改善熱環境的公共建筑形態設計優化

劉聰 單玥 朱嫻

摘要：本文針對夏熱冬冷地區的氣候特點，從形態設計手段著手，改善建筑熱性能，通過Ecotect（節能技術）等軟件分析設計手段對建筑熱環境產生的影響，得出該建筑熱工能耗趨勢，反映設計參數對建筑熱環境的影響。

關鍵詞：熱環境;公共建筑;設計優化

中圖分類號：TU242 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2021）15-0-02

在國民經濟高速發展的過程中，建筑業與交通運輸業能源消耗占比最大，在這種形勢下，降低建筑耗能，推進建筑節能，有利于減少大氣污染及溫室氣體排放，緩解我國能源壓力，同時也能為資源的高效、合理利用提供有力保障。建筑節能是可持續發展概念的體現，也是世界建筑設計潮流，已成為世界建筑行業共同關注的課題。因此，本文通過設計手段達到建筑本體節能，降低建筑中采暖和制冷能耗，為建筑節能設計提供科學依據。

建筑形態設計差異主要表現在建筑朝向、平面形式、圍護結構等方面，建筑受日照輻射影響存在很大的差異，需要分別考慮建筑形式、圍護結構參數，同時，建筑形式、圍護結構也會影響建筑能耗與光熱性能。為創造良好的建筑熱環境，設計優化方案主要從光、熱、風等方面綜合考慮。

1 建筑模型與氣候參數

1.1 建筑模型概述

該建筑設計方案位于上海市長寧區廣順路，地勢平坦、交通便利，是一個以養老為主的開發項目。建筑總占地面積2227.95㎡，容積率1.16，無地下室，采用平屋頂。建筑物各單元高度為19.8 m、16.5 m和6.6 m，對應6層、5層和2層，因此該建筑的熱環境模擬結果具有較高的代表性，涵蓋了長江三角洲地區低層和多層住宅樓常見高度。總建筑面積9340.18㎡，結構形式為框架結構，抗震設防烈度為7度。保溫外墻采用9 mm刨花板+160 mm石墨聚苯板+9 mm刨花板+12 mm空氣+10 mm石膏;屋面以及樓板保溫層在墻體基礎上去除空氣層;外窗采用三玻兩腔聚氨酯合金窗，玻璃厚度6 mm，中空玻璃空氣層厚度9 mm，傳熱系數為0.8W/（m2.k）。

1.2 熱氣候條件

上海地處北緯31°40'至31°53'、東經120°51'至121°12'之間，亞熱帶季風性氣候，年平均氣溫17.1℃。雨熱同期，日照雨量充足，四季分明，春秋較短，冬夏較長。6月至7月有梅雨，高溫一般出現在6月至9月。上海位于長江下游，夏季盛行東南風，冬季盛行偏北風。冬至日正午太陽高度角為35°34'，夏至日正午太陽高度角為82°26'。

圖1顯示的是上海全年的太陽輻射量，橫坐標為月份，縱坐標為對應輻射量。較粗的水平折線為平均輻射量，而較細的是每日相應時間的輻射變化。其中，中間淺色區域（6月至8月）為過熱時間，兩邊淺色區域（12月至2月）為過冷時間。分別將中間淺色區域與兩邊淺色區域設定為最熱與最冷月份后進行朝向分析，結果見圖2。圖2為建筑最佳朝向分析圖，圖中下方淺色光圈表示最佳位置，由大到小3個線圈分別表示最冷3個月、最熱3個月以及全年各個方向太陽輻射量，箭頭分別對應輻射量的方向[1]。綜合考慮最冷月份和最熱月份得熱需求，經過系統自動計算對應的得熱，得出最佳的朝向是偏北157.5°（下方箭頭所指方向）。建筑設計初期，按最佳朝向范圍建造，建筑的采光和日照能達到最佳效果。

2 熱環境優化設計

為使建筑的熱環境達到最優效果，采暖季充分利用太陽能獲得輻射得熱，炎熱季避免過多陽光進入室內，具體措施有三種。

2.1 圍護結構優化

南向采用大面積高性能玻璃窗形成直接受益式太陽能采暖系統，冬季充分利用太陽能資源采暖，見圖3。同時，墻體采用9 mm刨花板+160 mm石墨聚苯板+9 mm刨花板+12 mm空氣+10 mm石膏的保溫結構，屋面以及樓板保溫層在墻體基礎上去除空氣層，窗戶采用三玻兩腔聚氨酯合金，有效阻止了室內冷熱能的散失。

2.2 遮陽優化

夏季采用百葉式可調節外遮陽，同時加強外圍護結構的保溫隔熱，選用三玻兩腔隔熱窗、保溫隔熱屋頂等。上海地區夏季時間長，炎熱期設計時需要注意夏季溫度和濕度都較高。遮陽設計不但能阻止過多陽光進入室內，降低太陽輻射得熱和室內溫度，還能調節進入室內的光線分布，避免眩光產生，提高人體舒適度[2]。所以，夏季熱環境改善方案設計的重點在被動式遮陽設計（見圖3）。

2.3 自然通風優化

作為建筑內部的“室外空間”，中庭的設計除了分享外部自然環境外，還可以有效利用熱壓和風壓進行自然通風。當風吹向建筑物正面時，迎風面產生正壓，同時側面和背面產生負壓。開敞的建筑外窗及頂部，可充分利用這個壓力差進行自然通風。炎熱的夏季將室內的熱空氣排出室外，直接降低空氣溫度。在上海，梅雨季節可有效改善空氣的濕度，提高人體的蒸發換熱和對流換熱，改善熱舒適通風。

南向大面積玻璃幕墻的設計可以在冬季充分利用太陽輻射得熱，但也存在夏季得熱過多的問題[3]，而邊庭的引入可有效解決上述問題。除了作為熱緩沖區保溫隔熱，邊庭還可促進通風，且季節不同，邊庭采用的控制策略也不同[4]。夏季邊庭立面窗戶開啟，經太陽輻射加熱后，內部空氣由高側窗排出，在帶走室內余熱的同時，新鮮空氣經綠化冷卻后從邊庭下方進入室內，見圖5（a）;冬季邊庭窗戶封閉，經太陽輻射加熱后，內部空氣通過自然對流的方式進入室內，見圖5（b）。

3 熱環境改善效果分析

3.1 遮陽分析

圖6（a）（b）分別是采用水平遮陽和無遮陽措施下的太陽日均輻射。圖6中，水平遮陽南向窗戶日均太陽輻射量為97.65Wh，而無遮陽南向窗戶日均太陽輻射量為86.24Wh。可以看出，夏季水平遮陽措施可以有效阻擋夏季太陽光進入室內，降低空調制冷能耗。

3.2 圍護結構得熱分析

分別對（a）方案外保溫體系圍護結構和（b）方案一般圍護結構得熱進行分析（見圖7）。橫坐標代表月份，縱坐標代表得熱所占小時數。（a）方案采用結構上文已有涉及，（b）選取的一般圍護結構采用墻體220 mm實心磚+10 mm水泥砂漿層，屋面采用6 mm瀝青層+150 mm水泥+10 mm石膏面層，窗戶采用單層玻璃鋁合金窗框，傳熱系數為6W/（m2.k）。對比（b）方案的一般建筑圍護結構，（a）方案的高性能圍護結構夏季得熱始終維持在更低的小時數，說明夏季遮陽和圍護結構保溫優化很明顯地降低了空調的冷負荷。對比冬季圍護結構得熱發現，（a）方案在2月、3月寒冷季節有較好的圍護結構得熱，冬季熱量損失主要是圍護結構傳熱損失，因此圍護結構的性能對其整體的節能效果起到了至關重要的作用。

3.3 熱舒適度分析

圖8中的深色區域代表熱環境改善之后的降溫潛力，淺色區域代表熱環境改善之前的降溫潛力，從左到右分別代表了圍護結構蓄熱能力、夜間通風、被動太陽得熱、自然通風、直接蒸發降溫和間接蒸發降溫[5]。從圖中可以看出，圍護結構蓄熱能力、夜間通風、被動太陽得熱以及自然通風在設計優化之后熱舒適度都有大幅提高，上海地處沿海，氣候炎熱潮濕，高樓林立，熱量難以散失形成熱島，熱環境的改善有利于改善人居環境。

4 結語

本文從本區域氣候條件入手，通過南向大面積玻璃窗、保溫隔熱圍護、中庭和邊庭通風開展建筑方案優化設計，利用太陽輻射、圍護結構得熱和熱舒適度模擬優化設計結果，反映設計參數對建筑熱環境的影響，為建筑節能設計提供依據。

參考文獻：

[1] 陳婕，高虎. Weather Tool在綠色建筑設計中的應用[J].福建建筑，2010（8）：31-33.

[2] 嚴鈞，趙能，梁智堯. Ecotect在建筑方案設計中的應用研究[J].高等建筑教育，2009，18（3）：140-144.

[3] 韓培，梅洪元.寒地建筑緩沖腔體的生態設計研究[J].建筑師，2015（4）：56-65.

[4] 宋宇輝，曲冠華，原野，等.高層辦公建筑風環境性能優化設計研究與實踐[J].建筑節能，2020，48（10）：39-45.

[5] 趙玉芬，楊柳，張同偉.基于Weather tool的氣候分析方法[J].中國建材科技，2013（1）：54-57.

作者簡介：劉聰（1986—），女，江蘇宿遷人，博士，講師，研究方向：綠色建筑。

單玥（2000—），女，江蘇泰州人，本科在讀，研究方向：綠色建筑。

朱嫻（1999—），女，江蘇蘇州人，本科在讀，研究方向：綠色建筑。