高寒气候下集合住宅顶层节能设计策略研究*——以西宁为例

汪珊珊，武玉艳，汪留成

引言

建筑是气候环境的调节器，对建筑用能多寡起到先决作用。针对地域气候条件，采用适宜的被动式设计措施提高建筑本体热工性能，是最为直接有效的建筑节能途径[1]。这种通过建筑形体空间与形式构造设计强化地域气候环境资源利用效率的被动式设计是建筑师切实可操作的绿色设计技术路径[2]。西宁市地处青藏高原东缘，平均海拔2261m，年水平面太阳总辐射量约为5600MJ/m2，属于太阳能“很丰富带”[3]，冬季总辐射量为1200～1400MJ/m2[4]，仅次于西藏西南部和云南大部分地区。西宁在建筑热工设计分区中属严寒（C）区，冬季寒冷漫长，最冷月平均气温-7.9℃，法定供暖期长达160 天；夏无酷暑，最热月平均气温17.2℃，无需制冷设备。这种独特的地域气候环境，为强化建筑直接利用太阳辐射资源减少采暖用能需求提供了前提应用条件。

从绿色建筑设计角度、将集合住宅各层拆分来看，由于其外围护结构表面积不同、热传导方式不同，集合住宅采暖用能需求存在纵向分段的特征[5]。其中，顶层的外表面积大，室内热环境受室外气候环境影响敏感，一方面易失热，另一方面接收太阳直接照射的表面积大，形体的太阳辐射热利用条件优势突出。另外，集合住宅顶层通常被建筑师单独处理，是建筑形态变化、空间处理最为活跃的部位。因此，针对太阳能富集气候条件下集合住宅研发建筑顶层的综合节能设计策略具有重要意义。目前对住宅建筑顶层的节能研究主要依循单一的围护结构部位拆解计算逻辑、从技术层面围绕屋面热工性能的提升和精细化计算展开。关注的形态构造要素多集中在屋顶形式、屋面材料构造设计对建筑采暖用能的影响，如绿化屋顶[6]、双层屋面[7]、屋面保温构造[8]等。这些研究对屋顶的节能设计优化给与启示，但忽视了顶层整体形体空间设计对建筑太阳辐射热利用节能潜力的影响。笔者所在研究团队针对城镇住宅建筑搭建了优先利用太阳辐射节约采暖用能的分级绿色设计方法框架、进行了初步的设计应用[5，9，10]，本研究在此基础上，下沉研究框架，探寻以空间形态为核心的集合住宅顶层综合节能设计策略。

被动式太阳能利用评价指标可分为热特性指标、节能指标、舒适度指标[11]，热特性指标主要包括室内温度、室内辐射得热量等，节能指标主要包括太阳能贡献率[12]、太阳房节能率[11]等，舒适度指标主要包括热感觉平均标度（PMV）、不满意指数（PPD）[13]等。相对而言，热特性指标更关注室内热过程，节能指标主要关注设计措施的节能效果，舒适度指标则对室内热环境的评价更为综合。鉴于本文主要探讨如何通过顶层空间、围护界面设计要素强化太阳辐射热对采暖用能的贡献，因此选用节能指标作为建筑太阳辐射热利用设计优化策略的评价指标。太阳能贡献率主要关注建筑“得热”，太阳房节能率则同时强调建筑“少失热”与“多得热”，从建筑热工性能设计综合考量的角度来讲，太阳房节能率易于与当前的建筑节能设计流程衔接。分析设计要素参量变化对建筑采暖负荷的影响，便于从效果层面厘清太阳辐射热作用下设计要素与建筑采暖用能的关联性，从而提出节能设计策略。

综上所述，本文以西宁市常见集合住宅为研究对象，建立顶层户的典型模型，利用动态能耗模拟软件，计算、分析顶层设计要素与顶层采暖负荷的定量关系，总结顶层设计要素利用太阳辐射热节能的设计策略。

1 集合住宅顶层基础模型与模拟方法

1.1 顶层基础模型

第七次人口普查结果显示，西宁市城镇化率为78.63%，中心城区人口密度大，住宅以高层集合住宅为主。根据文献[14]调研总结，西宁集合住宅以三室户为主，典型顶层户型平面如图1[14]。建筑层数26 层，层高2.9m，南、北向窗墙面积比分别为0.45、0.2。外围护结构构造按《青海省居住建筑节能设计标准-75%节能（试行）》要求设定（表1），以保证研究结果面向进一步节能设计应用。以外表面积较大的西户为模拟对象，作为设计策略优化效果对比的基础模型。

表1 建筑外围护结构参数

图1 顶层典型户型平面图

1.2 能耗模拟软件参数设置

DesignBuilder 能耗动态模拟软件的计算内核为EnergyPlus，其精确度和可靠性在多个工程实验中得到验证[15]，在室内热环境和能耗模拟中被广泛应用[16]，本文采用该软件对顶层建筑的采暖负荷进行模拟计算。

模拟参数设置如下：室外气象参数采用中国典型气象年数据（CSWD），全年采暖负荷计算时间按当地供暖期计算（10 月15 日～次年3 月31 日）。为避免人员在室率等对室内采暖负荷干扰，人员在室率设为0，除采暖设备外，其他设备均设为关闭状态，其余参数参照《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准JGJ26-2018》设置。

1.3 设计要素选取与模拟分析流程

建筑设计要素存在层级关系、遵循系统规律，整体的组织结构优先于局部要素。有学者提出“建筑群与场地环境-建筑单体的空间组织-单一空间-围护结构构造和室内分隔”[17]“形体-空间-表皮-材料性能”[18]构成了建筑本体设计要素的基本层级。本文围绕建筑空间形态的核心操作内容，将集合住宅单体顶层设计要素划分为“户内空间组合-单一空间-围护界面形态构造”3个层级，通过对设计流程的梳理，结合被动式太阳能技术原理和既有研究中太阳辐射热利用敏感要素分析，最终选取9 个设计要素（表2）。模拟分析流程见图2，较常规通过后补技术指标确定围护结构做法的单一“贴皮穿衣”式节能设计流程而言（图3），细化了节能设计流程。

图2 细化后的顶层节能设计流程

图3 以往顶层节能设计流程

表2 影响集合住宅顶层太阳辐射热利用效率的重点设计要素

2 能耗模拟结果分析

遵循太阳房节能率计算原理[11]，为便于与目前住宅建筑节能设计体系对接，引入“节能贡献率”[14]来表征设计因素利用太阳辐射热对采暖用能的贡献程度，即模拟各设计要素参量变化后的采暖负荷，计算较基础模型减少或增加的采暖负荷与基础模型采暖负荷的百分比。

2.1 户内空间组合

顶层户通常有平层布局和跃层布局两种空间组合方式，跃层布局常分为南向局部跃层和南北跃层两种，且通常南侧伴有垂直贯通空间（表3）。由三种顶层户空间组合对应的全年采暖负荷模拟结果可知：南向局部跃层（起居室通高）＜南北跃层（起居室通高）＜平层，南向局部跃层组合方式相比于平层组合方式节能23.6%，南北跃层组合方式比平层组合节能14.05%。

表3 顶层常见户内空间组合及其单位面积采暖负荷

2.2 单一空间设计

在上述三种顶层常见户内空间组合模式的基础上，以起居室南向阳台为例，随进深变化下的采暖负荷模拟结果如图4～5 所示。对比来看，平层和南北跃层采暖负荷随阳台进深的增大而升高，南向局部跃层采暖负荷随阳台进深增大先降低后升高；整体来看，南向阳台进深增大后对顶层的节能贡献率均为负值。南向阳台通常承载休憩、晾晒等使用功能，窗墙面积比较大，观景视野大、空间通透感强，基于使用需求和节能效果，建议平层组合的阳台进深优先考虑0.9～1.5m；南向局部跃层和南北跃层户阳台进深优先考虑1.2～2.1m。

图4 阳台进深与顶层采暖负荷的变化曲线

太阳辐射经南向阳台透过其与相邻房间的透明围护结构（以下统称内界面开口）进入房间内，因此内界面开口比例也是影响阳台利用太阳辐射的一个重要设计因素。以平层空间组合模式中起居室南向阳台（进深1.2m）为例，界面开口比例为0.5。模拟、计算结果显示（图6，7），内界面开口比例与顶层采暖负荷呈负相关，即南向阳台内界面开口比例越大，顶层的节能贡献率越大。

图5 阳台进深与顶层节能贡献率的关系

图6 阳台内界面开口比例与顶层采暖负荷的变化曲线

2.3 围护界面形态构造

2.3.1 南立面开窗

建筑师在顶层立面设计时趋向以扩大或缩小窗墙面积比达到整栋楼的立面形态分段效果，同时南向外窗是太阳辐射得热和失热的核心部件。由南向窗前面积比与采暖负荷变化曲线可知，南向外窗传热系数K=1.6W/（m2·K）时,南向窗墙比与顶层采暖负荷呈负相关，即顶层采暖负荷随南向窗墙面积比增大而减少，节能贡献率随南向窗墙比的增大而增大（图8，9）。

图7 阳台内界面开口比例与顶层节能贡献率关系

图8 南向窗墙比与顶层采暖负荷的变化曲线

图9 南向窗墙比与顶层节能贡献率的关系

2.3.2 屋面天窗

2005年开始实行的《小城镇住宅通用（示范）设计（青海西宁地区）》图集中，示范方案加入了玻璃阳光房的设计，这说明在西宁住宅上推行透明屋顶具有良好的政策导向和地区适应性，但房间天窗面积占比及天窗热工性能的设计需进一步研究。根据当地现行居住建筑节能标准对天窗设计参数的低限，以起居室为例，模拟三种顶层户内空间组合方式下起居室天窗面积比对应的采暖负荷（图10，11）。由模拟、计算结果可知，随起居室天窗面积比增大、顶层采暖负荷降低，即节能贡献率随着起居室天窗面积占比的增大而增大；三种空间组合模式起居室天窗面积占比大于0.5 时，顶层户采暖负荷下降趋势稍减缓。因此综合考虑，建议顶层房间天窗面积占比以不大于0.5 为宜。

图10 起居室天窗面积占比与顶层采暖负荷的变化曲线

图11 起居室天窗面积占比与顶层节能贡献率的关系

屋面天窗在日间可以利用太阳辐射使室内得热，但夜间天窗也是屋顶失热的薄弱部件，提高天窗的热工性能对顶层的节能效果至关重要。以平层户为例，模拟计算天窗传热系数变化对应的顶层采暖负荷（图12，13），结果显示，天窗传热系数K=2.3～2.7 W/（m2·K）时，伴随起居室天窗面积占比的增大，顶层采暖负荷先降低后升高，即顶层节能贡献率先增后减；当天窗传热系数K ≤2.1 W/(m2·K)时，随起居室天窗面积占比增大，顶层采暖负荷逐渐降低，顶层的节能贡献率逐渐增大。

图12 起居室天窗面积比及其传热系数与顶层采暖负荷的变化曲线

图13 起居室天窗面积占比及其传热系数与顶层节能贡献率的关系

2.3.3 屋顶坡度

坡屋顶是常见的建筑屋顶形式，合理的屋面坡度设计能够兼顾建筑造型设计需求和节能需求。屋面（非透明屋面）坡度变化下的顶层户采暖负荷模拟结果如图14，15 所示，随着屋面坡度的增大，三种顶层户的采暖负荷增大；当屋面坡度大于35°后，三种顶层户的单位面积采暖负荷增加速度变快。整体来讲，较平屋顶而言，坡屋顶对顶层户的采暖贡献率为负值，从节能的角度来看，优先考虑平屋顶，当设置坡屋顶时，建议屋面坡度不超过35°。

图14 不透明屋顶坡度与顶层采暖负荷的变化曲线

图15 不透明屋顶坡度与顶层节能贡献率的关系

图16，17 为透明屋面坡度变化下三种顶层户的采暖负荷模拟结果，以起居室天窗面积占比0.3、天窗传热系数K=1.6 W/（m2·K）为例。由图可知，当坡屋顶为透明屋面，坡度在一定范围内时，可减少顶层户采暖负荷。具体来讲，平层户采暖负荷随透明屋面坡度的增大而增大，采暖负荷增速呈三段式特征，对应透明屋面坡度分别为0～20°、20°～35°、大于35°；南向局部跃层户和南北跃层户采暖负荷随透明屋面坡度的增大呈先减小后增大的趋势，采暖负荷增速同样呈三段式特征，对应透明屋面坡度分别为10°～25°、25°～35°、大于35°。

图16 透明屋顶坡度与顶层采暖负荷的变化曲线

图17 透明屋顶坡度与顶层节能贡献率的关系

2.3.4 间层坡屋顶

坡屋顶设置间层，能起到热缓冲作用，从而减少屋面失热量[19]。间层坡屋顶及其间层高度变化下顶层户采暖负荷的模拟结果如图18 所示，设置间层坡屋面能够大幅降低顶层户的采暖负荷，但屋面坡度变化即间层高度对顶层采暖负荷的影响不明显。从节能贡献率来看（图19），平层户随间层坡屋顶屋面坡度增大，节能贡献率先降低后升高，以35°为拐点；南向局部跃层和南北跃层户随间层坡屋顶屋面坡度的增大，节能贡献率持续降低。

图18 间层坡屋顶屋面坡度与顶层采暖负荷的变化曲线

图19 间层坡屋顶屋面坡度变化与顶层节能贡献率的关系

3 节能设计策略

综合上述集合住宅顶层3 种户内空间组合模式、南向阳台进深与内界面开口比例、6 个围护界面形态构造设计要素与太阳辐射热作用下建筑全年采暖负荷的关联性，总结各项设计要素的取值趋势或建议区间形成设计策略，并从节能贡献率的角度对这些设计策略的节能潜力进行排序：1）在户内空间组合策略上，跃层空间组合模式的节能效果优于平层空间组合模式；2）三种顶层户内空间组合模式在单一空间和围护界面形态构造设计策略上的优先级不同，详见表4。

表4 顶层户型节能设计因素取值及节能潜力大小排序

结论

本文以太阳能富集气候条件的代表城市西宁为例，针对集合住宅顶层外表面积大、易失热与太阳辐射热利用潜力大的特点，模拟分析顶层户内空间组合、单一空间、围护界面形态构造3 个层级9 个设计因素得出以下结论:

（1）三种顶层户内空间组合模式采暖用能排序：南向局部跃层空间组合模式＜南北跃层空间组合模式＜平层空间组合模式。即在顶层户型设计时，宜优先采用跃层空间组合模式。

（2）三种集合住宅顶层户内空间组合模式的节能设计要素节能潜力优先级排序为：①对于平层空间组合来讲，不透明屋顶坡度＞南向窗墙比＞房间天窗面积占比＞阳台进深＞间层坡屋顶；②对于南向局部跃层空间组合来讲，南向窗墙比＞阳台进深＞不透明屋顶坡度＞房间天窗面积占比＞间层坡屋顶；③对于南北跃层空间组合来讲，南向窗墙比＞不透明屋顶坡度＞阳台进深＞房间天窗面积占比＞间层坡屋顶。

（3）结合空间功能及其尺度需求、建筑造型等设计应用需求，总结了单一设计要素取值趋势或范围。

研究结果能够为建筑师开展西宁及其相似气候条件地区集合住宅顶层通过形体空间利用地域太阳辐射资源节能的设计应用提供设计量化参考。但分析样本的类型和数量有限，研究结果尤其是具体量化数据并不能覆盖所有户内空间组合模式，待进一步扩展样本，对研究结论进行校验、修正和补充。本研究采用太阳辐射热作用下的采暖用能变化来总结节能设计策略，思维模型较为粗糙，后续将对太阳辐射热作用过程进行拆解，可进一步针对性提出强化太阳辐射热利用效果的设计策略。此外，本文主要围绕建筑本体设计要素展开利用太阳辐射节能的设计策略研究。

图、表来源

图1：参考文献[14]，根据标准层典型平面图改绘；表3：根据参考文献[14]进行整理绘制；

其余图、表均由作者绘制。