热带地区净零能耗建筑设计策略浅析——以新加坡国立大学SDE4教学楼为例

王高远，陈天（通讯作者）/WANG Gaoyuan, CHEN Tian (Corresponding Author)

1 SDE4教学楼整体外观（图片来源：参考文献[20]）

表1 主要国家对净零能耗建筑的定义[2]

1 零能耗建筑的概念与发展背景

净零能耗（Net Zero Energy Building，以下简称NZEB）是近年来建筑环境领域不断被提及的可持续与能源中性发展新概念。国际上一直试图建立对NZEBs的一致理解与评估方法，但对其定义始终未能达成统一。Delia D'agostino等人比较了欧盟和美国对NZEB的定义，提出了辨析近零能耗、零能耗及正能源建筑定义的标准[1]。ZHANG J等人比较了世界领先地区的NZEB定义[2]，指出各定义间的两个关键差异：（1）是否统计插头终端负荷，（2）是否统计非现场产生的可再生能源。对比主要国家对净零能耗建筑的定义（表1[2]）发现各定义对系统边界、评价依据、插座终端能源的使用情况、最低舒适要求与能源要求都有着不同规定，但在一些议题上存在共性：（1）一次能量是最常用的度量依据，对于不同类型的能源，该度量容易理解和实现；（2）能源消耗主要包括暖通制冷、日常用水和照明，一般不包括插头负荷；（3）各定义都强调采用节能电器以减少能源消耗。新加坡国立大学设计与环境学院4号教学楼（以下简称SDE4教学楼）的净零能耗理念遵循了美国能源部对NZEB的定义，即建筑每年实际消耗的能源量小于或等于建筑现场产生的可再生能源量[3]。

NZEB的定义目前尚未明确统一，现有研究虽然基本建立了NZEBs的关键技术体系，但在生命周期能源分析、气象参数对建筑物能效的影响、储能系统、智能建筑运行管理系统等方面仍需发展和完善。强制政策和激励措施对促进NZEB的发展起着至关重要的作用。表2[10]总结了当前世界范围内零能耗建筑相关政策，可见发达国家及地区的NZEB发展较早，而我国的相关政策制定较晚，2017年方由住建部颁布了《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》。2019年9月1日，我国正式实施《近零能耗建筑技术标准》，明确了超低能耗、近零能耗、零能耗建筑的室内环境参数、建筑能耗指标、技术性能指标等，为未来我国近零能耗建筑的发展建设指明了方向。现阶段我国净零能耗建筑发展仍相对滞后，依然存在以下问题：国土广阔，气候差异大，能耗指标与技术路线难以统一；缺乏对气密性、热舒适性、新风系统、能源系统等基础性理论的研究；缺乏高性能的主被动关键技术产品，可再生能源与蓄能技术集成度低；缺乏对试点示范工程的系统化全过程跟踪评价，难以对新技术进行验证推广。因此，迫切需要对发达国家的NZEB实践典范进分析，为我国零能耗建筑的发展需求提供参考。

2 热带净零能耗建筑典范——新加坡国立大学SDE4教学楼

“可持续性”是新加坡国立大学教学理念的重要组成部分。作为新加坡第一个严格意义上的净零能耗建筑，SDE4教学楼（图1）完美诠释了这一办学诉求。其主要结构设计由亚洲最大的城市化方案提供商之一的盛裕集团负责，绿建专项设计由来自德国的建筑气候性能优化公司Transsolar主导。其综合设计原则如下：（1）净零能耗：自身产能≥能量消耗，基于全年建筑用电量和发电量平衡实现净零能耗；（2）交互式教育：学习，工作和社交场所之间没有正式界限，建筑本身就是节能绿建的设计典范，同时也是现实中的实验室与教学场地（图2）；（3）全面健康：室内空间设计在光照、通风、尺度、空气质量等方面都基于大量物理环境模拟和用户体验测评，营造出健康舒适的教学环境；（4）互动社群：建筑物在其自身环境中并不是孤立的实体，通透的结构使其与周边场地相融，形成类似社区邻里的共生关系，促发师生间的社交互动。

3 区位环境与场地条件

新加坡位于赤道附近，为典型热带海洋性气候国家，全年炎热潮湿，降雨充沛，海风富足。24小时平均温度从12月和1月的26℃到5月和6月的27.8℃不等，每日温度范围为夜间不低于23～25℃，白天不高于31～33℃ （图3），因此，调节得当无需空调即可实现热舒适。年平均太阳辐照度为1580kWh/m2/year，比温带气候国家的平均水平高出约50%。漫长的日照时间提供了日光利用的巨大潜力，使太阳能光伏技术在新加坡拥有广阔前景[22]。但同时这些气候条件也对净零能耗建筑的热舒适空间设计产生挑战。

SDE4教学楼是新加坡国立大学设计与环境学院的第四栋教学楼，位于校园西南部，其周边环境日间气温（30.8℃）高于校园平均水平，夜间气温（28.0℃）低于平均水平，昼夜温差较小，通风良好，日照充足。建筑坐落于肯特岗校区一个北高南低的山丘，场地高于外部道路约6m，是在原有3幢教学楼用地附近扩建的示范性教学空间，同时也是大型校园重建项目的一部分（图4）。

表2 主要国家对零能耗建筑的政策[10]

4 主动式与被动式建筑设计策略

主被动式建筑设计的出现是针对建筑节能目标而提出的。主动式建筑设计节能解决方案是指通过技术创新来降低能耗或提高能效的方式，如节能灯具、节能空调或水泵、太阳能光伏发电系统等。而被动式建筑设计是指在满足室内舒适度要求（风、光、热等）的前提下，以节能目标为导向，利用自然方式，不需任何机械动力（或机械动力是不以实现室内舒适度为目的的辅助动力）来降低能耗的设计方法，如自然通风与采光、被动太阳房、建筑遮阳、屋顶绿化等。SDE4教学楼充分综合两者优势，搭配运用，最大化实现净零能耗。

2 SDE4教学楼二至五层平面图（绘制：王高远根据Multiply Architects事务所项目资料整理绘制）

1-绿建技术实验室

2-模型装配工作室

3-GIS实验室

4-城市绿植实验室

5-行政办公室

6-信息资源中心

7-NUS-CDL智慧绿色实验室

8-建筑能效中心

9-建筑能效中心训练房

10-展览空间

11-教学室

12-景观平台

13-建筑工作室

14-专业教室

15-工业设计专业教室

16-工业设计研讨室

17-工业设计办公室

18-3D打印实验室

19-原型实验室

20-阶梯教室

21-计算机实验室

22-设计孵化中心

4.1 主动式设计策略

4.1.1 太阳能农场

SDE4教学楼的巨型遮阳屋顶配备了“太阳能农场”（图5），通过屋顶上的1225块太阳能光伏电池产生可再生能源。这些电池每年的电能产量超过500mWh，完全满足SDE4教学楼的年能耗需求。设计团队还考虑到其产能效率会因模块老化而降低，特增加10%的光伏电池组预算确保建成后10年内仍能保持能耗平衡。

4.1.2 分步节能程序

设计团队通过仿真工具模拟建筑运行，研究立面设计与室内光照及热环境的复杂交互作用，以此指导形体结构、材料搭配与环境技术运用等建筑决策。通过特制的迭代交互设计程序，用户可重复介入并定义其目标和需求。建筑的能源需求在各步骤中分别计算，每一阶段都会引入并测试新的能耗方案。基于这一框架，净零能耗的实现过程如下（图6）：（1）以某一参考建筑为基准；（2）优化建筑围护结构：采用光谱选择性玻璃、防眩光装置、遮阳悬挑、热防护材料；（3）优化建筑技术系统：高效的送风、回风系统，显热、潜热回收系统；（4）从传统空调系统转变为可以提高空气流速的适应性混合空调系统；（5）对31个热区详细建模，分区优化采光和人工照明系统；（6）优化操作细节：加强自然通风措施，提供可变风量；减少插头负载；采用整体性能系数大于5.5的高效冷却装置。

3 新加坡的月平均温度，相对湿度和日照时间（图片来源：图片来源：参考文献[21]）

对每一步能耗所需的屋顶或立面光伏区域面积进行评估，以明确当前状态与净零能耗目标间的差距[25]。

4.1.3 智能传感系统

SDE4教学楼建筑还具有多项智慧能源管理系统（图7）。如：室内空调的启动温度设定为27℃，并结合风扇与空调构成的混合制冷系统，使室内空间不至于过度寒冷。当室内空气温度和湿度高于设定值时，空调系统将供应冷却空气，同时风扇功率加强以加快空气流动。室内窗户装有感应器，当窗户开启时会自动关闭空调系统。

4.1.4 用户参与

K Janda认为，使用者在建筑物环境中起着至关重要的作用[26]。O Masoso等人在2010年进行的一项有趣研究表明，办公楼在非工作时间比在工作时间消耗的能源更多。这主要由于使用者在工作结束时将灯光和设备保持打开状态，另有部分原因是分区和控制不佳[27]。

SDE4教学楼在运行过程中积极寻求促进用户参与建筑物性能反馈的方法，采用了Engie开发的Spacematch App，允许用户将其舒适度评价传达给后台，从而根据反馈信息来调节设施满足用户舒适度需求。该App类似一款游戏，用户通过选择他们的舒适条件及按照教学指令完成节能任务（关灯、不使用空调、使用楼梯等）赢得积分，既可提高舒适度，又可优化日常能耗（图8）[28-29]。

4.2 被动式设计策略

4.2.1 形体设计契合热带气候

SDE4教学楼是基于气候适应性的净零能耗建筑，建筑形体深度响应了热带气候条件。悬于建筑之上的巨型屋顶覆盖了建筑与周边场地，其南部的出挑阻隔了大量太阳辐射。东西向的立面维护结构使用穿孔铝板，使内层玻璃免受太阳直射，为维持较低的内部空间温度提供保障。

建筑在体量组合上采用“浮动箱体”的概念，内部空间设计尽量降低进深，提高布局的通透性（图9）。同时这些松散堆叠的体块与半室外公共空间有机结合，使功能性用房能够有效换气，并与竖向风路形成密集通风网，最大限度利用自然通风，降低空调使用频率。大部分房间安装落地窗，可长时间开启保持通风状态。建筑效仿传统东南亚建筑中的“凉廊”手法，尺度形态各异的半开放空间穿插于实体房间之中，承担起隔热缓冲与社交互动的作用。总体来说，遮阳大屋顶与通透的空间设计，借助太阳能系统、混合制冷系统、自然通风与采光系统等绿色节能技术的运用为各空间中用户舒适性及环境适应性提供了建筑体量基础与保障。

4.2.2 亲生物设计1）融入自然

SDE4教学楼的周边景观为建筑提供了多层次遮阳，有效缓解城市热岛，有助于降低噪音和改善空气质量。对于较高的楼层，绿色景观对居住者的体验和幸福感有积极影响。建筑周围的植被可直接或间接在微观层面上削减气候的负面影响。包括地表温度的降低、热增益效应的减少和不同植物引起的环境气候指数的变化（图10）。

研究[31]表明各种植物覆盖下的地面最高温度不超过36℃，而裸露的硬质地面最高温度达到了58℃。仅裸土层的引入就可使一天的总热增量显著降至297.2KJ(约40%的硬质地面总热增量)。再加上植物作用，日热增量将进一步减少（图11）。以密集灌木为例，在其热防护下，地表温度的最大日变化不超过30℃，最高地表温度仅为26.5℃，最大热增量约为164.3KJ(约22%的硬质地面总热增量)。这表明至少在热带气候中，植物的降温吸热作用十分显著，可以充分缓解建筑与气候之间的冲突。

4 SDE4教学楼场地分析（绘制：王高远根据参考文献[23]资料整理绘制）

5 太阳能农场

6 分步骤实现净零能耗的“能源故事”（绘制：王高远根据参考文献[25]资料整理绘制）

7 室内智能传感调控装置（5.7 绘制：王高远根据参考文献[24]资料整理绘制）

4.2.3 环境友好型材料

在全年光照充裕的热带地区，某些人工林的生长速度可能比在温带气候下高约4倍。SDE4教学楼的部分立面材料就来自快速生长的人工林，这些木材本身机械性能相对较弱，而如果开发成聚合工程木材组件（Mass Engineered Timber，以下简称MET，图12），其比强度将是混凝土的5倍，可适用于柱、梁、楼板等建筑构件。热带气候带来的技术难点在于要保持木材的水分含量低于20%，以避免真菌侵袭和机械性能下降，同时防止雨水渗入。创新的构造设计增加了木材直接暴露在阳光下的表面积，并增强表面气流以加快脱水速度，允许木材“呼吸”[32]。

热带木材便于就地取用，进行简单加工即可投入建设，结合成熟的预制工艺可缩短35%的施工时间，避免了工业材料在生产和运输过程中的能源消耗与环境污染。同时，该木材适应当地气候，采用被动式设计策略，可获得良好的建筑性能，减少建筑运行能耗碳排。

4.2.4 水体自然净化系统

SDE4教学楼遵循新加坡“ABC”亲水设计导则，将雨水收集与景观生态结合，采用生物自然净化工艺。在节水净水的同时，提高景观美感与生物多样性。室外的生物滞留盆地会接纳1/3的屋顶雨水径流。径流沿途还会通过茂密的滤水植被层，从而减弱雨水侵蚀，美化景观。这种低维护技术与低成本的人工微自然系统可以有效吸收、过滤雨水径流。剩下的2/3径流会储存在6层的雨水回收箱中，其容量可以满足建筑物4天的非饮用水需求（如洗涤与灌溉）。屋顶集水、雨水收集箱及生物沉降池的综合设计，既有效降低了雨水的流速与峰值径流量，又通过营造建筑水循环将雨水二次利用最大化，并提高了生物多样性与场地景观活力（图13）。

4.2.5 防眩光立面设计

在热带特别是在东南亚地区，人们对强光十分敏感，习惯保护自己不受高强度日照的伤害。因此，在热带环境设计立面需要在高效的太阳能吸收、高比重的自然采光和低眩光率之间权衡协调。为达到最佳的体验平衡，建筑师采用了综合对比矩阵以辅助立面设计决策。

设计团队进行了室内动态热模拟，详细检测每个房间的热舒适状况，对悬挑设计及内外遮阳（固定的、可变的）的不同方案与多种光谱选择性玻璃的搭配组合做出评价[25]。混合制冷系统需在特定的条件下为房间提供既定量的新鲜空气，所以系统的制冷负荷是固定的，而热舒适性则会因不同的立面方案而产生差异。

图14展示了南向空间各方案组合下的综合效果(东、西立面由外部结构保护)，绿色代表更好的性能。其中的牵制关系是显而易见的。例如：对于2m悬挑装置搭配外部遮阳板的方案，其热舒适性良好，空间全自然采光度较高，但眩光概率也较高；而对于2m悬挑装置搭配有眩光防护作用的内部屏障方案，则眩光概率降低，但热舒适性与空间全自然采光均会降低。综合考量各种组合的优势与局限性，最终立面方案确定为2m悬挑装置搭配上部遮光百叶窗和下部防眩光屏障（图15）。

8 Spacematch 反馈调节系统（图片来源：参考文献[28]）

9 建筑形体设计示意（绘制：王高远根据Multiply Architects事务所项目资料整理绘制）

10 场地中多样化的绿植（图片来源：参考文献[30]）

11 不同地表覆盖面的温度变化（图片来源：参考文献[31]）

12 由热带人工林加工而成的MET组件（图片来源：参考文献[32]）

4.3 主被动结合式设计策略

SDE4教学楼并没有一味追求室内空调节能技术，而是将主动式的机械通风与被动式的自然通风相结合，运用混合制冷系统，以较低能耗满足更具气候特色的热舒适要求。研究结果表明[25]，更快的空气流速与更高的整体热舒适水平在一定范围内呈相关，特别是在混合通风或自然通风空间。在温暖的气候下，使用风扇增加空气流速可以提高舒适温度上限，使其更接近平均操作温度。平均热感觉指数（Predicted Mean Vote，以下简称PMV）是以人体热平衡的基本方程式及心理生理学主观热感觉等级为基础构建的热舒适评价指标。PMV指数代表群体对于7个等级（+3～-3）热感觉投票的平均指数，可以表征同一环境下绝大多数人的热感觉。PMV值越小，体感越冷；反之亦然。

图16展现了在0.7m/s的风速下，4种制冷系统的PMV值分布情况。右侧柱状图表示PMV处于相应数值范围内的时间百分比。可见传统空调制冷系统和混合制冷系统都能提供高舒适度（0.5≥PMV≥-0.5）的环境，但显然后者可以提供更宽容的环境参数范围，即可以通过更小的环境调节成本使使用者得到相同舒适度的体验。而在能耗方面，混合系统同样事半功倍，可在不影响热舒适性的前提下，减少高达50%的电能消耗。

SDE4教学楼的混合冷却系统是一个没有循环空气的单通道系统，由中央空调、吊扇与自然风构成。虽然无法为房间提供预冷空气，但通过吊扇增加空气速度，建筑仍可在较高的温度湿度条件下营造出比传统空调制冷空间更为舒适的环境。其室内温度由恒温器控制在27～28℃，当被动式手段无法满足使用者需求时，会启动空调系统降低温度。相较于纯空调制冷的密闭环境，该系统还通过可操作式窗户增加自然通风与新鲜空气（图17）。

5 性能验证

SDE4教学楼作为新加坡第一座以净零能耗为目标导向的建筑赢得了多项绿建殊荣。它是新加坡建设局在2018年国际绿色建筑会议期间推出的首个Green Mark超低能耗示范性建筑，并赢得了BCA2019铂金级 Green Mark Awards for Buildings，能耗类别被判定为Zero energy[34]。2019年10月，SDE4教学楼又荣获金奖级别WELL认证，是新加坡首个WELL认证建筑，也是WELL史上首个获此殊荣的大学建筑。

5.1 相关绿建指标验证

SDE4教学楼的节能效率（38.10kWh/m2/year）在能源友好型教育建筑中并非最为突出（图18）。根据新加坡建设局制定的能效指数（Energy Efficiency Index）计算公式EEI=（TBEC/GFA）×（55/OH）可得，其能效指数为34.93kWh/m2/year，远远小于Green Mark铂金级节能建筑的能效指数标准（120-140kWh/m2/year）[35]，表明SDE4教学楼已是同类建筑中能效表现的佼佼者。

使用Ecotect分析每层楼的太阳辐射状况，统计出每层楼太阳辐射度大于120Wh/m2的面积比例，再经汇总核算后得知SDE4教学楼建筑总面积的82.75%满足太阳辐射度的要求。

将主要绿建设计目标与实际运行状况对比可知（表3），SDE4教学楼整体上达到了预期效果，除景观可获得性外，其他目标均已实现，尤其在核心节能表征——能效指数上表现优越，完全实现了净零能耗目标。

13 建筑水循环（图片来源：参考文献[32]）

14 立面方案评估（图片来源：参考文献[25]）

15 立面防眩光设施（图片来源：参考文献[24]）

16 4种制冷方案下的舒适度状况（图片来源：参考文献[25]）

17 混合制冷系统示意图（图片来源：参考文献[24]）

表3 SDE4教学楼实际性能对比设计目标

5.2 热舒适度验证

5.2.1 室内空间热舒适

室内空间采用混合制冷系统，对于其热舒适验证，首先从不同制冷条件下使用者对热环境的主观接受度开始。26位受访者（13名男性，13名女性）分别在相对湿度基本保持恒定（58%）的SDE4中3号研讨室进行3小时的学习活动，期间可按要求更改制冷条件（图19）。结果表明，热环境可接受度最终达到100%，混合制冷系统能够完全满足SDE4教学楼使用者的室内热舒适要求。

在此基础上继续探究空气流速的作用效果，采用ASHRAE标准7级量表统计使用者在不同温度与风扇转速下的热感觉投票（Thermal Sensation Vote，以下简称TSV，图20）。结果显示在各温度段，使用者都可以依靠调节风扇转速实现热舒适。在温度较高时，混合制冷比空调制冷有更高的中性响应率，即更多的使用者在混合通风空间中达到舒适体验。

5.2.2 半室外开放空间热舒适

SDE4教学楼的半室外开放空间在活动场所中占很大比重，其热舒适主要依靠被动式策略实现。2019年12月1日的实地测量选取5个典型开放空间作为测点，首先运用方法一，借助RayMan model[36]对实测数据处理计算，以生理等效温度（Physiological Equivalent Temperature，以下简称PET）为指标，以Matzarakis等人[37]的热带地区热感觉分级为标准验证热舒适状况（表4[38]）。结果显示，气象站的热舒适为“稍暖”，2、4号测点均实现热中和，而3、5号测点非常接近热中和范围。1号测点因暴露于太阳直射下，实测时段PET达到“暖”区间。再运用方法二，借助加利福尼亚大学伯克利分校开发的Thermal Comfort Tool[39]，以焓湿图的方式验证热舒适度 （表4）。结果显示3、4、5号测点均达到ASHRAE Standard 55-2017热舒适要求，2号测点非常接近热舒适标准，1号测点与气象站未能达标。两套验证方法的结果大体一致，综合判断可知大部分测点的热舒适度较气象站整体上有显著提升，并基本满足使用者热舒适需求。凭借被动式设计策略，SDE4教学楼的半室外开放空间达到了良好的热舒适效果。

18 SDE4教学楼对比其他绿色教育建筑的节能效率（绘制：王高远）

19 3号研讨室热环境可接受度

20 3号研讨室TSV百分比堆积柱形图（19.20 图片来源：参考文献[24]）

表4 SDE4教学楼半室外开放空间测点及气象站数据

6 绿建对比

新加坡2005年推出首个针对热带地区的绿色建筑认证体系Green Mark，此后进行了大规模的绿色建筑实践。将SDE4教学楼与其他建筑类型的成功案例Khoo Teck Puat，PARKROYAL On Pickering及Sky Ville进行对比，探寻它们在绿建设计策略上的异同。对比发现（表5）：（1）四者都在体量上开设孔洞、频繁使用架空错层、设置中庭等手法，以此导入自然通风，并增加建筑表面积与建筑面积之比，从而减少建筑用料与热损失；（2）高层建筑的亲生物性主要通过构建垂直绿化体现，多层建筑则致力于营造与场地的共生关系，将场地植被与景观延续进建筑内部；（3）外窗作为热工性能最弱的构件，在围护结构中占据最大比例的传热量。对此的基本解决思路分为两种：一是从玻璃性能入手，使用隔热节能、热反射镀膜等遮阳系数小的玻璃；二是从可变性上入手，使用可调节式百叶窗控制进入建筑的气流。SDE4教学楼的做法则是基于大量实验将两者兼之；（4）在节水方面，SDE4教学楼采用与其他三者感应式滴灌不同的生物滞留系统，实现循环储水再利用，并提高场地生物多样性；（5）虽然SDE4教学楼选择太阳能作为可再生能源，与其他三者无异，但它以混合制冷系统为主要途径削减能耗，在充分节能基础上，更直接地面向用户热舒适体验。综上对比，SDE4教学楼的绿建设计策略充分吸取现有经验并深入优化，开创了一套能整体实现净零能耗且更针对用户热舒适优化的技术方法。

表5 绿建项目对比

7 结语

新加坡国立大学SDE4教学楼是新加坡第一个严格意义上的净零能耗建筑，其创新之处在于：（1）在保证热舒适的前提下，不仅利用屋顶1225块太阳能光伏电池组成的“太阳能农场”生产足够的再生能源，同时采用周全的节能减排方案，尽量减少建筑能耗，提升建筑用能效率，使实际能效指数远小于目标能耗，实现了净零能耗目标。（2）将亲生物设计融入自然。建筑周边的大面积植被覆盖与建筑形成良好互动；采用热带气候友好型木材，不仅获得良好的建筑性能，也减少了建筑运行能耗与碳排放；将雨水收集与景观生态结合，在节水净水的同时，提高景观美感与生物多样性。（3）主被动结合式设计策略将主动式的机械通风与被动式的自然通风相结合，运用混合制冷系统，以较低能耗满足更具气候特色的热舒适要求。（4） 使用户介入建筑自调节机制，既可以提高用户舒适度，又可优化日常能耗，提高建筑的可持续性。然而其局限性依然存在，如：仅对建筑单体进行改造提升，若能与周边建筑群及其他用电单位有机结合，将会对环境与能源供应基础设施产生更积极影响。我国开展热带地区净零能耗建筑实践的过程中，在发扬SDE4教学楼的主动式与被动式气候适应性设计优秀经验的同时，应着重考虑建筑与社区或更大尺度区域间的复杂影响，探讨将其与城市电网系统结合配置的可能性，从单体优化转向群体协同，进而实现片区整体能耗平衡[40]。

注释

1）译自英文“biophilic design”，亲生物设计是建筑行业中使用的一种概念，通过使用直接或间接方式，从空间和位置上增加建筑与自然环境的连通性。