长三角夏热冬冷气候下的被动式绿色设计策略及其量化效果分析＊

2020-08-15张丽娜季亮方舟张宏儒

建筑技艺 2020年7期

张丽娜季亮方舟张宏儒

上海市建筑科学研究院有限公司

1 长三角地区气候特征分析

长三角地区位于北纬32°34'～29°20'，东经115°46'～123°25'，长江的下游地区，是长江入海之前形成的冲积平原。根据2019年国务院印发的《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》，长三角地区以上海市及江苏、浙江、安徽三省的27个城市为中心区，规划范围涵盖了以上三省一市全域。该区域夏季高温，大部分地区最高温度可达到40℃，极端时甚至能达到42℃，平均温度较同纬度其他地区高2℃左右；冬季寒冷，常有冷空气袭击，大部分地区平均温度0～8℃，具有典型的夏热冬冷气候特征。由于长江流域水网密集，夏季受江南春雨和江淮梅雨的影响，空气湿度高；同时受南边丘陵和山脉影响，夏季静风率高，局部区域会出现地方性风场。

长三角地区具有夏季闷热高湿、冬季阴冷潮湿的夏热冬冷气候特征，这种季节交替的极端性与气候对建筑设计提出了更高的挑战。该地区在进行绿色建筑设计时应做到统筹兼顾，处理好保温与隔热、日照与遮阳、通风与除湿的有效平衡。通过自然通风延长过渡季，减少主动能源的使用时间；合理运用遮阳设施，实现夏季有效阻挡太阳辐射得热，冬季减弱对太阳辐射的反向削弱作用；通过建筑体形设计控制体形系数、建筑空间与功能的设计、围护结构的设计与材料选用、屋顶绿化等措施，实现冬季保温和夏季隔热的要求；同时应充分利用自然采光，降低人工照明及空调能耗。

相比于其他气候区的“恒”（强化保温，增强气密），长三角地区的建筑设计应更加突出以“变”来应对夏冬两季对建筑的不同需求。这种“变”可以通过可变的建筑表皮来实现，如可调节遮阳、双层表皮、攀援落叶植物等；也可以通过不同朝向的窗墙比、热工性能参数的差异来实现。

2 被动式绿色设计策略选用

上文由长三角地区气候特征分析得出了该地区常用的几种被动式设计策略：自然通风、自然采光、屋顶绿化、固定遮阳、节能围护结构及可变建筑表层等。下面将从工程适用和设计角度探讨长三角地区被动式绿色设计策略的选用。

2.1 工程案例

长三角地区引领全国绿色建筑的发展，优秀的绿色建筑设计案例众多（表1）[1-3]。笔者调研了长三角地区72个绿色公建项目的绿色设计策略，其中绿色建筑三星项目24个、二星项目45个、一星项目3个。按照绿色设计策略在工程项目中的使用频次排序，结果如下：自然采光＞屋顶绿化＞自然通风＞地下空间采光＞固定遮阳＞节能围护结构＞中庭或天井＞活动遮阳（图1）。

2.2 设计调研

通过建筑师访谈及问卷调研的方式，了解建筑师对长三角地区绿色建筑设计策略的偏好、选用原则及关注要点。其中，问卷调研采用线上发放的形式，回收有效问卷77份。

表1 长三角地区典型绿色建筑设计案例

1 长三角地区绿色设计策略调研结果

调研发现，关于可变建筑表皮技术，被调研者中有13%表示不了解；可调遮阳、建筑外层使用攀援落叶植物和双层玻璃幕墙技术是建筑师最熟悉和最常使用的（图2）。在被动式绿色设计策略的使用方面，按照建筑师的使用频次排序，依次为：自然通风＞自然采光＞固定遮阳＞活动遮阳＞节能围护结构＞建筑形体遮阳＞立体绿化。其中，自然采光、自然通风、节能围护结构技术是大多数建筑师的必选策略（图3）。

2 可变建筑表皮技术了解程度

3 被动式绿色设计策略使用频次

从气候适应角度出发，建筑师普遍认为长三角地区夏季闷热、冬季阴冷，夏季日照辐射较强，在围护结构设计及材料选择上，应兼顾隔热和保温；遮阳设计在实现夏季有效遮挡的同时，应兼顾冬季日照；考虑到6～7月梅雨季节降雨多、湿度大，应采用恰当的通风除湿策略。

在建筑设计初期，关于建筑布局（如间距、朝向）和建筑环境（如声、光、热）等初步方案的确定，建筑师主要通过直接参考规范或者经验判断，也有多数建筑师采用软件模拟分析确定。但部分建筑师由于对建筑性能分析技术认识不够充分，且无专业的数值模拟分析团队配合前期方案设计，对于不同窗墙比、窗户/幕墙的可开启面积、遮阳形式等设计策略达到的预期效果不能做出快速的评估，这是绿色建筑设计中普遍存在的问题。

基于此，笔者所在团队结合数值模拟分析方面的经验，给出了长三角地区适用的自然通风、自然采光及遮阳三种设计策略的量化建议，以便建筑师快速查用。

3 通风设计定性及定量分析

3.1 通风设计原则与策略

自然通风的动力来源于风压和热压。风压主要是指建筑室外风作用在建筑物外围护结构，造成室内外静压差；热压主要产生在室内外温度存在差异的建筑环境空间。方案设计之初，应结合当地自然资源条件，充分利用风压与热压，优化空间布局、剖面设计和外窗设置，从而优化气流组织。

长三角地区通风设计关键布局策略：

（1）通过CFD软件分析建筑立面风压，确定开口位置、形式和大小，并进行验证性分析。

（2）开口位置、形式应有利于形成穿堂风，且减少通风死角。

（3）控制建筑进深小于14m，在建筑两侧设置通风口，保证穿堂风[4]。

（4）公共建筑中应通过大空间的布置，增强空间内部的自然通风效率。

（5）可结合中庭或边庭的拔风效应加强自然通风效果。

（6）采用中庭设计时，在建筑结构合理的前提下，可优先选择A字形剖面（如文丘里渐缩断面）；中庭体量应尽量小型化，以3～6层为宜，中庭高宽比宜控制在3:1左右[5]。

3.2 通风效果速查表

本文以24m（长）×16m（宽）×3m（高）房间为对象，采用CFD软件分析了不同可开启窗扇或玻璃幕墙与房间地板面积比（以下简称“开启窗地比”）、不同主导风向与开窗立面夹角情况下房间的换气次数，流风速设定为3m/s，结果如表2所示。考虑到不同类型窗的室内自然通风效果有差异，笔者所在团队通过对同一房间安装不同类型窗的室内自然通风效果进行数值模拟分析，得出上、下悬窗和平推窗的通风量折算系数，如表3所示。方案设计初期窗型确定后可以根据项目所在城市主导风向和来流风速大小来估算建筑的开口面积。

表2 自然通风效果速查表（换气次数：次/h）

表3 不同窗型通风量折算系数表

4 采光设计定性及定量分析

4.1 采光设计原则与策略

充分利用自然采光不但可以节省大量照明用电，还能提供更为健康、高效、自然的工作环境[6]。在确保自然采光效果的同时，应注意遮阳、眩目，提高室内采光均匀度。在方案阶段，通过侧墙开窗、天窗、中庭、导光管等方式，将自然光引入室内，提高室内自然采光效果。

长三角地区采光设计关键布局策略：

（1）合理控制房间进深，单侧采光的房间进深宜控制在10m以内。

（2）结合外遮阳构件，采取漫反射的方法，将更多的自然光引入室内。

（3）对于大进深和地下空间，宜优先通过合理的建筑设计改善天然采光条件，尽可能避免无窗空间[7]。大进深空间设置中庭、采光天井、屋顶天窗等措施[8]；地下空间宜采用下沉式庭院、半地下室、天窗。

（4）对于无法避免的情况，鼓励采用反光、导光设施将自然光线引入室内。其中地下空间常用的530mm导光管的采光面积可按22m2/个进行快速估算[9]。

（5）控制建筑室内表面装修材料的反射比，顶棚面0.7～0.9，墙面0.5～0.8，地面0.3～0.5[8]。

（6）单一立面窗墙比＜0.4时，透光材料的可见光透射比ρ≥0.6；单一立面窗墙比≥0.4时，ρ≥0.4[10]。

4.2 采光效果速查表

本文采用软件分析了12m（长）×10/12m（宽）×4m（高）两个房间不同窗地比、不同透光率情况下房间的采光系数平均值。长三角地区属于Ⅳ类光气候区，光气候系数K=1.1，室外天然光设计照度值Es=13 500lx，模拟房间地面、墙面、天花板反射比分别设置为0.3、0.6、0.75。计算结果如表4所示。

由于自然采光效果受周边建筑、遮阳构件及表面反射比的影响较大，在具体设计时除查上表外，应进一步通过数值模拟分析进行量化效果确认。

5 遮阳设计定性与定量分析

5.1 遮阳设计原则与策略

遮阳设计应考虑季节变化、朝向变化对太阳辐射的不同需求，注重遮阳设施的可调节性和气候适应性。

长三角地区夏季炎热、冬季寒冷，遮阳设计时应以减少夏季太阳辐射得热为主，兼顾冬季室内得热。在利用建筑之间或建筑自身的构件（阳台、构架、挑板）、形体形成互遮阳和建筑自遮阳的基础上，优先考虑设置可调遮阳设施，尤其是东向和西向；采用固定遮阳时，需配合使用反射比高于0.6的内部可调遮阳措施，且南向宜设置水平外遮阳，具体位置、形式、尺寸等参数可结合数值模拟确定。

表4 自然采光效果速查表（采光系数平均值：%）

综上，长三角地区遮阳设计关键布局策略：1）充分利用互遮阳和自遮阳；2）优先采用可调遮阳；3）固定遮阳结合模拟优化设计。

5.2 遮阳效果速查表

为了方便建筑师快速选用固定遮阳的尺寸，本文采用软件分析了长三角地区典型城市——上海、杭州、南京、合肥夏季和冬季采用不同遮阳形式的遮阳效果，并将结果整理成速查表，供建筑设计人员在初期设计根据工程预期达到的遮阳效果，快速查图表以确定遮阳板的尺寸。本文的遮阳效果指与无遮阳工况相比，设置遮阳后立面累计太阳辐射得热的降低幅度。限于篇幅，仅列出上海地区6个朝向的横向遮阳设计速查表（图4）和6个朝向的竖向遮阳设计速查表（图5），详细内容可参考笔者之前的研究成果[11]。

根据分析结果，南向、东南及西南向均宜采用横向遮阳，兼顾夏季遮阳和冬季日照，遮阳板尺寸可按照L/H（遮阳板挑出长度/窗高）在0.1～0.2之间选取；竖向遮阳设计时，建议根据遮阳效果在10%～30%查表确定遮阳板挑出长度与间距。