劉大龍 薛文靜 楊競立

(1.西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院， 西安 710055； 2.中梁控股集團(tuán)昆明公司， 昆明 650000)

綠色建筑是可持續(xù)發(fā)展理念在建筑設(shè)計理論中的具化產(chǎn)物，是建筑設(shè)計理論與時俱進(jìn)的產(chǎn)物，是建筑未來的發(fā)展趨勢[1]。性能化水平是綠色建筑的重要表征之一，是綠色技術(shù)成效的量化體現(xiàn)，它將建筑設(shè)計帶入一個嶄新的科學(xué)時代。建筑的太陽能被動式利用是綠色建筑設(shè)計常見而重要的內(nèi)容，針對太陽能光熱利用效率的性能化分析是建筑太陽能利用的關(guān)鍵，它決定著建筑太陽能利用的方向和應(yīng)用程度。

我國西部部分地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，化石能源貧乏，但太陽能資源豐富，因地制宜發(fā)展太陽能應(yīng)用具有巨大潛力[2]。西部地區(qū)冬季寒冷，利用太陽能進(jìn)行建筑采暖，不僅能夠滿足采暖能源需求，還能保護(hù)環(huán)境、減輕環(huán)境壓力。采暖潛力分析是太陽能建筑采暖利用研究的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題。該內(nèi)容涉及太陽能資源水平考證、建筑得失熱動態(tài)計算[3-4]、室內(nèi)熱舒適評價、能耗動態(tài)分析等一系列分析計算過程。這些不是設(shè)計師們所擅長解決的問題，通常都有其他專業(yè)人員來解決，且基本都是在建設(shè)設(shè)計方案設(shè)計后期，此時如果要做設(shè)計調(diào)整其成本和代價是巨大的。

研究表明，在設(shè)計初期采用適宜當(dāng)?shù)貧夂虻慕ㄖ误w可以產(chǎn)生大量被動式太陽能[5]，從而提高建筑太陽能采暖效率。構(gòu)思階段作為最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，在宏觀把控和創(chuàng)造性方面發(fā)揮重要的作用，建筑意向還可以有較大幅度的變化，在構(gòu)思階段通過調(diào)整建筑形體對建筑太陽能利用進(jìn)行整體把控，可以有效提高建筑太陽能利用潛力。因此亟需能夠被設(shè)計師所掌握而又能用于設(shè)計早期的太陽能采暖性能分析的方法或者工具。本文針對我國西部太陽能富集地區(qū)，通過建筑的輻射得熱與圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱分析，借助動態(tài)模擬方法，構(gòu)建了一套能用于設(shè)計早期階段的方法，并開發(fā)出便于設(shè)計師應(yīng)用的分析工具。

1 形體參數(shù)與建筑太陽能采暖潛力的邏輯關(guān)系

1.1 形體設(shè)計與建筑性能化設(shè)計的關(guān)系

建筑師在構(gòu)思階段將“意向”通過對建筑物的布局、功能、形式等問題的考慮后，形成較明確的構(gòu)想。建筑設(shè)計中形體是服務(wù)于功能的載體。彭一剛指出形式美的規(guī)律要納入到內(nèi)部空間處理、外部形體處理以及群體組合處理的關(guān)系中綜合考慮[6]。建筑師在形體推敲過程中，多關(guān)注于“形式與功能”[6-7]，較少從能源利用、室內(nèi)環(huán)境角度考慮建筑形體的設(shè)計。面對日益嚴(yán)重的能源危機(jī)，可持續(xù)性綠色設(shè)計已經(jīng)成為建筑設(shè)計必不可少的部分，因此建筑的性能化分析與設(shè)計的作用將變得越來越重要。在嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)通過體形系數(shù)限定了建筑的形體，大面寬短進(jìn)深與節(jié)能要求的小體形系數(shù)相矛盾，從而束縛了建筑師對空間的運(yùn)用。那么在設(shè)計初期通過形體設(shè)計來兼顧功能與性能，這將是影響未來綠色建筑設(shè)計的重要基礎(chǔ)性問題。

空間調(diào)節(jié)是一種通過空間形體組織、表皮和構(gòu)件設(shè)計，以降低能耗為目標(biāo)的性能化設(shè)計方法[8]，但是其主要應(yīng)用于建筑設(shè)計中后期。建筑信息模型(BIM)技術(shù)被越來越多地應(yīng)用于建筑設(shè)計的全產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)與全壽命周期[9]，但BIM更側(cè)重于一個集成的建筑綜合性能化評價的載體。性能化設(shè)計等內(nèi)容通常是在方案設(shè)計完成后才予以考慮，多集中于設(shè)計后期設(shè)置圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)階段[10]，現(xiàn)行的“先設(shè)計后驗證”方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于超低能耗建筑的發(fā)展步伐，從而導(dǎo)致性能化設(shè)計的潛力大大降低。

推動建筑綠色更新的主要力量缺乏建筑師的參與，那么綠色建筑的發(fā)展必將會受到非常大的制約。隨著數(shù)字化建筑設(shè)計方法及工具的快速發(fā)展，建筑師可以方便地使用模擬軟件對建筑的性能化指標(biāo)做出評價[11]。但大部分此類分析工具都應(yīng)用于建筑細(xì)部確定之后的階段。為了進(jìn)行性能化分析需要被動地遵守相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，又需要修改設(shè)計方案，這是一個循環(huán)往復(fù)的過程，可能會在性能評估時出現(xiàn)問題而導(dǎo)致前期方案做出較大調(diào)整，工作量大且效率低下。因為分析中需要其他相關(guān)專業(yè)知識，對建筑師概念設(shè)計產(chǎn)生較大干擾。

1.2 影響建筑太陽能采暖利用的形體要素

建筑形體要素是建筑空間、建筑屬性的主要表達(dá)方式，其反映了建筑內(nèi)部空間邏輯關(guān)系，同時也是建筑與外部環(huán)境最感性的表達(dá)。通常建筑形體設(shè)計主要涵蓋：建筑平面形狀、建筑平面及豎向尺寸(面寬、進(jìn)深)、外窗面積等方面。大量研究表明，相同體積的建筑物，外表面面積越大，建筑耗熱量越多，冬季建筑的供暖能耗增加。因此，對于嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)，建筑的最佳形體應(yīng)該是在相同體積下?lián)碛凶钚〉耐獗砻娣e[12]。在具有相同體積的所有建筑物形式中，立方形狀的外表面最少。而現(xiàn)有的居住建筑平面類型，多為蛙式、板式、十字形、T形、工形等[13]，此類型建筑過多為凹形、凸形，導(dǎo)致外表面積過大，增加建筑失熱量，同時自身產(chǎn)生較多陰影，導(dǎo)致建筑太陽能得熱量減少[14]。為建筑節(jié)能考慮，同時避免對建筑師的設(shè)計構(gòu)思產(chǎn)生較大干擾，將建筑平面形狀視為矩形。

建筑外形尺寸及外窗面積均會對建筑得失熱量產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而影響建筑太陽能采暖。南向外墻表面積是影響建筑接收太陽輻射量的重要因素，增大建筑南向面寬和豎向尺寸可增加外墻面積，使建筑獲得更多太陽輻射，但同時會導(dǎo)致建筑失熱量增加。而相同建筑面積下，建筑進(jìn)深過大則會導(dǎo)致建筑無法獲得充分的太陽輻射。因此，建筑面寬、進(jìn)深、高度是影響建筑太陽能利用的重要因素。根據(jù)太陽輻射對建筑熱環(huán)境的影響可以得知[15]，太陽輻射能夠直接透過半透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)被室內(nèi)物體吸收轉(zhuǎn)化為長波輻射影響室內(nèi)熱環(huán)境，晚上會成為使建筑失熱的主要構(gòu)件。因此建筑窗墻比會對建筑室內(nèi)熱環(huán)境造成較大影響。

因此，影響建筑太陽能利用的主要建筑形體要素為：建筑面寬、建筑進(jìn)深、建筑高度和建筑窗墻比。為了在較大范圍內(nèi)考慮建筑形體要素尺寸的變化水平，將以上建筑形體要素進(jìn)行疊加、組合，將建筑高寬比(樓層凈高/建筑進(jìn)深)、高長比(樓層凈高/建筑面寬)、南向窗墻比作為影響建筑太陽能采暖的建筑形體要素更具代表性和可操作性。

2 基于形體要素的建筑太陽能采暖潛力計算方法

2.1 形體要素與建筑太陽能采暖潛力的邏輯關(guān)系

建筑太陽能采暖的目的是通過太陽能來提升室內(nèi)溫度從而滿足熱舒適需求，因此建筑的太陽能得熱情況是采暖性能的關(guān)鍵問題。當(dāng)建筑得熱量一定時，通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)、冷風(fēng)滲透作用的失熱力量大于得熱量，室內(nèi)溫度會呈下降趨勢。反之，當(dāng)建筑失熱量一定時，通過集熱構(gòu)件、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、供暖設(shè)備等的得熱量大于失熱量后，建筑室內(nèi)溫度呈上升趨勢。因此室外溫度、建筑得熱量等因素共同決定室內(nèi)溫度的變化水平[16]。因為太陽能資源的不穩(wěn)定及不可控，被動式太陽能采暖建筑的室內(nèi)溫度宜控制在14 ℃[17-18]，那么在被動式太陽能采暖建筑中太陽輻射得熱量、室內(nèi)溫度達(dá)到14 ℃時建筑的總失熱量是影響室內(nèi)熱環(huán)境的決定性因素，也是反映建筑太陽能采暖潛力的關(guān)鍵作用。而當(dāng)建筑形體要素尺寸發(fā)生變化時，建筑本身所能接收到的太陽輻射面積、失熱面積也會隨之發(fā)生變化，進(jìn)而影響建筑的太陽輻射得熱量、室內(nèi)溫度達(dá)到14 ℃時建筑的總失熱量(圖1)。

因此建筑形體要素與建筑太陽能采暖潛力的邏輯關(guān)系可總結(jié)為：基于建筑形體要素的建筑太陽輻射得熱量占建筑室內(nèi)溫度達(dá)到14 ℃時建筑總需熱量(失熱量)的比值，見式(1)。其中太陽輻射得熱量由專門的被動式集熱構(gòu)件(窗戶、集熱墻等)得熱量和普通圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量構(gòu)成。

(1)

式中：A為建筑太陽能采暖潛力；Qx14為室內(nèi)溫度達(dá)到14 ℃時建筑的總需熱量；Qxcg為太陽能集熱構(gòu)件提供給室內(nèi)的太陽輻射量；Qxob為除太陽能集熱構(gòu)件外的其余圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳向室內(nèi)的太陽輻射量。

2.2 建筑太陽能采暖潛力計算模型

采用動態(tài)模擬結(jié)合統(tǒng)計回歸的方法構(gòu)建形體要素與太陽能采暖效率之間的函數(shù)關(guān)系。在典型地區(qū)設(shè)置多形體要素組合的建筑方案，首先進(jìn)行大樣本的建筑得失熱模擬計算。為盡可能多地明確不同建筑形體要素尺寸組合對建筑太陽能采暖潛力的影響作用，引入正交試驗法構(gòu)建大樣本的動態(tài)模擬方案。將高寬比、高長比的水平定義為8個(由0.125變化為1.000)，將南向窗墻比的水平定義為5個(由0.300變化為0.800)。使用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件中的正交設(shè)計功能對試驗進(jìn)行設(shè)計，最終試驗方案為L64(82×51)。從統(tǒng)計學(xué)原理通過64次模擬分析獲得了大樣本量的建筑得失熱基本規(guī)律。然后根據(jù)式(1)計算出采暖效率，接著采用回歸獲得形體要素與采暖效率之間的函數(shù)關(guān)系，計算流程如圖2所示。典型地區(qū)選取西部太陽能富集地區(qū)。

為分析形體要素與太陽能采暖潛力的關(guān)系，盡可能多選取不同建筑形體要素尺寸組合，引入正交試驗法，以實現(xiàn)用最少的數(shù)量實現(xiàn)最具代表性組合。將建筑高寬比、高長比、南向窗墻比設(shè)置為變化因素，采用正交試驗方法最終確定64種組合方案。采用軟件DesignBuilder獲得確保室內(nèi)全天維持在14 ℃時建筑的太陽輻射得熱量和室溫達(dá)到14 ℃時建筑的得失熱量。利用1stOpt非線性曲線擬合計算軟件對形體要素與采暖效率進(jìn)行擬合分析，得到基于建筑形體要素的建筑太陽能采暖潛力函數(shù)，如式(2)所示。

(2)

式中：A為冬至日建筑太陽能采暖潛力；x1為建筑高寬比；x2為建筑高長比；x3為建筑南向窗墻比；a、b、c、d、e、f、g為回歸擬合的經(jīng)驗系數(shù)。

3 居住建筑太陽能采暖潛力的案例分析及應(yīng)用

3.1 居住建筑太陽能采暖潛力的案例分析

為使建筑師直觀地了解建筑形體要素與建筑太陽能采暖潛力的關(guān)系，使用MATLAB軟件對額濟(jì)納旗建筑太陽能采暖潛力函數(shù)做圖形化表達(dá)。由于實際建筑項目通常會將南向窗墻比控制在0.5～0.6，在此僅繪制南向窗墻比為0.5、0.6的建筑太陽能采暖潛力圖，將高寬比、高長比、建筑太陽能采暖潛力分別設(shè)置為X、Y、Z軸。圖3為額濟(jì)納旗不同形體要素尺寸與建筑太陽能采暖潛力的關(guān)系。可以發(fā)現(xiàn)：隨南向窗墻比增大太陽能采暖效率明顯增大；隨高長比減小采暖效率增大，變化速率隨高長比減小而增大，部分情況下變化速率平緩；高寬比對采暖效率影響作用最大，隨高寬比增大采暖效率增大，但變化速率隨高寬比增大而降低。太陽輻射資源越豐富的地區(qū)，形體要素對建筑太陽能采暖潛力的影響作用越明顯。

3.2 基于太陽能利用潛力提高的居住建筑平面優(yōu)化設(shè)計

提出建筑太陽能采暖潛力的新評價方法最終目的在于讓建筑師在設(shè)計初期從建筑形體角度提升對太陽能的熱利用性能。以額濟(jì)納旗的實際建筑項目為例，利用太陽能采暖效率對原建筑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(表1)。最終優(yōu)化建筑相比原建筑太陽能采暖潛力提高了6%。將原建筑與優(yōu)化建筑采用DesignBuilder進(jìn)行能耗計算，在不設(shè)置采暖設(shè)備情況下，優(yōu)化后建筑整層的建筑太陽能輻射得熱量相比原建筑增加了24.71 kW·h，提升了18.73%。相比原建筑，優(yōu)化建筑所增加的太陽輻射得熱量即是由變化建筑形體尺寸所獲得的。因此以建筑形體為切入點，也可有效提升建筑太陽能采暖效率。

為了將建筑的太陽能利用與建筑能耗分析相統(tǒng)一，便于理解太陽能采暖的貢獻(xiàn)度，采用動態(tài)能耗模擬軟件DesignBuilder針對改造前后的建筑采暖能耗進(jìn)行了計算。模擬日期與前述相同，建筑為三個單元平行布置、7層、南北朝向、室內(nèi)設(shè)計溫度為18 ℃(便于與JGJ 26—2018《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》對照)。改造前后建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)相同，滿足DBJ 03-35—2019《內(nèi)蒙古自治區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》。改造前建筑體形系數(shù)為0.298，改造后為0.323。單位面積采暖能耗為：改造前1.23 kW·h/m2，改造后1.24 kW·h/m2。建筑形體的改造使得建筑體形系數(shù)增大，是不利于保溫的，但兩者采暖能耗相差無幾?？梢岳斫鉃橐蝮w形系數(shù)增大而增加的采暖能耗，被因形體變化帶來的太陽能采暖效率的增加而彌補(bǔ)。因此基于形體的太陽能采暖效率分析方法能夠提高建筑師設(shè)計策略的靈活性，同時提高了建筑的能源利用效率。

表1 額濟(jì)納旗居住建筑優(yōu)化結(jié)果Table 1 Optimization results of the residential buildings in Ejin Banner

4 基于BIM的建筑太陽能采暖潛力分析軟件開發(fā)

不同太陽輻射強(qiáng)度地區(qū)建筑的得失熱具有顯著差異，因此不同輻射水平地區(qū)具有不同的太陽能采暖效率計算模型，因此手工計算的工作量大，且效率低。為便于建筑師在前期方案設(shè)計能夠簡便地計算建筑太陽能采暖效率，根據(jù)上述計算方法，對西部太陽能地區(qū)按照輻射強(qiáng)度進(jìn)行區(qū)域劃分，在不同輻射水平下構(gòu)建了各自的計算模型，然后開發(fā)了基于BIM的建筑太陽能采暖效率分析軟件(圖4)。

本軟件基于BIM平臺，采用Revit與MySQL數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的工作模式。軟件以外部插件的方式在Revit中運(yùn)行，利用Revit提供的功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序接口(API)，MySQL數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)服務(wù)。軟件分為自動模式和手動輸入模式，自動模式可以讀取建筑模型文件，然后自動提取建筑形體參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫，通過選擇地域從而確定計算模型，計算中是以某一樓層為計算單元。手動輸入模式需要用戶通過人機(jī)界面輸入某一樓層的形體參數(shù)，在選擇地域后進(jìn)行計算。軟件工作原理如圖5所示。

該輔助設(shè)計工具操作簡單，對于缺乏熱工方面理論知識的設(shè)計師，也能夠方便快捷地計算評估建筑的太陽能采暖潛力，以選擇利于太陽能利用的建筑形體。

5 結(jié)束語

為了構(gòu)建建筑師在設(shè)計初期階段能夠使用建筑性能化設(shè)計方法，以建筑形體設(shè)計為研究對象，借助太陽能采暖熱利用這一建筑熱性能問題，探索了形體設(shè)計與太陽能采暖熱性能關(guān)聯(lián)性的建立方法，論述了形體設(shè)計與建筑性能化設(shè)計的關(guān)系。通過分析形體設(shè)計元素與太陽能建筑采暖之間的邏輯關(guān)系，采用動態(tài)能耗模擬結(jié)合統(tǒng)計回歸計算方法，建立了基于形體要素的建筑太陽能采暖計算模型。以西部太陽能富集地區(qū)的額濟(jì)納旗為例，驗證了計算模型的有效性，并結(jié)合案例優(yōu)化了被動式太陽能采暖的形體設(shè)計。最后介紹了基于計算模型的計算軟件的開發(fā)過程。

本研究以建筑設(shè)計前期為視角，基于建筑形體要素明確了建筑太陽能采暖潛力的新評價方式并開發(fā)輔助設(shè)計工具，為建筑師提供了設(shè)計初期的性能化分析工具，以及設(shè)計策略的靈活性和能耗量變化規(guī)律的協(xié)同分析方法，同時提高了建筑的能源利用效率。本研究探索了設(shè)計階段的性能化分析方法，完善了建筑綠色性能化設(shè)計體系建設(shè)。