一种自适应地域特征的乡村太阳能建筑设计方法
——以2019“台达杯”获奖作品“阳光·风动”为引

2021-03-04 08:44宋汪耀周铁军张海滨谢瑞杭

建筑技艺 2021年2期

宋汪耀周铁军，2 张海滨谢瑞杭

1 重庆大学建筑城规学院

2 重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室

以合理性与机能性为第一要务的现代乡村住宅忽略了建筑的个性，安藤忠雄说：“现代住宅并不意味着为满足商品经济而缺乏个性，住宅能呈现当地居民长久的生活状态和气候风土，应当具有本土性。”“阳光·风动”作为2019年“台达杯”获奖作品，其设计挖掘传统建筑潜在的节能策略与人文特征，与被动式太阳能技术一起融入新建筑[1]，使三者耦合一体（图1）。具体措施如下：体型主要考虑传统体型以及最佳节能体型系数的限制；平面以被动风压通风为主，借鉴传统建筑构建平面穿堂风的策略，局部采用混凝土相变蓄热地板；在传统立面适应地域气候的策略上进行优化，并植入适宜的被动制冷采暖组件，配合植物生命周期控制立面得热[2]；剖面围绕地域空间形态进行热压通风降温设计，将阳光间与太阳能烟囱整合于楼梯、门厅的玻璃腔体中，形成“楼梯—门厅—吊顶—地板”一体化的降温集热系统；节点采用新型模块夯土墙、长波辐射冷却玻璃窗、新型容器式屋顶绿化等构造，形成一种适应地域特征的乡村太阳能建筑设计方法。

1 基地条件、地域建筑特征

项目位于桐庐县凤川三鑫村凤溪玫瑰教育研学基地内，在三山夹谷、两溪交汇的小河谷平原上。夏热冬冷，季节差异较大，夏季盛行东北风，冬季盛行北风，全年伴有少量西南山谷风，风速3～4m/s，太阳能资源属于三类。

以典型地域乡土建筑为对象，按时间、空间、形式、功能、技艺的顺序分析其建造行为的组织模式，总结地域乡土建筑的三种形态：“一字形”屋、“对合式”院落、“复合式”院落。“一字形”屋以山墙与山墙的连续拼接形成风巷带，风巷带是古村落的交通体系，也是古镇基本肌理以及村落规划对风环境做出的适应性策略。“一字形”屋底层不设走道，每个房间直接对风巷带开门，穿堂风与风巷带协同带走室内热量，部分风巷带还会配合水渠加强通风降温效果。“对合式”院落和“复合式”院落具有内向型的庭院或天井，多呈狭长或孔状矩形，可以起到采光、排湿、通风、换气的作用。坡屋顶向庭院、天井内出挑0.6～0.8m，防止阳光的直射。院落两侧山墙的两次间各有一条夹道，被称为四尺弄，四尺弄将天井与室外直接连接，形成“四尺弄+天井”的通风体系[3-4]。

2 自然要素指导节能规划设计

太阳能乡村建筑在规划前期着重考虑建筑对地域气候以及物理地形的适应[5]。以传统古村落的风巷带作为交通以及适应地域气候通风策略的规划思想，并将其作为现状建筑规划布局的基本准则，而后充分考虑风、光、水、山等自然地形要素对建筑节能规划设计层面的制约，进而做出应对策略。

2.1 日照制约

在建筑设计层面，日照主要制约建筑的采光设计、太阳能板系统的最佳迎面角度、建筑遮阳体系设计等。在建筑规划布局层面，日照主要指导建筑的朝向布局。将桐庐当地日照参数导入节能模拟软件进行模拟，得出建筑布局的最佳朝向为南偏西15°～南偏东25°（图2），在此范围内达到全年得热与散热综合平衡点。

2.2 风环境制约

主导风向制约着建筑的通风布局。利用夏季主导风的基本方式有两种，一是将风引入建筑之间形成风道带，利用风压通风；二是风向与建筑垂直交接形成穿堂风，冬季规避主导风。“阳光·风动”基地夏季为东北主导风，受制于建筑的朝向布局，因此选择利用风压通风的策略。建筑小体量连续行列排布，形成三条东西向横穿基地的风道带，风道带在东侧扩大、西侧收缩，成漏斗状，与顶端局部架设的玻璃顶协同优化风道带的通风效果（图3），同时北向连续体量也阻挡了冬季主导风。最后将基地的风环境数据导入Winnar中，对建筑风环境进行可行性验证及评估，优化调整建筑布局（图4），从而创造合理、利于节能的外部风环境。

1 阳光·风动效果图

2 建筑布局的最佳朝向

2.3 地形环境利用

地域性乡村太阳能建筑设计应充分利用地形组成要素（如植物、水体、山等），在适应地形的基础上进行节能设计。此过程主要侧重植物和水系的利用，例如屋顶绿化隔热、利用植物寿命周期遮阳、水系作为自然冷源调节建成环境的微气候、与风结合加强通风降温效果等。“阳光·风动”利用地形进行节能设计，将周围玫瑰基地的花草移植于建筑屋顶，有效阻断夏季屋顶的热量传递。南向配合落叶乔木，减少夏季立面的直接得热；北侧临水建筑架高2 400mm，在创造开放空间的同时，引河流冷空气进入风道带，加强通风降热效果。将其他建筑组团底部架高900mm，首层地板设置可开启通风口，加强底部的通风、隔湿。同时将建筑底部的冷空气作为冷源，通过通风口引入室内，提升室内舒适度。

3 适宜被动式太阳能技术与地域建筑耦合设计

3.1 耦合概念

引入电子学和电信工程领域的“耦合”概念，“耦合”就像一个电容器，可以帮助直流与交流电适配互转，使两者兼容共存。地域性乡村太阳能建筑设计包含三个对象：适宜的太阳能技术、建筑形式与功能、建筑地域文化特征。三个对象之间的融合关系以及一体化的设计过程是乡村太阳能建筑的最终走向，建筑的体形、平、立、剖设计过程为中间介质“电容器”[6]，兼容太阳能技术与典型民居建筑的地域文化特征。

3.2 形体耦合设计

体形系数是建筑节能的一项重要指标，体形越复杂、系数越高，越不利于建筑节能。假设建筑的长为2a、宽为a（长宽比2:1）、高为 H，则体形系数计算公式为：

若建筑的总体积和长宽比一定，那么该建筑就能得出一个最佳节能设计尺寸[7-8]。因此，在体积一定的前提下，建筑的长宽比相当重要，它与建筑朝向一起影响着建筑接受辐射的热量（表1）。

分析上述数据并结合模拟的桐庐本地建筑最佳朝向结果得知，在体积满足功能排布的前提下，建筑的平面长宽比宜为1:1，带入公式可求得最佳高度。最终，在建筑体形设计过程中，采用传统民居的坡顶形式，并与太阳能光电、光热板的最佳倾角结合，选取合适坡度值，再与建筑最佳节能体形系数综合，在满足平面功能布局的前提下，选定长10.8m、宽9.9m、高7.2m、屋顶坡度25°的建筑体量。

3.3 平面耦合设计

平面耦合设计从传统平面特征的现代化转译出发，在自然通风、避免过量太阳辐射的设计中遵守窗门对位、避免套间（家具）遮挡室内穿堂风道、设置南向热传递缓冲区的原则。“阳光·风动”将传统建筑“一字形”平面、“内向型”庭院的特征进行现代转译，公共教学、体验中心给予开放的庭院空间，居住部分建立相对内向的庭院空间秩序。以风道作为各功能区的公共交通空间，将居住功能房间的阳台、厕所置于南向，形成热量传递缓冲区。走廊设置于北侧以规避冬季主导风，阳台地面采用相变蓄热地板集热，整合阳光间、热压通风系统于门厅、楼梯的玻璃腔体中（图5）。进而形成了“北单廊—复合功能玻璃楼梯间、门厅—不同功能、不同开放程度庭院”的平面布局。

3.4 立面耦合设计

将技术、传统策略耦合于立面设计中，遵守传统建筑立面特征，在现有传统建筑立面适应气候策略的基础上进行改良，将更为细致的现代节能组件和被动式组件植入立面[9-10]。桐庐传统民居的厚墙小方窗形式，在遮挡太阳辐射的同时也导致了通风采光的不足。在此基础上进行立面被动式策略层次的优化，将小方窗形式复制，扩大采光面积，增加阳台空间缓冲隔热。将传统挑檐形式弱化并转译，融入立面中，形成倾斜15°的立面自遮阳体系[11]，使其能够在夏季遮阳、冬季得热（图6，7）。最后于立面各部位植入适宜的被动式采暖组件及被动式制冷组件（表2）。

3 风道带优化

4 建筑风环境模拟以及优化

5 复合功能楼梯、门厅玻璃腔体

6 自遮阳体形

7 夏、冬立面辐射对比

表1 不同长宽比和朝向的外墙接受辐射的比值

表2 被动采暖制冷组件植入建筑部位

3.5 剖面耦合设计

剖面设计包含空间形态与梁、柱、墙板等支撑维护体系两部分。受地域环境和文化特色的影响，“阳光·风动”以空间形态转译的方式构建传统建筑剖面，并采用隐喻、暗示等方法回应地方文化特征[12]。墙、楼板、梁、柱部位协助构建阳光间、热压通风系统和相变蓄热系统，从而使建筑达到节能的目的[13]。剖面以物理环境为基础，将北侧临水面架空，创造良好的交往空间和景观视野。借鉴传统建筑二层朝庭院天井出挑走道兼作遮阳与活动空间的思想，建筑剖面朝庭院出挑开敞走道，回应地方建筑空间形态。

将阳光间、热压通风系统和相变蓄热系统统一布置于双层玻璃楼梯间（外层为普通玻璃、内层为长波冷却辐射玻璃）和门厅内，形成降温集热系统（图8）。屋顶楼板局部采用蓄热混凝土，并建造四面开口双层屋面空腔，做热缓冲层。夏季关闭腔体下部楼板出风口，开启外墙出风口，隔绝屋顶热量；冬季关闭外墙出风口，开启腔体下部出风口，为室内提供热量（图9），从而营造节能、生态、本土的剖面。

4 节点节能与主动式补偿

乡村太阳能建筑的节点节能设计主要考虑门窗、墙体的保温隔热以及楼地面的构造设计。“阳光·风动”采用工业节能门及双层中空长波辐射冷玻璃窗，外墙构造创造性地运用保温隔热性能良好的原始乡土材料制作的模块夯土墙（图10），替代砖作为填充物使用[14]。楼盖层平坡结合，坡面以太阳能光电、光热系统做主动式补偿，平面采用较传统绿化屋面更方便管理、造价更低的新型容器式屋面绿化[15]（图11），以主、被动技术的耦合解决被动式蓄热、放热不可控的问题（图12）。夏季夜晚热压、风压通风效率大幅降低，蓄热组件放热，以静音轴流风机辅助通风平衡室内外温度；白天在被动通风不足的时段空调系统辅助制冷，提高室内舒适度。

5 结语

节能是当下建筑设计围绕的主题之一，也必将是未来很长一段时期讨论的主题。目前，太阳能技术的研究已经有了许多成果，现代乡村建筑中也逐渐出现了太阳能产品的运用，但仍缺乏对主、被动式太阳能技术系统性的设计。同时对于乡村建筑设计本身的考虑不足，乡村振兴背景下的乡村建筑应当是节能的、地域的，应该更注重“乡土”与“本土”精神。从基地物理条件出发而展开的系统性被动式太阳能技术，通过与建筑、地域精神耦合的设计方法，可以为今后乡村建筑的发展指出方向，也可以为乡村太阳能建筑设计提供一种思路。