基于形体设计的太阳能建筑热性能研究*

刘大龙 薛文静 杨竞立

(1.西安建筑科技大学建筑学院， 西安 710055； 2.中梁控股集团昆明公司， 昆明 650000)

绿色建筑是可持续发展理念在建筑设计理论中的具化产物，是建筑设计理论与时俱进的产物，是建筑未来的发展趋势[1]。性能化水平是绿色建筑的重要表征之一，是绿色技术成效的量化体现，它将建筑设计带入一个崭新的科学时代。建筑的太阳能被动式利用是绿色建筑设计常见而重要的内容，针对太阳能光热利用效率的性能化分析是建筑太阳能利用的关键，它决定着建筑太阳能利用的方向和应用程度。

我国西部部分地区，生态环境脆弱，化石能源贫乏，但太阳能资源丰富，因地制宜发展太阳能应用具有巨大潜力[2]。西部地区冬季寒冷，利用太阳能进行建筑采暖，不仅能够满足采暖能源需求，还能保护环境、减轻环境压力。采暖潜力分析是太阳能建筑采暖利用研究的关键基础问题。该内容涉及太阳能资源水平考证、建筑得失热动态计算[3-4]、室内热舒适评价、能耗动态分析等一系列分析计算过程。这些不是设计师们所擅长解决的问题，通常都有其他专业人员来解决，且基本都是在建设设计方案设计后期，此时如果要做设计调整其成本和代价是巨大的。

研究表明，在设计初期采用适宜当地气候的建筑形体可以产生大量被动式太阳能[5]，从而提高建筑太阳能采暖效率。构思阶段作为最关键的环节，在宏观把控和创造性方面发挥重要的作用，建筑意向还可以有较大幅度的变化，在构思阶段通过调整建筑形体对建筑太阳能利用进行整体把控，可以有效提高建筑太阳能利用潜力。因此亟需能够被设计师所掌握而又能用于设计早期的太阳能采暖性能分析的方法或者工具。本文针对我国西部太阳能富集地区，通过建筑的辐射得热与围护结构失热分析，借助动态模拟方法，构建了一套能用于设计早期阶段的方法，并开发出便于设计师应用的分析工具。

1 形体参数与建筑太阳能采暖潜力的逻辑关系

1.1 形体设计与建筑性能化设计的关系

建筑师在构思阶段将“意向”通过对建筑物的布局、功能、形式等问题的考虑后，形成较明确的构想。建筑设计中形体是服务于功能的载体。彭一刚指出形式美的规律要纳入到内部空间处理、外部形体处理以及群体组合处理的关系中综合考虑[6]。建筑师在形体推敲过程中，多关注于“形式与功能”[6-7]，较少从能源利用、室内环境角度考虑建筑形体的设计。面对日益严重的能源危机，可持续性绿色设计已经成为建筑设计必不可少的部分，因此建筑的性能化分析与设计的作用将变得越来越重要。在严寒、寒冷地区节能标准通过体形系数限定了建筑的形体，大面宽短进深与节能要求的小体形系数相矛盾，从而束缚了建筑师对空间的运用。那么在设计初期通过形体设计来兼顾功能与性能，这将是影响未来绿色建筑设计的重要基础性问题。

空间调节是一种通过空间形体组织、表皮和构件设计，以降低能耗为目标的性能化设计方法[8]，但是其主要应用于建筑设计中后期。建筑信息模型(BIM)技术被越来越多地应用于建筑设计的全产业环节与全寿命周期[9]，但BIM更侧重于一个集成的建筑综合性能化评价的载体。性能化设计等内容通常是在方案设计完成后才予以考虑，多集中于设计后期设置围护结构参数阶段[10]，现行的“先设计后验证”方法已远远滞后于超低能耗建筑的发展步伐，从而导致性能化设计的潜力大大降低。

推动建筑绿色更新的主要力量缺乏建筑师的参与，那么绿色建筑的发展必将会受到非常大的制约。随着数字化建筑设计方法及工具的快速发展，建筑师可以方便地使用模拟软件对建筑的性能化指标做出评价[11]。但大部分此类分析工具都应用于建筑细部确定之后的阶段。为了进行性能化分析需要被动地遵守相关标准，又需要修改设计方案，这是一个循环往复的过程，可能会在性能评估时出现问题而导致前期方案做出较大调整，工作量大且效率低下。因为分析中需要其他相关专业知识，对建筑师概念设计产生较大干扰。

1.2 影响建筑太阳能采暖利用的形体要素

建筑形体要素是建筑空间、建筑属性的主要表达方式，其反映了建筑内部空间逻辑关系，同时也是建筑与外部环境最感性的表达。通常建筑形体设计主要涵盖：建筑平面形状、建筑平面及竖向尺寸(面宽、进深)、外窗面积等方面。大量研究表明，相同体积的建筑物，外表面面积越大，建筑耗热量越多，冬季建筑的供暖能耗增加。因此，对于严寒、寒冷地区，建筑的最佳形体应该是在相同体积下拥有最小的外表面积[12]。在具有相同体积的所有建筑物形式中，立方形状的外表面最少。而现有的居住建筑平面类型，多为蛙式、板式、十字形、T形、工形等[13]，此类型建筑过多为凹形、凸形，导致外表面积过大，增加建筑失热量，同时自身产生较多阴影，导致建筑太阳能得热量减少[14]。为建筑节能考虑，同时避免对建筑师的设计构思产生较大干扰，将建筑平面形状视为矩形。

建筑外形尺寸及外窗面积均会对建筑得失热量产生较大影响，进而影响建筑太阳能采暖。南向外墙表面积是影响建筑接收太阳辐射量的重要因素，增大建筑南向面宽和竖向尺寸可增加外墙面积，使建筑获得更多太阳辐射，但同时会导致建筑失热量增加。而相同建筑面积下，建筑进深过大则会导致建筑无法获得充分的太阳辐射。因此，建筑面宽、进深、高度是影响建筑太阳能利用的重要因素。根据太阳辐射对建筑热环境的影响可以得知[15]，太阳辐射能够直接透过半透明围护结构被室内物体吸收转化为长波辐射影响室内热环境，晚上会成为使建筑失热的主要构件。因此建筑窗墙比会对建筑室内热环境造成较大影响。

因此，影响建筑太阳能利用的主要建筑形体要素为：建筑面宽、建筑进深、建筑高度和建筑窗墙比。为了在较大范围内考虑建筑形体要素尺寸的变化水平，将以上建筑形体要素进行叠加、组合，将建筑高宽比(楼层净高/建筑进深)、高长比(楼层净高/建筑面宽)、南向窗墙比作为影响建筑太阳能采暖的建筑形体要素更具代表性和可操作性。

2 基于形体要素的建筑太阳能采暖潜力计算方法

2.1 形体要素与建筑太阳能采暖潜力的逻辑关系

建筑太阳能采暖的目的是通过太阳能来提升室内温度从而满足热舒适需求，因此建筑的太阳能得热情况是采暖性能的关键问题。当建筑得热量一定时，通过围护结构、冷风渗透作用的失热力量大于得热量，室内温度会呈下降趋势。反之，当建筑失热量一定时，通过集热构件、围护结构、供暖设备等的得热量大于失热量后，建筑室内温度呈上升趋势。因此室外温度、建筑得热量等因素共同决定室内温度的变化水平[16]。因为太阳能资源的不稳定及不可控，被动式太阳能采暖建筑的室内温度宜控制在14 ℃[17-18]，那么在被动式太阳能采暖建筑中太阳辐射得热量、室内温度达到14 ℃时建筑的总失热量是影响室内热环境的决定性因素，也是反映建筑太阳能采暖潜力的关键作用。而当建筑形体要素尺寸发生变化时，建筑本身所能接收到的太阳辐射面积、失热面积也会随之发生变化，进而影响建筑的太阳辐射得热量、室内温度达到14 ℃时建筑的总失热量(图1)。

因此建筑形体要素与建筑太阳能采暖潜力的逻辑关系可总结为：基于建筑形体要素的建筑太阳辐射得热量占建筑室内温度达到14 ℃时建筑总需热量(失热量)的比值，见式(1)。其中太阳辐射得热量由专门的被动式集热构件(窗户、集热墙等)得热量和普通围护结构得热量构成。

(1)

式中：A为建筑太阳能采暖潜力；Qx14为室内温度达到14 ℃时建筑的总需热量；Qxcg为太阳能集热构件提供给室内的太阳辐射量；Qxob为除太阳能集热构件外的其余围护结构传向室内的太阳辐射量。

2.2 建筑太阳能采暖潜力计算模型

采用动态模拟结合统计回归的方法构建形体要素与太阳能采暖效率之间的函数关系。在典型地区设置多形体要素组合的建筑方案，首先进行大样本的建筑得失热模拟计算。为尽可能多地明确不同建筑形体要素尺寸组合对建筑太阳能采暖潜力的影响作用，引入正交试验法构建大样本的动态模拟方案。将高宽比、高长比的水平定义为8个(由0.125变化为1.000)，将南向窗墙比的水平定义为5个(由0.300变化为0.800)。使用SPSS数据分析软件中的正交设计功能对试验进行设计，最终试验方案为L64(82×51)。从统计学原理通过64次模拟分析获得了大样本量的建筑得失热基本规律。然后根据式(1)计算出采暖效率，接着采用回归获得形体要素与采暖效率之间的函数关系，计算流程如图2所示。典型地区选取西部太阳能富集地区。

为分析形体要素与太阳能采暖潜力的关系，尽可能多选取不同建筑形体要素尺寸组合，引入正交试验法，以实现用最少的数量实现最具代表性组合。将建筑高宽比、高长比、南向窗墙比设置为变化因素，采用正交试验方法最终确定64种组合方案。采用软件DesignBuilder获得确保室内全天维持在14 ℃时建筑的太阳辐射得热量和室温达到14 ℃时建筑的得失热量。利用1stOpt非线性曲线拟合计算软件对形体要素与采暖效率进行拟合分析，得到基于建筑形体要素的建筑太阳能采暖潜力函数，如式(2)所示。

(2)

式中：A为冬至日建筑太阳能采暖潜力；x1为建筑高宽比；x2为建筑高长比；x3为建筑南向窗墙比；a、b、c、d、e、f、g为回归拟合的经验系数。

3 居住建筑太阳能采暖潜力的案例分析及应用

3.1 居住建筑太阳能采暖潜力的案例分析

为使建筑师直观地了解建筑形体要素与建筑太阳能采暖潜力的关系，使用MATLAB软件对额济纳旗建筑太阳能采暖潜力函数做图形化表达。由于实际建筑项目通常会将南向窗墙比控制在0.5～0.6，在此仅绘制南向窗墙比为0.5、0.6的建筑太阳能采暖潜力图，将高宽比、高长比、建筑太阳能采暖潜力分别设置为X、Y、Z轴。图3为额济纳旗不同形体要素尺寸与建筑太阳能采暖潜力的关系。可以发现：随南向窗墙比增大太阳能采暖效率明显增大；随高长比减小采暖效率增大，变化速率随高长比减小而增大，部分情况下变化速率平缓；高宽比对采暖效率影响作用最大，随高宽比增大采暖效率增大，但变化速率随高宽比增大而降低。太阳辐射资源越丰富的地区，形体要素对建筑太阳能采暖潜力的影响作用越明显。

3.2 基于太阳能利用潜力提高的居住建筑平面优化设计

提出建筑太阳能采暖潜力的新评价方法最终目的在于让建筑师在设计初期从建筑形体角度提升对太阳能的热利用性能。以额济纳旗的实际建筑项目为例，利用太阳能采暖效率对原建筑进行优化设计(表1)。最终优化建筑相比原建筑太阳能采暖潜力提高了6%。将原建筑与优化建筑采用DesignBuilder进行能耗计算，在不设置采暖设备情况下，优化后建筑整层的建筑太阳能辐射得热量相比原建筑增加了24.71 kW·h，提升了18.73%。相比原建筑，优化建筑所增加的太阳辐射得热量即是由变化建筑形体尺寸所获得的。因此以建筑形体为切入点，也可有效提升建筑太阳能采暖效率。

为了将建筑的太阳能利用与建筑能耗分析相统一，便于理解太阳能采暖的贡献度，采用动态能耗模拟软件DesignBuilder针对改造前后的建筑采暖能耗进行了计算。模拟日期与前述相同，建筑为三个单元平行布置、7层、南北朝向、室内设计温度为18 ℃(便于与JGJ 26—2018《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》对照)。改造前后建筑的围护结构相同，满足DBJ 03-35—2019《内蒙古自治区居住建筑节能设计标准》。改造前建筑体形系数为0.298，改造后为0.323。单位面积采暖能耗为：改造前1.23 kW·h/m2，改造后1.24 kW·h/m2。建筑形体的改造使得建筑体形系数增大，是不利于保温的，但两者采暖能耗相差无几。可以理解为因体形系数增大而增加的采暖能耗，被因形体变化带来的太阳能采暖效率的增加而弥补。因此基于形体的太阳能采暖效率分析方法能够提高建筑师设计策略的灵活性，同时提高了建筑的能源利用效率。

表1 额济纳旗居住建筑优化结果Table 1 Optimization results of the residential buildings in Ejin Banner

4 基于BIM的建筑太阳能采暖潜力分析软件开发

不同太阳辐射强度地区建筑的得失热具有显著差异，因此不同辐射水平地区具有不同的太阳能采暖效率计算模型，因此手工计算的工作量大，且效率低。为便于建筑师在前期方案设计能够简便地计算建筑太阳能采暖效率，根据上述计算方法，对西部太阳能地区按照辐射强度进行区域划分，在不同辐射水平下构建了各自的计算模型，然后开发了基于BIM的建筑太阳能采暖效率分析软件(图4)。

本软件基于BIM平台，采用Revit与MySQL数据库相结合的工作模式。软件以外部插件的方式在Revit中运行，利用Revit提供的功能强大的应用程序接口(API)，MySQL数据库提供数据服务。软件分为自动模式和手动输入模式，自动模式可以读取建筑模型文件，然后自动提取建筑形体参数存入数据库，通过选择地域从而确定计算模型，计算中是以某一楼层为计算单元。手动输入模式需要用户通过人机界面输入某一楼层的形体参数，在选择地域后进行计算。软件工作原理如图5所示。

该辅助设计工具操作简单，对于缺乏热工方面理论知识的设计师，也能够方便快捷地计算评估建筑的太阳能采暖潜力，以选择利于太阳能利用的建筑形体。

5 结束语

为了构建建筑师在设计初期阶段能够使用建筑性能化设计方法，以建筑形体设计为研究对象，借助太阳能采暖热利用这一建筑热性能问题，探索了形体设计与太阳能采暖热性能关联性的建立方法，论述了形体设计与建筑性能化设计的关系。通过分析形体设计元素与太阳能建筑采暖之间的逻辑关系，采用动态能耗模拟结合统计回归计算方法，建立了基于形体要素的建筑太阳能采暖计算模型。以西部太阳能富集地区的额济纳旗为例，验证了计算模型的有效性，并结合案例优化了被动式太阳能采暖的形体设计。最后介绍了基于计算模型的计算软件的开发过程。

本研究以建筑设计前期为视角，基于建筑形体要素明确了建筑太阳能采暖潜力的新评价方式并开发辅助设计工具，为建筑师提供了设计初期的性能化分析工具，以及设计策略的灵活性和能耗量变化规律的协同分析方法，同时提高了建筑的能源利用效率。本研究探索了设计阶段的性能化分析方法，完善了建筑绿色性能化设计体系建设。