基于太陽能利用潛力的濟(jì)南市高校公寓設(shè)計

尹紅梅張靈芝房濤鄭仲意

(1.山東建筑大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2.山東省綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 濟(jì)南250101；3.同圓設(shè)計集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南250101)

0 引言

截至2019年，全國高校數(shù)量已達(dá)到2 956 所。面對不斷增長的學(xué)生數(shù)量，高校的建設(shè)規(guī)模也逐步擴(kuò)大，同時伴隨學(xué)生對學(xué)習(xí)和生活環(huán)境舒適度要求的提升，高校校園的能耗問題日益突出。目前，正在大力推行的綠色校園事業(yè)，目標(biāo)是在不降低舒適度的前提下，盡可能地節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，因此發(fā)展校園的可再生能源利用勢在必行。太陽能作為現(xiàn)階段利用技術(shù)最為成熟的可再生能源，具有建筑密度小、容積率低的先天優(yōu)勢，將會成為高校能源補(bǔ)充的最佳選擇[1]。在高校用能結(jié)構(gòu)中，尤以科研類建筑與生活居住類建筑用能最大，其中科研建筑能耗主要來自科研設(shè)備。由于各高校的研究方向不同，科研水平也參差不齊，因此不能一概而論；而生活居住類建筑能耗則主要來自于日常用電、用水，具有較大的同一性[2]。因此，合理評估高校公寓的太陽能利用潛力，研究設(shè)計參數(shù)對太陽輻射的接收影響，可對高校新建、擴(kuò)建的學(xué)生公寓太陽能利用規(guī)劃提供重要參照依據(jù)，對建筑設(shè)計具有重要的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

太陽能利用潛力研究主要分為物理潛力、地理潛力和技術(shù)潛力等3類[3]，而與建筑相關(guān)的分析主要集中于地理和技術(shù)潛力。Mohajeri等[4]從地理潛力的角度將歐洲各個地區(qū)的城市形態(tài)設(shè)計參數(shù)中的密度、容積率、場地覆蓋率與太陽能潛力進(jìn)行了相關(guān)性分析。Lee等[5]發(fā)現(xiàn)即使在相同的建筑密度條件下，改變建筑高度的組合，能夠影響太陽輻射接收水平。Chatzipoulaka 等[6]量化了城市空間形態(tài)的關(guān)鍵設(shè)計因素，提出了建筑物平均間距、建筑形式、建筑高度會顯著影響太陽能利用潛力。Lobaccaro等[7]利用Rhinoceros軟件參數(shù)化分析方法，實現(xiàn)了建筑方案的太陽能獲取最大化。張華等[8]利用GIS分析方法計算天津市中心城區(qū)現(xiàn)有建筑屋頂及未來發(fā)展中建筑屋頂?shù)奶柲芾脻摿ΑＰ鞜鯷9]從地理潛力的角度對城市空間的太陽能利用進(jìn)行了潛力評價。Lu等[10]利用Radiance 軟件從技術(shù)潛力的角度對我國高緯度嚴(yán)寒地區(qū)城市住宅區(qū)規(guī)劃設(shè)計提出了太陽能利用設(shè)計策略。綜上所述，學(xué)者們從物理、地理、技術(shù)3個方向分別進(jìn)行了大尺度空間的太陽能潛力評估和特定類型、較小尺度空間的詳細(xì)研究，且其方向多集中于居住區(qū)及商業(yè)街區(qū)，但針對高校公寓類的研究可供借鑒的成果較為缺乏。

文章以濟(jì)南市高校公寓建筑為研究載體，通過分析高校學(xué)生公寓設(shè)計參數(shù)對太陽能利用潛力的影響，得到學(xué)生公寓單體設(shè)計與規(guī)劃布局的優(yōu)化策略，以期為綠色大學(xué)校園的建設(shè)提供科學(xué)的指導(dǎo)性建議。

1 區(qū)域概況與研究方法介紹

濟(jì)南地處中緯度地帶，由于受太陽輻射、大氣環(huán)流和地理環(huán)境的影響，屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)型氣候，其特點是季風(fēng)明顯、四季分明，春季干旱少雨、夏季溫?zé)岫嘤辍⑶锛緵鏊稍铩⒍竞渖傺Ｆ淠昶骄鶜鉁貫?3.8℃，年日照時數(shù)為2 400 h。該區(qū)域?qū)儆谔柲苜Y源較豐富區(qū)[11]，單位面積內(nèi)接收到的月總輻射量統(tǒng)計值如圖1所示。盡管濟(jì)南地區(qū)屬于太陽能資源較豐富的地區(qū)，眾多高校公寓在使用過程中也進(jìn)行了太陽能熱水系統(tǒng)的安裝與使用，但在設(shè)計過程中明顯存在太陽能資源評估滯后于建筑設(shè)計，以及太陽能集熱器安裝不合理等現(xiàn)象。

圖1 濟(jì)南市單位面積內(nèi)接收的月總輻射量圖

1.1 高校公寓建筑平面形式與布局形態(tài)調(diào)研統(tǒng)計

為保證調(diào)研數(shù)據(jù)的科學(xué)性和可靠性，分別對濟(jì)南市市域范圍內(nèi)的8所全日制普通高校(如山東大學(xué)興隆山校區(qū)、山東師范大學(xué)長清校區(qū)、山東建筑大學(xué)新校區(qū)、山東體育學(xué)院、山東女子學(xué)院、齊魯工業(yè)大學(xué)、山東工藝美術(shù)學(xué)院以及濟(jì)南大學(xué))的學(xué)生公寓進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)研，并在以上調(diào)研高校的公寓區(qū)內(nèi)選定77棟學(xué)生公寓作為數(shù)據(jù)來源。經(jīng)調(diào)研統(tǒng)計，公寓建筑平面共分為矩形、U形、Z形和回字形等4種平面形式，其中矩形平面學(xué)生公寓數(shù)量最多，共有61棟，其占比為79%；Z形平面公寓為8棟，其占比為11%；U形公寓為7棟，其占比為9%；而回字形平面公寓有1棟，其占比為1%。

在空間布局形態(tài)方面，通過對8所高校學(xué)生公寓的布局形式進(jìn)行調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，學(xué)生公寓區(qū)均以雙車道為邊界進(jìn)行公寓群的區(qū)域劃定，對樣本中8所高校的61棟矩形平面公寓樓進(jìn)行統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，空間布局形式多以平行行列式布局為主，容積率平均值為1.6。由此確定，文中針對高校公寓的研究類型將以量大面廣的矩形平面類公寓及行列式布局作為主要研究對象，其他平面類型和布局形態(tài)將在后續(xù)研究中進(jìn)行討論。

1.2 高校公寓設(shè)計參數(shù)統(tǒng)計與模型建立

針對61棟矩形平面高校公寓設(shè)計參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計后得到樣例數(shù)據(jù)見表1。建筑進(jìn)深的取值范圍相對較小，其為15～21 m；建筑面寬則跨度較大，其跨度為39～105 m。其中，面寬為39 m的矩形公寓僅有一棟，且在39 ～54 m 范圍內(nèi)并無相應(yīng)案例對應(yīng)，因此矩形平面的尺寸變化區(qū)間設(shè)定為54 ～105 m、進(jìn)深變化范圍為15 ～21 m、建筑層數(shù)則均為6 層。由于公寓建筑層高較難獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，因此借用朱秩蕾等[12]的研究成果，即我國高校學(xué)生公寓內(nèi)部凈高以2.8 m 為宜，考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件及地面、屋頂裝飾層厚度，建筑層高約為3.1 m，計入女兒墻高度后，6層學(xué)生公寓的建筑高度為21 m 較合理。借用此研究結(jié)論對文章調(diào)研公寓的層高進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)定，即建筑層高為3.1 m、總高度為21 m。

表1 矩形平面公寓設(shè)計參數(shù)統(tǒng)計分析表

綜上所述，在不考慮旋轉(zhuǎn)偏角的情況下，矩形平面建筑接收太陽能輻射量的規(guī)律是有相似性的。因此，可建立54 m×15 m×21 m 的長方體建筑為初始模型，以此典型模型為代表進(jìn)行閾值范圍內(nèi)的設(shè)計參數(shù)變量對太陽能利用潛力的影響分析。

1.3 太陽能利用潛力的評價標(biāo)準(zhǔn)遴選

針對建筑單體的太陽能利用潛力評估，太陽輻射在建筑表面的有效輻照量是重要的評判依據(jù)，因此需對建筑表面能夠達(dá)到有效利用標(biāo)準(zhǔn)的面積進(jìn)行精確計算。目前，孔帕尼翁標(biāo)準(zhǔn)作為建筑表面太陽能利用潛力的評判依據(jù)已被國內(nèi)外眾多學(xué)者所采用，其根據(jù)光熱和光電設(shè)備的使用特性及安裝方位，將建筑不同方位表面的年太陽輻射量劃分為4個評定指標(biāo)[13]，見表2。因此，在計算分析時應(yīng)當(dāng)以年總輻射量作為重要評價指標(biāo)，并根據(jù)其最低限值進(jìn)行建筑表面劃分和面積統(tǒng)計[14]。

表2 計算相應(yīng)太陽能技術(shù)潛力的閾值表/(kWh·m-2)

1.4 分析工具與方法

目前，國內(nèi)學(xué)者大多使用Ecotect Analysis作為主要工具對建筑表面太陽輻射接收量的模擬進(jìn)行計算。這款由Autodesk公司開發(fā)的仿真計算軟件可使AutoCAD的圖形文件直接導(dǎo)入建模，可快速準(zhǔn)確地模擬目標(biāo)建筑的熱環(huán)境、光環(huán)境、聲環(huán)境、建筑能耗等多項重要的建筑環(huán)境和指標(biāo)[15]。該軟件在計算建筑表面太陽輻射量時，可通過較細(xì)的建筑表面網(wǎng)格劃分，精確計算建筑外表面的太陽輻射量和遮蔽百分比。因此，文章針對不同設(shè)計參數(shù)取值下的參照模型外表面進(jìn)行年太陽輻射量計算統(tǒng)計，并根據(jù)孔帕尼翁標(biāo)準(zhǔn)，按照不同輻射量級分別對計算結(jié)果進(jìn)行面域劃分和面積統(tǒng)計，由此形成針對公寓的太陽能利用潛力的評估，同時以該項數(shù)據(jù)進(jìn)行公寓設(shè)計參數(shù)與太陽能利用潛力之間的相關(guān)性分析。

2 高校公寓太陽能利用潛力與設(shè)計參數(shù)相關(guān)性分析

2.1 公寓單體太陽能輻射量計算與評估

根據(jù)1.2中調(diào)研數(shù)據(jù)，公寓建筑平面寬度為54～105 m、建筑進(jìn)深為15～21 m、層數(shù)均為6層、高度為21 m。由此，針對面寬、進(jìn)深的取值范圍，取最小面寬進(jìn)深和最大面寬進(jìn)深分別建模，即建立54 m×15 m×21 m 和105 m×21 m×21 m兩個矩形，以此作為太陽能利用潛力的基礎(chǔ)模型。將以上兩個基礎(chǔ)模型在分析軟件中同時建模，朝向均為正南向，地理位置設(shè)定為濟(jì)南，氣象參數(shù)調(diào)用清華大學(xué)與中國氣象局?jǐn)?shù)據(jù)共同發(fā)布的Weather DATA數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，計算內(nèi)容設(shè)定為計算全年建筑表面太陽輻射接收量，計算時間為1月1日至12月31日。針對模型，因建筑層高設(shè)定為3.1 m，所以針對建筑表面計算網(wǎng)格劃分取值為3 m×3 m。因研究重點為分析設(shè)計參數(shù)對建筑外表面的太陽輻射接收量的影響關(guān)系，所以實際建筑中有可能出現(xiàn)的樹木、建筑外挑構(gòu)件和建筑表面材質(zhì)的影響在研究中暫未納入計算范圍，計算后得到兩個初始模型的表面輻射量如圖2 所示。

圖2 兩個典型模型表面太陽輻射模擬計算值圖

由圖2可知，在建筑高度一定的情況下，建筑平面的面寬和進(jìn)深無論如何取值，建筑南向立面的單位面積太陽輻射量均相等，即南向立面在無遮擋前提下，單位面積太陽輻射量不受設(shè)計參數(shù)的變化影響。對54 m×15 m×21 m初始模型的建筑外表面進(jìn)行太陽輻射量計算，以孔帕尼翁標(biāo)準(zhǔn)作為評價指標(biāo)，得到統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表3。

表3 公寓全年總輻射量達(dá)標(biāo)占比統(tǒng)計表

2.2 公寓單體設(shè)計參數(shù)與太陽能利用潛力的相關(guān)性分析

由表3可知，在太陽能光伏利用方面，初始模型外表面中僅屋頂達(dá)到最低年輻射量標(biāo)準(zhǔn)，東、西、南3個立面均未達(dá)到。在太陽能光熱利用方面，東、西、南3個立面均100%滿足標(biāo)準(zhǔn)。北向立面因無太陽直接輻射，所以無法進(jìn)行太陽能光伏與光熱利用。由此，對初始模型外表面的太陽能利用率進(jìn)行計算，計算式由式(1)和(2)表示為

式中：φ光熱、φ光伏分別為公寓外表面光熱、光伏利用率，%；S為面積，m2。

由式(1)和(2)的計算過程來看，公寓外表面的光熱利用率受北向立面占總外表面積比值的影響；光伏利用率受屋頂面積占總表面積之比的影響。由此，將公寓設(shè)計參數(shù)中的面寬、進(jìn)深、高度分別代入式(1)和(2)后，其計算式由式(3)和(4)表示為

式中：a、c、h分別為建筑面寬、進(jìn)深和高度，m。

將1.2 中提供的調(diào)研數(shù)據(jù)，即54 m≤a≤105 m、15 m≤c≤21 m、h＝21 m 代入公式(3)和(4)后，其計算式由式(5)和(6)表示為

由式(5)和(6)可以看出，光熱利用率是一個關(guān)于面寬a的減函數(shù)和關(guān)于c的增函數(shù)；光伏利用率是一個同時關(guān)于a和c的增函數(shù)，其計算式由式(7)和(8)表示為

即當(dāng)建筑高度為統(tǒng)一值時，為實現(xiàn)太陽能光熱利用率最大化，針對初始模型設(shè)計參數(shù)取值面寬取最小值為54 m、進(jìn)深取最大值為21 m 和利用率為73.5%；為實現(xiàn)太陽能光伏利用最大化，應(yīng)對面寬取最大值為105 m，同時進(jìn)深取最大值為21 m，利用率為29.4%。因此，在公寓建筑設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)公寓的能耗構(gòu)成特點，進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)取值。

2.3 公寓群體太陽能輻射量計算與評估

通過調(diào)研統(tǒng)計可知，對于矩形平面公寓均選用平行行列式布局，因此在研究過程中，將根據(jù)公寓的布局形式，以及公寓區(qū)調(diào)研得到的建筑容積率，對一定用地范圍內(nèi)的公寓進(jìn)行設(shè)計參數(shù)在不同取值下的多方案設(shè)計布局。以太陽能利用潛力值作為評估標(biāo)準(zhǔn)，同時研究二者之間相互影響關(guān)系，從而達(dá)到基于太陽能利用潛力下的學(xué)生公寓布局設(shè)計優(yōu)化。

在實際工程設(shè)計中，濟(jì)南市所屬建筑項目依據(jù)《濟(jì)南市城鄉(xiāng)規(guī)劃管理技術(shù)規(guī)定》第二十一條、第二十二條規(guī)定進(jìn)行設(shè)計。要求均為＜24 m 的南北向生活居住類建筑之間間距應(yīng)≥1.5 倍前排建筑高度并≥15 m；東西向生活居住類建筑的建筑間距在滿足國家強(qiáng)制性規(guī)范要求的基礎(chǔ)上按照南北向生活類建筑間距規(guī)定的0.8倍確定；生活居住類多層建筑側(cè)向間距≥6 m(生活居住類建筑側(cè)向主要生活居住空間開窗的，相應(yīng)側(cè)向間距宜增加2 m)。因此，結(jié)合研究初始模型高度h＝21 m 的設(shè)定，公寓南北向間距應(yīng)≥31.5 m，而東西側(cè)向間距應(yīng)≥6 m。與此同時，學(xué)生公寓在高校中屬于生活類建筑，學(xué)生日常生活對熱水需求要高于用電需求，因此，單體模型以光熱利用最大化為目標(biāo)進(jìn)行選擇，依據(jù)前述研究結(jié)論，單體模型設(shè)計參數(shù)選用面寬為54 m、進(jìn)深為21 m。同時，按照調(diào)研公寓空間行列式布局形式，結(jié)合1.6的容積率，以最大間距確定在210 m×180 m的基地上建立54 m×21 m×21 m矩形公寓9棟。令各公寓之間分別等距，可作三行三列平行式布局，在設(shè)計參數(shù)取值方面，南北向間距取最小值為31.5 m、最大值為58.5 m；東西向間距取最小值為6 m、最大值為24 m。由此對選用的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行排列組合，形成4種排布方式，如圖3所示。

圖3 4種公寓平行行列式布局形式圖/m

利用計算軟件Ecotect Analysis對4個方案分別進(jìn)行建模，軟件計算邊界參數(shù)取值參照2.1進(jìn)行相同設(shè)置，在模型數(shù)據(jù)統(tǒng)計選擇過程中，因公寓之間進(jìn)行等距布局，位于中心位置的公寓受到左、右公寓的遮擋，在太陽能利用方面最為不利，所以選用該公寓的外表面接受太陽輻射值達(dá)標(biāo)情況(見表2孔帕尼翁標(biāo)準(zhǔn))作為空間布局優(yōu)劣的評價依據(jù)。

對計算結(jié)果分別進(jìn)行統(tǒng)計，得到數(shù)據(jù)見表4。

表4 4 種方案中各立面與屋頂太陽輻射量計算統(tǒng)計結(jié)果表

從表4 的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，由于建立的9棟公寓單體設(shè)計參數(shù)為統(tǒng)一值，屋頂面積均相等，所以太陽能光伏利用并無差異，后續(xù)將以建筑外表面光熱利用率作為主要研究目標(biāo)。依據(jù)孔帕尼翁標(biāo)準(zhǔn)對立面進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)立面均無法達(dá)到光電利用標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)東西向間距較大時，即方案②和④的東、西立面有部分面積可達(dá)到光熱利用標(biāo)準(zhǔn)要求，對計算數(shù)據(jù)進(jìn)一步整理后得到統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表5。

表5 4種方案統(tǒng)計結(jié)果匯總表

對表5中各項數(shù)據(jù)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，對于平行行列式布局而言，當(dāng)保持東西間距為6 m時，建筑東、西、南3個立面上的太陽能光熱利用率不隨南北間距增大而變化，建筑表面總的光熱利用率也不變；當(dāng)公寓東西向間距設(shè)定為24 m時，此時東、西兩個立面上的太陽能光熱利用率隨著公寓南北間距增大而增大，建筑表面的光熱利用率也隨之增大。

2.4 公寓群體太陽能利用潛力與設(shè)計參數(shù)相關(guān)性分析

針對表5得到的結(jié)論，建筑表面太陽能可利用面積隨東西向增大而增大，但上述計算均只采用空間布局確定的間距最大值和最小值進(jìn)行計算，而忽略了中間取值對建筑外表面可利用面積的影響。因此，對行列式布局的公寓群體東西向間距進(jìn)行6 ～24 m 之間的變化取值，建立不同組合方案，進(jìn)一步分析。建筑東西向間距以3 m為單位作為步進(jìn)值，分別計算其在31.5和58.5 m兩個南北向間距條件下的公寓太陽能利用潛力計算，最終計算數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表6。

當(dāng)公寓南北向間距保持為31.5 m 時，公寓建筑西立面光熱利用率隨公寓東西向間距的增大而增大，而東立面在間距＞12 m后處于穩(wěn)定不變狀態(tài)。當(dāng)公寓南北向間距保持為58.5 m 時，建筑西立面光熱利用率隨公寓東西間距的增大而增大，建筑東向立面間距＞12 m 后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，到間距達(dá)到24 m時出現(xiàn)較大增長。與此同時，對南北向間距31.5和58.5 m的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，當(dāng)公寓東西間距保持不變且東西間距＜18 m時，建筑外表面光熱利用率保持一致；當(dāng)公寓東西間距保持不變且東西間距≥18 m 時，建筑外表面光熱利用率與其南北間距同向遞增。

表6 不同間距對應(yīng)東、西立面太陽能集熱達(dá)標(biāo)面積比表

3 結(jié)論

通過上述研究，可以得到以下結(jié)論：

(1)針對調(diào)研數(shù)據(jù)所建立的基礎(chǔ)模型，當(dāng)高度一定時，建筑外表面太陽能光熱利用率最大化的設(shè)計參數(shù)取值分別為面寬取最小值為54 m、進(jìn)深取最大值為21 m，其利用率為73.5%；建筑外表面太陽能光伏利用率最大的設(shè)計參數(shù)取值分別為面寬取最大值為105 m、進(jìn)深取最大值為21 m，其利用率為29.4%。因此，建筑面寬與光熱利用率負(fù)相關(guān)、與光伏利用率正相關(guān)而建筑進(jìn)深與光熱利用率和光伏利用率均正相關(guān)。

(2)針對公寓的平行行列式空間組合形式，當(dāng)公寓南北間距保持不變時，公寓外表面光熱利用率隨公寓東西向間距的增大而增大，當(dāng)其≥12 m時，東向立面可利用面積處于穩(wěn)定狀態(tài)，而西立面可利用面積則隨東西向間距的增大而持續(xù)增長。在東西向間距保持不變，即其值＜18 m時，建筑外表面光熱利用率隨南北向間距的變化而保持不變；當(dāng)東西向間距≥18 m時，建筑外表面光熱利用率與其南北間距同向遞增。

(3)針對目前高校公寓的能耗使用構(gòu)成，在公寓單體設(shè)計中建議以滿足光熱使用需求為主要設(shè)計目標(biāo)。同時，在獲取相同建筑使用面積的前提下，建筑應(yīng)在滿足使用需求的前提下，盡量增加建筑進(jìn)深，以此增大建筑外表面光熱可利用面積。

(4)針對目前公寓群體的常用平行行列式布局形式，從太陽能利用潛力最大化的角度進(jìn)行設(shè)計時，東西向間距可在規(guī)范要求范圍內(nèi)盡量增大，間距以12 m為宜，條件允許時以間隔＞18 m為最佳。