基于气候分析的绿色住居环境热性能设计策略★

张　磊　黄　欣

(1．同济大学建筑与城市规划学院，上海　200092; 2．高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室，上海　200092;3．同济大学浙江学院，浙江嘉兴　314000)



基于气候分析的绿色住居环境热性能设计策略★

张磊1，2黄欣3*

(1．同济大学建筑与城市规划学院，上海200092; 2．高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室，上海200092;3．同济大学浙江学院，浙江嘉兴314000)

摘要:介绍了基于气候分析的绿色住居环境热性能设计理念，以上海地区为例，运用计算机软件分析了温度、湿度等气象体检，从太阳辐射、建筑朝向、体形系数三方面提出了绿色住居环境热性能设计策略，满足了建筑内部的热舒适条件。

关键词:绿色建筑，热性能，气候条件，住居环境

0　引言

基于气候分析的绿色住居环境热性能设计策略是以达到良好的住宅热性能为导向的设计理念。主要研究对象是热性能分析对住宅设计本身产生的导向作用，而对于通过采用主动式节能设备来提高热舒适的做法本文中暂不做讨论。

本文以上海地区的气候条件为例，探讨基于参数化技术的建筑热性能设计策略，其研究的主要应用目标之一是通过数值量化的交互设计，在性能分析和建筑设计之间建立某种联系，使建筑性能成为建筑生成的重要参数，与其他设计条件要素达到更优化合理的整合。

1　上海地区主要气候条件解析

1．1日气温变化分析

上海地区最高气温与最低气温的位相变化不大，在正常的天气条件下，最低气温一般出现在日出前1 h内，最高气温出现在正午的1 h～2 h。日较差即一天中最高气温与最低气温的差值。上海地区的日较差有明显的季节变化，春秋季大于冬夏季。这是由于春秋两季昼夜时长相差不大，白天受热和夜间散热都有充分时间，使昼夜之间日较差增大。夏季昼长夜短，白天吸收大量热量，夜间来不及散热，气温一直偏高;冬季反之昼短夜长，白天吸热不多，昼夜气温一直较低。因此，夏季防热和冬季蓄热是上海地区热舒适设计的重点环节。

1．2温湿度逐周变化分析

从上海地区平均温度逐周数据分析图(如图1所示)中可以看出，上海地区平均温度曲线呈明显的驼峰型，说明在一年的时间跨度中，冬夏两季的气温差异明显。

图1　上海地区平均温度逐周数据分析图

图2为上海地区相对湿度的逐周数据分析，顶视图显示了每日中午前后的相对湿度较低，而夜间的湿度较高;波形年变化图显示出相对湿度在全年范围内的变化规律:夏季湿度较高，冬季湿度较低。最高湿度出现在第27周前后(7月上旬)，最低湿度出现在第50周前后(12月中旬)。波形日变化图体现了相对湿度在一天中的变化规律:每天的最低湿度均出现在12点～16点之间的范围内，而最高湿度较多出现在午夜12点前后。

图2　上海地区相对湿度逐周数据分析图

综合各项因素通过适当的朝向和遮阳设计避免夏季过高的热辐射和通过建筑体形、围护结构的设计减少冬季热交换是上海住宅热舒适设计的重要方面。

2　基于气候分析的绿色住居环境热性能设计策略

2．1太阳辐射主导下的绿色建筑设计策略

太阳辐射是人类聚居最重要的环境因素，也是建筑得热的主要来源。因此，对太阳辐射的控制与利用是建筑热性能研究中至关重要的策略。

在可持续设计中，太阳辐射主要对住宅朝向的选择和住居环境中的植物配置方案发生影响。其中，住宅朝向的选择是太阳辐射、日照、通风等因素共同作用的结果。而植物配置和景观设计可以借助光合有效辐射分析完成。

光合有效辐射分析对住宅区内特定时段上的太阳辐射进行考察，以此为依据为植物配置提供决策导向支持。图3是依据上海市气候资料对上海某高层住宅区的日照辐射分析图。根据模拟结果，在太阳辐射高于6 MJ/(m2·d)的区域配置喜阳植物，而低于3 MJ/(m2·d)的低辐射区域配置喜阴植物。

图3　光合有效辐射总平面分析图

2．2朝向主导下的绿色建筑设计策略

朝向选择是绿色住居环境热舒适设计的重要策略之一。建筑朝向对住居空间所能获取的太阳辐射热量至关重要。依据各地气候条件及人体热舒适度的需要，对太阳辐射热量的获取进行控制是住宅朝向选择的重要制约因素。

由气候分析和上海市的建筑高容积率特点可知，上海地区住宅太阳辐射热量主要由垂直面太阳辐射获取。根据实验模拟，就垂直面太阳辐射而言，上海地区的最佳住宅朝向是南偏东30°，且过冷时期(冬季)太阳辐射量较过热时期(夏季)更大。除太阳辐射热量外，朝向的选择还与日照时数、地方习俗等因素有关。对于上海地区而言，建筑的朝向设计还需要综合考虑夏季湿热气候条件下的通风效果。

建筑朝向的要求对城市规划形态影响重大。中国的现代城市，以集合住宅为主导的城市空间中，住宅的布局方式对城市形态起着决定性的影响。行列式布局是中国城市集合住宅最常使用的布局方式，即便偶有错列或者围合，由于日照时数等规范的严格控制，也往往限于微观上的灵活性调整，而无法改变整体的城市住区形态。

对可持续设计而言，中国传统的朝向导向住宅布局的设计方式在住区环境性能的意义上是具有先进意识的。这种设计策略已经越来越受到国际社会的关注，英国的著名零碳住区项目BedZed与中国住宅有着相同的规划模式，并且取得了极大成功。

2．3体形系数主导下的绿色建筑设计策略

对于传统手段的建筑设计而言，体形系数因为难以与设计的图示方法直接对接，而几乎无法以直观、有效的方式参与到建筑的形式生成过程中。参数化设计技术，使体形系数以性能参数的形式介入建筑设计前期成为可能。体形系数导向下的设计生成已经成为绿色住居环境设计策略的重要研究对象之一。

体形系数与建筑物的宽度、进深、高度和层数相关。实验显示，集合住宅的体形系数随着层数的增高而呈衰减趋势。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高而减小，尤其对低层住宅影响明显。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越小。

体形系数不仅影响建筑能耗，还与建筑立面形式、平面布局、采光、通风相关。因此，对体形系数的研究必须综合权衡利弊，寻求适宜性的解决方案。

3　结语

住宅热性能是住宅建筑在不借助外界化石能源输入的情况下，满足室内人体热舒适要求的能力。住宅热性能越高，建筑内部的热舒适条件越好，建筑在运行过程中的能耗就越低。本文在对上海地区的气候进行评价分析的基础上，对热性能导向下的绿色住居环境设计的原理和策略进行了分析和阐述。

参考文献:

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［2］Arup，Caup，Ceibs．Towards Sustainable Residential Development in China［R］．Shanghai:ARUP，2010．

［3］Dunster，B，Simmons，C，Gilbert，B．．The ZEDbook:solutions for a shrinking world［M］．Taylor＆Francis，2008．

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

［5］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．

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

［7］中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系．中国建筑热环境分析专用气象数据集［M］．北京:中国建筑工业出版社，2005．

［8］张磊，黄欣，基于热性能导向的住宅可持续设计策略［J］．住宅科技，2012，34(4):38-41．

Thermal performance design strategies of green residential environment on the basis of climatic analysis★

Zhang Lei1，2Huang Xin3*
(1．College of Building＆City Planning，Tongji University，Shanghai 200092，China; 2．Major Laboratory of Education Ministry for High-Density Residential Environment Ecology and Energy Saving，Shanghai 200092，China; 3．Zhejiang College，Tongji University，Jiaxing 314000，China)

Abstract:With an introduction on thermal performance design concept of green residential environment on the basis of climatic analysis，taking Shanghai region as an example，the paper analyzes temperature and humidity and other meteorological experience by applying computer software，and puts forward thermal performance design strategies of green residential environment from three aspects of solar radiation，architectural orientation and building shape coefficient．As a result，it meets internal architectural thermal comfort conditions．

Key words:green building，thermal performance，climatic conditions，residential environment

通讯作者:黄欣(1976-)，女，讲师

作者简介:张磊(1977-)，男，博士后

收稿日期:2015-10-30★:获得国家留学基金委资助(项目编号:2007102384)

文章编号:1009-6825(2016)01-0189-03

中图分类号:TU201．5

文献标识码:A