建筑师实施的零碳建筑设计策略——四川若尔盖暖巢设计总结

高庆龙，钱方，戎向阳/GAO Qinglong,QIAN Fang,RONG Xiangyang

1 概述

气候变化是人类面临的全球性问题，随着各国CO2排放，温室气体猛增，对生态系统构成威胁。在这一背景下，世界各国以全球协约的方式减排温室气体，我国由此提出“2030 年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和”的目标。在全国所有行业的碳排放总量中，建筑行业运行用能导致的碳排放占比28%，全球建筑相关用能碳排放占比40%[1]。如何通过建筑设计实现运行低碳甚至零碳建筑，是时代赋予当代建筑师的责任。

四川若尔盖暖巢项目位于青藏高原东北部的四川省阿坝州若尔盖县，项目所在地海拔3500m，平均气温1.1℃，最低气温低达-20℃，常冬无夏。在该地区开展工程建设，不仅要适应当地恶劣的气候条件，还要考虑如何解决能源和降低对当地脆弱生态环境影响的问题。如何通过建筑师设计手法，利用当地丰富的太阳能资源，开展零碳建筑的设计是个挑战，也有着特殊的环境意义。

暖巢项目建筑面积1255m2，包括21 间宿舍和顶层的一间室内活动室。建筑鸟瞰见图1。项目未采用任何采暖设备，仅通过建筑师以数据为支撑的精细化设计，使全年室内温度不低于12℃，一劳永逸满足使用功能需求[2]。建筑中耗能设施只有照明系统，在使用过程中碳排放量极低。本文通过对四川若尔盖暖巢项目的设计总结，为建筑师实施零碳建筑设计策略提供一些参考和借鉴。

1 建筑鸟瞰

2 以数据为导向被动式太阳能建筑设计方法

结合地域资源，项目整体采用零辅助热源的被动式太阳能建筑设计策略。为保证项目建成后实际运行的效果达到预期目标，在设计过程中采用了以建筑环境计算机模拟得到的数据为导向进行被动式太阳能建筑的设计策略。

2.1 以数据为导向的总平布局优化设计策略

该项目原有建筑总平面布局按照红线边界布置（图2），按场地既有规则进行布置，建筑的朝向对于太阳能建筑不是一个合理的朝向。设计前期开展了该项目朝向对室内热环境影响敏感性的研究。研究结果显示南偏西的朝向布局与南偏东相比，可以将全年最冷月夜间最低温度提高3℃。通过确保进入室内太阳辐射总量变化较小，设计可尽量延迟太阳照射的时间。由此在场地限制条件下本项目确定了建筑的最佳方位布局。

2 总平面

2.2 以数据为导向的最佳体形选择策略

在严寒和寒冷地区的建筑中，体形系数是重要的控制参数指标。按照建筑节能规范的计算方法，采用紧凑体形更有利于减少热损失。但对该项目而言，紧凑的体形同时会减小南向立面面积，从而降低太阳辐射得热量。经过计算机模拟计算，在太阳能富集的该地区，南向立面越大，建筑能耗越低，当无辅助采暖时，室内温度也越高。由此本项目采用了体形系数较大的东西轴较长、北侧单走廊的平面布局。该平面布局虽然体形系数较大，但是可以实现南向建筑立面面积最大化，从而尽量多获得太阳辐射热，反而是节能的[3]。

2.3 降低冷风渗透的首层平面设计策略

3 首层平面

4.5 南立面

建筑气密性对于减少冷风渗透具有重要意义，本项目并未采取一味提高墙体和门窗的气密性等级的方法来提高建筑气密性。通过在建筑首层布局的入口位置，增加具有避风挡墙的方法设置“深邃”的门斗，作为入口缓冲门厅。概括而言，通过建筑平面实现避开迎风面、避风墙、门斗的方法，达到减少冷风渗透热损失的目的。另外通过在走廊外侧设置直跑楼梯，作为走道空间的缓冲层，进一步延长风渗透的通路，降低了冷风渗透。

2.4 以数据为导向的立面设计策略

按照建筑性能模拟得到的南向得热、北向失热的数据指引，设计了风格迥异的南北立面。南立面采用直接受益式、集热墙式组合的被动式太阳能利用方式（图4）。由被动式太阳能建筑设计优化可知，直接受益式是效率最高的太阳能被动利用方式，但室内温度波动较大，集热墙式效率低，但有利于房间温度稳定[4]。二者采用什么样的比例是最为合适的呢？通过不同的方案计算数据比较，再输入详细的幕墙和外墙参数，进行全年的室内热环境计算后采用了如图所示比例立面设计：深色部分为集热墙，透明部分为直接受益式。图5 为项目建成后的南立面实景图。

北向墙是热损失最多墙体，其中外窗是热损失的薄弱环节。建筑设计过程中，依赖于采光计算结果，把在当地气象条件下将走廊的采光亮度控制在300lx作为设置外窗采光面积的主要依据。在满足采光要求的前提下，外窗总面积尽量小，并满足建筑美观的韵律（图6）。建筑采光窗用高窗，提高采光均匀度，同时避免吹风感对热舒适的影响。图7 为项目建成后的北立面实景图。在动辄眩光刺眼的高原地区，控制了采光亮度的走廊和楼梯间因光线柔和舒适，成为孩子们最喜欢的阅读空间（图8、9）。

3 分空间分时间的热环境被动控制策略

本项目在设计过程中，按空间功能需求与使用特点有区别地进行建筑热环境的被动式控制，采取相应的设计策略。在平面布局上按照对于热环境要求的差异进行功能分区的布置。按使用功能、使用时间和对热环境功能需求，把建筑热环境的被动控制区域划分为4 类（图10、11）。宿舍为被动采暖的夜间使用核心区，需要尽量多地获得热量并蓄积保存，使室内温度全年不低于12℃；直跑楼梯间为短暂使用的快速通过区，位于北向，除进行保温外，无其他技术措施，只要保证冬季不结冰，高于0℃即可。走廊、双跑楼梯间和洗漱间、卫生间，作为宿舍的缓冲空间，为次采暖区，主要靠宿舍的墙壁传热和空气交换进行采暖，温度介于宿舍与楼梯之间。楼顶活动室是一个直接受益的阳光间（图12、13），只在白天太阳升起、房间温度升高以后使用。在夏季太阳辐射和强烈时，可开启侧壁的竖向窗进行降温。楼顶活动室的地面设置了保温层，以减少宿舍顶板的热损失，同时楼顶活动室作为三层宿舍的缓冲区，也对减少三层宿舍的热损失做出贡献。楼梯活动室也是整栋楼中温度波动最大的房间，昼夜温差可达30℃，但是昼间的热环境优良，是学生非常喜欢的公共活动场所。

10.11 采暖分区

12 四层平面

13 顶层活动室

宿舍是建筑中对热环境要求的最高的房间，为了最大限度引入太阳辐射，减少热损失，采用了系列技术措施的“组合拳”（图14）。在南向的最外层为高透的单层玻璃幕墙，可以最大限度让太阳辐射热量进入室内。玻璃幕墙内是双层中空玻璃窗和集热蓄热墙体。昼间内侧中空玻璃窗开启，太阳辐射直接进入室内。照射到集热墙上的太阳辐射被涂刷了深色氟碳漆的保温墙体吸收，加热空腔内的空气，通过空气流动进入室内。空腔的空气层通过计算分析设置为较为合理的50mm，可使集热与换热效率最高。太阳落山后，内层中空玻璃窗关闭，并拉上夜间保温窗帘。

14 细部构造

15 干厕剖面（1-15图片来源：中国建筑西南设计研究院）

4 耦合热质的结构体系设计策略

4.1 热质耦合结构体系的选择

对于仅仅靠周期波动的太阳辐射采暖的建筑，建筑的蓄热材料是最为关键的。为了保证建筑具有足够的热质，建筑使用传统的砖混结构体系，通过“厚重”的结构体系作为建筑蓄热放热的材料。建筑结构墙体和楼板以日为周期的昼间蓄积热量、夜间释放热量，保持着室内的热环境的相对稳定。

4.2 热质室内墙体的厚度优化选择

既然热质如此重要，那么是否有必要把内隔墙做得更厚？通过计算分析以日为周期的墙体蓄放热量过程，研究结果显示内墙墙体厚度以200mm 为宜，墙体厚度再增加，也无助于房间的热稳定和最低温度的提升。

5 其他低碳设计策略

5.1 与建筑同寿命的外墙形式

对建筑全寿命周期内的碳排放而言，建筑的寿命越长，平摊到每年的碳排放就越低。针对高原恶劣的外界条件以及后期维护能力，本项目采用墙体夹心保温系统（图12），内外页墙体间设置拉结，在保证结构安全的同时，实现了外墙保温免维护与建筑同寿命。

5.2 易于维护的干厕所

该项目远离市政管网，生活用水依靠附近自然河流，为减少用水和污水排放且尊重当地生活习惯，建筑师设计了生态干厕。对厕所墙壁进行封闭保温处理，并在后侧设置了太阳能烟囱强化热压通风道（图13），从而诱导气流通过烟囱排除便溺可能产生的异味。在平面布置上，厕所与宿舍之间间隔有洗漱间和楼梯间，保证了宿舍和走廊空间的空气质量。

6 项目后评估与碳排放计算

为检验该项目建成后是否达到设计目标，2017年1 月对该宿舍在室内无人、无照明、无保温棉帘等条件下的室内外温度进行了测试。通过实际测试获取了该宿舍在无人工采暖和夜间窗户无保温条件下的室内热环境状况：在室外最低气温达到-12℃条件下，房间温度不低于12℃，最高可达20℃，达到了设计目标。

如前所述，本项目的用能设备只有照明系统，为简化计算过程，本文只计算建筑运行过程的碳排放量。该项目是学生宿舍，按照学校管理，每年使用时间约9 个月，每天使用时间约2 小时。项目的照明功率密度3.3W/m2，那么项目每年的总用电量可估算为1255×3.3×2×270=2236 (kWh)，按照2012 年中国区域电网平均CO2排放因子0.5257kg/kWh[5]，项目年碳排放量为1175kg，单位面积年碳排放量仅为0.94kg。得益于精细化的建筑设计，如果本项目要实现碳中和，在当地气候条件下，只需安装5m2多晶硅光伏系统，年发电量将超过2500kWh，实现碳中和绰绰有余。

7 结论

本文以四川若尔盖暖巢项目为例，总结了以碳排放最小化为目标的建筑优化设计过程，系统性地提出了降低碳排放的建筑师实施的策略，体现了建筑师在降低碳排放实现碳中和的重要作用，彰显了建筑师在降低碳排放方面责无旁贷的历史责任。建筑师只有通过在实现建筑功能的同时，以碳排放最小化为目标的精细化设计，才能提供能耗需求最小化的建筑，结合可再生能源的利用，助力实现碳中和。□