，从而适应不同市场需求的个性化定制。

4 太阳能与建筑的一体化设计

主动式的太阳能利用包括太阳能光电系统及光热系统两个部分。模块化的策略要求太阳能系统与两个基本模块原型在空间尺度上贴合匹配。设计不仅强调太阳能系统自身对能源的利用和转化效率，并且更加强调太阳能系统，包括光伏板、光热板、控制器、线路等对建筑空间的利用效率，在有限的屋顶和立面的面积上，最大可能地产生能量并高效地实现能量转换。

每个光电板模块的基本尺寸为991mm×1650mm（成品）工厂预制尺寸，建筑两个基本模块原型的尺寸分别为A类1100mm×7200mm及B类3300mm×7200mm。因此，每一个基本模块原型的屋顶面积都是光电板标准尺寸的倍数关系（除去屋顶女儿墙厚度）。建筑屋顶与光电板尺寸的贴合既减少了生产异形光电板的成本，又最大限度地利用屋顶的可铺设面积，提高了建筑屋顶的利用率。为了提高光电板的发电效率，支座的设计既考虑了底部架空通风，并安装了远程控制的可调角度支架，根据全年不同的太阳高度角，调节光电板的角度，从而利用尽可能多的可再生资源。太阳能光热模块的基本尺寸为（850mm×1000mm），A类设备基本模块（1100mm×7200mm）可设置7组。冬季为室内提供的地热辐射的热源，其他季节为使用者提供生活热水（图6）。

5 节能为目标导向的主动及被动式策略

5.1 平面布局的被动式节能策略

零能耗住宅需要达到“开源”与“节流”的双重目标。合理的平面布局对于减小建筑运行期间的能耗，有着重大的影响。对于一个住宅来讲，需要尽可能使与人的使用相关度最高的空间达到最优的物理环境，这部分空间包括卧室、客厅和餐厅，而后是储藏、厨房和厕所。O-house的平面布局是将核心的、舒适度要求最高的空间保护在整个空间的最中间，从内至外采用3层嵌套空间，逐步将核心部分层层包裹，故而核心空间的微环境由内至外逐渐过渡，不但提高室内舒适度，并且利用被动式策略节约使用过程中的能耗负荷。

O-house平面布局的被动式策略的具体做法为：将厨房、厕所和储藏空间放置在建筑的北侧，加强建筑抵抗冬季北风的能力。在建筑的东侧和西侧设置设备墙和家具墙的复合集成墙体，加大墙体的厚度以保证建筑免受东西两侧太阳辐射的影响。建筑南侧设置可开闭的阳光间，起到夏季遮阳、冬季向室内提供预热空气的作用。最外层围合而成的院落空间，利用水池、植被、渗透地面调整建筑周围的局部小气候，并在院墙入口空间的东侧和北侧设置自动喷淋的降温系统。至此，院落-过渡空间-使用核心的三重嵌套关系，层层的空间过渡，将建筑夏季的空调负荷尽可能降到最低，最终达到“节流”的目的（图7）。

5.2 南侧阳光间

有效的遮阳措施可大量减少建筑的冷热负荷。通过模拟数据可看出O-house在有南侧遮阳和无遮阳两种情况下，室内冷热负荷的差异建筑的冷热负荷通过模拟如表1所示。

表1：室内能耗模拟数据 (kWh/天)

5.3 建筑材料与构造

影响建筑冷热负荷的建筑材料导热系数如下：

·建筑南侧两侧门窗采用 “4层Low-E双真空中空玻璃 5mm/42mm”导热系数为 0.48 W/ (m2· K)遮阳系数为 0.443。

·墙体材料采用80mm厚岩棉+HIP超薄真空保温板双层保温，整个墙体的导热系数为0.2 W/ (m2· K)。

·墙体材料采用130mm厚岩棉+HIP超薄真空保温板双层保温，整个墙体的导热系数为0.1 W/ (m2· K)。

·建筑南侧半透明光电百叶可根据太阳高度角调节发电效率，并可根据夏天和冬天不同的室内温度和通风需求进行开关调节。

6 模块化设计的技术整合

6.1 室内家具整合设计

为了符合建筑模块化的市场策略，对室内的家具也同样采用模块化的预制体系。在A类设备基本模块（1100mm×7200mm）中插入家具集成模块。家具的设计原则是尽可能多地满足多种生活需求，又最小地占用有限的空间。目前设计的家具集成模块可分为卧室模块、客厅模块两种。卧室家具墙模块集合了两个单人床、衣柜、书架、CD架、储物阁等功能空间，夜间的卧室在白天可转化为一个试衣间或者活动室。客厅模块集成了电视机、音响设备、CD架、展示架、投影仪等，家具墙的可变性提供了室内使用更多的可能性（图8-11）。

14-17 建筑室外景观（摄影：黄海阳，闵嘉剑）

6.2 模块间的拼接技术

从结构的角度来看，模块间C型柱的结构对插，在保证结构体系整体强度的同时，又节约室内空间，避免了双柱对室内美观的影响。各个模块之间的柱子均采用螺栓的铰接连接，便于拆卸，结构的拼装均是可逆的过程。为了实现模块之间的快速拼接，在电路和水路的连接采用对口插拔方式。将电管线预埋于建筑吊顶之内，每个模块的多路线管汇总于一个接线端子，各个模块与系统如同PC的USB接口，模块之间只需要插接连通接线端子，就可实现建筑整体系统的连通。

7 未来与展望

O-house的设计和建造的过程是一次零能耗住宅合理建造投入的尝试，它的优势在于以下4个方面：

1)住宅完全依靠太阳能自给自足

通过可持续的主动及被动式策略，利用可再生能源，实现建筑“开源”、“节流”的双重目标。建筑的所有能量均来自于太阳能的转化，是一座真正运行能耗为零的建筑。

2)模块化、产品化的设计应对中国未来住宅市场

通过模块化的设计可使其既能进行城市有机更新，又可以应用于基础设施不便利的商业地产开发。模块化的设计也使建造周期控制在两周以内，施工精度达到毫米级。

3)建筑与可持续技术的一体化设计

建筑设计不但从建筑空间和形体本身出发，还涉及家具、空间的可变性、市场性等。此外，在建筑各个空间中合理集成了太阳能系统、智能控制系统、中水及雨水回收利用系统、雾化降温系统等，通过对建筑和技术的统筹考虑，使建筑本身达到了一体化设计的集成效果。

4)成本控制

零能耗住宅在成本上的控制，才能够使其更好地推向市场。O-house将整个建筑化整为零，打破了传统意义上“造屋”的做法。灵活的模块化设计策略，可在工厂进行大量预制，在现场拼装组合，大大降低生产成本并减少劳动力（图12、13）。

住宅和节能是当前城市发展面临的主要问题，这次尝试通过建筑与技术的整合，对于在中国发展零能耗住宅并将其推向更大的市场做出了有益的探索（图14-17）。

[1] Igor Sartori, Assunta Napolitano, Karsten Voss. Net zero energy buildings： A consistent definition framework[J]. Energy and Buildings, 2012(05)： 220-232.

[2] 宋晔皓，林波荣，姜涌. 绿色与建筑[J]. 时代建筑，2008（02）：6-11.

[3] 美国太阳能十项全能竞赛官方网站：http：//www. solardecathlon.gov/

[4] 中国太阳能十项全能竞赛官方网站：http：//www. sdchina.org/

Integration Design and Practice in the Net-Zero Energy House： Experiences in Solar Decathlon China of the O-House of Team, Tsinghua University

The integration of design, technology and engineering is an important issue in sustainable building. With the problems of high-density cities, the limits of high performance, construction methods and financial problems, the integration of sustainable practices into a regular residential building is a challenge, especially in China. This article's objective is to set up a framework for integrating sustainable strategies into the design and construction of a net-zero house based on the particular living situations of China. O-house was one of the entries in the Solar Decathlon competition of 2013. It was designed as a net-zero house for the Chinese residential market. The case study shows the specific strategies and steps of this integrated design, including the building's composition, design and material, combination of building and renewable energy technologies, the integration of the building and its equipment systems, integrated indoor furniture design and so on. This paper illustrates the range of uses for integrated sustainable residential building design, and also points out its advantages and limitations for the future.

net-zero energy, solar house, design integration

国家自然科学基金资助项目（51208276）

清华大学建筑学院

2013-11-21