溫海濤

(上海朗詩規(guī)劃建筑設計有限公司,上海 200092)

0 引 言

在現(xiàn)今全球能源和環(huán)境不斷惡化的情況下，低碳環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的理念已經成為時代共識?？沙掷m(xù)的設計、建造及運營在高碳排放的房地產行業(yè)里逐漸成為主流，是否有可持續(xù)方面的設計理念也成為項目推進過程中無法忽視的考量維度。如何在保障人體舒適度的情況下，盡可能降低建造過程中的碳排放，并在后期運營過程中維持一個盡可能低的能耗水平，越來越成為一個項目是否成功的衡量標準。

國內建筑市場受到國家綠色施政及全球環(huán)保水平發(fā)展影響，開始在綠色設計施工和能耗標準方面出臺一系列規(guī)范和政策引導，可持續(xù)設計開始成為一種不可或缺的行業(yè)標準，同時日益提升的人民生活水準和生活品味，也使得大眾開始對居住品質產生強烈的改善訴求。

從開發(fā)商和業(yè)主角度來講，在開發(fā)項目中自持比例的不斷提高，使得房地產快銷品的屬性不斷降低，想要確保一定利潤，除去精簡成本，提高溢價外，必須大幅降低物業(yè)的運營成本，這也在很大程度上要求項目在設計之初就要對能耗水平有一個優(yōu)化預判的研究過程。

對具體項目而言，如何通過前端設計將實際運營階段的能耗控制在較低水平，一直都是個錯綜復雜、莫衷一是的論題，但學術界目前的一個共識是：通過前端設計的確能以較小的成本獲取相當可觀的能源系統(tǒng)優(yōu)化，大幅降低能耗開支。

1 可持續(xù)建筑的主要控制因素及分析手段

對于建筑來講，影響運營能耗和人體舒適度的因素主要有以下幾個方面：

1.1 建筑方面

(1) 外維護的熱交換水平：包含外維護材料構造，冷熱橋，氣密性和門窗洞口部位。

(2) 外遮陽：是否有效調解熱輻射的吸收。

(3) 新風系統(tǒng)：能否進行高效熱回收。

(4) 清潔(可再生)能源：是否有清潔能源的補充，減少對不可再生和二次能源的需求。

1.2 室內環(huán)境方面

(1) 室內溫濕度。

(2) 室內風環(huán)境。

(3) 室內光環(huán)境。

1.3 模擬分析

目前各國在可持續(xù)設計領域都是運用各種模擬分析軟件對建筑上述關鍵因素進行模擬預測，并提出優(yōu)化建議。這在優(yōu)化建筑整體能耗水平的同時，也顯著影響了建筑的形態(tài)甚至總體布局?？紤]到建筑本身就是個非常復雜的大系統(tǒng)，很難確認這些具體的設計優(yōu)化分析對運營期的建筑能耗的降低存在哪些明確的對應關系，但有數(shù)據支持的一個結論是：在前端主動進行節(jié)能設計的項目比沒有做的項目整體能耗水平要低17%以上。對于投資動輒千萬甚至數(shù)億的建筑項目來說，這確實是一筆巨大的收益。更值得稱道的是，建筑本身低碳、環(huán)保、高舒適度的生命周期得到了更好的延續(xù)。

目前全球主要應用的幾款性能優(yōu)化軟件表1。

表1 主要的性能優(yōu)化軟件對比分析

1.4 展望

日益強大的軟件分析能力(人工智能和算法)絕不意味著建筑師職業(yè)的消亡，讓建筑設計變成了一個純粹的數(shù)學游戲，給出幾個初始條件帶入程序運算得到一個明確的最優(yōu)解。實際情況恰恰相反，強大的算法可以解放傳統(tǒng)建筑師被壓抑和分散掉的創(chuàng)造力和文化表達力。性能分析可以為建筑師提供精確定量的技術支持，而建筑師才是賦予建筑靈魂和文化內涵的主導者。比如，根據軟件分析建議，在某具體地理方位的建筑南向需設置橫向遮陽百葉；在滿足遮陽60%的情況下，選擇做細密的百葉還是單片的挑檐，塑造出的空間將具有截然不同的氣質和文化韻味，而這完全取決于建筑師的取舍。形式應該追隨功能和精神訴求，成為表達的結果而非原因。

2 基于性能分析的項目實踐

筆者就自身實踐的一個小型可持續(xù)項目，粗淺探討一下性能優(yōu)化分析對設計的指導價值。

2.1 項目背景

本項目位于嘉興平湖一片農田之上，屬于農業(yè)用地展示接待用房，北面是農業(yè)生產大棚,南面是大片的彩色稻田，未來西面也會有大片竹林和果樹。由于國家嚴控農業(yè)用地紅線，本項目整體將以全玻璃溫室進行設計建造并完成報建審批。業(yè)主希望通過完成一個綠色超低能耗建筑項目的實踐示范，探索農業(yè)綜合體的應用場景，驗證可持續(xù)設計在人體舒適度和低碳環(huán)保方面的優(yōu)勢，以便未來大范圍推廣。

設計內容： 1 500 m2的玻璃盒子,未來將成為容納接待、餐飲、農事體驗、培訓、會議、辦公等多種功能于一身的小型農業(yè)綜合體；以不高于正常公建的運營能耗，確保在強烈溫室效應下的人體舒適度。

2.2 設計策略及推演

設計策略包括:

(1) 以被動式設計手段應對能耗問題。

(2) 以單元模塊標準化應對周期短、可復制需求,并盡可能降低建造成本。

(3) 以木結構+玻璃為建造體系,發(fā)揮木結構在小型建筑中標準化率高、質輕近人、熱惰性好等特點。

我們首先確定的一個底層邏輯是做庭院。作為一個當?shù)貧v史文脈和鄉(xiāng)土情感的載體,庭院的作用毋庸置疑,其地域風土屬性極強,我們希望能以一種致敬地方文脈的方式來構筑這間特別的溫室。

而庭院的圍合營造,我們也是仿照前人做法,用標準模塊進行拼接組合。大模塊作為人群活動主空間,居于空間主軸,小模塊作為溫室,居于廂房位置,中間圍合出種上水稻的庭院,形成一個院落單元,動靜有序,主次有別。如有需要即可快速拓展至多進院落。

在幾進院落的中軸線上我們設置了連續(xù)的落地景窗，在人視限高度范圍采用高透玻璃,形成一長條綿延至廣袤田野、景深極大的視野, 尤其是在過渡季全部打開的情況下,會將整個建筑融進大自然里,這也與國人秉承的天人合一的理念不謀而合。

通過有針對性的制定能耗標準,可以盡量降低項目造價成本,減少不必要的花費。對于人群聚集的大模塊,我們進行多維性能優(yōu)化和能耗模擬,通過調整其空間形態(tài)、遮陽效果和通風性能,在盡量節(jié)能的情況下確保人體舒適度;對于溫室模塊,則盡量精簡結構構造,達到植物生長的最低能耗需求即可。

2.3 性能優(yōu)化分析及能耗模擬

在明確了整體的開發(fā)策略和設計思路之后，就需要借助性能分析幫助我們進一步定性定量地設計建筑的空間形態(tài)和新風系統(tǒng)。首先，我們通過CFD和Energy Plus軟件，對坡屋頂建筑的截面空間形態(tài)進行了分析，希望可以盡量借助煙囪效應增加建筑的自然通風效果，最大限度地利用氣壓差形成對流，將熱空氣排走，同時在院落中設置了水庭，增加下層空氣的水汽含量，也是為了加強對流效果。

另外，對于受熱面積最大、吸收熱量最顯著的屋頂部分，我們設置了橫向的光伏遮陽板，并通過軟件分析對比了每個月遮陽百葉固定角度的遮陽效果。

3 建筑形體

經過軟件分析發(fā)現(xiàn)，設置屋頂外遮陽板會極大地改善室內超溫現(xiàn)象。對于屋頂外遮陽板，我們設計了兩種方案，如圖1所示。

圖1 屋頂外遮陽板設計方案

用軟件對兩種屋頂設計方案進行能耗模擬分析比較，結果為：在僅考慮熱壓通風的情況下，方案一的體型更有利，即頂部熱壓通風區(qū)域越高越好；而且建議頂部設置方式為南向坡度宜較小、北向坡度宜較大。

通過模擬計算，整理出隨遮陽板角度改變屋面每月輻射強度累計值，以及各遮陽板角度下每月輻射強度累計值與輻射強度最低值的增幅(表2)。表2中，-6°為與夏季正午最高太陽高度角垂直的角度；37°為與冬季正午最高太陽高度角垂直的角度。

表2 屋頂遮陽板不同角度下每月輻射強度累計值與輻射強度最低值相比較的增幅

4 結 論

屋頂外遮陽板角度變化范圍在-6°～37°，結合表2中數(shù)據分析，制定遮陽板調節(jié)方案。調節(jié)方案為：遮陽板傾斜角在夏季(6～9月)宜調節(jié)為-6°；在冬季(10～12月)宜調節(jié)為37°；其余過渡季僅從遮陽效果考慮不做強制要求，可綜合考慮采光、光電效果等調節(jié)遮陽板角度。性能優(yōu)化團隊還對項目的整體工況進行了多種模擬分析對比，限于篇幅，此處不一一贅述，僅列出主要模擬內容，分別為：

(1)東西立面考慮遮陽，遮陽率考慮30%、50%、70%。

(2)外窗的性能考慮：1.8 SHGC 0.63、VT0.7，2.4 SHGC 0.63、VT 0.7，以及2.8SHGC0.68、 VT0.75。內窗的性能考慮：2.8 SHGC 0.68、VT 0.75。

(3)自然通風面積。

(4)內窗性能6+13+lowe+61. 912 SHGC 0.568、VT 0.744。

(5)夏季室內設計溫度30℃、冬季室內設計溫度20℃。

最終我們得到了如下對建筑設計具有具體數(shù)值建議的優(yōu)化分析結論：

(1)玻璃性能不低于1.8 SHGC 0.63、VT 0.7。

(2)屋面設置外遮陽板，外遮陽板結合屋面光伏板設置。

(3)熱壓通風面積不小于進排風口，且均不小20m2，最好能做到40m2。

(4)局部雙層玻璃1.2 SHGC 0.68、VT 0.53，對設備選型基本無影響，無須設置。

(5)東西立面設置內遮陽卷簾對夏季能耗降低幅度有限，不建議設置。

正是遵循著性能優(yōu)化分析提供的可以量化的參數(shù)指標，通過設計團隊各專業(yè)之間緊密高效的配合協(xié)作，建筑設計方案得以不斷推進深化，逐步將布局形態(tài)、構造以及暖通設備系統(tǒng)等逐一完善確定，最終在3周內快速高效地完成了本次設計任務。方案也順利通過了匯報和甲方的成本管控，得到了業(yè)主的贊許。

5 結束語

通過該溫室項目設計的整個實踐過程可以看到，在合理引入性能優(yōu)化分析技術支持的情況下，同時在暖通及建筑物理工程師的配合下，整個建筑方案會在成熟度與可實施度方面達到令人驚訝的程度，既可以讓業(yè)主在建設階段降低設備采購成本，又在未來運營階段有明顯的低能耗成本優(yōu)勢。性能優(yōu)化分析可以給項目提供非常直觀、可量化的數(shù)據，幫助設計師不斷完善和深化方案，在設計前端就對人體的舒適度和運營能耗進行全面細致的管控規(guī)劃，同時大量減少設計過程中無謂的反復修改，工作的導向性非常強。雖然目前還達不到將能耗指標及物理微環(huán)境完全數(shù)據化的程度，但以現(xiàn)在技術發(fā)展的速度，我們有理由相信，依靠人工智能和算法，性能優(yōu)化分析將會變得日益強大，必能協(xié)助設計師發(fā)揮更大能力。