拉萨院落式住宅太阳辐射热利用优先的设计应用实验＊

2022-04-11姚慧王慧琳武玉艳多庆巴珠陈景衡赵龙

建筑技艺 2022年2期

姚慧王慧琳武玉艳多庆巴珠陈景衡赵龙

1 研究背景

拉萨太阳辐射强烈，素有“日光城”之称，采暖季（11月—次年3月）的总太阳辐射量大约是北京的两倍、挪威的十倍、柏林的六倍。最冷月（1月）的平均气温-1.6℃，与上海、西安等城市相差无几，夏季气温舒适。住宅建筑供暖期长，约占全年时长的三分之一，但每日供暖负荷并不大，且夏季无需空调。这种独特的地域气候条件为当地住宅建筑利用太阳辐射改善冬季室内热环境、降低采暖能耗的被动式绿色设计技术路线提供了基础。从建筑全过程节能角度来看，建筑用能由建筑本体减需向设备系统高效输配逐级削减，高寒且太阳辐射资源富集条件下，住宅建筑本体可承担70%采暖用能，拉萨地区住宅建筑直接利用太阳辐射得热能够满足冬季室内人体基本的热舒适要求。

西藏自治区“十三五”期间计划易地安置人口26.6万人，搬迁定居点现均以低层院落式住宅为主。拉萨市堆龙德庆区古荣乡高海拔生态移民搬迁安置项目总规模3.2万m，由政府主导投资建设，于2018年6月通过验收并投入使用（图1）。其安置住房均为院落式住宅，1～2层，每户占地面积不大于180m，户型人均建筑面积按25m控制，户型分为以下三类（图2）：两室（建筑面积80m和100m）、三室（建筑面积120m和150m）、四室（建筑面积180m）。其中三室户型规模占比45%，为典型居住单元。该项目是科技部国家重点研发计划项目课题“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”的示范工程。

拉萨于2003年被列为供暖地区，由于当地常规能源匮乏，集中供暖设备系统建设、维护工程的执行限制和困难较多，因当地低气压、低含氧量的气候条件和居民习惯间歇性采暖的使用需求会导致燃料严重浪费。古荣乡高海拔生态移民搬迁安置住宅采用分户供暖方式，住户可根据室内热需求自行采暖。

从绿色建筑设计角度来讲，低层院落式住宅体形系数大，虽热散失表面积大，但建筑内部空间单位体积直接接收太阳辐射的表面积也相对较大，屋面和南立面均可直接接收太阳辐射，与室外环境热交互敏感。发挥院落式住宅形体的太阳辐射热利用优势，实现利用太阳辐射替代常规采暖用能或满足冬季室内人体基本热需求，是示范工程绿色设计的键术技关。

2 分级逐层适配太阳辐射的热利用设计应用

应用课题组研发的西部太阳能富集区居住建筑“三阶五步”分级绿色设计方法，基于目前城镇住宅常规设计流程，深化落实拉萨堆龙德庆区古荣乡高海拔生态移民搬迁安置项目院落式住宅太阳辐射热利用设计决策要点及技术措施（图3）。

（1）第一阶段，预判项目太阳辐射热利用目标等级，决策户型空间模式对住宅太阳辐射热利用潜在影响。

根据西部太阳能富集区居住建筑太阳辐射热利用目标等级，确定古荣乡高海拔生态移民搬迁安置项目的太阳辐射热利用目标为“一级区一级住宅建筑类型”，有条件利用太阳辐射实现采暖用能全替代。在院落式住宅户型选型环节，以居住单元占地面积、建筑面积的大致范围为前提条件，从院落围合方式对主体建筑日照遮挡情况和主体建筑的体形系数、单位体积可直接接收太阳辐射表面面积、户内“日射得热直接利用区”（图4）覆盖面积占比，预判三类当地常见院落式住宅户型空间布局模式对住宅太阳辐射热利用的潜在影响（表1）。安置住宅选用二合院退台式空间模式，庭院进深与南侧高度比不小于1.34，保障主体建筑获得充足日照。为降低该建筑物化阶段和施工建造阶段的环境负荷、减少二氧化碳排放，该项目选用钢框架结构。

（2）第二阶段，户型空间布局优化与立面形态构造分区适配。

根据户内功能空间热舒适等级分类，空间分级组合适配户内“热利用分区”，调试功能空间尺度，扩大户内“日射得热直接影响区”覆盖范围（图5），优化“热利用分区”界面分类（图6）。遵循当地居民对“主室”生活形态的空间需求，该项目取两开间设主室，与同为一级热舒适空间的卧室均设于“日射得热直接利用区”；将热舒适需求较低的储藏室、卫生间、户内楼梯间设于“日射得热利用薄弱区”，作为主室、卧室的热缓冲空间，减少主室、卧室的热散失。

1 院落式住宅鸟瞰

2 不同户型条件下的院落式住宅效果示意

3 太阳辐射热利用设计流程

表1 三类院落式住宅太阳辐射热利用潜力分析

针对“热利用分区”界面，根据空间使用功能和热舒适需求等级，分空间贯通组合、植入热补偿腔体和强化界面保温三类设计措施进行优化：1）将楼梯间与主室贯通，扩大太阳辐射得热直接影响范围，提升北侧楼梯间的环境热舒适；2）在80m两室户的南、北卧室之间植入太阳能“热水墙”，利用屋顶太阳能集热设备补偿位于“日射得热利用薄弱区”卧室的热需求，该项设计措施考虑住房分配、造价和维护等执行限制，工程建设未实施；3）储藏室与主室的隔墙采用内保温以强化主室的保温效果，由后期落实细部构造。主室、卧室进深尺度相对较大，层高调整为3.2m、提高南向外窗顶高，扩大“日射得热直接利用区”范围，使其均被“日射得热直接利用区”覆盖。以典型居住单元为例，通过户内功能空间组合及尺度调试，主体建筑户内一级热舒适空间全部位于“日射得热直接利用区”内，被户内太阳辐射得热直接影响范围覆盖的面积占户内面积的85%。

拉萨建筑不同朝向围护结构的太阳辐射热分布不均匀、差异明显，需对立面分区进行形态构造分型设计。针对南向围护结构、屋面等潜在得热区，设计方案应用外窗直接得热与太阳墙热利用技术原理，结合地域风貌设计需求，将红色金属窗檐、黑色金属窗套与双层外窗组合设计，增加得热构件面积，并起到遮阳、避免眩光的作用；通过内外层窗户的启闭，动态适应季节性、昼夜间气候环境变化；利用退台形式，在主室屋面设天窗集热。这两项得热设计措施在造价、施工时长等工程执行限制下，以南立面大面积开窗替代。为减少围护结构失热区热散失，东西向不开窗，北向只开满足采光需求的小窗，各朝向窗墙面积比见图3。

（3）第三阶段，对材料、部品组件进行组合调试，优化细部节点构造，落实技术指标。

当地建筑材料主要依靠外地输入，运费、人工费消耗大。安置住宅材料部品以优先选用当地成熟部品为原则，分别对围护结构潜在得热区、失热区的外窗传热系数、太阳得热系数、气密性等级、非透明围护结构传热系数等性能参数进行循环验算，落实围护结构构造方案，热工性能参数见图3。

潜在得热区外窗太阳得热系数对室内太阳辐射增益影响敏感，设计方案推荐采用双层组合窗户，分型选用内外层窗户，通过窗户的启闭，实现组合窗太阳得热系数与传热系数的昼夜差异化转变，以适应昼夜气候环境的周期性变化；失热区选用保温性能较好的外窗进行双层组合，代替造价高昂的高性能外窗。经实验测试，当外层窗选用断桥铝合金双层中空玻璃窗、内层窗选用断桥铝合金低辐射中空玻璃窗、两层窗间距为200mm时，组合窗的传热系数为1.05W/（m·K）。双层组合窗节能预测效果目前难以在工程通用节能计算审查中显现，不便从技术经济性角度决策应用，因此工程建设并未采用。针对屋顶和露台保温性能的提升需求，该项目结合室内吊顶模块与楼板形成双层屋面，利用屋面间的空腔强化屋顶、露台的保温性能。

4 拉萨城镇住宅室内太阳辐射热利用空间分区

3 太阳辐射热利用效果测评

古荣乡高海拔生态移民搬迁安置项目于2018年6月投入使用，课题组于2020年1月对安置住宅室内温度进行测试，测试期间均为晴天。从室内外环境测试结果来看，测试期间室外气温-6～10℃，风速集中在1～5m/s，太阳辐射强度为400～800W/m，主室空气温度全天维持在9～14℃，阳光间日间气温可达16℃，北向储藏室、卫生间等室内温度8～10℃（图7）。

5 扩大户内日射得热直接影响区的设计技术措施

6 户内热利用分区界面优化设计措施

2020年12月，课题组采用问卷的方式对使用者进行室内环境热舒适调查，用ASHAE7级标度表示使用者的室内热感觉。访问时段为11:00～17:00，此时太阳辐射热作用效果明显且为使用者日间活动最频繁时段。共访问82户，收集有效问卷100份，其中男性占比54%、女性占比46%，受访人员年龄为16～70岁，均身体健康。问卷填写过程中，受访人员按照日常生活正常着衣，受访时均为静坐、站立或从事轻体力家务劳动。问卷结果显示，日间室内热环境“可接受”样本占总样本比例的91%。

安置住宅日间依靠太阳辐射得热满足使用者室内热需求，夜间开启电取暖设备辅助供暖，设备使用时间大多集中在19:00～20:00，因采暖耗电量在测试中难以单独计量，故将其计入综合电耗。按照采暖设备开启时间预估，供暖时长大约缩短83.3%。经过对实验住宅项目全年建筑能耗的采样统计，计算其全年户均燃气消耗为95.8m/（a·H）、户均耗电量（含综合电耗和采暖耗电量）为1 751.3kW·h/（a·H），较《民用建筑能耗标准》（GB/T 51162-2016）拉萨市居住建筑燃气消耗约束值降低31.6%，较综合电耗约束值降低35.1%。采暖能耗具体降幅尚未计算，还需依赖暖通工程师做进一步测算。实验住宅建筑全生命周期单位面积碳排放量为2.54tCO/m，较2005年基准值减少45.14%。

4 研究结论

古荣乡高海拔生态移民搬迁安置项目院落式住宅应用课题组提出的分级逐层适配太阳辐射的热利用技术方案，采用当地成熟的建造体系和部品，在不增加造价的情况下，实现了建筑直接利用太阳辐射得热满足冬季室内人体基本热舒适需求的要求，达到了课题示范工程制定的目标效果。初步践行了建筑直接利用太阳辐射热来减少采暖能耗的绿色建筑设计流程。

通过这次应用实验，太阳辐射热对室内热环境的改善效果显现，但随着居民对室内环境热舒适性需求的提升，太阳辐射热利用效果还有较大的提升空间。这要求建筑师在前期设计决策层面，主动强化对太阳辐射资源利用的认知，理解住宅建筑类型形体自身太阳辐射热利用优势及需要重点平衡的设计要点，建立整体的辐射热利用技术原型。在具体操作层面，需对辐射热利用效果影响明显的空间设计要素、围护结构形态构造设计要素进行约束与引导；对构造措施、部品等开放性设计建立相关图集。执行过程中，由于得热设计措施热补偿效果难以在通用节能计算审查中直观预测，材料部品组合措施的成本增量与建筑整体性能之间的平衡尚难判断，如能有相关标准、图集引导和计算工具支撑，则能更好地辅助设计决策。