被动式气候调节腔层的设计研发与应用＊——以华师大盐城实验学校教师培训中心为例

邹立君 张彤

东南大学建筑学院

空间围合，容纳并限定了人的生活，某种程度来说也是为了更好地进行环境调控1。正是出于这样的缘由，从原始棚屋的围栏到现代主义的中性墙体再到当代集成多种性能的复合表皮（图1），人们不断深化并延展充当气候调控界面的围护结构在地域环境与资源组成中的性能意涵和空间层级。围护结构不只是对不利环境因素的隔绝与屏蔽，更是基于风、光、热等环境要素的选择性过滤与交互，在能量的保蓄、传递和释放过程中扮演着积极主动的角色。而近年来随着可持续理念与绿色建筑的推进，建筑围护结构在面向未来更多元的建成环境和空间需求时需要呈现其敏感性、适应性与可调节性，从而创造出一种在气候、能量与环境中实现智能交互和动态平衡，如生命体般敏感而精确的能量结构。被动式气候调节腔层是空间调节2策略中“交互式表皮3”的一项关键技术4，是指在特定气候条件和建筑内部空间的环境性能需求下，利用围护结构在一定厚度或深度内的材质、构件与空间组织设计，对建筑内外风、光、热等环境要素进行交互式调控的设计技术。

相较于传统的幕墙和表皮，这一概念拓展了围护结构的单一构件意义，以“腔层”的形态形成具有一定空间气候梯度的包裹结构。这种缓冲空间摒弃了传统的隔绝范式，既可以在一定程度下防止各种极端气候对室内的影响，又可以强化各种微观气候调节的效果，在满足人们舒适需求的同时，避免一味采用动力设备调控环境，节约能源消耗。

被动式气候调节腔层对室内环境的影响很大程度体现在“热舒适”这一指标上，此外还需均衡采光、视线、功能、美观的需求。通过建立和研究其对环境因子的作用机制和原理，可以归纳总结出影响环境物理性能的被动式气候调节腔层的腔层因子和变量关系（图2）。这8个相关变量分别为可开启面积比（HWR）、进出风口面积比（S）、导风面方向角（θ）、腔层竖向开孔率（Φ）、腔层深度（D）、窗墙面积比（WWR）、综合遮阳系数（SW）和热质（Q）。这些变量对于被动式气候调节腔层的性能表现各有权重，并进一步体现在操作温度、相对湿度、空气流速、太阳辐射和室内照度这5项环境物理参数5上，在设计阶段需结合实际空间体验与环境性能需求进行取舍、加权和整合。

1 示范工程概况

华师大盐城实验学校教师培训中心位于盐城市城南新区南海未来城核心板块华东师范大学基础教育园区的东北角（图3，4），是“十三五”重点研发计划项目“目标和效果导向的绿色建筑设计新方法及工具”的示范工程。建筑占地面积约2 600m2，总建筑面积11 350m2，主要用于在职教师研学交流、课题研究和综合培训等相关工作。项目从2018年3月开始进入设计阶段，2019年5月完成扩初设计，同年11月完成施工图设计，目前正处于施工阶段。

1 中性墙体与复合表皮的技术图示

2 影响环境物理性能的被动式气候调节腔层的腔层因子和变量关系

3 华东师范大学基础教育园区总平面

4 华东师范大学基础教育园区鸟瞰图

1.1 气候特征

盐城位于江苏沿海中部，在气候分区上属夏热冬冷地区，四季分明、光照充足，年平均气温13.9～14.5℃，年降雨量980～1 100mm，平均日照时数2 241～2 390h，全年无霜期209～218天。由于濒临黄海，盐城季风性气候特征也较为明显，以夏季的偏南风和冬季的西北风为主要风向。夏季气候炎热、潮湿多雨，最高气温37.2℃；冬季气候寒冷、干燥少雨，最低气温-9.2℃；而春秋两季属季风转换期，春季气候温和、冷暖变幅较大，秋季天高气爽、晴日较多。特殊的环境与气候促使该地区的建筑既要满足夏季防热、通风降温，也要兼顾冬季防寒保暖的需求。

1.2 气候理性设计

5 建筑的上下两个体量透视

气候理性设计是指针对当地气候特征，在建筑空间组织、形态塑造、材料选择等全方位体现对气候适应的设计方法，其逻辑源于对气候与环境的理解。项目在设计阶段充分考虑到盐城的气候特性，从多个维度展开了对建筑绿色节能体系的建构。整个方案可分为上、下两个体量（图5），其中地下1层，地上6层。上部4层体量为高度集约的规整造型，用于教师培训与住宿，面积5 585m2；下部3层体量由不规则的斜面覆盖，一、二层为报告厅、阅览、门厅、咖啡等公共功能，地下一层为设备用房和车库，面积共5 765m2。在建筑上下体量之间还贯穿有一个高达34.5m的中庭（图6），其上小下大的空间形态有利于激发热压机制下的自然通风，进而可将热压通风和低压置换通风结合，形成有效的混合通风策略。整个建筑通过合理的形体设计与空间组织，能量体形系数6仅为0.269。

建筑上下相异的形体设计也催生了不同的表皮策略。下部体量采用生态介质表皮技术（图7），整体覆盖厚达35cm的植草屋面，为建筑提供了优越的热绝缘性能，减少了内部空间的能量耗散并形成了舒适的微气候环境。上部体量采用被动式气候调节腔层技术，对不同朝向的界面进行分类别差异化调控。建筑内部还均布有一套如蚁穴般精密的热虹吸通风系统（图8），通过热压通风的机制，调控各个房间的室内环境，从而有效缩短冬夏两季空调耗能的时长，达到节能目的。除此之外，还设有采热天窗、光伏发电、地源热泵、太阳能风帽等其他节能措施，配合智能化的信息收集与管理系统以主被动相结合的方式，集成和优化建筑的绿色设计策略和设备系统，打造出个性化、智慧化、节能型的建筑空间。

6 建筑中庭透视

7 生态介质表皮

8 热虹吸通风管腔系统

2 被动式气候调节腔层的设计与应用

在建筑上部体量（三至六层）的外围，依照不同朝向界面所需承担的气候调节功能，分设不同空间深度的气候缓冲空间——被动式气候调节腔层（图9，10）。其中南向主要为遮阳与采光的可调节动态平衡，北向为夏季隔热、冬季蓄热以及过渡季自然通风的调节，东、西两向主要为日晒屏蔽与高频贯穿通风。四侧腔层共同形成了有序的空间气候梯度，包裹着核心的使用空间，有效地调节建筑内部的环境需求。

9 被动式气候调节腔层轴测

10 被动式气候调节腔层平面示意

2.1 南立面腔层——光热动态平衡

建筑南侧的腔层设计是传统建筑中凹阳台与凉廊的集合，深陷的阳台有利于建筑遮挡过多的辐射热，同时也创造出适宜的室内光环境。整个南侧腔层长64 800mm，高14 500mm，深度为2 300mm。在竖向上根据各层层高由楼板划分成4层水平的空间，这些楼板充当了各层空间的“挑檐”角色，而挑檐下方即是类似凉廊的空间（图11）。每层的腔层在形态与构造设计上可由外而内分成三个层级：外界面、空气间层和内界面。

11 南立面腔层

南侧腔层的外界面由竖向遮阳隔板、水平向动态遮阳构件和围护栏杆组成。竖向隔板的间距为1 800mm，是不同房间和走道开间的最大公约尺寸，以此并列布置形成有序的立面节奏。而在一些较为开敞的公共空间，部分隔板的间距又会扩大至3 600mm或5 400mm，以满足视线和采光的需求。竖向隔板采用纤维增强混凝土板，宽900mm、厚200mm，作为屏蔽过多太阳辐射的主要构件。在五、六两层相邻的住宿单元外，遮阳隔板的宽度被加长至2 300mm，起到空间分隔的作用。水平的动态遮阳构件是在竖向隔板遮阳的同时，根据一天中太阳高度角的变化智能地上下移动来屏蔽热辐射，其白色光滑的上表面反射的光线也可对室内采光进行补充。水平动态遮阳构件宽900mm、厚150mm，选择性地安装在一些竖向隔板之间，可以对部分研讨室、教室、宿舍和报告厅进行个性化调控。水平向动态构件和竖向固定构件的组合一同构成了南侧腔层的第一道交互式界面，对光热进行平衡调控（图12），对通风进行引导。

12 南立面腔层光热平衡遮阳

中部的空气间层是内外围护界面之间的缓冲空间，也是建筑与外部环境间的过渡区域，同时承担了公共空间和交通空间的作用。在设计中，结合功能的需求，不同区段空气间层的深度也存在差异。培训和住宿功能的房间对应的空气间层深度为2 100mm，在兼顾使用空间最大化的同时具有相对较“深”的间层环境；在核心筒和中庭外对应的区域，空气间层的深度扩大到4 500mm和5 600mm，设计有错层的庭院和微地形景观，并在外墙上布置立体绿化以增大其热绝缘性能。这些景观要素既能吸收过多的辐射热量，也能形成良好的微气候环境，在楼层之间促进热压机制下的通风作用，丰富内部空间的体验。

腔层的内界面直接与内部使用空间相接触，是对外界面和空气间层调节作用的进一步补充，能够让腔层整体对室内的调控更为准确和全面。内界面主要由中空Low-E玻璃外窗、立体绿化、木制门扇和外墙加UHPC（高强性能混凝土预制构件）幕墙体系构成（图13）。中空Low-E玻璃外窗是内界面光与风的通道，其大面积的通透效果最大限度地满足了室内的采光需求。整个南向腔层在夏季可以很好地遮蔽过多的辐射，达到光热的平衡，经多次反射，进入室内的光线也会变得柔和，避免眩光；在冬季，腔层的缓冲会使建筑内部的供暖空间耗散更少的热量，从而节约能耗。

13 南立面腔层内界面

14 夏至日14 时有无南侧腔层室内照度对比

15 有无南侧腔层全年制热、制冷与照明能耗对比

16 夏至日10、12、14 时有无南侧腔层室内操作温度对比

17 冬至日10、12、14 时有无南侧腔层室内操作温度对比

从性能模拟结果来看，南侧腔层的置入对建筑室内空间的光热需求进行平衡，有效减少了全年室内的总体能耗。实验选取两个对照组，对比分析了有无腔层状态下夏至日14时室内的照度分布（图14），全年制冷、制热与照明的总体能耗（图15）和夏至日、冬至日10、12、14时室内的操作温度（图16，17）。在对光环境的影响上，夏至日14时南侧腔层组相较于无腔层组室内照度大于300Lux标准的范围减少了22.4%，这部分在全年需要额外补充的照明能耗为330kW·h；同时南侧腔层的遮阳构件又在夏季屏蔽了过多的太阳辐射，使得室内的操作温度低于无腔层状态，这部分所减少的全年制冷能耗为636kW·h，从而平衡并优化室内的光热能耗。在冬至日，腔层开敞的半室外环境会使得室内操作温度略低于无腔层组，此时则需要将水平遮阳构件调节到更高的位置来获取更多的光热，从而减少室内的照明与采暖能耗。

2.2 北立面腔层——冬夏季节平衡

18 北立面腔层

建筑在园区内的整体布局偏东南方向，因而北立面的朝向并非正北，而是北偏西24°。这也使北立面的腔层面临着更为复杂的气候问题，其设计也是四个立面中最为综合的部分，集中体现了针对夏热冬冷地区气候环境的调控方式。它既需要在寒冷的冬季减少室内的热损失，也需要在炎热的夏季屏蔽西向热辐射，循环带走室内的热量与湿气。根据建筑平面的布置，腔层分三段包裹在住宿、教室等核心空间的外围。考虑到核心筒体量占据，部分北向空间则被作为辅助空间，直接由实墙围合并开有横向的长窗。两种形式的界面结合创造出虚实相映的立面节奏（图18）。

三段腔层至西向东分别长7 200mm、28 800mm和7 200mm，深1 900mm，高14 400mm，在顶部均设计有可开启的玻璃天窗用于加热腔层内部的空气和竖向通风。不同于南侧腔层的开敞，北侧腔层是完全封闭的，还在空气间层的每层楼板上设计有上下交错布置的宽700mm的矩形洞口，这些洞口在五、六两层的住宿区域则更为密集（图19）。间隔的开洞使得封闭的腔层在楼层之间有了贯通，因而热量可以逐步传递至每一楼层，腔层竖向的通风效应也更为显著。

19 北立面腔层内界面

北侧腔层的外界面由遮阳隔板、横向遮阳板、玻璃窗和围护栏杆组成。遮阳隔板宽850mm、厚150mm，采用同南向腔层隔板相同的材质和间隔布置。考虑到对西晒精准且充分的屏蔽，隔板又旋转了24°来正对西向。相应地，玻璃窗垂直于遮阳隔板布置，在立面上形成了锯齿形态。横向遮阳板厚100mm，以三角形的形态嵌入在遮阳隔板与外窗之间，并根据内部对应位置的楼板是否开洞，设置了两种高度：1 100mm或距离上层楼板底部600mm。围护栏杆的布置和玻璃窗的布置有两种类型，也直接与此规则相关（图20）。腔层的内界面设计及其组成同南侧腔层，幕墙体系实体材料均采用UHPC。

20 北立面腔层外界面的两种幕墙类型

北立面腔层可在冬季关闭内外界面的窗户，利用顶部玻璃天窗所接收的太阳辐射对整个腔层的空气进行升温，大幅降低室内外温差，从而减少温差传热的热损失，节省采暖能耗，相当于北方的“温室”。在夏季，开启顶部天窗，利用烟囱效应使热空气自下而上运动并从天窗排出，循环带走热量；而内外界面窗户同时开启可利用南北向的风压进行通风，带走室内湿热的空气，缓和热能积聚，降低制冷能耗（图21）。在过渡季节，腔层可配合建筑内部的热虹吸自然通风管腔协同作用，合理地调节内外环境。

同样设置对照组对夏至日与冬至日的10、12、14时室内的操作温度与全年制冷、制热能耗进行分析（图22～24）。结果显示，在冬季北侧腔层内积蓄的热量可有效减少室内的热损失，对北向空间保温并使得室内操作温度高于无腔层组。在有腔层的状态下全年制热总能耗为13 323kW·h，相较于无腔层状态全年制热总消耗13 545kW·h减少了222kW·h（约1.6%）。在夏季，腔层中面向正西的遮阳隔板可在午后遮挡太阳辐射，使得室内操作温度大幅低于无腔层组，而此时若打开腔层顶部的天窗与内外界面的窗扇进行热压与风压的通风则可进一步降低室内温度（图25，26）。模拟得出有腔层组全年制冷总能耗为7 693kW·h，相比于无腔层组全年制冷能耗8 297kW·h减少604kW·h（约7.3%）。北侧腔层的设计可在全年共减少826kW·h的制冷与制热能耗，从而起到节能作用。

21 北立面腔层夏季通风与冬季蓄热

22 有无北侧腔层全年制热与制冷能耗对比

23 夏至日10、12、14 时有无北侧腔层室内操作温度对比

24 冬至日10、12、14 时有无北侧腔层室内操作温度对比

25 南、北侧腔层风压通风下速度场分布

26 南、北侧腔层风压通风下速度场分布

2.3 东、西立面腔层——通风隔热

建筑的东、西立面需要屏蔽西晒和日出时低角度的太阳辐射热，同时在夏季引导自然通风带走围护结构吸收的热量，在冬季尽量减少围护结构的热损失。在设计中，通过两侧新增的进深为1 800mm的腔体空间，形成中空的双层实墙来实现对室内的调控（图27）。

27 东、西立面腔层

腔层的内界面为大面积实墙，仅在每层走廊尽头依据层高开有宽1 000mm、高2 400mm或1 350mm的竖向平开窗，用于采光与东西向的通风；外侧墙体为固定在结构钢梁上的UHPC幕墙，在中部和顶部各开有一道细长的洞口，形成“T”形的采光与导风通道。中部的竖向洞口对应室内走廊，宽1 800mm、高13 000mm；顶部的横向洞口长17 800mm、高600mm，促进腔层内上升的热空气从顶部排出。考虑到当地不同季节的风向，东、西立面的腔层还在南端留有宽400mm、高14 400mm的竖向洞口，引导夏季的偏南风进入腔层带走热量；而在北侧为防止冬季的偏北风进入腔层造成不必要的能量耗散，竖向洞口被巧妙地隐藏在东、西立面腔层与北立面腔层交接的界面上，宽450mm、高14 400mm，以此在夏季形成“室外—东、西立面腔层—北立面腔层—室外”的通风路径（图28）。反之在冬季，腔层内较为稳定的气流则为建筑室内的采暖环境提供了一层保温屏障。

28 东、西立面腔层辐射屏蔽与夏季通风

设置对照组对夏至日与冬至日10、12、14时进行模拟，分析腔层西晒屏蔽与保温的作用，得出全年制冷与制热能耗（图29）。结果显示，在夏季，有腔层组室内的操作温度要明显低于无腔层组，且距离腔层越近的房间受到的增益越多（图30）；腔层中南北向高频次的通风也可进一步带走热量，降低室内温度（图31）。此状态下全年制冷总能耗为7 950kW·h，相较于无腔层组全年制冷能耗8 297kW·h减少347kW·h（约4.2%）。而在冬季，腔层内稳定的气流环境对邻近房间有很好的保温作用，室内操作温度要高于无腔层组（图32），其全年制热总能耗为12 261kW·h，相比于无腔层组全年制热能耗13 545kW·h减少了1 284kW·h（约9.5%）。

29 有无东、西侧腔层全年制热与制冷能耗对比

30 夏至日10、12、14 时有无东、西侧腔层室内操作温度对比

31 东、西侧腔层夏季风压通风下温度场分布

32 冬至日10、12、14 时有无东、西侧腔层室内操作温度对比

3 结语

作为绿色建筑“空间调节”设计方法的应用和实证示范，华师大盐城实验学校教师培训中心适应当地气候特征与场地环境，将建筑的绿色设计思维从降低能耗转向气候适应，通过建筑师的形体操作和空间设计，使建筑的环境调控重新回归了建筑学的自主性。从建筑的围护结构层面来看，“被动式气候调节腔层”这一概念的引入和技术应用，分别根据不同的环境需求与空间差异，在建筑上部体量的四象界面设计了具有相应空间深度的气候调节腔层，以被动的方式结合智能化的可调节构件，在冬冷夏热的季节性热流周期内对光热进行平衡调控，对气流进行引导，对能量进行调节。腔层的存在既有效减少了内部核心空间的能量耗散，在降低全年能耗的情况下营造出舒适的室内环境，也创造出节奏鲜明、虚实相映的立面形式特征与美感，为建筑气候界面的营造开拓了新的思路，也为夏热冬冷气候区低能耗绿色建筑的实践提供了新的示范。

注释

1 建筑环境调控是指建筑通过多种设计手段的整合与优化，逐步缩小环境与人体热舒适之间的差异，当建筑所处的外部环境出现较大波动时，仍能通过建筑的调节使室内环境处于舒适的热平衡之中。建筑的环境调控包含对风、光、热、湿多种物理环境的综合调节，最终反映到热环境与人体舒适上。

2 空间调节是指建筑师在本专业范畴内，通过有效的空间组织、合理的体形与构造设计，以空间本身的单体形态和群体组织来实现对室内外环境的性能化调节，从而提高建筑使用舒适度和健康度，减少能耗，是基于可持续性环境目标的性能导向设计手段。

3 交互式表皮是指针对特定地区的气候特征与环境条件，在建筑设计中通过对围护结构的材料、构造、形态与组织方式的设计，从而调控室内外的物理环境、提高舒适度、减少能源消耗的设计策略与技术。建筑围护结构的性能肌理与交互式表皮设计策略是绿色建筑“空间调节”理论的重要组成部分。

4 交互式表皮设计直接指向四项关键技术:被动式气候调节腔层、热质动态调蓄、生态介质表皮和光热平衡遮阳。

5 环境物理参数是参考维克多·奥戈雅（Victor Olgyay）提出的“人体与气候因子关系图”和“生物气候图”，归纳出对人体舒适度产生影响的环境物理参数，总结为操作温度、相对湿度、空气流速、太阳辐射和室内照度五项。

6 能量体形系数不同于传统的建筑形体系数（建筑物的外表面积和外表面积所包的体积之比），是指建筑热交换界面面积与耗能空间体积的比值，是影响建筑物耗热量指标的重要因素之一，是建筑节能设计的重要指标。能量体形系数越大，单位建筑面积对应的外表面积越大，外围护结构的传热损失越大，能耗就越多。

图片来源

图1 来源于文献[1，2]；图2 根据文献[12]整理绘制；图3，7～13，18～21，27，28 为作者根据资料绘制；图4～6 为东南大学建筑学院张彤教授工作室资料；图14～17，22～24，29，30，32 由作者模拟得出（软件选用Ladybug、Honeybee、EnergyPlus、Radiance）；图25，26，31 由仲文洲提供。