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        中關(guān)村醫(yī)藥科技中心建筑形體的氣候適應(yīng)性優(yōu)化研究*

        2019-06-17 01:15:48袁朵劉曉暉李志紅李洪剛
        建筑技藝 2019年1期
        關(guān)鍵詞:采光系數(shù)窗墻透射比

        袁朵 劉曉暉 李志紅 李洪剛

        清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司第六分院

        在建筑設(shè)計(jì)中,建筑的形體空間構(gòu)成不僅對(duì)其功能組織、結(jié)構(gòu)選型等方面有著重要作用,同時(shí)也直接影響著建筑的室內(nèi)物理環(huán)境性能。瞬息變化的風(fēng)、傾瀉而下的光、四季輪回的溫度等氣候要素,通過建筑形體空間元素傳遞給使用者,因而建筑形體的氣候適應(yīng)性優(yōu)化成為綠色建筑設(shè)計(jì)需要研究的核心問題之一。此次研究以中關(guān)村醫(yī)藥科技中心為對(duì)象,結(jié)合寒冷地區(qū)氣候特點(diǎn),探討在方案概念設(shè)計(jì)階段對(duì)建筑形體進(jìn)行氣候適應(yīng)性(光、熱)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法和途徑。

        1 北京市氣候特點(diǎn)

        北京屬于寒冷氣候區(qū),四季分明,大陸性氣候特征顯著。夏季受濕熱季風(fēng)影響,氣溫炎熱且濕潤;冬季受西伯利亞氣團(tuán)影響,室外寒冷、干燥。不僅如此,北京還屬于太陽資源分布較為豐富的地區(qū),水平面總輻射強(qiáng)度為504.21kJ/cm2,直射輻射強(qiáng)度為313.54kJ/cm2,散射輻射強(qiáng)度為190.67kJ/cm2(圖1,2)[1]。對(duì)建筑熱環(huán)境來說,太陽輻射是需要重點(diǎn)考慮的氣候因子,透過玻璃窗直接射入室內(nèi)的輻射熱,對(duì)房間的溫度狀況有著巨大的影響。在夏季通過外窗進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射增加了夏季空調(diào)能耗,而在冬季通過外窗進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射有利于降低冬季采暖能耗。

        2 項(xiàng)目概況

        中關(guān)村醫(yī)藥科技中心位于北京市中關(guān)村科技園區(qū)發(fā)展區(qū)生命科學(xué)園東北部,是生命科學(xué)園二期的標(biāo)志性建筑(圖3),用地面積8 315m2,總建筑面積33 085m2,地上功能為研究實(shí)驗(yàn)室及辦公室,地下則主要為機(jī)房、食堂和停車庫。項(xiàng)目以降低建筑能耗為目標(biāo),結(jié)合項(xiàng)目選址、氣候特點(diǎn),進(jìn)而確定適宜的氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略。

        在方案設(shè)計(jì)階段,形體空間的氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略[2]主要包括:

        (1)窗墻比優(yōu)化。外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的透明部分對(duì)建筑冷熱負(fù)荷影響很大,在合理控制窗墻比的基礎(chǔ)上,提高外窗的保溫隔熱性能是降低建筑冷熱負(fù)荷的有效手段。

        (2)遮陽設(shè)計(jì)優(yōu)化。根據(jù)北京日照條件分析,夏天需要阻擋直射光,冬天則需要考慮如何將斜射陽光引入室內(nèi)。合理的遮陽設(shè)施,應(yīng)以避免夏季陽光直射、降低空調(diào)能耗和盡可能引入冬季自然光為目標(biāo)。

        (3)自然采光優(yōu)化。通過平面布局、立面調(diào)整、引入中庭等形體空間塑造手法,優(yōu)化室內(nèi)自然采光水平,避免形成眩光,從而提升視覺舒適度,減少室內(nèi)對(duì)人工照明的依賴。

        3 建筑形體的氣候適應(yīng)性優(yōu)化設(shè)計(jì)

        3.1 窗墻比優(yōu)化

        太陽輻射得熱絕大部分來自透明圍護(hù)結(jié)構(gòu),因此減小立面窗墻比可以有效減少進(jìn)入室內(nèi)的熱量,但是過小的窗墻比也會(huì)引起室內(nèi)光環(huán)境的不適感。窗墻比是影響建筑能耗的重要因素,同時(shí)也受建筑日照、采光、自然通風(fēng)等條件的制約[3]?!督ㄖ?jié)能減排政策研究與推進(jìn)——北京市大面積玻璃幕墻公共建筑節(jié)能研究》(2009)表明,當(dāng)北京市辦公建筑的窗墻比從0.7減少至0.5時(shí),建筑總負(fù)荷平均可減少15.6%;當(dāng)窗墻比從0.7減少至0.3時(shí),總負(fù)荷平均減少30.3%[4]。因此,從降低建筑能耗的角度出發(fā),窗墻比必須得到合理的控制。

        按照《北京公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(DB11/687-2015)中的規(guī)定,當(dāng)乙類建筑體形系數(shù)≤0.3時(shí),每個(gè)朝向的窗(包括透明幕墻)在0.6<窗墻比≤0.7時(shí),傳熱系數(shù)K值不應(yīng)大于1.6,太陽得熱系數(shù)東、西、南向不得大于0.35,北向不得大于0.6;在0.3<窗墻比≤0.4時(shí),傳熱系數(shù)K值不應(yīng)大于2.2,太陽得熱系數(shù)不得大于0.43[5]。北京市對(duì)寒冷地區(qū)乙類建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能要求非常嚴(yán)格,尤其是傳熱系數(shù)K值,優(yōu)于國家節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求。

        醫(yī)藥科技中心建筑的體形系數(shù)為0.13,遠(yuǎn)優(yōu)于上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)體形系數(shù)不大于0.3的要求,建筑原立面設(shè)計(jì)以幕墻為主(圖4,5),建筑窗墻比為0.7,根據(jù)節(jié)能設(shè)計(jì)要求,外窗傳熱系數(shù)需要達(dá)到K=1.6W/(m2·K),經(jīng)施工及經(jīng)濟(jì)性評(píng)估,此設(shè)計(jì)對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到《北京公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》外窗性能要求的門窗造價(jià)約為1 000~1 300元/m2。

        在維持建筑體形系數(shù)0.13不變,且合理控制采光的原則下,對(duì)立面進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整,由原方案的大面積幕墻調(diào)整為高寬比合適的矩形窗均布的方式(圖6,7),調(diào)整后各個(gè)立面的窗墻比如表1所示。

        經(jīng)過調(diào)整,醫(yī)藥科技中心窗墻比為0.34,節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)外窗的傳熱系數(shù)限值為2.2W/(m2·K),最終方案采用了60系列平開鋁合金斷熱窗(5+12A+5Low-E),傳熱系數(shù)K值為2.0W/(m2·K)的外窗,在該窗墻比下,建筑標(biāo)準(zhǔn)層室內(nèi)采光系數(shù)大于3%的空間比例為66.1%,仍然滿足綠色建筑室內(nèi)采光的限值要求,同時(shí)獲得了更均勻的自然采光,也降低了眩光引起的不適感。窗墻比優(yōu)化后,新方案門窗造價(jià)僅需500~800元/m2,比原玻璃幕墻方案節(jié)約投資近83萬元,經(jīng)濟(jì)效果明顯。

        3.2 建筑遮陽優(yōu)化

        建筑形體空間中的表皮設(shè)計(jì)因氣候條件以及地域不同而有所差異。在過熱情況下,建筑表面溫度往往達(dá)到70~90℃,與建筑內(nèi)部產(chǎn)生超過50℃的溫度差,這時(shí)設(shè)計(jì)師應(yīng)該更多地考慮如何遮陽,而不是探討如何隔熱[5]。建筑遮陽對(duì)建筑冷負(fù)荷的影響顯著,建筑遮陽不僅適用于夏熱冬冷及夏熱冬暖地區(qū),在北京等寒冷B區(qū)的建筑設(shè)計(jì)中,也需要考慮遮陽設(shè)計(jì)。當(dāng)太陽輻射急劇升溫時(shí),合理的遮陽設(shè)施就顯得尤為重要,尤其是北京地區(qū)的大型公共建筑,其冷負(fù)荷大于建筑熱負(fù)荷,這就要求設(shè)計(jì)師在對(duì)建筑表皮進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分考慮透明部分(窗及幕墻)的遮陽設(shè)計(jì)策略。在本項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)前期,設(shè)計(jì)師利用建筑表皮自遮陽的設(shè)計(jì)手法,探究了外立面窗的夏季遮陽與冬季得熱采光的效果。

        根據(jù)不同立面方案,模擬表皮透明部分(外窗)夏季太陽輻射值。優(yōu)化方案通過設(shè)置表皮的遮陽構(gòu)件,優(yōu)化立面遮陽效果。該模擬是針對(duì)醫(yī)藥科技中心南向立面遮陽進(jìn)行的表皮優(yōu)化(表2)。

        設(shè)置如下對(duì)比方案:1)方案一無幕墻出挑,即無表皮遮陽形式;2)方案二豎向石材幕墻出挑300mm,即豎向遮陽形式;3)方案三石材幕墻橫向出挑200mm,豎向出挑300mm,即橫向遮陽+豎向遮陽;4)方案四石材幕墻橫向出挑200mm,豎向出挑300mm,橫向遮陽擋板200mm寬,即橫向遮陽+豎向遮陽+擋板遮陽。

        1 北京地區(qū)全年逐時(shí)太陽直射輻射量

        2 北京地區(qū)全年逐時(shí)太陽散射輻射量

        3 中關(guān)村醫(yī)藥科技中心鳥瞰圖

        4 原玻璃幕墻方案

        5 原玻璃幕墻方案采光系數(shù) 3%以上的空間比例為 95.2%

        6 石材幕墻方案

        7 石材幕墻方案采光系數(shù) 3%以上的空間比例為 66.1%

        表1 中關(guān)村醫(yī)藥科技中心窗墻比

        模擬結(jié)果顯示,不同的方案外窗夏季平均太陽輻射得熱量有明顯不同。建筑表皮增加豎向遮陽后,外窗的太陽輻射折減率為24%;立面調(diào)整為橫向+豎向遮陽后,太陽輻射折減率為45%;在方案三的基礎(chǔ)上再增加200mm寬的橫向遮陽板,太陽輻射折減率為62%,遮陽效果最佳。結(jié)合建筑立面完整性、后期施工難度、使用安全性以及綠色建筑增量四個(gè)方面,方案三相對(duì)較優(yōu),同時(shí)也達(dá)到了比較好的夏季遮陽和冬季采光效果(圖8)。

        3.3 自然采光優(yōu)化

        合理設(shè)計(jì)室內(nèi)光環(huán)境可有效提升室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)。自然采光不僅是公共建筑一項(xiàng)有效的節(jié)能減排措施,同時(shí)自然光對(duì)使用者的身心健康產(chǎn)生重要影響。美國能源部國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室NREL的研究表明,自然光對(duì)減緩室內(nèi)工作人員視覺疲勞以及提高工作效率有積極的影響[6]。

        因此,項(xiàng)目在方案設(shè)計(jì)階段主要綜合考慮了建筑形體、平面布置、采光中庭等改進(jìn)室內(nèi)采光的措施,在已有建筑表皮及平面布置的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化,同時(shí)綜合建筑節(jié)能以及公共建筑采光要求,對(duì)室內(nèi)光環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化模擬。

        8 方案三、方案四夏至與冬至立面遮陽效果對(duì)比

        表2 醫(yī)藥科技中心南向立面遮陽優(yōu)化模擬和室內(nèi)自然采光模擬

        3.3.1 平面布局優(yōu)化

        醫(yī)藥科技中心為研發(fā)實(shí)驗(yàn)用房,在平面設(shè)計(jì)布局中,將核心筒、設(shè)備及交通等非主要功能空間布置在建筑內(nèi)側(cè),辦公、實(shí)驗(yàn)、研發(fā)等主要功能空間布置在建筑外側(cè)(圖9)。這樣的功能布置方式為主要使用空間擁有充足的自然采光打下基礎(chǔ),而人員停留短暫的非主要功能空間依靠人工照明進(jìn)行采光,從而實(shí)現(xiàn)空間資源利用的合理化。

        3.3.2 建筑立面優(yōu)化

        考慮到進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射量與建筑自然采光的耦合關(guān)系,項(xiàng)目對(duì)外立面設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了室內(nèi)建筑自然采光的模擬分析,以平衡遮陽與自然采光的效果,尋求相對(duì)的最優(yōu)方案。全陰天工況下典型樓層主要功能房間自然采光系數(shù)的模擬結(jié)果見圖10和表2。

        四種外立面設(shè)計(jì)方案模擬計(jì)算結(jié)果表明,外墻立面遮陽構(gòu)件對(duì)室內(nèi)采光有較大影響,隨著外立面遮陽構(gòu)件出挑面的增加,建筑室內(nèi)平均自然采光系數(shù)明顯降低。其中,方案四較方案一室內(nèi)平均自然采光系數(shù)下降約2.1%外立面遮陽構(gòu)件影響顯著。根據(jù)建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),辦公建筑室內(nèi)自然平均采光系數(shù)應(yīng)大于3%,以滿足視覺功能需求。在四個(gè)方案中,僅方案一、二、三滿足該要求。

        如何平衡遮陽與自然采光之間的矛盾,是此次形體空間表皮方案的核心問題。綜合上文對(duì)外遮陽效果的分析,方案三外立面形式的遮陽及室內(nèi)自然采光性能相對(duì)最優(yōu),與無構(gòu)件遮陽立面方案相比,其太陽輻射折減率為45%,同時(shí)室內(nèi)主要功能空間平均自然采光系數(shù)為3.29%,滿足建筑采光的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),于是該方案成為項(xiàng)目的最終方案。

        3.3.3 外窗透光率優(yōu)化分析

        外窗可見光透射比是影響室內(nèi)采光的主要因子之一,《北京市公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(DB11/687-2015)第3.1.9條規(guī)定,建筑單一立面窗墻面積比低于0.4時(shí),透光材料的可見光透射比不應(yīng)小于0.6。由于遮陽性能好的外窗其可見光投射能力大多相對(duì)較弱,需要對(duì)玻璃的自遮陽和透光性進(jìn)行權(quán)衡,因此對(duì)典型樓層外窗玻璃可見光透射比為0.6,0.7和0.8三種工況進(jìn)行了采光數(shù)值模擬計(jì)算,模擬工況為全陰天,計(jì)算結(jié)果如表3所示。

        通過模擬計(jì)算得出可見光透射比為0.8時(shí),主要功能房間平均采光系數(shù)較工況一提升約0.4%,提升幅度不大。玻璃透射比對(duì)室內(nèi)采光影響不明顯的原因是方案選定形體的窗墻比和透光面積較小,所以調(diào)整外窗可見光透射比對(duì)室內(nèi)采光影響有限。此外,由于同時(shí)滿足外窗遮陽性能以及較高的可見光透射比的外窗類型較少,且可見光透射比對(duì)室內(nèi)采光影響不大,故設(shè)計(jì)方案最終選擇了可見光透射比為0.6的外窗玻璃,也保證了在挑選玻璃產(chǎn)品類型時(shí)具有較大的選擇余地。

        表3 外窗玻璃可見光透射比優(yōu)化模擬

        9 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

        10 不同方案主要功能房間采光系數(shù)分布

        11 南側(cè)辦公空間眩光模擬

        12 標(biāo)準(zhǔn)層采光中庭設(shè)置前后模擬對(duì)比

        3.3.4 眩光優(yōu)化分析

        根據(jù)圖10的模擬結(jié)果可知,典型樓層主要功能房間外窗附近自然采光系數(shù)明顯高于房間內(nèi)墻附近采光系數(shù)值,這種室內(nèi)與外窗表面顯著的亮度差異易形成眩光,造成人眼的不適感。

        對(duì)上述四種表皮方案進(jìn)行春分日全晴天典型樓層南側(cè)辦公區(qū)域室內(nèi)眩光模擬計(jì)算,以通過外立面表皮的方式優(yōu)化室內(nèi)采光舒適性,模擬結(jié)果見圖11。由于外窗選定可見光透射比為0.6的玻璃材料,已在較大程度上降低了玻璃內(nèi)表面的亮度,因此四種方案窗的不舒適眩光指數(shù)DGI均小于25,滿足《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中自然采光III級(jí)的要求。方案二、三、四在外墻立面設(shè)置了遮陽構(gòu)件,降低了窗及內(nèi)墻表面的亮度,減小了內(nèi)部空間表面亮度差異,同時(shí)遮陽構(gòu)件在一定程度上增加了進(jìn)入室內(nèi)的漫反射光,使室內(nèi)自然采光均勻度有所提升。根據(jù)不舒適眩光指數(shù)DGI計(jì)算結(jié)果,方案三在緩解眩光性能方面依然為較優(yōu)解。

        3.3.5 采光中庭策略

        采光中庭不僅是人員交流的主要場所,還是被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略的重要設(shè)計(jì)手段。中庭設(shè)計(jì)需要考慮的因素較多,包括太陽輻射控制、采光效果、通風(fēng)效果等。項(xiàng)目原方案缺乏對(duì)中庭采光問題的思考,在內(nèi)核布置了會(huì)議室等其他功能空間,經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證(圖12),平面內(nèi)核部分的功能空間必須完全依靠人工采光,這在很大程度上增加了后期的運(yùn)行費(fèi)用。

        為提高室內(nèi)空間的光舒適性,減少后期運(yùn)行費(fèi)用,設(shè)計(jì)進(jìn)行了方案調(diào)整,將會(huì)議室調(diào)至北側(cè),原有空間改為中庭,以增加辦公人員溝通、交流的機(jī)會(huì)。中庭屋面部分設(shè)置了采光天窗,能有效改善中庭及兩側(cè)走廊部分的自然采光。經(jīng)再次模擬分析,中庭部分平均自然采光照度值為397lux,完全滿足自然采光要求(圖12)。24.5%的走廊面積自然采光照度值達(dá)到150lux以上,較無中庭方案走廊采光面積提升6.7%。采光中庭增加了室內(nèi)接觸自然光的機(jī)率,提升了空間視覺舒適度,同時(shí)減少了部分照明負(fù)荷和后期運(yùn)行費(fèi)用。

        設(shè)計(jì)方案同時(shí)考慮到采光中庭會(huì)引入室內(nèi)較多熱量,因此在天窗頂部增加了機(jī)械排風(fēng)機(jī),以促進(jìn)夏季及過渡季樓內(nèi)的空氣流動(dòng),方便熱量快速排出,在一定程度上降低了中庭的負(fù)面影響。

        4 結(jié)論

        通過對(duì)中關(guān)村醫(yī)藥科技中心建筑形體空間氣候適應(yīng)性(熱、光)設(shè)計(jì)策略的討論,總結(jié)了項(xiàng)目方案在改善建筑環(huán)境性能(熱環(huán)境、自然采光)、減少能耗與后期運(yùn)行費(fèi)用等方面的綜合技術(shù)策略。

        (1)結(jié)合建筑的朝向、不同立面空間的使用功能等因素以及建筑造型需要,對(duì)建筑立面的窗墻比進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)調(diào)整,確保建筑能耗的控制。

        (2)通過建筑表皮設(shè)計(jì)控制優(yōu)化程度,調(diào)整窗口附近的檐口出挑方式及尺寸,改良外遮陽,以達(dá)到夏季有效遮擋太陽直射光線、冬季引入太陽光、減少采暖負(fù)荷的目的。

        (3)以平面功能優(yōu)化為基礎(chǔ),通過立面細(xì)部設(shè)計(jì)優(yōu)化、在建筑空間內(nèi)增設(shè)中庭采光天窗等方式,避免建筑南向主要功能空間的眩光問題,并兼顧室內(nèi)其他空間的自然采光照度要求,實(shí)現(xiàn)降低照明能耗、減少建筑后期運(yùn)行費(fèi)用的目標(biāo)。

        課題組成員:張悅、田永英、程曉喜、黃獻(xiàn)明、袁朵、劉倩君、連璐、宋修教、劉曉暉、李志紅、馬熒、王麗莎等

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