试谈性能优化分析在可持续设计中的运用——以嘉兴平湖温室项目为例

温海涛

(上海朗诗规划建筑设计有限公司,上海 200092)

0 引 言

在现今全球能源和环境不断恶化的情况下，低碳环保、可持续发展的理念已经成为时代共识。可持续的设计、建造及运营在高碳排放的房地产行业里逐渐成为主流，是否有可持续方面的设计理念也成为项目推进过程中无法忽视的考量维度。如何在保障人体舒适度的情况下，尽可能降低建造过程中的碳排放，并在后期运营过程中维持一个尽可能低的能耗水平，越来越成为一个项目是否成功的衡量标准。

国内建筑市场受到国家绿色施政及全球环保水平发展影响，开始在绿色设计施工和能耗标准方面出台一系列规范和政策引导，可持续设计开始成为一种不可或缺的行业标准，同时日益提升的人民生活水准和生活品味，也使得大众开始对居住品质产生强烈的改善诉求。

从开发商和业主角度来讲，在开发项目中自持比例的不断提高，使得房地产快销品的属性不断降低，想要确保一定利润，除去精简成本，提高溢价外，必须大幅降低物业的运营成本，这也在很大程度上要求项目在设计之初就要对能耗水平有一个优化预判的研究过程。

对具体项目而言，如何通过前端设计将实际运营阶段的能耗控制在较低水平，一直都是个错综复杂、莫衷一是的论题，但学术界目前的一个共识是：通过前端设计的确能以较小的成本获取相当可观的能源系统优化，大幅降低能耗开支。

1 可持续建筑的主要控制因素及分析手段

对于建筑来讲，影响运营能耗和人体舒适度的因素主要有以下几个方面：

1.1 建筑方面

(1) 外维护的热交换水平：包含外维护材料构造，冷热桥，气密性和门窗洞口部位。

(2) 外遮阳：是否有效调解热辐射的吸收。

(3) 新风系统：能否进行高效热回收。

(4) 清洁(可再生)能源：是否有清洁能源的补充，减少对不可再生和二次能源的需求。

1.2 室内环境方面

(1) 室内温湿度。

(2) 室内风环境。

(3) 室内光环境。

1.3 模拟分析

目前各国在可持续设计领域都是运用各种模拟分析软件对建筑上述关键因素进行模拟预测，并提出优化建议。这在优化建筑整体能耗水平的同时，也显著影响了建筑的形态甚至总体布局。考虑到建筑本身就是个非常复杂的大系统，很难确认这些具体的设计优化分析对运营期的建筑能耗的降低存在哪些明确的对应关系，但有数据支持的一个结论是：在前端主动进行节能设计的项目比没有做的项目整体能耗水平要低17%以上。对于投资动辄千万甚至数亿的建筑项目来说，这确实是一笔巨大的收益。更值得称道的是，建筑本身低碳、环保、高舒适度的生命周期得到了更好的延续。

目前全球主要应用的几款性能优化软件表1。

表1 主要的性能优化软件对比分析

1.4 展望

日益强大的软件分析能力(人工智能和算法)绝不意味着建筑师职业的消亡，让建筑设计变成了一个纯粹的数学游戏，给出几个初始条件带入程序运算得到一个明确的最优解。实际情况恰恰相反，强大的算法可以解放传统建筑师被压抑和分散掉的创造力和文化表达力。性能分析可以为建筑师提供精确定量的技术支持，而建筑师才是赋予建筑灵魂和文化内涵的主导者。比如，根据软件分析建议，在某具体地理方位的建筑南向需设置横向遮阳百叶；在满足遮阳60%的情况下，选择做细密的百叶还是单片的挑檐，塑造出的空间将具有截然不同的气质和文化韵味，而这完全取决于建筑师的取舍。形式应该追随功能和精神诉求，成为表达的结果而非原因。

2 基于性能分析的项目实践

笔者就自身实践的一个小型可持续项目，粗浅探讨一下性能优化分析对设计的指导价值。

2.1 项目背景

本项目位于嘉兴平湖一片农田之上，属于农业用地展示接待用房，北面是农业生产大棚,南面是大片的彩色稻田，未来西面也会有大片竹林和果树。由于国家严控农业用地红线，本项目整体将以全玻璃温室进行设计建造并完成报建审批。业主希望通过完成一个绿色超低能耗建筑项目的实践示范，探索农业综合体的应用场景，验证可持续设计在人体舒适度和低碳环保方面的优势，以便未来大范围推广。

设计内容： 1 500 m2的玻璃盒子,未来将成为容纳接待、餐饮、农事体验、培训、会议、办公等多种功能于一身的小型农业综合体；以不高于正常公建的运营能耗，确保在强烈温室效应下的人体舒适度。

2.2 设计策略及推演

设计策略包括:

(1) 以被动式设计手段应对能耗问题。

(2) 以单元模块标准化应对周期短、可复制需求,并尽可能降低建造成本。

(3) 以木结构+玻璃为建造体系,发挥木结构在小型建筑中标准化率高、质轻近人、热惰性好等特点。

我们首先确定的一个底层逻辑是做庭院。作为一个当地历史文脉和乡土情感的载体,庭院的作用毋庸置疑,其地域风土属性极强,我们希望能以一种致敬地方文脉的方式来构筑这间特别的温室。

而庭院的围合营造,我们也是仿照前人做法,用标准模块进行拼接组合。大模块作为人群活动主空间,居于空间主轴,小模块作为温室,居于厢房位置,中间围合出种上水稻的庭院,形成一个院落单元,动静有序,主次有别。如有需要即可快速拓展至多进院落。

在几进院落的中轴线上我们设置了连续的落地景窗，在人视限高度范围采用高透玻璃,形成一长条绵延至广袤田野、景深极大的视野, 尤其是在过渡季全部打开的情况下,会将整个建筑融进大自然里,这也与国人秉承的天人合一的理念不谋而合。

通过有针对性的制定能耗标准,可以尽量降低项目造价成本,减少不必要的花费。对于人群聚集的大模块,我们进行多维性能优化和能耗模拟,通过调整其空间形态、遮阳效果和通风性能,在尽量节能的情况下确保人体舒适度;对于温室模块,则尽量精简结构构造,达到植物生长的最低能耗需求即可。

2.3 性能优化分析及能耗模拟

在明确了整体的开发策略和设计思路之后，就需要借助性能分析帮助我们进一步定性定量地设计建筑的空间形态和新风系统。首先，我们通过CFD和Energy Plus软件，对坡屋顶建筑的截面空间形态进行了分析，希望可以尽量借助烟囱效应增加建筑的自然通风效果，最大限度地利用气压差形成对流，将热空气排走，同时在院落中设置了水庭，增加下层空气的水汽含量，也是为了加强对流效果。

另外，对于受热面积最大、吸收热量最显著的屋顶部分，我们设置了横向的光伏遮阳板，并通过软件分析对比了每个月遮阳百叶固定角度的遮阳效果。

3 建筑形体

经过软件分析发现，设置屋顶外遮阳板会极大地改善室内超温现象。对于屋顶外遮阳板，我们设计了两种方案，如图1所示。

图1 屋顶外遮阳板设计方案

用软件对两种屋顶设计方案进行能耗模拟分析比较，结果为：在仅考虑热压通风的情况下，方案一的体型更有利，即顶部热压通风区域越高越好；而且建议顶部设置方式为南向坡度宜较小、北向坡度宜较大。

通过模拟计算，整理出随遮阳板角度改变屋面每月辐射强度累计值，以及各遮阳板角度下每月辐射强度累计值与辐射强度最低值的增幅(表2)。表2中，-6°为与夏季正午最高太阳高度角垂直的角度；37°为与冬季正午最高太阳高度角垂直的角度。

表2 屋顶遮阳板不同角度下每月辐射强度累计值与辐射强度最低值相比较的增幅

4 结 论

屋顶外遮阳板角度变化范围在-6°～37°，结合表2中数据分析，制定遮阳板调节方案。调节方案为：遮阳板倾斜角在夏季(6～9月)宜调节为-6°；在冬季(10～12月)宜调节为37°；其余过渡季仅从遮阳效果考虑不做强制要求，可综合考虑采光、光电效果等调节遮阳板角度。性能优化团队还对项目的整体工况进行了多种模拟分析对比，限于篇幅，此处不一一赘述，仅列出主要模拟内容，分别为：

(1)东西立面考虑遮阳，遮阳率考虑30%、50%、70%。

(2)外窗的性能考虑：1.8 SHGC 0.63、VT0.7，2.4 SHGC 0.63、VT 0.7，以及2.8SHGC0.68、 VT0.75。内窗的性能考虑：2.8 SHGC 0.68、VT 0.75。

(3)自然通风面积。

(4)内窗性能6+13+lowe+61. 912 SHGC 0.568、VT 0.744。

(5)夏季室内设计温度30℃、冬季室内设计温度20℃。

最终我们得到了如下对建筑设计具有具体数值建议的优化分析结论：

(1)玻璃性能不低于1.8 SHGC 0.63、VT 0.7。

(2)屋面设置外遮阳板，外遮阳板结合屋面光伏板设置。

(3)热压通风面积不小于进排风口，且均不小20m2，最好能做到40m2。

(4)局部双层玻璃1.2 SHGC 0.68、VT 0.53，对设备选型基本无影响，无须设置。

(5)东西立面设置内遮阳卷帘对夏季能耗降低幅度有限，不建议设置。

正是遵循着性能优化分析提供的可以量化的参数指标，通过设计团队各专业之间紧密高效的配合协作，建筑设计方案得以不断推进深化，逐步将布局形态、构造以及暖通设备系统等逐一完善确定，最终在3周内快速高效地完成了本次设计任务。方案也顺利通过了汇报和甲方的成本管控，得到了业主的赞许。

5 结束语

通过该温室项目设计的整个实践过程可以看到，在合理引入性能优化分析技术支持的情况下，同时在暖通及建筑物理工程师的配合下，整个建筑方案会在成熟度与可实施度方面达到令人惊讶的程度，既可以让业主在建设阶段降低设备采购成本，又在未来运营阶段有明显的低能耗成本优势。性能优化分析可以给项目提供非常直观、可量化的数据，帮助设计师不断完善和深化方案，在设计前端就对人体的舒适度和运营能耗进行全面细致的管控规划，同时大量减少设计过程中无谓的反复修改，工作的导向性非常强。虽然目前还达不到将能耗指标及物理微环境完全数据化的程度，但以现在技术发展的速度，我们有理由相信，依靠人工智能和算法，性能优化分析将会变得日益强大，必能协助设计师发挥更大能力。