被動式建筑設計技術在廣州某住宅小區(qū)的應用與分析

葉國棟 胡文斌 左政/YE Guodong, HU Wenbin, ZUO Zheng

1 引言

提到綠色建筑或節(jié)能建筑，人們往往容易將其和一些具體的設備材料等聯(lián)系在一起，如外墻保溫、太陽能發(fā)電等。殊不知適應當?shù)貧夂?、文化和生活特征的?guī)劃與設計更是綠色節(jié)能建筑的基礎。離開了這個基礎，綠色節(jié)能建筑就淪為了具體技術的代名詞，甚至可能成為昂貴和“節(jié)能不節(jié)錢”的代名詞。

事實上，被動式設計也是一門技術，由于不夠具象，甚至可以說是比具體的設備材料更難以理解和操作的技術，因而對規(guī)劃設計能力要求更高。本文通過介紹位于廣州番禺的某住宅項目在規(guī)劃設計過程中，被動式設計方法與技術的嘗試，以及具體項目實施效果的比較分析，試圖探討被動式設計理念及技術的應用方法，對住宅產(chǎn)品的節(jié)能性能與居住舒適度的影響，以及進一步研究應用的方向。

2 項目簡介

該項目規(guī)劃地塊位于廣州市番禺區(qū)，占地面積約83hm2，在地域結構中處于特殊位置，位于大石南部、鐘村東側、南村西側、市橋北側，處于各個鎮(zhèn)的結合部位。

項目的用地性質為商住用地，其中，商業(yè)用地39.05萬m2，住宅用地44.50萬m2（含配套的中學、小學及托幼用地）。項目定位為中高端住宅小區(qū)，希望通過在規(guī)劃、建筑設計以及材料設備應用3個階段的綜合考慮，將綠色生態(tài)以及可持續(xù)發(fā)展理念融入項目開發(fā)的全過程，并為客戶創(chuàng)造舒適、健康、低消耗的居住生活空間，實現(xiàn)社會、經(jīng)濟、環(huán)境三者共同價值的最大化。

項目的綠色生態(tài)定位不是通過昂貴的材料或者高新設備技術的應用來體現(xiàn)，相反，材料和設備技術的應用僅僅是為了輔助或彌補被動式建筑設計技術的不足，并希望以此盡量還原綠色建筑的本質，倡導天人合一、自然和諧的生活理念。

3 被動式建筑設計技術的應用

3.1 生態(tài)效益最大化方法在概念規(guī)劃階段的應用

所謂生態(tài)效益最大化方法是指在城市規(guī)劃層面繪制一些設計構成主題地圖。這些主題包括景觀、水、能源和交通。對于每一個主題，將在假設只有這一個主題是最重要的前提下，繪制一張生態(tài)效益最大化地圖。然后比較這些地圖，并進行匯編，最終的草圖將成為評估或設計城市規(guī)劃方案的基礎。生態(tài)效益最大化方法主要用于評估城市規(guī)劃設計方案。

應用效益生態(tài)最大化方法對規(guī)劃方案進行評估，首先要對項目當?shù)氐母鞣N氣候條件進行詳細分析，包括溫度、濕度、日照、風、降雨等。圖1是對項目所在地冬夏典型日太陽運行軌跡的分析，由此可對建筑的朝向、開窗、遮陽等提供設計依據(jù)。

通過以上氣候條件分析，可以分別繪制出項目各個氣候因素的主題地圖。例如，通過對項目所在地的日照條件分析我們發(fā)現(xiàn)，建筑在東西立面上暴露于外的窗戶要盡可能少，理想的建筑應是南北兩側較長的狹長型建筑。除此之外，設計還應考慮以下幾點：設置走廊或緩沖空間，將熱量阻擋在外；設計固定百葉窗或帶有光電系統(tǒng)的遮陽裝置；設計天井等涼爽的、帶有遮陽的室外空間；盡量采用大量綠色屋頂，可保持室內(nèi)涼爽并創(chuàng)造微型氣候；不利用直射陽光的日光照明。圖2是結合地形繪制的朝向和風向的能源最大化地圖。其中紅色線條代表建筑排布的朝向，藍色箭頭代表主導風向。

圖1 項目所在地冬夏典型日運行軌跡

與能源最大化地圖的繪制原理相似，還可以繪制出景觀、水和交通的最大化主題地圖。這些主題地圖的疊加就形成了可以用于不同規(guī)劃方案比較分析的綜合地圖，如圖3所示。其中藍色部分表示可以保留的水景資源，綠色部分表示可以利用的景觀資源，橙色線條表示交通流線的組織。

通過各主題地圖與不同規(guī)劃方案的疊加比較，可以對不同方案在各個主題方面的優(yōu)缺點進行全面的比較，作為規(guī)劃方案選擇與深化的依據(jù)。圖4是3個規(guī)劃備選方案與能源主題地圖疊加后的比較。從圖中可以看出 ，方案一能源沒有達到最優(yōu)化；方案二風和能源沒有達到最優(yōu)化；方案三風和能源沒有達到最優(yōu)化，以上方案均有其可取之處。

3.2 規(guī)劃設計的精細化模擬與優(yōu)化

進入到詳細規(guī)劃設計階段，由于本項目地形與規(guī)劃結構都較為復雜。為了確保小區(qū)室外有良好的通風，并為建筑單體的自然通風創(chuàng)造良好的風壓環(huán)境。借助計算機模擬軟件，可以進一步對規(guī)劃設計方案進行評估和比較。圖5就是15m標高處的流場與室外風壓力分布模擬計算結果。借助于計算機模擬這一手段，不僅可以從定性也可以從定量的角度給出具體詳盡的評估結果與改進建議。

圖2 能源最大化地圖——朝向、通風

圖3 項目生態(tài)效益最大化綜合地圖

圖5 15m標高的流場與風壓力分布（Phoenics3.6模擬計算結果）

圖4 規(guī)劃方案疊加能源主題地圖的比較

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圖6 小區(qū)冬夏典型日室外日照的模擬結果（Ecotect5.5模擬計算結果）

圖7 不同屋面鋪裝情形地表和建筑外表溫度分布比較（Fluent6.2模擬計算結果）

通過室外通風數(shù)值模擬計算這一手段，為項目的規(guī)劃設計提出了10項具體的設計調整與完善建議。此外，借助日照分析工具以及室外熱島強度分析工具，還可以分析建筑布局對室外日照質量的影響，為景觀活動場地的布局以及室外地面鋪裝的設計提供設計輸入。圖6與圖7是項目室外日照與室外熱島強度的模擬分析結果。

3.3 單體設計的精細化模擬與優(yōu)化

單體設計階段，被動式設計技術在項目的應用主要體現(xiàn)在戶內(nèi)自然通風性能的優(yōu)化以及建筑節(jié)能設計的技術經(jīng)濟性兩個方面。

理想的單元戶型平面自然通風優(yōu)化設計應當在規(guī)劃階段進行。通過對各種可能單元戶型平面的模擬分析與評價，能夠分辨出自然通風性能的優(yōu)劣，從而有利于在規(guī)劃階段選擇最有利于自然通風的單元戶型組合與建筑單體排布方式。

單體階段的自然通風性能模擬分析就只能從功能平面布局、開口相對位置、開口方式等方面對設計做出評價，并提出調整與改善建議。圖8是項目一棟典型聯(lián)排別墅的單元戶型平面自然通風性能與天井拔風性能模擬分析的結果。

4 與同類項目的實施效果比較

為了比較被動式建筑設計技術對建筑最終物理性能提升的貢獻，我們選取了一個類似的住宅小區(qū)項目（對比項目），從被動式設計技術的應用情況到最終體現(xiàn)出的自然通風與建筑節(jié)能性能作了一個比較。

4.1 規(guī)劃設計與室外通風性能的比較

從規(guī)劃布局方面進行比較，本項目的室外自然通風性能更優(yōu)，高層建筑前后壓差達5pa，別墅區(qū)建筑前后壓差0.5～1.5pa。而對比項目高層和小高層位于地塊東南側，對后部別墅區(qū)室外空氣流動造成一定不利影響。對比項目高層和小高層前后壓差為1～5pa，部分別墅區(qū)建筑前后壓差小于0.5pa，有的只有0.1～0.2pa，不利于室內(nèi)自然通風。

圖8 單元戶型平面自然通風性能與天井拔風性能模擬分析（Phoenics3.6與Fluent6.2模擬計算結果）

從建筑朝向方面進行比較，本項目建筑布局以南北朝向為主，但也有大量東西朝向建筑，首期A1、A2、A3、A4四個區(qū)，僅A3區(qū)為南北朝向，其余3個區(qū)基本接近東西朝向，不利于建筑節(jié)能。而對比項目所有建筑布局基本為南北朝向，對建筑節(jié)能有利。

4.2 單元戶型平面自然通風性能的比較

由于兩個項目的小高層與高層大都采用一梯兩戶或一梯三戶的單元戶型平面布局，且戶內(nèi)功能平面布局與開口相對位置設計合理，戶內(nèi)空氣流動性能良好。

本項目高層建筑室內(nèi)換氣次數(shù)可達到80～100次/hr，通風狀況非常好；別墅建筑室內(nèi)換氣次數(shù)可達到20～50次/hr，自然通風一般到良好。此外，別墅建筑可利用中庭進行拔風，室外無風情況下可利用熱壓進行通風換氣。

對比項目別墅戶型布局利于室內(nèi)自然通風，但部分別墅前后壓差較小，換氣次數(shù)10～20次/hr，偏??；小高層戶型布局換氣次數(shù)30～50次/hr，通風良好；高層區(qū)戶型布局以一梯兩戶、一梯三戶為主，其中7～10棟一梯三戶中間戶型通風狀況較差，其他棟戶型通風良好，換氣次數(shù)可達到80～100次/hr。

4.3 建筑主體能耗與節(jié)能率的比較

為了詳細考察被動式設計手段對建筑主體能耗的影響，我們比較了本項目與對比項目相同物業(yè)類型的單體熱工性能與能耗特征。

表1是雙拼別墅單體熱工特性的詳細比較。從被動式設計的原則來判斷，對比項目在朝向和窗墻比這兩個參數(shù)上比本項目要更有利于建筑節(jié)能和居住熱舒適；而本項目在自然通風特性上則更優(yōu)。從建筑材料的物理性能上來比較，兩個項目外墻平均傳熱系數(shù)相當，本項目在屋頂傳熱系數(shù)與外窗平均遮陽系數(shù)上更優(yōu)，主要表現(xiàn)在屋頂擠塑聚苯乙烯（XPS）隔熱板的厚度更厚，外窗選用LOW-E中空玻璃的使用比例更大。

圖9 規(guī)劃設計與室外通風性能的比較

圖10 對比項目高層B2-1棟標準層空氣流線（前后壓差5pa，Phoenics3.6模擬計算結果）

表1 雙拼別墅單體熱工性能比較

表2 雙拼別墅建筑能耗特性比較（DEST模擬計算結果）

目前現(xiàn)行的節(jié)能設計標準，由于無法客觀準確量化比較自然通風對節(jié)能的貢獻，實際上沒有考慮自然通風對建筑節(jié)能的影響。本文通過自然通風換氣次數(shù)這一指標來區(qū)分不同項目所具有的自然通風特性以及對節(jié)能率的影響。

從表2可以看出，根據(jù)節(jié)能設計標準參照建筑與實際建筑的比較所計算出的節(jié)能率，本項目的節(jié)能率為62.7%，對比項目為58.7%；而本項目單位面積年空調耗電量卻為53.1kWh/ m2·年，高于對比項目的49.43 kWh/ m2·年。由此可見，節(jié)能率高并不能和能耗低劃等號，一些簡單的被動式設計原則不僅能決定建筑的能耗水平，并且實現(xiàn)相同節(jié)能率或能耗指標的材料成本也更經(jīng)濟。

5 結論與思考

節(jié)能建筑也好、綠色建筑也好，其本質應該是用技術手段去彌補設計的不足，被動式設計的理念、手段和設計手法尤為重要。一些簡單的設計原則往往決定了建筑的耗能水平和居住使用的舒適度，比如說朝向、窗墻比等。但在實際項目的規(guī)劃設計過程中，被動設計的理念原則要么被忽視，要么讓位于景觀、立面效果等因素，并沒有得到足夠的考慮和重視。造成這種現(xiàn)狀，有市場客戶的因素，也有規(guī)劃設計師能力限制和技術手段缺乏的因素。

在項目的規(guī)劃設計過程中引入專業(yè)的技術咨詢機構是一種模式，但如何簡化工作流程，開發(fā)出一些簡單的被動設計技術的工具與導則，將是被動式設計技術轉化為設計常態(tài)更為有效的手段。

有一些被動式技術在現(xiàn)實中對于節(jié)能和提高居住的舒適度確有幫助，但在目前的設計管理制度框架下卻不能得以承認，從而缺乏驅動力。比如自然通風性能，采光和通風其實是購房者在買房時較為看重的因素。如果有一種客觀和簡單的方法能衡量、比較以及標識不同住房的自然通風性能，這樣就能促使開發(fā)商在產(chǎn)品的規(guī)劃設計過程中將自然通風性能作為比較重要的因素去考慮，無形中也促進被動式設計意識和技術的普及與應用。