一種自適應地域特征的鄉村太陽能建筑設計方法
——以2019“臺達杯”獲獎作品“陽光·風動”為引

2021-03-04 08:44:34宋汪耀周鐵軍張海濱謝瑞杭

建筑技藝 2021年2期

宋汪耀周鐵軍，2 張海濱謝瑞杭

1 重慶大學建筑城規學院

2 重慶大學山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室

以合理性與機能性為第一要務的現代鄉村住宅忽略了建筑的個性，安藤忠雄說：“現代住宅并不意味著為滿足商品經濟而缺乏個性，住宅能呈現當地居民長久的生活狀態和氣候風土，應當具有本土性。”“陽光·風動”作為2019年“臺達杯”獲獎作品，其設計挖掘傳統建筑潛在的節能策略與人文特征，與被動式太陽能技術一起融入新建筑[1]，使三者耦合一體（圖1）。具體措施如下：體型主要考慮傳統體型以及最佳節能體型系數的限制；平面以被動風壓通風為主，借鑒傳統建筑構建平面穿堂風的策略，局部采用混凝土相變蓄熱地板；在傳統立面適應地域氣候的策略上進行優化，并植入適宜的被動制冷采暖組件，配合植物生命周期控制立面得熱[2]；剖面圍繞地域空間形態進行熱壓通風降溫設計，將陽光間與太陽能煙囪整合于樓梯、門廳的玻璃腔體中，形成“樓梯—門廳—吊頂—地板”一體化的降溫集熱系統；節點采用新型模塊夯土墻、長波輻射冷卻玻璃窗、新型容器式屋頂綠化等構造，形成一種適應地域特征的鄉村太陽能建筑設計方法。

1 基地條件、地域建筑特征

項目位于桐廬縣鳳川三鑫村鳳溪玫瑰教育研學基地內，在三山夾谷、兩溪交匯的小河谷平原上。夏熱冬冷，季節差異較大，夏季盛行東北風，冬季盛行北風，全年伴有少量西南山谷風，風速3～4m/s，太陽能資源屬于三類。

以典型地域鄉土建筑為對象，按時間、空間、形式、功能、技藝的順序分析其建造行為的組織模式，總結地域鄉土建筑的三種形態：“一字形”屋、“對合式”院落、“復合式”院落。“一字形”屋以山墻與山墻的連續拼接形成風巷帶，風巷帶是古村落的交通體系，也是古鎮基本肌理以及村落規劃對風環境做出的適應性策略。“一字形”屋底層不設走道，每個房間直接對風巷帶開門，穿堂風與風巷帶協同帶走室內熱量，部分風巷帶還會配合水渠加強通風降溫效果。“對合式”院落和“復合式”院落具有內向型的庭院或天井，多呈狹長或孔狀矩形，可以起到采光、排濕、通風、換氣的作用。坡屋頂向庭院、天井內出挑0.6～0.8m，防止陽光的直射。院落兩側山墻的兩次間各有一條夾道，被稱為四尺弄，四尺弄將天井與室外直接連接，形成“四尺弄+天井”的通風體系[3-4]。

2 自然要素指導節能規劃設計

太陽能鄉村建筑在規劃前期著重考慮建筑對地域氣候以及物理地形的適應[5]。以傳統古村落的風巷帶作為交通以及適應地域氣候通風策略的規劃思想，并將其作為現狀建筑規劃布局的基本準則，而后充分考慮風、光、水、山等自然地形要素對建筑節能規劃設計層面的制約，進而做出應對策略。

2.1 日照制約

在建筑設計層面，日照主要制約建筑的采光設計、太陽能板系統的最佳迎面角度、建筑遮陽體系設計等。在建筑規劃布局層面，日照主要指導建筑的朝向布局。將桐廬當地日照參數導入節能模擬軟件進行模擬，得出建筑布局的最佳朝向為南偏西15°～南偏東25°（圖2），在此范圍內達到全年得熱與散熱綜合平衡點。

2.2 風環境制約

主導風向制約著建筑的通風布局。利用夏季主導風的基本方式有兩種，一是將風引入建筑之間形成風道帶，利用風壓通風；二是風向與建筑垂直交接形成穿堂風，冬季規避主導風。“陽光·風動”基地夏季為東北主導風，受制于建筑的朝向布局，因此選擇利用風壓通風的策略。建筑小體量連續行列排布，形成三條東西向橫穿基地的風道帶，風道帶在東側擴大、西側收縮，成漏斗狀，與頂端局部架設的玻璃頂協同優化風道帶的通風效果（圖3），同時北向連續體量也阻擋了冬季主導風。最后將基地的風環境數據導入Winnar中，對建筑風環境進行可行性驗證及評估，優化調整建筑布局（圖4），從而創造合理、利于節能的外部風環境。

1 陽光·風動效果圖

2 建筑布局的最佳朝向

2.3 地形環境利用

地域性鄉村太陽能建筑設計應充分利用地形組成要素（如植物、水體、山等），在適應地形的基礎上進行節能設計。此過程主要側重植物和水系的利用，例如屋頂綠化隔熱、利用植物壽命周期遮陽、水系作為自然冷源調節建成環境的微氣候、與風結合加強通風降溫效果等。“陽光·風動”利用地形進行節能設計，將周圍玫瑰基地的花草移植于建筑屋頂，有效阻斷夏季屋頂的熱量傳遞。南向配合落葉喬木，減少夏季立面的直接得熱；北側臨水建筑架高2 400mm，在創造開放空間的同時，引河流冷空氣進入風道帶，加強通風降熱效果。將其他建筑組團底部架高900mm，首層地板設置可開啟通風口，加強底部的通風、隔濕。同時將建筑底部的冷空氣作為冷源，通過通風口引入室內，提升室內舒適度。

3 適宜被動式太陽能技術與地域建筑耦合設計

3.1 耦合概念

引入電子學和電信工程領域的“耦合”概念，“耦合”就像一個電容器，可以幫助直流與交流電適配互轉，使兩者兼容共存。地域性鄉村太陽能建筑設計包含三個對象：適宜的太陽能技術、建筑形式與功能、建筑地域文化特征。三個對象之間的融合關系以及一體化的設計過程是鄉村太陽能建筑的最終走向，建筑的體形、平、立、剖設計過程為中間介質“電容器”[6]，兼容太陽能技術與典型民居建筑的地域文化特征。

3.2 形體耦合設計

體形系數是建筑節能的一項重要指標，體形越復雜、系數越高，越不利于建筑節能。假設建筑的長為2a、寬為a（長寬比2:1）、高為 H，則體形系數計算公式為：

若建筑的總體積和長寬比一定，那么該建筑就能得出一個最佳節能設計尺寸[7-8]。因此，在體積一定的前提下，建筑的長寬比相當重要，它與建筑朝向一起影響著建筑接受輻射的熱量（表1）。

分析上述數據并結合模擬的桐廬本地建筑最佳朝向結果得知，在體積滿足功能排布的前提下，建筑的平面長寬比宜為1:1，帶入公式可求得最佳高度。最終，在建筑體形設計過程中，采用傳統民居的坡頂形式，并與太陽能光電、光熱板的最佳傾角結合，選取合適坡度值，再與建筑最佳節能體形系數綜合，在滿足平面功能布局的前提下，選定長10.8m、寬9.9m、高7.2m、屋頂坡度25°的建筑體量。

3.3 平面耦合設計

平面耦合設計從傳統平面特征的現代化轉譯出發，在自然通風、避免過量太陽輻射的設計中遵守窗門對位、避免套間（家具）遮擋室內穿堂風道、設置南向熱傳遞緩沖區的原則。“陽光·風動”將傳統建筑“一字形”平面、“內向型”庭院的特征進行現代轉譯，公共教學、體驗中心給予開放的庭院空間，居住部分建立相對內向的庭院空間秩序。以風道作為各功能區的公共交通空間，將居住功能房間的陽臺、廁所置于南向，形成熱量傳遞緩沖區。走廊設置于北側以規避冬季主導風，陽臺地面采用相變蓄熱地板集熱，整合陽光間、熱壓通風系統于門廳、樓梯的玻璃腔體中（圖5）。進而形成了“北單廊—復合功能玻璃樓梯間、門廳—不同功能、不同開放程度庭院”的平面布局。

3.4 立面耦合設計

將技術、傳統策略耦合于立面設計中，遵守傳統建筑立面特征，在現有傳統建筑立面適應氣候策略的基礎上進行改良，將更為細致的現代節能組件和被動式組件植入立面[9-10]。桐廬傳統民居的厚墻小方窗形式，在遮擋太陽輻射的同時也導致了通風采光的不足。在此基礎上進行立面被動式策略層次的優化，將小方窗形式復制，擴大采光面積，增加陽臺空間緩沖隔熱。將傳統挑檐形式弱化并轉譯，融入立面中，形成傾斜15°的立面自遮陽體系[11]，使其能夠在夏季遮陽、冬季得熱（圖6，7）。最后于立面各部位植入適宜的被動式采暖組件及被動式制冷組件（表2）。

3 風道帶優化

4 建筑風環境模擬以及優化

5 復合功能樓梯、門廳玻璃腔體

6 自遮陽體形

7 夏、冬立面輻射對比

表1 不同長寬比和朝向的外墻接受輻射的比值

表2 被動采暖制冷組件植入建筑部位

3.5 剖面耦合設計

剖面設計包含空間形態與梁、柱、墻板等支撐維護體系兩部分。受地域環境和文化特色的影響，“陽光·風動”以空間形態轉譯的方式構建傳統建筑剖面，并采用隱喻、暗示等方法回應地方文化特征[12]。墻、樓板、梁、柱部位協助構建陽光間、熱壓通風系統和相變蓄熱系統，從而使建筑達到節能的目的[13]。剖面以物理環境為基礎，將北側臨水面架空，創造良好的交往空間和景觀視野。借鑒傳統建筑二層朝庭院天井出挑走道兼作遮陽與活動空間的思想，建筑剖面朝庭院出挑開敞走道，回應地方建筑空間形態。

將陽光間、熱壓通風系統和相變蓄熱系統統一布置于雙層玻璃樓梯間（外層為普通玻璃、內層為長波冷卻輻射玻璃）和門廳內，形成降溫集熱系統（圖8）。屋頂樓板局部采用蓄熱混凝土，并建造四面開口雙層屋面空腔，做熱緩沖層。夏季關閉腔體下部樓板出風口，開啟外墻出風口，隔絕屋頂熱量；冬季關閉外墻出風口，開啟腔體下部出風口，為室內提供熱量（圖9），從而營造節能、生態、本土的剖面。

4 節點節能與主動式補償

鄉村太陽能建筑的節點節能設計主要考慮門窗、墻體的保溫隔熱以及樓地面的構造設計。“陽光·風動”采用工業節能門及雙層中空長波輻射冷玻璃窗，外墻構造創造性地運用保溫隔熱性能良好的原始鄉土材料制作的模塊夯土墻（圖10），替代磚作為填充物使用[14]。樓蓋層平坡結合，坡面以太陽能光電、光熱系統做主動式補償，平面采用較傳統綠化屋面更方便管理、造價更低的新型容器式屋面綠化[15]（圖11），以主、被動技術的耦合解決被動式蓄熱、放熱不可控的問題（圖12）。夏季夜晚熱壓、風壓通風效率大幅降低，蓄熱組件放熱，以靜音軸流風機輔助通風平衡室內外溫度；白天在被動通風不足的時段空調系統輔助制冷，提高室內舒適度。

5 結語

節能是當下建筑設計圍繞的主題之一，也必將是未來很長一段時期討論的主題。目前，太陽能技術的研究已經有了許多成果，現代鄉村建筑中也逐漸出現了太陽能產品的運用，但仍缺乏對主、被動式太陽能技術系統性的設計。同時對于鄉村建筑設計本身的考慮不足，鄉村振興背景下的鄉村建筑應當是節能的、地域的，應該更注重“鄉土”與“本土”精神。從基地物理條件出發而展開的系統性被動式太陽能技術，通過與建筑、地域精神耦合的設計方法，可以為今后鄉村建筑的發展指出方向，也可以為鄉村太陽能建筑設計提供一種思路。