趙 暉

（長(zhǎng)春工程學(xué)院建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

伴隨著中國(guó)綜合國(guó)力的提升，各地公共建筑如雨后春筍般的涌現(xiàn)，鱗次櫛比的高樓大廈確實(shí)給城市的風(fēng)貌帶來巨大的改觀.但人類所依賴的石油、天然氣、煤炭等礦物能源也以驚人的速度被消耗.［1－3］

太陽能作為一項(xiàng)古老而新興的能源，具有其他傳統(tǒng)礦物類能源所無法比擬的優(yōu)勢(shì)，太陽能技術(shù)已經(jīng)在許多領(lǐng)域的應(yīng)用上取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，在發(fā)達(dá)國(guó)家建筑領(lǐng)域的應(yīng)用也有多年歷史［4］.我國(guó)近幾年太陽能技術(shù)在建筑上的應(yīng)用也取得一定的成果，不過與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大的差距［5］.本文以辦公類建筑為研究對(duì)象，結(jié)合翔實(shí)的數(shù)據(jù)信息和實(shí)態(tài)調(diào)研資料，歸納總結(jié)嚴(yán)寒地區(qū)辦公建筑的能耗特征，結(jié)合辦公建筑的功能特點(diǎn)，進(jìn)一步探討太陽能技術(shù)的應(yīng)用方法及具體設(shè)計(jì)方案，以期為一線建筑設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)依據(jù).

1 太陽能技術(shù)在辦公建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

為了研究太陽的活動(dòng)規(guī)律與公共建筑之間的關(guān)系，我們分別從建筑的總體布局與建筑單體2個(gè)方面加以分析.從建筑總體來看，建筑作為獨(dú)立的使用對(duì)象，其所處的位置、形狀、表面積的大小都會(huì)影響到太陽輻射量的接收；另一方面，辦公建筑作為一種特殊的建筑類型其自身特有的功能要求也決定了其特有的建筑形式.如何將這2個(gè)方面的影響因素有效地結(jié)合在一起，發(fā)揮其雙重效應(yīng)是本文重點(diǎn)討論的內(nèi)容.

1.1 建筑的總體布局

不同的形式下的建筑布局吸收太陽輻射的差別較大.假定太陽輻射條件相同，利用計(jì)算機(jī)模擬軟件，觀測(cè)不同平面關(guān)系的建筑物，對(duì)比分析接收太陽輻射的特征及差異.我們使用的DOE模擬軟件是近年比較成熟的由建筑師研發(fā)的仿真建筑設(shè)計(jì)技術(shù)，具有快速、高效、操作簡(jiǎn)單、測(cè)試結(jié)果可靠、直接的特點(diǎn).

擬設(shè)條件：

（1）測(cè)試地點(diǎn)選擇在具有北方寒地氣候特征的長(zhǎng)春地區(qū)；

（2）建筑布局選擇板式、圍合式、點(diǎn)式“L”式及“T”式不同風(fēng)格的平面關(guān)系；

（3）點(diǎn)式采用開放式大空間辦公模式，其他形式選用廊式組合關(guān)系，建筑棟深為14m；

（4）建筑面積設(shè)定10000m2；

（5）擬建地點(diǎn)為處于開放區(qū)域的獨(dú)棟建筑.

1.2 建筑的選址要求

建筑的選址首先應(yīng)考慮建筑與環(huán)境的關(guān)系，充分利用自然地形地貌，保護(hù)原有自然環(huán)境.選址應(yīng)首先考慮當(dāng)?shù)氐淖匀坏匦蔚孛?，以“山南水北之陽”為選址原則，充分利用自然通風(fēng)，避免布置在夏季主導(dǎo)風(fēng)向陰影區(qū)內(nèi)（如被山地或高大建筑物所遮擋）.

（1）充分考慮由于空氣流動(dòng)所造成的太陽輻射溫度的變化，例如：呈“U”型布置的組團(tuán)形式，其開口位置應(yīng)面向主導(dǎo)風(fēng)向.呈行列布置時(shí)，可將平面錯(cuò)開布置，或與主導(dǎo)風(fēng)向成40°～50°偏角，有效地利用自然通風(fēng)帶走室內(nèi)的熱空氣，有利于緩解建筑能耗（見圖1）.

（2）低層建筑布置在主導(dǎo)風(fēng)向迎風(fēng)面的位置，利于接收夏季主導(dǎo)風(fēng).在區(qū)域規(guī)劃時(shí)，采取北高南低的布置原則，更有利于獲取充足的日照.處理建筑與環(huán)境關(guān)系上，由皮亞諾設(shè)計(jì)的澳大利亞吉巴歐文化中心便是一個(gè)典型的案例（見圖2）.該建筑位于新喀里多尼亞島的東部，當(dāng)?shù)貧夂蜓谉幔募径囡L(fēng).皮亞諾正是結(jié)合了當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的棚屋建筑形式，挖掘其與環(huán)境的親和方式，結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和氣候特點(diǎn)，提取出“編織”的構(gòu)筑模式.10個(gè)接近圓形的單體順勢(shì)展開，迎向海島的主導(dǎo)風(fēng)向，利用風(fēng)壓帶動(dòng)室內(nèi)空氣流動(dòng)，并結(jié)合建筑技術(shù)處理，實(shí)現(xiàn)全面的被動(dòng)自然通風(fēng)，取得了良好的建筑節(jié)能效果.

圖1 鋸齒形建筑防熱分析圖

1.3 建筑體型系數(shù)的影響

（1）優(yōu)化設(shè)計(jì)建筑外包面積指標(biāo)

將豐富多樣的建筑形體簡(jiǎn)化為單體長(zhǎng)方體或幾個(gè)長(zhǎng)方體的組合，這一點(diǎn)從實(shí)際工程角度出發(fā)是可行的，進(jìn)而分析實(shí)際構(gòu)成因素，減少建筑表面積.

（2）建筑周長(zhǎng)的影響

建筑體型系數(shù)與周長(zhǎng)關(guān)系為

（1）式中：H為建筑的高度；S為建筑的基底面積；x為建筑的周長(zhǎng).假定在建筑高度和基底面積為定值的前提下，體型系數(shù)與周長(zhǎng)間的變化關(guān)系體現(xiàn)為隨著周長(zhǎng)的變化，體型系數(shù)的差異較大，而建筑周長(zhǎng)的變化往往是隨著建筑平面的變化而產(chǎn)生的，因此，建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量規(guī)則平面關(guān)系，減少周長(zhǎng).

（3）建筑總長(zhǎng)的影響

（4）建筑棟深的影響

建筑棟深對(duì)體型系數(shù)的影響同上.

（5）建筑高度的影響

建筑體型系數(shù)與建筑高度關(guān)系為

（6）最佳的節(jié)能體型設(shè)計(jì)

通過對(duì)影響建筑節(jié)能體型系數(shù)的因素推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)僅依據(jù)其中的單一因子做定論是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模仨毦C合考慮，確定最佳的節(jié)能體型.

式中：ma為建筑長(zhǎng)度（m為長(zhǎng)寬比，m≥1的有理數(shù)）；V為建筑的體積.

當(dāng)建筑體積為定值時(shí)，建筑高度與體型系數(shù)呈現(xiàn)為一種幾何曲線關(guān)系.而每條曲線的最低點(diǎn)即為與之相對(duì)應(yīng)的最佳體型系數(shù).

由此可見，在建筑的總體積為定值的前提下，每選擇一個(gè)長(zhǎng)寬比m，就有一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的最佳節(jié)能體型存在.因此，依據(jù)理論公式推導(dǎo)，得出建設(shè)指導(dǎo)意見如下［7］：

（1）適當(dāng)加大建筑棟深；

（2）選擇規(guī)則的建筑平面形式；

（3）加大建筑體量.

通過對(duì)6種不同的平面形式的對(duì)比分析（見表1）：平面形式為圓形時(shí)，體型系數(shù)最小，以下依次為正方形、長(zhǎng)方形及其他形式.隨體型系數(shù)的增加，單位體積的傳熱量也相應(yīng)增加.因此，在可能的情況下，選擇近圓形或正方形的平面對(duì)建筑節(jié)能是最有利的.

表1 平面形式體型系數(shù)與耗熱量比值（建筑高度16.8m，底面積500m2）

1.4 太陽能建筑體型系數(shù)的設(shè)計(jì)原則

不同的氣候特征條件對(duì)不同的建筑形式的能耗將產(chǎn)生直接的影響.通過對(duì)建筑形式與體型系數(shù)的研究，我們針對(duì)建筑形式的控制，提出建設(shè)性意見，以達(dá)到節(jié)約能源的目的.而對(duì)于辦公建筑太陽能的利用來講，僅此是不夠的，與太陽輻射特點(diǎn)還有直接的關(guān)系，因此，綜合考慮相關(guān)因素得出如下原則：

（1）建筑造型設(shè)計(jì)的原則

太陽能建筑應(yīng)具有鮮明的節(jié)能意識(shí)特征，設(shè)計(jì)初期就要引入節(jié)能觀念，充分考慮建筑技術(shù)與太陽能技術(shù)的結(jié)合，體現(xiàn)太陽能技術(shù)建筑一體化特色，空間處理應(yīng)避免過于分散、隨意、過多的變化［7］.

（2）建筑形式組合的原則

建筑平面設(shè)計(jì)應(yīng)與模數(shù)制相結(jié)合，盡量減少外墻面積.特別是高層及超高層建筑，由于自身體量較龐大，完全可以通過控制體型系數(shù)，為更好的利用太陽能發(fā)揮關(guān)鍵作用.

1.5 太陽能建筑構(gòu)造設(shè)計(jì)方案

太陽能在建筑上的應(yīng)用方式可分為被動(dòng)式、主動(dòng)式.其中被動(dòng)式分為傳統(tǒng)被動(dòng)式和主動(dòng)型被動(dòng)式.以長(zhǎng)春地區(qū)太陽能建筑的發(fā)展研究現(xiàn)狀考慮，被動(dòng)式太陽能利用方案可有效結(jié)合地域氣候特征展開，建筑師可通過建筑朝向、體型、內(nèi)部空間及特定的建筑構(gòu)造方案實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式的采暖降溫.基本集熱方式分為直接受益窗、集熱蓄熱墻、附加陽光間、對(duì)流環(huán)路式、水蓄熱屋頂.其中直接受益窗和附加陽光間技術(shù)簡(jiǎn)單，效果顯著，而且與建筑設(shè)計(jì)結(jié)合緊密.針對(duì)長(zhǎng)春地區(qū)冬季采暖特點(diǎn)，完全依靠太陽能作為冬季采暖的方式短期實(shí)現(xiàn)有一定的困難，但作為輔助采暖措施還是切實(shí)可行的，因此，本文重點(diǎn)對(duì)太陽能輔助采暖供熱方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究（見圖3）.

圖3 太陽能輻射地板原理及構(gòu)造示意圖

采用太陽能低溫輻射地板作為輔助采暖措施，長(zhǎng)春地區(qū)現(xiàn)階段采用地?zé)岵膳姆绞椒浅Ｆ毡?，因此，在陽光充足的時(shí)候采用太陽能集熱器為地板輻射提供熱量，在采暖用熱不足的情況下，利用城市集中供熱系統(tǒng)或電加熱的方式加熱，力爭(zhēng)太陽能輔助供熱系統(tǒng)供熱量可占傳統(tǒng)供熱量的10%～20%為本研究的目標(biāo).

2 結(jié)束語

本文研究工作中實(shí)地調(diào)研現(xiàn)有的辦公建筑獲得大量的第一手資料，通過總結(jié)分析得出困擾嚴(yán)寒地區(qū)辦公建筑節(jié)能降耗的關(guān)鍵問題，并針對(duì)問題展開研究，尋求利用太陽能技術(shù)解決辦公建筑高能耗的途徑和方法.針對(duì)性的提出嚴(yán)寒地域特性的辦公建筑太陽能技術(shù)應(yīng)用方案，得到的研究成果歸納如下：

（1）嚴(yán)寒地區(qū)辦公建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)指導(dǎo)方案，以冬季采暖為主，局部兼顧遮陽設(shè)計(jì).

（2）太陽能的具體利用方式分為被動(dòng)式、主動(dòng)式2種方式.從我國(guó)目前的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀出發(fā)，應(yīng)優(yōu)先考慮發(fā)展傳統(tǒng)被動(dòng)式、主動(dòng)型被動(dòng)式的太陽能應(yīng)用技術(shù)，主動(dòng)式利用作為太陽能應(yīng)用的必然趨勢(shì).

（3）針對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及建筑構(gòu)配件提出太陽能技術(shù)建筑一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)策略.

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