太陽輻射熱利用優先的戶內空間適配組合模式研究

武玉艷，陳景衡*

0 引言

國內外案例分析數據表明[1-3]，建筑使用階段碳排放占比最大，是建筑生命周期減碳的關鍵階段，嚴寒/寒冷地區降低建筑采暖用能是減碳應對重點[4]，利用太陽能替代碳基能源供暖是實現建筑綠色低碳的有效技術途徑[5-6]。從建筑節能全鏈條角度來看，建筑用能由建筑直接利用太陽輻射熱減少采暖用能需求向太陽能設備系統高效輸配逐級削減。在嚴寒/寒冷且冬季太陽輻射資源富集條件下，住宅建筑直接利用太陽輻射熱可承擔70%采暖用能[7]。于建筑師而言，利用建筑空間布局和形態構造轉化地域氣候資源，提高建筑直接利用太陽輻射改善室內熱環境的效能，使建筑不用能或少用能，是建筑師進行綠色低碳建筑創作的切實、可操作路徑[8]。

從建筑用能需求與氣候資源關聯的角度，有學者針對我國太陽能資源富集的典型區域開展了太陽能利用技術先導研究。劉加平院士團隊對綜合利用太陽能的低能耗建筑節能設計方法展開研究，提出“等熱流”熱工設計原理和性能指標[9]，應用于西藏地區建筑節能設計相關標準和圖集[10]，在延安、剛察等地完成多項工程實踐[11]。戎向陽教授團隊經模擬計算發現，在太陽能富集條件下，建筑南向透明圍護結構為得熱構件，由此提出“等效體形系數”的概念[12]，并在若爾蓋暖巢項目中綜合應用[13]。這些學者團隊對被動式太陽能技術、太陽能富集條件下建筑圍護結構熱過程和室內熱環境的研究，建構起建筑直接利用太陽輻射熱的基礎認知。目前成熟的住宅產品構成了商品化趨勢下建筑師、開發商對戶型概念的慣性認知，直接套用成熟戶型的設計方式，容易在方案上對地域太陽輻射資源利用造成較大的理解偏差、出現設計應對手段上的錯位。如何將地域太陽輻射資源轉化為空間布局和圍護界面形態構造設計條件，是打通建筑師進行強化建筑直接太陽輻射熱利用效率的綠色建筑創作路徑的關鍵和難點[14-15]。

拉薩處在我國太陽能資源最豐富地帶[16]，冬季寒冷漫長，采暖季太陽輻射強度居全國主要城市首位[17]，夏季氣溫舒適，無需空調制冷，這種獨特的地域氣候條件為當地住宅建筑直接利用太陽輻射降低采暖用能需求的綠色設計技術路線提供了基礎。根據課題組對拉薩近5年新建城鎮住宅的調查統計[8]，7～11層集合住宅年建設量占住宅年總實施量的比例保持在60%左右，戶型空間布局基本沿襲了內地的發展模式，以三室戶為主。為增加室內太陽輻射得熱，住宅南向窗墻面積比通常比國標中寒冷地區住宅南向窗墻面積比約束值大；圍護結構保溫性能較差，這是由于拉薩于2004年被確定為采暖地區，此前圍護結構不做保溫設計要求[10]。另外，受地理條件、產業發展的限制和氣候環境與內地差異大的影響，建筑節能設計工作起步較晚、發展緩慢。住宅戶型受居住需求、造價等經濟性影響因素約束較強，功能空間及組合方式變化相對較少[18]。因此，本文以拉薩目前常見集合住宅為代表，對其采暖季太陽輻射熱作用下的室內溫度分布情況進行測試，分析戶內太陽輻射熱空間分布規律，將其與設計要素整合，量化戶內太陽輻射熱利用空間分區，基于各分區的空間熱特性分析其設計應對要點，進而提出戶內空間分類適配組合模式，以在空間布局上實現更直接高效地利用地域太陽輻射資源。

1 拉薩住宅戶內太陽輻射熱空間分布規律

1.1 測試對象

測試建筑位于拉薩柳梧新區，于2018年建設完工，是獨棟板式集合住宅，共計10層，建筑坐北朝南、南向無遮擋。測試對象是7層西戶，戶型平面及圍護結構構造信息見表1。

1.2 測試方案

測試時段處于拉薩市法定供暖期內，截選北京時間1月30日9:00—2月1日0:00測試數據進行分析。除1月31日午間偶爾多云外，其余時段均為晴天。測試期間整棟建筑無供暖設備開啟，測試對象室內無設備運行、無人員活動干擾、各房間門窗緊閉。測試內容包括太陽總輻射照度、室外空氣溫度、室內空氣溫度（測點位置見表1）。

表1 拉薩住宅測試對象戶型平面圖與圍護結構構造信息,根據拉薩市設計院提供的施工圖填寫

1.3 測試結果分析

圖1為測試期間太陽輻射與室外氣溫測試結果，日照時間長達10h，10:00后太陽輻射強度迅速增大，14:30達到峰值 804.42W/m2，日照時段內太陽總輻射平均照度480 W/m2左右。室外溫度最低值出現在9:00左右，分別為-7.49℃、-5.96℃；峰值出現在17:30左右，分別為4.64℃、7.87℃，平均溫度為0.14℃，低于當地供暖期室外平均溫度1.6℃[19]。可見，測試期間拉薩室外氣溫條件相對于當地典型氣象條件有一定余量，測試結果的分析相對于當地典型氣象條件更為可靠。

圖1 測試期間拉薩太陽輻射強度及室外氣溫測試結果

圖2為“起居室—廚房”南北貫通空間室內溫度場測試結果，南北進深方向溫度測點最大差值近16℃，溫度隨空間進深增大快速衰減，衰減梯度存在明顯差異，溫度呈“三段式”分布。測點1、2受太陽輻射變化影響最為明顯，上午10:00左右，室內溫度隨太陽輻射強度的增大而迅速、持續升高；16:30時，室內溫度達到峰值，后伴隨太陽輻射強度的降低而降低，晝夜溫差高達20℃。測點3、4、5空氣溫度相近，晝夜變化基本保持一致且波動較小，但溫度低于測點1、2。測點6的全天溫度最低，且較其他測點間溫度衰減梯度而言，測點5、6間的溫度衰減梯度最小，這是由于這兩個測點所在進深位置受太陽輻射熱效應影響微弱所致。可見，在進深方向不同位置上的空氣溫度受太陽輻射得熱影響程度不同，空間進深與太陽輻射熱效應關聯敏感。對應“三段式”溫度場的進深尺度分別為0～4m、4～7m和7m以北（圖3）。模擬結果顯示[20]，空間開間尺度變化（3.3～4.8m范圍內）對室內溫度值有影響，對溫度場的“三段式”分布及其對應進深尺度的變化影響甚微。

圖2 南北貫通空間室內溫度分布情況測試結果

圖3 南北貫通空間進深方向溫度分布

起居室南向外窗大、日間得熱能力強，測點1受太陽輻射熱影響最為強烈，空氣溫度日間超過人體冬季室內基本熱舒適溫度的時段持續9小時，但因單一大面積外窗形式難以適應當地太陽輻射晝夜差異大的氣候特征，使室內的日間大量得熱在夜間快速流失，氣溫驟降。

圖4為測試對象臥室A的室內空氣溫度測試結果，該房間位于南側、可直接獲得太陽輻射，但室內空氣溫度比“起居室—廚房”南北貫通空間最北側測點6的溫度值持續低1℃左右，比同一進深處測點2的溫度值低3℃。分析形成這一現象的主要原因是該房間接觸室外環境的表面積大，且未針對以失熱為主的北向、西向墻體采取保溫性能強化措施，使室內太陽輻射得熱嚴重散失。

圖4 南向臥室A室內溫度測試結果

2 戶內太陽輻射熱利用空間分區

戶內功能、空間尺度和空間組合是居住模式、使用需求、建造體系等設計要求的綜合集成，其內在規律明確，是戶內空間轉化利用室內太陽輻射熱分布規律的基礎。整合臥室、起居室等戶內主要功能空間常見進深尺度范圍（3～5m）、布局規律與拉薩住宅室內太陽輻射熱分布尺度規律，借鑒住宅工業化通用體系中將模數網格劃分限定在空間內，以“區”在空間進深方向劃分功能空間的思路，針對戶內常見的南北貫通、南北分隔兩種基本空間組合類型，建立拉薩住宅戶內太陽輻射熱利用分區，對地域住宅戶型方案前期的“冷熱區”模糊思維模型進行細化和量化。具體來講，根據室內太陽輻射得熱對空氣溫度影響的強弱程度，由南向北，將貫通空間依次劃分為 “日射得熱直接利用區”（0～4.2m）和“日射得熱補償利用區”（4.2～7.2m），進深7.2m北側的空間定義為“日射得熱利用薄弱區”；當南北空間分隔組合時，室內太陽輻射得熱的向北擴散受到空間分隔界面的阻礙，輻射得熱很難影響到更大區域的室內溫度，因此將被分隔在北側的空間也定義為“日射得熱利用薄弱區”（圖5）。“日射得熱直接利用區”范圍與層高、屋面圍護結構類型直接相關，增加層高、提高外窗頂高能夠擴大直接熱利用區范圍，可按照與層高比值為1.45進行范圍估算；屋頂局部為透明屋面時，可直接將太陽輻射透射于室內，從而擴大“日射得熱直接利用區”范圍。

圖5 拉薩住宅戶內太陽輻射熱利用分區示意

分析戶內3種“日射得熱利用區”的空間熱特性，總結各分區空間設計要點總結如下：

（1）“日射得熱直接利用區”熱環境受太陽輻射得熱和室外氣溫影響最大，該區域內日間氣溫高、晝夜溫差大，對其南側、東西側外圍護結構潛在得熱區的氣候環境晝夜差異化適應性設計需求強烈。這些潛在得熱區應優先考慮采用雙層透明圍護結構，通過對雙層透明圍護結構內、外層界面差異化設計及啟閉控制，實現日間強得熱與夜間強保溫的熱工性能轉換。

（2）“日射得熱利用補償區”屬于南北空間貫通組合時特有區域，與“日射得熱直接利用區”相比，該區域受太陽輻射熱和室外氣溫影響較小，溫度較低、較穩定。該區域的范圍、溫度與直接利用區空間交界面上的開口大小直接相關，與“日射得熱利用薄弱區”或室外環境交界面的保溫性能密切相關。一方面應盡量擴大該區域與得熱直接利用區空間交界面的開口尺度；另一方面，針對該區域與薄弱區或室外環境的交界面，可采用空間化設計手段形成“雙壁系統”或延用增加保溫層厚度提高圍護結構保溫性能的常規設計方法，削弱室外氣候環境與該區域熱環境的交互效應。南北空間貫通組合類型（如南北轉折貫通、南窄北寬或南寬北窄的貫通組合空間等）對該區域范圍和溫度也會造成影響，從設計操作動作和空間組合對太陽輻射熱利用效率影響的角度來講，空間貫通組合優先于貫通組合類型，熱利用分區范圍供各類南北貫通空間參考使用。

（3）“日射得熱利用薄弱區”受太陽輻射得熱影響最小、對室外低溫影響最敏感，該區域溫度低且晝夜波動較大，對其北側外圍護界面保溫性能的提升需求最為強烈，可采用雙層墻體、雙層窗戶等空間化“雙壁系統”或采用高性能保溫材料、增加保溫層厚度等常規設計手段提高外圍護界面整體保溫性能。

模擬數據和文獻測試案例數據顯示，拉薩建筑東、西向透明圍護結構在采暖季能夠得熱[8]，延長太陽輻射熱利用時間[20]，減少建筑采暖用能需求。緊鄰山墻的戶內“日射得熱利用區”，可在山墻無遮擋或遮擋較少區設集熱構件，如雙層透明圍護結構、集熱蓄熱墻等空間化組件，或設置金屬太陽能墻、與送風管道組合，為室內補給熱量；對于山墻上遮擋較嚴重的區域，則以強化外墻保溫性能為主。

戶型方案是由成熟戶型選型或草圖開始逐步優化成型，在這個設計過程中，可利用“戶內太陽輻射熱利用分區”分析戶內被太陽輻射直接得熱影響區覆蓋面積比例，預判戶型方案的太陽輻射熱利用潛力等級，輔助建筑師決策“選型”和確定空間組合方式、功能空間尺度及相應圍護界面形態構造的優化方向。

3 戶內空間適配組合模式

3.1 空間熱舒適分級分類

空間因功能、使用規律的不同形成空間熱舒適需求差異，住宅功能空間按照熱舒適需求可分為高、中、普通、低4個等級，分別對應：起居室、臥室；餐廳、活動室、書房；戶內樓梯、廚房、衛生間；生活陽臺、儲藏室和樓梯間等公用空間。住宅空間熱舒適需求等級的差異，意味著4類功能空間與戶內“日射得熱利用區”的差異化匹配，直接影響住宅建筑整體的太陽輻射熱利用效率。

3.2 空間分類適配組合模式

功能空間熱舒適分級組合適配優先、有效控制空間進深和分類優化空間交界面是戶內空間組合適配太陽輻射熱利用的基本原則。據此探尋拉薩住宅戶內空間適配組合模式。

3.2.1空間熱舒適分級分類組合適配戶內太陽輻射熱利用區

較戶內空間南北分隔組合而言，南北貫通組合利于太陽輻射得熱向北側空間傳遞、擴大太陽輻射直接得熱影響區、強化戶內太陽輻射熱效用，建議盡可能多地采用南北貫通的空間組合方式。對應戶內太陽輻射熱利用分區及其3種空間熱特性，將熱舒適需求等級不同的功能空間進行組合，并將進深尺度盡量控制在相應的熱利用區范圍內（圖6）。

圖6 功能空間熱舒適分級組合適配戶內太陽輻射熱利用空間分區示意

3.2.2分類優化戶內太陽輻射熱利用區空間交接界面

對于南北空間貫通組合類型而言，建議盡量擴大日射得熱直接利用區與補償利用區空間交界面的開口尺寸，強化補償利用區與薄弱區空間交界面的保溫性能，如隔墻設內保溫、采用雙層門、植入設備腔等（圖7）。對于南北空間分隔組合類型而言：（1）當日射得熱利用薄弱區的空間熱舒適需求等級為高或中時，可在熱利用分區交界面處植入熱補償腔體，將北側空間轉換為日射得熱直接利用區；（2）當日射得熱利用薄弱區的空間熱舒適需求等級為普通或低時，設置隔墻內保溫或植入設備腔體，強化熱利用分區交界面的保溫性能，削弱低溫對日射得熱直接利用區空間熱環境的影響（圖8）。

圖7 戶內空間南北貫通組合類型的熱利用區空間交界面適配措施示意

圖8 戶內南北空間分隔組合類型的熱利用區空間交界面適配措施示意

3.2.3分類提升太陽輻射熱利用區外圍護界面的熱工性能

日射得熱直接利用區透明圍護結構優先采用功能性陽臺、一步式陽臺、雙層組合窗等雙層透明圍護結構[22]，非透明圍護結構推薦采用雙層墻體。經實驗測試，內、外層窗分別采用斷橋鋁合金低輻射中空玻璃窗[傳熱系數K=2.25W/（m2·K）]和斷橋鋁合金高透光中空玻璃窗[傳熱系數K=2.7W/（m2·K）]、間距為200mm和1400mm時，全關閉狀態下，整窗傳熱系數分別為1.05W/（m2·K）、1.30W/（m2·K）、太陽能得熱系數可按外層高透光窗計算。雙層墻體組合的腔間具有高蓄熱、高保溫的特性，且對強烈太陽輻射形成的溫度應力破壞作用適應性強，不僅能夠強化圍護結構保溫系統的熱工性能，還能使其與建筑同壽命。

4 結語

面向建筑與氣候環境交互作用、以建筑本體“減需”為主導的綠色設計新理念已成為行業共識，如何針對特定地域氣候條件落實這一設計理念，是困擾建筑師的重要議題。本文以太陽輻射資源利用優勢突出的拉薩地區為例，重點討論如何在戶型空間布局設計環節更直接高效地利用地域太陽輻射資源優勢。通過整合當地住宅冬季戶內太陽輻射熱空間分布規律與戶型空間通用設計規律，提出“拉薩住宅戶內太陽輻射熱利用空間分區”；針對3種“日射得熱利用區”的空間熱特性，總結設計應對要點，將該地區太陽輻射條件轉化為空間設計條件，顯化地域太陽輻射對空間布局的適配要求。在此基礎上，面向設計應用，提出戶內空間組合適配太陽輻射熱利用分區的基本原則，基于較穩定的戶型空間模式設計特征，建立了兩類9種適配太陽輻射熱利用分區的空間組合模式。

太陽輻射熱利用戶內空間適配組合模式是地域的、多樣的、可變的，伴隨居民生活形態的持續演變和功能空間的需求變化，以及項目開發條件等現實情況差異，在地域太陽輻射熱利用空間分區適配組合的基本原則下，可衍生新的組合模式。另外，住宅建筑戶內空間均屬于小空間，上述輻射熱利用空間適配組合模式還可供與住宅相似的密集型小空間建筑設計參考，如宿舍、公寓、酒店居住部分、辦公建筑等。

后續將針對住宅建筑具體應用情景類型，一方面拓展戶內空間適配組合模式，另一方面開展建筑間日照遮擋情況下的圍護界面形態構造分區、建筑分段組合模式研究，形成一系列模式圖解，為建筑師針對性開展強化建筑直接太陽輻射熱利用效率的綠色建筑設計應用提供參考。□