西部太阳能富集区城镇居住建筑分级绿色设计方法＊

陈景衡 武玉艳

我国西部平均海拔高，严寒/寒冷气候区面积占比大，太阳辐射资源丰富，自然地理条件独特鲜明。西部人口总量小、总体密度低，经济要素不活跃，发展模式与东部地区差异较大。有学者从建筑与气候关联的角度提出“太阳能富集区”概念，对西部典型区域的太阳辐射可承担的采暖用能展开了技术先导研究，认为通过能量集约转化与建筑被动式设计，可在富集条件下实现太阳能采暖替代。

如何将太阳辐射条件转化为建筑可直接利用的气候资源，通过设计要素提高太阳辐射的利用效率，是西部太阳能富集区绿色建筑设计的重要课题。对量大面广的城镇居住建筑主体类型——住宅建筑而言，其绿色设计往往被建筑师简单粗略地执行为“提高建筑围护结构性能达到节能标准”的设计方式。在建筑成本投入、部品产业条件、物资供应、施工组织水准、建造需求等受限的西部地区，上述设计方法易产生技术执行矛盾与困难，造成绿色设计技术空心化。在住宅商品化趋势下，以“科学高效利用地域气候资源”与“主动通过建筑设计改善建筑性能、降低用能需求”为目标要求，打破建筑师固有的“产品开发贴皮式”的绿色技术设计误区，研发分地域、分条件、分类型提高地域气候资源利用效益的绿色设计方法，是重点研发计划项目——“目标和效果导向的绿色建筑设计新方法与工具”在西部太阳能富集区城镇居住建筑上的技术研究要求。

本文将针对分级引导的西部太阳能富集区城镇居住建筑绿色设计要点和“三阶五步”绿色设计流程进行具体介绍。

1 西部太阳能富集区居住建筑分级引导的绿色设计技术需求要点

“太阳辐射资源富集”不仅指太阳辐射量级高，也意味着建筑的太阳辐射直接热作用具有较明确的采暖补偿效能。太阳辐射不只是设计的被动应对条件，而是可转变为主动应用的资源，单一的保温隔热设计逻辑需要重新判定，甚至在局部出现反转，而这些是以建筑师为主推动实现的一种绿色效益。

太阳辐射热效应须通过“太阳辐射得热可直接影响到的建筑气候边界”影响建筑室内热环境，在太阳辐射资源极富集条件下，定性识别建筑室内可受太阳辐射热直接影响的空间区域及可成为得热构件的围护结构，从而展开有效的设计构思与操作。

目前现行标准对太阳辐射热效应采用计算围护结构性能“后修正”的思路。对建筑师来讲，在设计前期较难理解、分辨利用太阳辐射富集条件采暖工况下正负两类不同热过程，习惯把室内看作一个温度分布均匀、无差别的连续空间，围护结构采用单一的“隔绝式外壳”保温隔热设计逻辑。通过前期设计提高太阳辐射热利用的使用效率与质量，既要理解太阳辐射热正向作用过程，判断其在建筑上的作用范围，估算辐射程度，还要判断与区分建筑围护结构可得热构件、空间、构造、门窗部品和非得热部分，相应采用不同的详细技术设计。这与现行的通用设计流程、标准有以下几方面的基础认知差异：1）建筑体形并不能简单认为越集约越节能；2）围护结构不是越限制开窗越利于节能（以建筑透明围护结构越大失热越多，为寒冷和严寒地区建筑采暖耗能单一假设），也并非保温外壳越厚实建筑绿色性能越好，更不应只采用高价、高标准材料来粗略对应建筑绿色星级标准。另外，部分地区还需平衡太阳辐射热利用潜在的引起夏季室内过热的副作用，才能不断完善整体方案，细化为经济可行的设计技术措施。

2 “三阶五步”分级绿色设计流程

在太阳辐射资源富集条件下，建筑师应遵循一个更流畅、整体的绿色设计工作框架，敏锐主动地理解与把握地域太阳辐射资源、建筑用能需求、建筑设计三方面关系。顺应居住建筑设计选型、调整、修正的决策流程习惯，西部太阳能富集区城镇居住建筑分级绿色设计方法按“建筑辐射热利用潜力预判—建筑空间布局优化的空间因应规律与匹配—建筑围护结构设计补偿优化与参数循环控制”三个递进阶段，分为“选型比较—户型平面布局优化—立面形态分区优化—构件设计优化—循环计算伴随”五个设计动作组，逐层落实太阳辐射热利用绿色设计目标。

（1）先对建筑太阳辐射热利用潜力进行预判，落实被动优先的绿色设计原则，鼓励建筑师优先采用通过太阳辐射热削减建筑冬季采暖需求的潜在技术路径。

我国西部太阳能富集区代表城市——拉萨，主要采暖月（11月—次年3月）太阳总辐射量是挪威的十倍、柏林的六倍，在西部广大地区住宅自改建中有普遍多样的辐射热利用方式，而在现代通用设计标准中的规定比较笼统，缺乏直观明确的理解工具与具体指导，容易在设计起始环节被建筑师误判或者忽略。太阳辐射是一种能量密度较低、较难直接利用的环境资源。资源富集程度不同意味着可利用潜力和利用方式不同，这一阶段要准确、快速地区分不同地域环境条件和辐射资源，确定各类型住宅形态的辐射热利用具体目标，即辐射热与建筑类型应用间的设计可执行基础关系。

参考建筑气候学提出的“辐射度日比”可直观耦合太阳辐射资源与采暖需求匹配程度的思路，经过不同建筑类型“太阳辐射可直接影响到的建筑气候边界”的逻辑预判修正，形成参考列表及排序，帮助建筑师提前判断地域居住建筑太阳辐射热利用潜力。对应设计决策初期对户型的比较选择设计步骤，即“空间布局选型”，帮助建筑师选择太阳辐射热利用基础较好的户型，并合理确定太阳辐射热利用目标区间及参照标准。

（2）建筑方案形成阶段有两个主要设计操作动作组，即平面布局适配直接太阳辐射得热影响范围、立面形态构造适配太阳辐射热设计分区，构成建筑空间布局优化的空间因应与匹配设计阶段。

紧凑的体形与利用太阳辐射资源有时会有矛盾，在富集条件下建筑各界面太阳辐射热效应差异明显，在室内会形成较为显著的太阳辐射得热直接影响区域，不同类型居住建筑有效影响界面、直接得热影响空间范围遵循一般辐射热规律。能简化预判建筑形体上太阳辐射分布规律、辐射得热空间分布规律、围护结构影响规律，有助于建筑师建立起基于现有空间模式“顺向”经验性设计的构思要点，形成迅速、简单、合适的设计决策。这个过程一般集中于住宅选型和公寓、宿舍空间组织模式构架的方案初期。

围护结构材料、部品选用与组合设计往往在产品整体设计指导下“以设计绩效”为导向展开，建筑师会寻求适合的建筑产业化部品及设计手段，开展“部品组件选用调试组合”，该步骤与建筑形态和表皮整体设计导向都有较强关联。在完成空间层面的优化后，增加立面分区设计工具，嵌入围护结构形态构造设计分类处理，结合后期等热流计算与验算、SHGC等参数计算优化，实现在空间、部件尺度的优化设计。

（3）在方案提交条件图形成完整具体技术方案前，还有大量协调性工作，包括落实细部构造及诸多性能参数两方面设计内容，构成建筑围护结构设计补偿优化与参数循环控制阶段。屋顶、南向围护结构以及阳台、门窗、外墙部品在太阳辐射富集条件下，得热区内构件形态的适应性调整要符合集热蓄热的基本原理、满足夏季通风要求，采用“双层壁面+空腔”的方式一般能提高太阳辐射热利用效率，对室内热环境的影响起到积极作用。但由于涉及透明围护结构太阳辐射透射、热传导、热辐射和空腔内及室内空间热对流等复杂热过程，且窗墙面积比与建筑围护结构整体性能间关系较为复杂，需要综合判断。该阶段与技术协同，采用参数循环的方式更好地调适各部分构造设计。

1 西部太阳能富集区居住建筑“三阶五步”分级绿色设计流程

成熟的住宅产品构成了建筑师、开发者习惯的“户型”或“产品类型”概念，这种住宅认识模型具有较为复杂的层级要素结构，从技术角度来讲是完整、不易拆解的应用集成模型。这与目前行业标准拆解出的“空间—围护结构”技术模型有较大的精度差异，常会造成“技术粗暴干预设计”的认识偏差。简化的“选型”式设计方式，在方案的地域回应上容易造成较大的条件因应、资源利用的理解偏差与设计手段错位。“三阶五步”分级绿色设计流程（图1）则对应建筑设计操作，采用适合不同阶段思维精度的三类模型展开绿色设计优化，与设计阶段建筑师的思维模式伴随度高，与建筑气候分析、节能贡献率及设计要素敏感度排序等工具相比较，结合了“宏观判断—精细设计—参数微调”分级、逐步的设计手段，采用目标引导与设计补偿措施相结合的方式，利用建筑师设计决策思维中必要的户型比选、优化等设计操作的“前期窗口”，引导建筑师逐步理解建筑与环境资源条件的多层、多种、多样设计因应关联途径。比较与计算整体设计措施对建筑太阳辐射热利用效能的贡献量，需要设计算法高维决策模型的支持，仅靠建筑技术较难实现，对于建筑师来讲，按照空间尺度和构件尺度两个设计操作层级分别展开设计优化便能执行，对设计决策思维友好。

3 设计应用

设计方法不同深度的应用在西宁和拉萨的两项城镇居住建筑工程中，分别为中高层板式集合住宅和低层院落式住宅（图2,3）。对应“三阶五步”分级绿色设计流程，首先确定两项工程的太阳辐射热利用目标分别为“三级区四级住宅类型”和“一级区一级住宅类型”。中高层集合住宅体形系数较优、单位体积可直接接收太阳辐射表面积受限、建筑间日照遮挡较严重。该工程重点运用空间布局适配太阳辐射热利用分区的设计方法、立面日照时数可视化软件辅助建筑立面工程做法分型设计、多种构造组合提升建筑热工性能的辐射热利用设计技术（图4,5），采用成熟通用的材料、部品建造，采暖季室内环境用户满意度达到83.3%，供暖能耗比《民用建筑能耗标准》（GB/T 51161-2016）约束值降低30.5%。低层院落式住宅体形系数大，每户具有多个直接接收太阳辐射表面，单位体积可直接接收太阳辐射表面积大。该工程采用退台形式，增加单位体积潜在辐射得热面积，重点运用空间布局适配太阳辐射热利用分区的设计方法，使热舒适需求高的功能空间被日射得热直接影响范围覆盖，结合功能空间需求加设阳光间集热，改善室内热环境、降低采暖用能需求、优化居住品质（图6）。拉萨院落式住宅项目采用间歇性电采暖设备，采暖季室内环境用户满意度达到91%，采暖设备开启时间大多集中在19:00～20:00，供暖时长缩短了83.3%，当将采暖耗电量计入综合电耗时，该项目综合电耗比《民用建筑能耗标准》（GB/T 51161-2016）约束值降低35.1%。

设计方法前期引导项目进行整体性理解，落实“被动优先、主动辅助”原则，并以目标等级分解居住建筑太阳辐射热利用贡献目标。中间阶段对影响太阳辐射热利用效果的关键、强约束设计要素，采用空间辐射热分布规律和立面辐射热分级分区设计引导；对设计措施与材料部品要素较为开放，在形态利用、构造措施层面遵循“能用则用”、鼓励多样使用的原则，利于建筑师发挥技术创造力，因地制宜地采用不同手法进行组合设计，控制建筑性能保持整体目标一致即可。后阶段采用参数与技术模型接口循环验算，便于建筑师控制居住建筑太阳辐射热利用最终效果。

该设计方法根据不同的居住建筑类型及地域太阳辐射可利用条件设定太阳辐射资源利用目标，符合现有建筑设计标准、规范导则等技术管理文件体系，便于在方案阶段直接转化为施工技术文件；对各类居住建筑设计过程友好开放，既适合于前期的引导设计，也适合于后期的检验；在住宅设计导则、软件工具、设计流程、工程上可协同作用。

4 结语

住宅是我国城镇居住建筑的主体，是国家政策法规关切、开展技术引导的重点建筑类型。本研究提出了一种分级响应气候环境资源的居住建筑绿色设计工作方法，与住宅建筑主流设计流程对应，适用于西部太阳能富集区城镇居住建筑。与丰富多样的公共建筑设计作品相比，城镇居住建筑设计受综合技术约束较多，从设计技术路线的角度对居住建筑形态进行拆解和重组，开发界面直观、简洁且与现有工作习惯高度统一的方法与工具，才能引导建筑师主动地使用多样设计手段转化地域环境条件为建筑可直接利用资源，让建筑师在绿色建筑设计中合理贡献创造力。

＊ 本研究得到国家重点研发计划“目标和效果导向的绿色建筑设计新方法及工具”（2016YFC0700200）之课题“西部太阳能富集区城镇居住建筑绿色设计新方法与技术协同优化”（2016YFC0700208）资助。

1,4-6武玉艳绘制

2,3武玉艳摄影

2 西宁中高层集合住宅实景3 拉萨低层院落式住宅实景

4 西宁中高层集合住宅工程户型空间布局适配太阳辐射热利用分区

5 西宁中高层集合住宅工程构造、部品组合优化提升建筑整体热工性能

6 拉萨低层院落式住宅工程户型空间布局适配太阳辐射热利用分区示意