汪珊珊，武玉艷，汪留成

引言

建筑是氣候環(huán)境的調(diào)節(jié)器，對建筑用能多寡起到先決作用。針對地域氣候條件，采用適宜的被動式設(shè)計措施提高建筑本體熱工性能，是最為直接有效的建筑節(jié)能途徑[1]。這種通過建筑形體空間與形式構(gòu)造設(shè)計強化地域氣候環(huán)境資源利用效率的被動式設(shè)計是建筑師切實可操作的綠色設(shè)計技術(shù)路徑[2]。西寧市地處青藏高原東緣，平均海拔2261m，年水平面太陽總輻射量約為5600MJ/m2，屬于太陽能“很豐富帶”[3]，冬季總輻射量為1200～1400MJ/m2[4]，僅次于西藏西南部和云南大部分地區(qū)。西寧在建筑熱工設(shè)計分區(qū)中屬嚴(yán)寒（C）區(qū)，冬季寒冷漫長，最冷月平均氣溫-7.9℃，法定供暖期長達160 天；夏無酷暑，最熱月平均氣溫17.2℃，無需制冷設(shè)備。這種獨特的地域氣候環(huán)境，為強化建筑直接利用太陽輻射資源減少采暖用能需求提供了前提應(yīng)用條件。

從綠色建筑設(shè)計角度、將集合住宅各層拆分來看，由于其外圍護結(jié)構(gòu)表面積不同、熱傳導(dǎo)方式不同，集合住宅采暖用能需求存在縱向分段的特征[5]。其中，頂層的外表面積大，室內(nèi)熱環(huán)境受室外氣候環(huán)境影響敏感，一方面易失熱，另一方面接收太陽直接照射的表面積大，形體的太陽輻射熱利用條件優(yōu)勢突出。另外，集合住宅頂層通常被建筑師單獨處理，是建筑形態(tài)變化、空間處理最為活躍的部位。因此，針對太陽能富集氣候條件下集合住宅研發(fā)建筑頂層的綜合節(jié)能設(shè)計策略具有重要意義。目前對住宅建筑頂層的節(jié)能研究主要依循單一的圍護結(jié)構(gòu)部位拆解計算邏輯、從技術(shù)層面圍繞屋面熱工性能的提升和精細化計算展開。關(guān)注的形態(tài)構(gòu)造要素多集中在屋頂形式、屋面材料構(gòu)造設(shè)計對建筑采暖用能的影響，如綠化屋頂[6]、雙層屋面[7]、屋面保溫構(gòu)造[8]等。這些研究對屋頂?shù)墓?jié)能設(shè)計優(yōu)化給與啟示，但忽視了頂層整體形體空間設(shè)計對建筑太陽輻射熱利用節(jié)能潛力的影響。筆者所在研究團隊針對城鎮(zhèn)住宅建筑搭建了優(yōu)先利用太陽輻射節(jié)約采暖用能的分級綠色設(shè)計方法框架、進行了初步的設(shè)計應(yīng)用[5，9，10]，本研究在此基礎(chǔ)上，下沉研究框架，探尋以空間形態(tài)為核心的集合住宅頂層綜合節(jié)能設(shè)計策略。

被動式太陽能利用評價指標(biāo)可分為熱特性指標(biāo)、節(jié)能指標(biāo)、舒適度指標(biāo)[11]，熱特性指標(biāo)主要包括室內(nèi)溫度、室內(nèi)輻射得熱量等，節(jié)能指標(biāo)主要包括太陽能貢獻率[12]、太陽房節(jié)能率[11]等，舒適度指標(biāo)主要包括熱感覺平均標(biāo)度（PMV）、不滿意指數(shù)（PPD）[13]等。相對而言，熱特性指標(biāo)更關(guān)注室內(nèi)熱過程，節(jié)能指標(biāo)主要關(guān)注設(shè)計措施的節(jié)能效果，舒適度指標(biāo)則對室內(nèi)熱環(huán)境的評價更為綜合。鑒于本文主要探討如何通過頂層空間、圍護界面設(shè)計要素強化太陽輻射熱對采暖用能的貢獻，因此選用節(jié)能指標(biāo)作為建筑太陽輻射熱利用設(shè)計優(yōu)化策略的評價指標(biāo)。太陽能貢獻率主要關(guān)注建筑“得熱”，太陽房節(jié)能率則同時強調(diào)建筑“少失熱”與“多得熱”，從建筑熱工性能設(shè)計綜合考量的角度來講，太陽房節(jié)能率易于與當(dāng)前的建筑節(jié)能設(shè)計流程銜接。分析設(shè)計要素參量變化對建筑采暖負荷的影響，便于從效果層面厘清太陽輻射熱作用下設(shè)計要素與建筑采暖用能的關(guān)聯(lián)性，從而提出節(jié)能設(shè)計策略。

綜上所述，本文以西寧市常見集合住宅為研究對象，建立頂層戶的典型模型，利用動態(tài)能耗模擬軟件，計算、分析頂層設(shè)計要素與頂層采暖負荷的定量關(guān)系，總結(jié)頂層設(shè)計要素利用太陽輻射熱節(jié)能的設(shè)計策略。

1 集合住宅頂層基礎(chǔ)模型與模擬方法

1.1 頂層基礎(chǔ)模型

第七次人口普查結(jié)果顯示，西寧市城鎮(zhèn)化率為78.63%，中心城區(qū)人口密度大，住宅以高層集合住宅為主。根據(jù)文獻[14]調(diào)研總結(jié)，西寧集合住宅以三室戶為主，典型頂層戶型平面如圖1[14]。建筑層數(shù)26 層，層高2.9m，南、北向窗墻面積比分別為0.45、0.2。外圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造按《青海省居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)-75%節(jié)能（試行）》要求設(shè)定（表1），以保證研究結(jié)果面向進一步節(jié)能設(shè)計應(yīng)用。以外表面積較大的西戶為模擬對象，作為設(shè)計策略優(yōu)化效果對比的基礎(chǔ)模型。

表1 建筑外圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 頂層典型戶型平面圖

1.2 能耗模擬軟件參數(shù)設(shè)置

DesignBuilder 能耗動態(tài)模擬軟件的計算內(nèi)核為EnergyPlus，其精確度和可靠性在多個工程實驗中得到驗證[15]，在室內(nèi)熱環(huán)境和能耗模擬中被廣泛應(yīng)用[16]，本文采用該軟件對頂層建筑的采暖負荷進行模擬計算。

模擬參數(shù)設(shè)置如下：室外氣象參數(shù)采用中國典型氣象年數(shù)據(jù)（CSWD），全年采暖負荷計算時間按當(dāng)?shù)毓┡谟嬎悖?0 月15 日～次年3 月31 日）。為避免人員在室率等對室內(nèi)采暖負荷干擾，人員在室率設(shè)為0，除采暖設(shè)備外，其他設(shè)備均設(shè)為關(guān)閉狀態(tài)，其余參數(shù)參照《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)JGJ26-2018》設(shè)置。

1.3 設(shè)計要素選取與模擬分析流程

建筑設(shè)計要素存在層級關(guān)系、遵循系統(tǒng)規(guī)律，整體的組織結(jié)構(gòu)優(yōu)先于局部要素。有學(xué)者提出“建筑群與場地環(huán)境-建筑單體的空間組織-單一空間-圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造和室內(nèi)分隔”[17]“形體-空間-表皮-材料性能”[18]構(gòu)成了建筑本體設(shè)計要素的基本層級。本文圍繞建筑空間形態(tài)的核心操作內(nèi)容，將集合住宅單體頂層設(shè)計要素劃分為“戶內(nèi)空間組合-單一空間-圍護界面形態(tài)構(gòu)造”3個層級，通過對設(shè)計流程的梳理，結(jié)合被動式太陽能技術(shù)原理和既有研究中太陽輻射熱利用敏感要素分析，最終選取9 個設(shè)計要素（表2）。模擬分析流程見圖2，較常規(guī)通過后補技術(shù)指標(biāo)確定圍護結(jié)構(gòu)做法的單一“貼皮穿衣”式節(jié)能設(shè)計流程而言（圖3），細化了節(jié)能設(shè)計流程。

圖2 細化后的頂層節(jié)能設(shè)計流程

圖3 以往頂層節(jié)能設(shè)計流程

表2 影響集合住宅頂層太陽輻射熱利用效率的重點設(shè)計要素

2 能耗模擬結(jié)果分析

遵循太陽房節(jié)能率計算原理[11]，為便于與目前住宅建筑節(jié)能設(shè)計體系對接，引入“節(jié)能貢獻率”[14]來表征設(shè)計因素利用太陽輻射熱對采暖用能的貢獻程度，即模擬各設(shè)計要素參量變化后的采暖負荷，計算較基礎(chǔ)模型減少或增加的采暖負荷與基礎(chǔ)模型采暖負荷的百分比。

2.1 戶內(nèi)空間組合

頂層戶通常有平層布局和躍層布局兩種空間組合方式，躍層布局常分為南向局部躍層和南北躍層兩種，且通常南側(cè)伴有垂直貫通空間（表3）。由三種頂層戶空間組合對應(yīng)的全年采暖負荷模擬結(jié)果可知：南向局部躍層（起居室通高）＜南北躍層（起居室通高）＜平層，南向局部躍層組合方式相比于平層組合方式節(jié)能23.6%，南北躍層組合方式比平層組合節(jié)能14.05%。

表3 頂層常見戶內(nèi)空間組合及其單位面積采暖負荷

2.2 單一空間設(shè)計

在上述三種頂層常見戶內(nèi)空間組合模式的基礎(chǔ)上，以起居室南向陽臺為例，隨進深變化下的采暖負荷模擬結(jié)果如圖4～5 所示。對比來看，平層和南北躍層采暖負荷隨陽臺進深的增大而升高，南向局部躍層采暖負荷隨陽臺進深增大先降低后升高；整體來看，南向陽臺進深增大后對頂層的節(jié)能貢獻率均為負值。南向陽臺通常承載休憩、晾曬等使用功能，窗墻面積比較大，觀景視野大、空間通透感強，基于使用需求和節(jié)能效果，建議平層組合的陽臺進深優(yōu)先考慮0.9～1.5m；南向局部躍層和南北躍層戶陽臺進深優(yōu)先考慮1.2～2.1m。

圖4 陽臺進深與頂層采暖負荷的變化曲線

太陽輻射經(jīng)南向陽臺透過其與相鄰房間的透明圍護結(jié)構(gòu)（以下統(tǒng)稱內(nèi)界面開口）進入房間內(nèi)，因此內(nèi)界面開口比例也是影響陽臺利用太陽輻射的一個重要設(shè)計因素。以平層空間組合模式中起居室南向陽臺（進深1.2m）為例，界面開口比例為0.5。模擬、計算結(jié)果顯示（圖6，7），內(nèi)界面開口比例與頂層采暖負荷呈負相關(guān)，即南向陽臺內(nèi)界面開口比例越大，頂層的節(jié)能貢獻率越大。

圖5 陽臺進深與頂層節(jié)能貢獻率的關(guān)系

圖6 陽臺內(nèi)界面開口比例與頂層采暖負荷的變化曲線

2.3 圍護界面形態(tài)構(gòu)造

2.3.1 南立面開窗

建筑師在頂層立面設(shè)計時趨向以擴大或縮小窗墻面積比達到整棟樓的立面形態(tài)分段效果，同時南向外窗是太陽輻射得熱和失熱的核心部件。由南向窗前面積比與采暖負荷變化曲線可知，南向外窗傳熱系數(shù)K=1.6W/（m2·K）時,南向窗墻比與頂層采暖負荷呈負相關(guān)，即頂層采暖負荷隨南向窗墻面積比增大而減少，節(jié)能貢獻率隨南向窗墻比的增大而增大（圖8，9）。

圖7 陽臺內(nèi)界面開口比例與頂層節(jié)能貢獻率關(guān)系

圖8 南向窗墻比與頂層采暖負荷的變化曲線

圖9 南向窗墻比與頂層節(jié)能貢獻率的關(guān)系

2.3.2 屋面天窗

2005年開始實行的《小城鎮(zhèn)住宅通用（示范）設(shè)計（青海西寧地區(qū)）》圖集中，示范方案加入了玻璃陽光房的設(shè)計，這說明在西寧住宅上推行透明屋頂具有良好的政策導(dǎo)向和地區(qū)適應(yīng)性，但房間天窗面積占比及天窗熱工性能的設(shè)計需進一步研究。根據(jù)當(dāng)?shù)噩F(xiàn)行居住建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)對天窗設(shè)計參數(shù)的低限，以起居室為例，模擬三種頂層戶內(nèi)空間組合方式下起居室天窗面積比對應(yīng)的采暖負荷（圖10，11）。由模擬、計算結(jié)果可知，隨起居室天窗面積比增大、頂層采暖負荷降低，即節(jié)能貢獻率隨著起居室天窗面積占比的增大而增大；三種空間組合模式起居室天窗面積占比大于0.5 時，頂層戶采暖負荷下降趨勢稍減緩。因此綜合考慮，建議頂層房間天窗面積占比以不大于0.5 為宜。

圖10 起居室天窗面積占比與頂層采暖負荷的變化曲線

圖11 起居室天窗面積占比與頂層節(jié)能貢獻率的關(guān)系

屋面天窗在日間可以利用太陽輻射使室內(nèi)得熱，但夜間天窗也是屋頂失熱的薄弱部件，提高天窗的熱工性能對頂層的節(jié)能效果至關(guān)重要。以平層戶為例，模擬計算天窗傳熱系數(shù)變化對應(yīng)的頂層采暖負荷（圖12，13），結(jié)果顯示，天窗傳熱系數(shù)K=2.3～2.7 W/（m2·K）時，伴隨起居室天窗面積占比的增大，頂層采暖負荷先降低后升高，即頂層節(jié)能貢獻率先增后減；當(dāng)天窗傳熱系數(shù)K ≤2.1 W/(m2·K)時，隨起居室天窗面積占比增大，頂層采暖負荷逐漸降低，頂層的節(jié)能貢獻率逐漸增大。

圖12 起居室天窗面積比及其傳熱系數(shù)與頂層采暖負荷的變化曲線

圖13 起居室天窗面積占比及其傳熱系數(shù)與頂層節(jié)能貢獻率的關(guān)系

2.3.3 屋頂坡度

坡屋頂是常見的建筑屋頂形式，合理的屋面坡度設(shè)計能夠兼顧建筑造型設(shè)計需求和節(jié)能需求。屋面（非透明屋面）坡度變化下的頂層戶采暖負荷模擬結(jié)果如圖14，15 所示，隨著屋面坡度的增大，三種頂層戶的采暖負荷增大；當(dāng)屋面坡度大于35°后，三種頂層戶的單位面積采暖負荷增加速度變快。整體來講，較平屋頂而言，坡屋頂對頂層戶的采暖貢獻率為負值，從節(jié)能的角度來看，優(yōu)先考慮平屋頂，當(dāng)設(shè)置坡屋頂時，建議屋面坡度不超過35°。

圖14 不透明屋頂坡度與頂層采暖負荷的變化曲線

圖15 不透明屋頂坡度與頂層節(jié)能貢獻率的關(guān)系

圖16，17 為透明屋面坡度變化下三種頂層戶的采暖負荷模擬結(jié)果，以起居室天窗面積占比0.3、天窗傳熱系數(shù)K=1.6 W/（m2·K）為例。由圖可知，當(dāng)坡屋頂為透明屋面，坡度在一定范圍內(nèi)時，可減少頂層戶采暖負荷。具體來講，平層戶采暖負荷隨透明屋面坡度的增大而增大，采暖負荷增速呈三段式特征，對應(yīng)透明屋面坡度分別為0～20°、20°～35°、大于35°；南向局部躍層戶和南北躍層戶采暖負荷隨透明屋面坡度的增大呈先減小后增大的趨勢，采暖負荷增速同樣呈三段式特征，對應(yīng)透明屋面坡度分別為10°～25°、25°～35°、大于35°。

圖16 透明屋頂坡度與頂層采暖負荷的變化曲線

圖17 透明屋頂坡度與頂層節(jié)能貢獻率的關(guān)系

2.3.4 間層坡屋頂

坡屋頂設(shè)置間層，能起到熱緩沖作用，從而減少屋面失熱量[19]。間層坡屋頂及其間層高度變化下頂層戶采暖負荷的模擬結(jié)果如圖18 所示，設(shè)置間層坡屋面能夠大幅降低頂層戶的采暖負荷，但屋面坡度變化即間層高度對頂層采暖負荷的影響不明顯。從節(jié)能貢獻率來看（圖19），平層戶隨間層坡屋頂屋面坡度增大，節(jié)能貢獻率先降低后升高，以35°為拐點；南向局部躍層和南北躍層戶隨間層坡屋頂屋面坡度的增大，節(jié)能貢獻率持續(xù)降低。

圖18 間層坡屋頂屋面坡度與頂層采暖負荷的變化曲線

圖19 間層坡屋頂屋面坡度變化與頂層節(jié)能貢獻率的關(guān)系

3 節(jié)能設(shè)計策略

綜合上述集合住宅頂層3 種戶內(nèi)空間組合模式、南向陽臺進深與內(nèi)界面開口比例、6 個圍護界面形態(tài)構(gòu)造設(shè)計要素與太陽輻射熱作用下建筑全年采暖負荷的關(guān)聯(lián)性，總結(jié)各項設(shè)計要素的取值趨勢或建議區(qū)間形成設(shè)計策略，并從節(jié)能貢獻率的角度對這些設(shè)計策略的節(jié)能潛力進行排序：1）在戶內(nèi)空間組合策略上，躍層空間組合模式的節(jié)能效果優(yōu)于平層空間組合模式；2）三種頂層戶內(nèi)空間組合模式在單一空間和圍護界面形態(tài)構(gòu)造設(shè)計策略上的優(yōu)先級不同，詳見表4。

表4 頂層戶型節(jié)能設(shè)計因素取值及節(jié)能潛力大小排序

結(jié)論

本文以太陽能富集氣候條件的代表城市西寧為例，針對集合住宅頂層外表面積大、易失熱與太陽輻射熱利用潛力大的特點，模擬分析頂層戶內(nèi)空間組合、單一空間、圍護界面形態(tài)構(gòu)造3 個層級9 個設(shè)計因素得出以下結(jié)論:

（1）三種頂層戶內(nèi)空間組合模式采暖用能排序：南向局部躍層空間組合模式＜南北躍層空間組合模式＜平層空間組合模式。即在頂層戶型設(shè)計時，宜優(yōu)先采用躍層空間組合模式。

（2）三種集合住宅頂層戶內(nèi)空間組合模式的節(jié)能設(shè)計要素節(jié)能潛力優(yōu)先級排序為：①對于平層空間組合來講，不透明屋頂坡度＞南向窗墻比＞房間天窗面積占比＞陽臺進深＞間層坡屋頂；②對于南向局部躍層空間組合來講，南向窗墻比＞陽臺進深＞不透明屋頂坡度＞房間天窗面積占比＞間層坡屋頂；③對于南北躍層空間組合來講，南向窗墻比＞不透明屋頂坡度＞陽臺進深＞房間天窗面積占比＞間層坡屋頂。

（3）結(jié)合空間功能及其尺度需求、建筑造型等設(shè)計應(yīng)用需求，總結(jié)了單一設(shè)計要素取值趨勢或范圍。

研究結(jié)果能夠為建筑師開展西寧及其相似氣候條件地區(qū)集合住宅頂層通過形體空間利用地域太陽輻射資源節(jié)能的設(shè)計應(yīng)用提供設(shè)計量化參考。但分析樣本的類型和數(shù)量有限，研究結(jié)果尤其是具體量化數(shù)據(jù)并不能覆蓋所有戶內(nèi)空間組合模式，待進一步擴展樣本，對研究結(jié)論進行校驗、修正和補充。本研究采用太陽輻射熱作用下的采暖用能變化來總結(jié)節(jié)能設(shè)計策略，思維模型較為粗糙，后續(xù)將對太陽輻射熱作用過程進行拆解，可進一步針對性提出強化太陽輻射熱利用效果的設(shè)計策略。此外，本文主要圍繞建筑本體設(shè)計要素展開利用太陽輻射節(jié)能的設(shè)計策略研究。

圖、表來源

圖1：參考文獻[14]，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)層典型平面圖改繪；表3：根據(jù)參考文獻[14]進行整理繪制；

其余圖、表均由作者繪制。