溫暖的挑戰(zhàn)-氣候響應與建筑表達

溫暖的挑戰(zhàn)-氣候響應與建筑表達

【Summary】本文以河南某小學項目設計實踐為例，關(guān)注氣候響應和建筑性能的理性建筑設計過程，探索在建筑與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)中尋找恰當?shù)慕ㄖ磉_和技術(shù)組合，并據(jù)此形成一種不斷演進的、富有活力的地域性特征的途徑。【關(guān)鍵】溫暖；氣候相應；建筑表達如今建筑物在建設與使用過程中所耗能源已是全球能源消耗的重要部分。據(jù)統(tǒng)計，近年來建筑相關(guān)能源消耗已占我國年能耗總值的近半比例，且有逐年上升的趨勢。在環(huán)境問題凸顯，可持續(xù)發(fā)展、低碳排放目標成為社會共識的今天，建筑理應重新關(guān)注對氣候的響應，并運用現(xiàn)代技術(shù)手段使建筑形態(tài)、材料及其使用方式符合當?shù)厝照?、溫度、降雨等地區(qū)基礎(chǔ)物理條件，探索當?shù)匦碌牡赜蛐越ㄖ磉_。通過對建筑空間、氣候、資源、技術(shù)等因素的設計協(xié)同，使建筑物在資源獲取、能源消耗及人體舒適度需求之間達成一種平衡。1溫暖的挑戰(zhàn)以我國河南地區(qū)的某一鄉(xiāng)村寄宿制小學項目為例進行分析，該項目設計擬滿足160名學生及教師的住宿需求。項目總建設規(guī)模約為1250m2，整個設計工作的初衷在于應對無集中熱源及化石燃料供應的條件，以極低的造價塑造較為舒適的室內(nèi)熱環(huán)境，同時杜絕對當?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境造成破壞。2目標導向的理性決策過程針對嚴苛的現(xiàn)實與氣候條件，暖巢項目設計之初即擬采用被動式太陽能技術(shù)，從建筑布局、墻體構(gòu)造、結(jié)構(gòu)選型、空間布局等角度入手，探索達成采暖零碳排放的途徑。從經(jīng)濟性和舒適性兩個角度出發(fā)，我們希望主要功能房間的冬季室內(nèi)平均溫度應保證人體的生理機能的健康運行，晝夜溫度波動不宜過大。在此基礎(chǔ)上確定合理的建筑熱工性能策劃指標，合理地減小建筑的熱需求，在環(huán)境允許的條件下實現(xiàn)建筑被動式采暖。綜合各項要素和條件，設計預計能耗比《民用建筑能耗標準》同氣候區(qū)同類建筑能耗的約束值至少降低40%；在年平均氣溫為1.1℃情況下，最冷月室內(nèi)最低溫度高于12℃。圍繞此最終指標，在設計的全過程中，BIM模型與性能化模擬同步進行，迭代優(yōu)化，向設計目標值逐逼近。2.1布局建筑朝向布局的確定是所有太陽能獲取途徑的有效基礎(chǔ)，設計中綜合考慮了建筑南北向的得熱效率，以及拆除并新建后的校園空間效果，最終選擇了南偏東15?，與原有教學樓成9?夾角的建筑布局。2.2選材基于設計要求的成本限制及建筑空間對太陽能的蓄熱要求，我們希望采用熱惰性大的重質(zhì)復合墻體結(jié)構(gòu)，提高建筑樓地面、屋面內(nèi)界面、內(nèi)墻與外墻內(nèi)界面的蓄熱性能。圍護結(jié)構(gòu)熱惰性越大，建筑物內(nèi)表面溫度受外表面溫度波動影響越小[1]。強調(diào)熱惰性的建筑構(gòu)件主要指樓地面、屋面內(nèi)界面、內(nèi)墻與外墻內(nèi)界面，而直接接觸室外大氣的圍護結(jié)構(gòu)外界面主要強調(diào)隔熱能力，形成更高的熱阻。高海拔地區(qū)交通不便，運輸成本較高，設計在可能的前提下就地取材，利用當?shù)厝菀撰@得、對環(huán)境影響較小的材料。外飾面材料應當充分考慮耐太陽輻射和抗凍融的性能指標，化。綜合以上要素，設計最終選擇了價廉的磚混結(jié)構(gòu)體系，主材采用當?shù)馗浇梢蕴峁┑捻搸r實心磚，以利用其兼具經(jīng)濟性、抗震性和蓄熱性能的特點。在保溫層材料的選擇上，采用現(xiàn)場發(fā)泡聚氨酯保溫層，突出其易于運輸，以及高氣密性、高性能的特點。由于外墻的傳熱系數(shù)要求較高，此類地區(qū)建筑的保溫層厚度通常較大，影響保溫層及外飾面固定的可靠性與耐久性。夾心墻保溫構(gòu)造能夠較大程度地兼顧保溫性能與房屋圍護結(jié)構(gòu)的耐久性，是一種比較適合高海拔嚴寒氣候特征的技術(shù)措施。2.3包裹設計將建筑空間分為核心功能空間和輔助功能空間，以輔助功能空間包裹核心功能空間，保溫層盡量貼近核心功能空間區(qū)域。將主要的、需全天使用的房間作為核心功能空間，通過性的、僅白天使用的、駐留時間較短的區(qū)域作為輔助功能空間。通過對建筑功能得熱優(yōu)先級的區(qū)分，保證主要房間擁有最佳的熱工性能，在建筑物的布局上，以輔助功能空間在東、西、北三個方向盡量包裹核心功能空間，起到溫度緩沖區(qū)的作用。針對項目的模擬計算表明，在滿足建筑基本使用功能情況下，有效地設置溫度緩沖區(qū)可以明顯地改善建筑室內(nèi)的熱舒適度。應當指出的是，前文中關(guān)于室內(nèi)熱工性能的要求，應當適用于核心功能區(qū)域，對非核心功能區(qū)的熱工性能指標，可以在不影響日常使用、設施設備運行安全的前提下適當放寬。2.4形體建筑形體在滿足充分獲取太陽能的前提下（非體型系數(shù)最?。瑧啙?、規(guī)整。為保證建筑南向最大得熱面，建筑物南向盡量減少不必要的凹凸變化。順應建筑的內(nèi)部功能及流線組織，呈現(xiàn)形體變化，同時避免在室內(nèi)形成不必要的過于高大的空間，影響室內(nèi)的溫度均勻性和舒適度[2]。2.5洞口與氣密性空氣對流、交換是建筑內(nèi)熱量散失的一個主要途徑。設計過程中，通過對形體風場模擬，獲得了建筑周邊近零風壓區(qū)的位置，將建筑的主要出入口布置在此類區(qū)域，并設置具有足夠進深的門斗空間，防止室內(nèi)熱空氣逸散。在建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)點設計方面，設計師著重考慮了建筑物的整體氣密性，聚氨酯夾芯保溫層同時兼作氣密層，以期減少冬季冷風滲透，同時避免潮氣侵入造成的建筑物發(fā)霉、結(jié)露等問題發(fā)生，提高建筑綜合性能。在造價非常緊張的情況下，大部分外門窗仍選用幕墻系統(tǒng)，目的在于提供更佳氣密性能、水密性能，保住熱能[3]。2.6窗墻比嚴寒、寒冷地區(qū)普遍采用較小的窗墻比，但經(jīng)過性能化分析后我們發(fā)現(xiàn)，在被動式太陽能建筑中，南向的窗墻比與室內(nèi)溫度呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系，即南向開窗比例越大，其室內(nèi)全天平均溫度越高。據(jù)此，設計在不同的朝向上采用了差異化的設計策略：南向盡可能擴大開窗比例，并將非透明區(qū)域的窗間墻設置為集熱墻，以最大限度地獲取直接受益的太陽能；東、西、北三個方向則僅設滿足采光和心理需求的洞口，并采用low-E中空玻璃，減少熱量散失。2.7主動熱阻調(diào)節(jié)從原理上，南向圍護結(jié)構(gòu)應保證良好的氣密性，并實現(xiàn)日間與夜間熱工性能的可變。圍護結(jié)構(gòu)應在白天盡可能多地獲取太陽能，在夜間則形成一個熱阻較高的保溫界面，防止室內(nèi)熱量的散失。南側(cè)外墻采用直接受益式、集熱蓄熱墻體與附加陽光間的結(jié)合，最大限度開窗，并在無法開窗區(qū)域設集熱墻系統(tǒng)。集熱墻由透明窗、空氣間層和實心墻體三部分組成。白天，利用陽光照射到外有玻璃罩的深色蓄熱墻體上，加熱透明玻璃和墻體外表面之間的空氣，通過熱壓作用使空氣流入室內(nèi)；夜間，關(guān)閉內(nèi)外兩層透明玻璃開啟扇，同時關(guān)閉宿舍內(nèi)棉窗簾，重質(zhì)結(jié)構(gòu)儲存的熱能緩慢釋放到室內(nèi)，形成溫暖、穩(wěn)定的室內(nèi)小環(huán)境。南側(cè)墻體熱阻的變化過程，充分考慮了小學宿舍的日常使用模式，讓主動調(diào)節(jié)的過程與學生日常管理的節(jié)奏相吻合，降低后期的使用維護成本，并保證措施的持久、有效[4]?！綬eference】[1]雷冰宇,錢方.溫暖的挑戰(zhàn)——氣候響應與建筑表達[J].當代建筑,2021(09):16-20.[2]李