基于氣候分析的綠色住居環(huán)境熱性能設(shè)計(jì)策略★

張　磊　黃　欣

(1．同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，上海　200092; 2．高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上?！?00092;3．同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院，浙江嘉興　314000)

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基于氣候分析的綠色住居環(huán)境熱性能設(shè)計(jì)策略★

張磊1，2黃欣3*

(1．同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，上海200092; 2．高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092;3．同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院，浙江嘉興314000)

摘要:介紹了基于氣候分析的綠色住居環(huán)境熱性能設(shè)計(jì)理念，以上海地區(qū)為例，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件分析了溫度、濕度等氣象體檢，從太陽(yáng)輻射、建筑朝向、體形系數(shù)三方面提出了綠色住居環(huán)境熱性能設(shè)計(jì)策略，滿足了建筑內(nèi)部的熱舒適條件。

關(guān)鍵詞:綠色建筑，熱性能，氣候條件，住居環(huán)境

0　引言

基于氣候分析的綠色住居環(huán)境熱性能設(shè)計(jì)策略是以達(dá)到良好的住宅熱性能為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)理念。主要研究對(duì)象是熱性能分析對(duì)住宅設(shè)計(jì)本身產(chǎn)生的導(dǎo)向作用，而對(duì)于通過(guò)采用主動(dòng)式節(jié)能設(shè)備來(lái)提高熱舒適的做法本文中暫不做討論。

本文以上海地區(qū)的氣候條件為例，探討基于參數(shù)化技術(shù)的建筑熱性能設(shè)計(jì)策略，其研究的主要應(yīng)用目標(biāo)之一是通過(guò)數(shù)值量化的交互設(shè)計(jì)，在性能分析和建筑設(shè)計(jì)之間建立某種聯(lián)系，使建筑性能成為建筑生成的重要參數(shù)，與其他設(shè)計(jì)條件要素達(dá)到更優(yōu)化合理的整合。

1　上海地區(qū)主要?dú)夂驐l件解析

1．1日氣溫變化分析

上海地區(qū)最高氣溫與最低氣溫的位相變化不大，在正常的天氣條件下，最低氣溫一般出現(xiàn)在日出前1 h內(nèi)，最高氣溫出現(xiàn)在正午的1 h～2 h。日較差即一天中最高氣溫與最低氣溫的差值。上海地區(qū)的日較差有明顯的季節(jié)變化，春秋季大于冬夏季。這是由于春秋兩季晝夜時(shí)長(zhǎng)相差不大，白天受熱和夜間散熱都有充分時(shí)間，使晝夜之間日較差增大。夏季晝長(zhǎng)夜短，白天吸收大量熱量，夜間來(lái)不及散熱，氣溫一直偏高;冬季反之晝短夜長(zhǎng)，白天吸熱不多，晝夜氣溫一直較低。因此，夏季防熱和冬季蓄熱是上海地區(qū)熱舒適設(shè)計(jì)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。

1．2溫濕度逐周變化分析

從上海地區(qū)平均溫度逐周數(shù)據(jù)分析圖(如圖1所示)中可以看出，上海地區(qū)平均溫度曲線呈明顯的駝峰型，說(shuō)明在一年的時(shí)間跨度中，冬夏兩季的氣溫差異明顯。

圖1　上海地區(qū)平均溫度逐周數(shù)據(jù)分析圖

圖2為上海地區(qū)相對(duì)濕度的逐周數(shù)據(jù)分析，頂視圖顯示了每日中午前后的相對(duì)濕度較低，而夜間的濕度較高;波形年變化圖顯示出相對(duì)濕度在全年范圍內(nèi)的變化規(guī)律:夏季濕度較高，冬季濕度較低。最高濕度出現(xiàn)在第27周前后(7月上旬)，最低濕度出現(xiàn)在第50周前后(12月中旬)。波形日變化圖體現(xiàn)了相對(duì)濕度在一天中的變化規(guī)律:每天的最低濕度均出現(xiàn)在12點(diǎn)～16點(diǎn)之間的范圍內(nèi)，而最高濕度較多出現(xiàn)在午夜12點(diǎn)前后。

圖2　上海地區(qū)相對(duì)濕度逐周數(shù)據(jù)分析圖

綜合各項(xiàng)因素通過(guò)適當(dāng)?shù)某蚝驼陉?yáng)設(shè)計(jì)避免夏季過(guò)高的熱輻射和通過(guò)建筑體形、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)減少冬季熱交換是上海住宅熱舒適設(shè)計(jì)的重要方面。

2　基于氣候分析的綠色住居環(huán)境熱性能設(shè)計(jì)策略

2．1太陽(yáng)輻射主導(dǎo)下的綠色建筑設(shè)計(jì)策略

太陽(yáng)輻射是人類聚居最重要的環(huán)境因素，也是建筑得熱的主要來(lái)源。因此，對(duì)太陽(yáng)輻射的控制與利用是建筑熱性能研究中至關(guān)重要的策略。

在可持續(xù)設(shè)計(jì)中，太陽(yáng)輻射主要對(duì)住宅朝向的選擇和住居環(huán)境中的植物配置方案發(fā)生影響。其中，住宅朝向的選擇是太陽(yáng)輻射、日照、通風(fēng)等因素共同作用的結(jié)果。而植物配置和景觀設(shè)計(jì)可以借助光合有效輻射分析完成。

光合有效輻射分析對(duì)住宅區(qū)內(nèi)特定時(shí)段上的太陽(yáng)輻射進(jìn)行考察，以此為依據(jù)為植物配置提供決策導(dǎo)向支持。圖3是依據(jù)上海市氣候資料對(duì)上海某高層住宅區(qū)的日照輻射分析圖。根據(jù)模擬結(jié)果，在太陽(yáng)輻射高于6 MJ/(m2·d)的區(qū)域配置喜陽(yáng)植物，而低于3 MJ/(m2·d)的低輻射區(qū)域配置喜陰植物。

圖3　光合有效輻射總平面分析圖

2．2朝向主導(dǎo)下的綠色建筑設(shè)計(jì)策略

朝向選擇是綠色住居環(huán)境熱舒適設(shè)計(jì)的重要策略之一。建筑朝向?qū)ψ【涌臻g所能獲取的太陽(yáng)輻射熱量至關(guān)重要。依據(jù)各地氣候條件及人體熱舒適度的需要，對(duì)太陽(yáng)輻射熱量的獲取進(jìn)行控制是住宅朝向選擇的重要制約因素。

由氣候分析和上海市的建筑高容積率特點(diǎn)可知，上海地區(qū)住宅太陽(yáng)輻射熱量主要由垂直面太陽(yáng)輻射獲取。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)M，就垂直面太陽(yáng)輻射而言，上海地區(qū)的最佳住宅朝向是南偏東30°，且過(guò)冷時(shí)期(冬季)太陽(yáng)輻射量較過(guò)熱時(shí)期(夏季)更大。除太陽(yáng)輻射熱量外，朝向的選擇還與日照時(shí)數(shù)、地方習(xí)俗等因素有關(guān)。對(duì)于上海地區(qū)而言，建筑的朝向設(shè)計(jì)還需要綜合考慮夏季濕熱氣候條件下的通風(fēng)效果。

建筑朝向的要求對(duì)城市規(guī)劃形態(tài)影響重大。中國(guó)的現(xiàn)代城市，以集合住宅為主導(dǎo)的城市空間中，住宅的布局方式對(duì)城市形態(tài)起著決定性的影響。行列式布局是中國(guó)城市集合住宅最常使用的布局方式，即便偶有錯(cuò)列或者圍合，由于日照時(shí)數(shù)等規(guī)范的嚴(yán)格控制，也往往限于微觀上的靈活性調(diào)整，而無(wú)法改變整體的城市住區(qū)形態(tài)。

對(duì)可持續(xù)設(shè)計(jì)而言，中國(guó)傳統(tǒng)的朝向?qū)蜃≌季值脑O(shè)計(jì)方式在住區(qū)環(huán)境性能的意義上是具有先進(jìn)意識(shí)的。這種設(shè)計(jì)策略已經(jīng)越來(lái)越受到國(guó)際社會(huì)的關(guān)注，英國(guó)的著名零碳住區(qū)項(xiàng)目BedZed與中國(guó)住宅有著相同的規(guī)劃模式，并且取得了極大成功。

2．3體形系數(shù)主導(dǎo)下的綠色建筑設(shè)計(jì)策略

對(duì)于傳統(tǒng)手段的建筑設(shè)計(jì)而言，體形系數(shù)因?yàn)殡y以與設(shè)計(jì)的圖示方法直接對(duì)接，而幾乎無(wú)法以直觀、有效的方式參與到建筑的形式生成過(guò)程中。參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)，使體形系數(shù)以性能參數(shù)的形式介入建筑設(shè)計(jì)前期成為可能。體形系數(shù)導(dǎo)向下的設(shè)計(jì)生成已經(jīng)成為綠色住居環(huán)境設(shè)計(jì)策略的重要研究對(duì)象之一。

體形系數(shù)與建筑物的寬度、進(jìn)深、高度和層數(shù)相關(guān)。實(shí)驗(yàn)顯示，集合住宅的體形系數(shù)隨著層數(shù)的增高而呈衰減趨勢(shì)。當(dāng)建筑物的長(zhǎng)度、層數(shù)確定之后，建筑物的體形系數(shù)將會(huì)隨著層高的增高而減小，尤其對(duì)低層住宅影響明顯。體形系數(shù)的大小對(duì)建筑能耗的影響非常顯著，體形系數(shù)小，單位面積對(duì)應(yīng)的外表面積越小，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)等傳熱損失越小。

體形系數(shù)不僅影響建筑能耗，還與建筑立面形式、平面布局、采光、通風(fēng)相關(guān)。因此，對(duì)體形系數(shù)的研究必須綜合權(quán)衡利弊，尋求適宜性的解決方案。

3　結(jié)語(yǔ)

住宅熱性能是住宅建筑在不借助外界化石能源輸入的情況下，滿足室內(nèi)人體熱舒適要求的能力。住宅熱性能越高，建筑內(nèi)部的熱舒適條件越好，建筑在運(yùn)行過(guò)程中的能耗就越低。本文在對(duì)上海地區(qū)的氣候進(jìn)行評(píng)價(jià)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)熱性能導(dǎo)向下的綠色住居環(huán)境設(shè)計(jì)的原理和策略進(jìn)行了分析和闡述。

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Thermal performance design strategies of green residential environment on the basis of climatic analysis★

Zhang Lei1，2Huang Xin3*
(1．College of Building＆City Planning，Tongji University，Shanghai 200092，China; 2．Major Laboratory of Education Ministry for High-Density Residential Environment Ecology and Energy Saving，Shanghai 200092，China; 3．Zhejiang College，Tongji University，Jiaxing 314000，China)

Abstract:With an introduction on thermal performance design concept of green residential environment on the basis of climatic analysis，taking Shanghai region as an example，the paper analyzes temperature and humidity and other meteorological experience by applying computer software，and puts forward thermal performance design strategies of green residential environment from three aspects of solar radiation，architectural orientation and building shape coefficient．As a result，it meets internal architectural thermal comfort conditions．

Key words:green building，thermal performance，climatic conditions，residential environment

通訊作者:黃欣(1976-)，女，講師

作者簡(jiǎn)介:張磊(1977-)，男，博士后

收稿日期:2015-10-30★:獲得國(guó)家留學(xué)基金委資助(項(xiàng)目編號(hào):2007102384)

文章編號(hào):1009-6825(2016)01-0189-03

中圖分類號(hào):TU201．5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A