基于氣候分析的綠色住居環境熱性能設計策略★

張　磊　黃　欣

(1．同濟大學建筑與城市規劃學院，上海　200092; 2．高密度人居環境生態與節能教育部重點實驗室，上海　200092;3．同濟大學浙江學院，浙江嘉興　314000)

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基于氣候分析的綠色住居環境熱性能設計策略★

張磊1，2黃欣3*

(1．同濟大學建筑與城市規劃學院，上海200092; 2．高密度人居環境生態與節能教育部重點實驗室，上海200092;3．同濟大學浙江學院，浙江嘉興314000)

摘要:介紹了基于氣候分析的綠色住居環境熱性能設計理念，以上海地區為例，運用計算機軟件分析了溫度、濕度等氣象體檢，從太陽輻射、建筑朝向、體形系數三方面提出了綠色住居環境熱性能設計策略，滿足了建筑內部的熱舒適條件。

關鍵詞:綠色建筑，熱性能，氣候條件，住居環境

0　引言

基于氣候分析的綠色住居環境熱性能設計策略是以達到良好的住宅熱性能為導向的設計理念。主要研究對象是熱性能分析對住宅設計本身產生的導向作用，而對于通過采用主動式節能設備來提高熱舒適的做法本文中暫不做討論。

本文以上海地區的氣候條件為例，探討基于參數化技術的建筑熱性能設計策略，其研究的主要應用目標之一是通過數值量化的交互設計，在性能分析和建筑設計之間建立某種聯系，使建筑性能成為建筑生成的重要參數，與其他設計條件要素達到更優化合理的整合。

1　上海地區主要氣候條件解析

1．1日氣溫變化分析

上海地區最高氣溫與最低氣溫的位相變化不大，在正常的天氣條件下，最低氣溫一般出現在日出前1 h內，最高氣溫出現在正午的1 h～2 h。日較差即一天中最高氣溫與最低氣溫的差值。上海地區的日較差有明顯的季節變化，春秋季大于冬夏季。這是由于春秋兩季晝夜時長相差不大，白天受熱和夜間散熱都有充分時間，使晝夜之間日較差增大。夏季晝長夜短，白天吸收大量熱量，夜間來不及散熱，氣溫一直偏高;冬季反之晝短夜長，白天吸熱不多，晝夜氣溫一直較低。因此，夏季防熱和冬季蓄熱是上海地區熱舒適設計的重點環節。

1．2溫濕度逐周變化分析

從上海地區平均溫度逐周數據分析圖(如圖1所示)中可以看出，上海地區平均溫度曲線呈明顯的駝峰型，說明在一年的時間跨度中，冬夏兩季的氣溫差異明顯。

圖1　上海地區平均溫度逐周數據分析圖

圖2為上海地區相對濕度的逐周數據分析，頂視圖顯示了每日中午前后的相對濕度較低，而夜間的濕度較高;波形年變化圖顯示出相對濕度在全年范圍內的變化規律:夏季濕度較高，冬季濕度較低。最高濕度出現在第27周前后(7月上旬)，最低濕度出現在第50周前后(12月中旬)。波形日變化圖體現了相對濕度在一天中的變化規律:每天的最低濕度均出現在12點～16點之間的范圍內，而最高濕度較多出現在午夜12點前后。

圖2　上海地區相對濕度逐周數據分析圖

綜合各項因素通過適當的朝向和遮陽設計避免夏季過高的熱輻射和通過建筑體形、圍護結構的設計減少冬季熱交換是上海住宅熱舒適設計的重要方面。

2　基于氣候分析的綠色住居環境熱性能設計策略

2．1太陽輻射主導下的綠色建筑設計策略

太陽輻射是人類聚居最重要的環境因素，也是建筑得熱的主要來源。因此，對太陽輻射的控制與利用是建筑熱性能研究中至關重要的策略。

在可持續設計中，太陽輻射主要對住宅朝向的選擇和住居環境中的植物配置方案發生影響。其中，住宅朝向的選擇是太陽輻射、日照、通風等因素共同作用的結果。而植物配置和景觀設計可以借助光合有效輻射分析完成。

光合有效輻射分析對住宅區內特定時段上的太陽輻射進行考察，以此為依據為植物配置提供決策導向支持。圖3是依據上海市氣候資料對上海某高層住宅區的日照輻射分析圖。根據模擬結果，在太陽輻射高于6 MJ/(m2·d)的區域配置喜陽植物，而低于3 MJ/(m2·d)的低輻射區域配置喜陰植物。

圖3　光合有效輻射總平面分析圖

2．2朝向主導下的綠色建筑設計策略

朝向選擇是綠色住居環境熱舒適設計的重要策略之一。建筑朝向對住居空間所能獲取的太陽輻射熱量至關重要。依據各地氣候條件及人體熱舒適度的需要，對太陽輻射熱量的獲取進行控制是住宅朝向選擇的重要制約因素。

由氣候分析和上海市的建筑高容積率特點可知，上海地區住宅太陽輻射熱量主要由垂直面太陽輻射獲取。根據實驗模擬，就垂直面太陽輻射而言，上海地區的最佳住宅朝向是南偏東30°，且過冷時期(冬季)太陽輻射量較過熱時期(夏季)更大。除太陽輻射熱量外，朝向的選擇還與日照時數、地方習俗等因素有關。對于上海地區而言，建筑的朝向設計還需要綜合考慮夏季濕熱氣候條件下的通風效果。

建筑朝向的要求對城市規劃形態影響重大。中國的現代城市，以集合住宅為主導的城市空間中，住宅的布局方式對城市形態起著決定性的影響。行列式布局是中國城市集合住宅最常使用的布局方式，即便偶有錯列或者圍合，由于日照時數等規范的嚴格控制，也往往限于微觀上的靈活性調整，而無法改變整體的城市住區形態。

對可持續設計而言，中國傳統的朝向導向住宅布局的設計方式在住區環境性能的意義上是具有先進意識的。這種設計策略已經越來越受到國際社會的關注，英國的著名零碳住區項目BedZed與中國住宅有著相同的規劃模式，并且取得了極大成功。

2．3體形系數主導下的綠色建筑設計策略

對于傳統手段的建筑設計而言，體形系數因為難以與設計的圖示方法直接對接，而幾乎無法以直觀、有效的方式參與到建筑的形式生成過程中。參數化設計技術，使體形系數以性能參數的形式介入建筑設計前期成為可能。體形系數導向下的設計生成已經成為綠色住居環境設計策略的重要研究對象之一。

體形系數與建筑物的寬度、進深、高度和層數相關。實驗顯示，集合住宅的體形系數隨著層數的增高而呈衰減趨勢。當建筑物的長度、層數確定之后，建筑物的體形系數將會隨著層高的增高而減小，尤其對低層住宅影響明顯。體形系數的大小對建筑能耗的影響非常顯著，體形系數小，單位面積對應的外表面積越小，外圍護結構等傳熱損失越小。

體形系數不僅影響建筑能耗，還與建筑立面形式、平面布局、采光、通風相關。因此，對體形系數的研究必須綜合權衡利弊，尋求適宜性的解決方案。

3　結語

住宅熱性能是住宅建筑在不借助外界化石能源輸入的情況下，滿足室內人體熱舒適要求的能力。住宅熱性能越高，建筑內部的熱舒適條件越好，建筑在運行過程中的能耗就越低。本文在對上海地區的氣候進行評價分析的基礎上，對熱性能導向下的綠色住居環境設計的原理和策略進行了分析和闡述。

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Thermal performance design strategies of green residential environment on the basis of climatic analysis★

Zhang Lei1，2Huang Xin3*
(1．College of Building＆City Planning，Tongji University，Shanghai 200092，China; 2．Major Laboratory of Education Ministry for High-Density Residential Environment Ecology and Energy Saving，Shanghai 200092，China; 3．Zhejiang College，Tongji University，Jiaxing 314000，China)

Abstract:With an introduction on thermal performance design concept of green residential environment on the basis of climatic analysis，taking Shanghai region as an example，the paper analyzes temperature and humidity and other meteorological experience by applying computer software，and puts forward thermal performance design strategies of green residential environment from three aspects of solar radiation，architectural orientation and building shape coefficient．As a result，it meets internal architectural thermal comfort conditions．

Key words:green building，thermal performance，climatic conditions，residential environment

通訊作者:黃欣(1976-)，女，講師

作者簡介:張磊(1977-)，男，博士后

收稿日期:2015-10-30★:獲得國家留學基金委資助(項目編號:2007102384)

文章編號:1009-6825(2016)01-0189-03

中圖分類號:TU201．5

文獻標識碼:A