張麗娜 季亮 方舟 張宏儒

上海市建筑科學(xué)研究院有限公司

1 長三角地區(qū)氣候特征分析

長三角地區(qū)位于北緯32°34'～29°20'，東經(jīng)115°46'～123°25'，長江的下游地區(qū)，是長江入海之前形成的沖積平原。根據(jù)2019年國務(wù)院印發(fā)的《長江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》，長三角地區(qū)以上海市及江蘇、浙江、安徽三省的27個(gè)城市為中心區(qū)，規(guī)劃范圍涵蓋了以上三省一市全域。該區(qū)域夏季高溫，大部分地區(qū)最高溫度可達(dá)到40℃，極端時(shí)甚至能達(dá)到42℃，平均溫度較同緯度其他地區(qū)高2℃左右；冬季寒冷，常有冷空氣襲擊，大部分地區(qū)平均溫度0～8℃，具有典型的夏熱冬冷氣候特征。由于長江流域水網(wǎng)密集，夏季受江南春雨和江淮梅雨的影響，空氣濕度高；同時(shí)受南邊丘陵和山脈影響，夏季靜風(fēng)率高，局部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)地方性風(fēng)場(chǎng)。

長三角地區(qū)具有夏季悶熱高濕、冬季陰冷潮濕的夏熱冬冷氣候特征，這種季節(jié)交替的極端性與氣候?qū)ㄖO(shè)計(jì)提出了更高的挑戰(zhàn)。該地區(qū)在進(jìn)行綠色建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)做到統(tǒng)籌兼顧，處理好保溫與隔熱、日照與遮陽、通風(fēng)與除濕的有效平衡。通過自然通風(fēng)延長過渡季，減少主動(dòng)能源的使用時(shí)間；合理運(yùn)用遮陽設(shè)施，實(shí)現(xiàn)夏季有效阻擋太陽輻射得熱，冬季減弱對(duì)太陽輻射的反向削弱作用；通過建筑體形設(shè)計(jì)控制體形系數(shù)、建筑空間與功能的設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與材料選用、屋頂綠化等措施，實(shí)現(xiàn)冬季保溫和夏季隔熱的要求；同時(shí)應(yīng)充分利用自然采光，降低人工照明及空調(diào)能耗。

相比于其他氣候區(qū)的“恒”（強(qiáng)化保溫，增強(qiáng)氣密），長三角地區(qū)的建筑設(shè)計(jì)應(yīng)更加突出以“變”來應(yīng)對(duì)夏冬兩季對(duì)建筑的不同需求。這種“變”可以通過可變的建筑表皮來實(shí)現(xiàn)，如可調(diào)節(jié)遮陽、雙層表皮、攀援落葉植物等；也可以通過不同朝向的窗墻比、熱工性能參數(shù)的差異來實(shí)現(xiàn)。

2 被動(dòng)式綠色設(shè)計(jì)策略選用

上文由長三角地區(qū)氣候特征分析得出了該地區(qū)常用的幾種被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略：自然通風(fēng)、自然采光、屋頂綠化、固定遮陽、節(jié)能圍護(hù)結(jié)構(gòu)及可變建筑表層等。下面將從工程適用和設(shè)計(jì)角度探討長三角地區(qū)被動(dòng)式綠色設(shè)計(jì)策略的選用。

2.1 工程案例

長三角地區(qū)引領(lǐng)全國綠色建筑的發(fā)展，優(yōu)秀的綠色建筑設(shè)計(jì)案例眾多（表1）[1-3]。筆者調(diào)研了長三角地區(qū)72個(gè)綠色公建項(xiàng)目的綠色設(shè)計(jì)策略，其中綠色建筑三星項(xiàng)目24個(gè)、二星項(xiàng)目45個(gè)、一星項(xiàng)目3個(gè)。按照綠色設(shè)計(jì)策略在工程項(xiàng)目中的使用頻次排序，結(jié)果如下：自然采光＞屋頂綠化＞自然通風(fēng)＞地下空間采光＞固定遮陽＞節(jié)能圍護(hù)結(jié)構(gòu)＞中庭或天井＞活動(dòng)遮陽（圖1）。

2.2 設(shè)計(jì)調(diào)研

通過建筑師訪談及問卷調(diào)研的方式，了解建筑師對(duì)長三角地區(qū)綠色建筑設(shè)計(jì)策略的偏好、選用原則及關(guān)注要點(diǎn)。其中，問卷調(diào)研采用線上發(fā)放的形式，回收有效問卷77份。

表1 長三角地區(qū)典型綠色建筑設(shè)計(jì)案例

1 長三角地區(qū)綠色設(shè)計(jì)策略調(diào)研結(jié)果

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，關(guān)于可變建筑表皮技術(shù)，被調(diào)研者中有13%表示不了解；可調(diào)遮陽、建筑外層使用攀援落葉植物和雙層玻璃幕墻技術(shù)是建筑師最熟悉和最常使用的（圖2）。在被動(dòng)式綠色設(shè)計(jì)策略的使用方面，按照建筑師的使用頻次排序，依次為：自然通風(fēng)＞自然采光＞固定遮陽＞活動(dòng)遮陽＞節(jié)能圍護(hù)結(jié)構(gòu)＞建筑形體遮陽＞立體綠化。其中，自然采光、自然通風(fēng)、節(jié)能圍護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)是大多數(shù)建筑師的必選策略（圖3）。

2 可變建筑表皮技術(shù)了解程度

3 被動(dòng)式綠色設(shè)計(jì)策略使用頻次

從氣候適應(yīng)角度出發(fā)，建筑師普遍認(rèn)為長三角地區(qū)夏季悶熱、冬季陰冷，夏季日照輻射較強(qiáng)，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇上，應(yīng)兼顧隔熱和保溫；遮陽設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)夏季有效遮擋的同時(shí)，應(yīng)兼顧冬季日照；考慮到6～7月梅雨季節(jié)降雨多、濕度大，應(yīng)采用恰當(dāng)?shù)耐L(fēng)除濕策略。

在建筑設(shè)計(jì)初期，關(guān)于建筑布局（如間距、朝向）和建筑環(huán)境（如聲、光、熱）等初步方案的確定，建筑師主要通過直接參考規(guī)范或者經(jīng)驗(yàn)判斷，也有多數(shù)建筑師采用軟件模擬分析確定。但部分建筑師由于對(duì)建筑性能分析技術(shù)認(rèn)識(shí)不夠充分，且無專業(yè)的數(shù)值模擬分析團(tuán)隊(duì)配合前期方案設(shè)計(jì)，對(duì)于不同窗墻比、窗戶/幕墻的可開啟面積、遮陽形式等設(shè)計(jì)策略達(dá)到的預(yù)期效果不能做出快速的評(píng)估，這是綠色建筑設(shè)計(jì)中普遍存在的問題。

基于此，筆者所在團(tuán)隊(duì)結(jié)合數(shù)值模擬分析方面的經(jīng)驗(yàn)，給出了長三角地區(qū)適用的自然通風(fēng)、自然采光及遮陽三種設(shè)計(jì)策略的量化建議，以便建筑師快速查用。

3 通風(fēng)設(shè)計(jì)定性及定量分析

3.1 通風(fēng)設(shè)計(jì)原則與策略

自然通風(fēng)的動(dòng)力來源于風(fēng)壓和熱壓。風(fēng)壓主要是指建筑室外風(fēng)作用在建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，造成室內(nèi)外靜壓差；熱壓主要產(chǎn)生在室內(nèi)外溫度存在差異的建筑環(huán)境空間。方案設(shè)計(jì)之初，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀毁Y源條件，充分利用風(fēng)壓與熱壓，優(yōu)化空間布局、剖面設(shè)計(jì)和外窗設(shè)置，從而優(yōu)化氣流組織。

長三角地區(qū)通風(fēng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵布局策略：

（1）通過CFD軟件分析建筑立面風(fēng)壓，確定開口位置、形式和大小，并進(jìn)行驗(yàn)證性分析。

（2）開口位置、形式應(yīng)有利于形成穿堂風(fēng)，且減少通風(fēng)死角。

（3）控制建筑進(jìn)深小于14m，在建筑兩側(cè)設(shè)置通風(fēng)口，保證穿堂風(fēng)[4]。

（4）公共建筑中應(yīng)通過大空間的布置，增強(qiáng)空間內(nèi)部的自然通風(fēng)效率。

（5）可結(jié)合中庭或邊庭的拔風(fēng)效應(yīng)加強(qiáng)自然通風(fēng)效果。

（6）采用中庭設(shè)計(jì)時(shí)，在建筑結(jié)構(gòu)合理的前提下，可優(yōu)先選擇A字形剖面（如文丘里漸縮斷面）；中庭體量應(yīng)盡量小型化，以3～6層為宜，中庭高寬比宜控制在3:1左右[5]。

3.2 通風(fēng)效果速查表

本文以24m（長）×16m（寬）×3m（高）房間為對(duì)象，采用CFD軟件分析了不同可開啟窗扇或玻璃幕墻與房間地板面積比（以下簡稱“開啟窗地比”）、不同主導(dǎo)風(fēng)向與開窗立面夾角情況下房間的換氣次數(shù)，流風(fēng)速設(shè)定為3m/s，結(jié)果如表2所示?？紤]到不同類型窗的室內(nèi)自然通風(fēng)效果有差異，筆者所在團(tuán)隊(duì)通過對(duì)同一房間安裝不同類型窗的室內(nèi)自然通風(fēng)效果進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出上、下懸窗和平推窗的通風(fēng)量折算系數(shù)，如表3所示。方案設(shè)計(jì)初期窗型確定后可以根據(jù)項(xiàng)目所在城市主導(dǎo)風(fēng)向和來流風(fēng)速大小來估算建筑的開口面積。

表2 自然通風(fēng)效果速查表（換氣次數(shù)：次/h）

表3 不同窗型通風(fēng)量折算系數(shù)表

4 采光設(shè)計(jì)定性及定量分析

4.1 采光設(shè)計(jì)原則與策略

充分利用自然采光不但可以節(jié)省大量照明用電，還能提供更為健康、高效、自然的工作環(huán)境[6]。在確保自然采光效果的同時(shí)，應(yīng)注意遮陽、眩目，提高室內(nèi)采光均勻度。在方案階段，通過側(cè)墻開窗、天窗、中庭、導(dǎo)光管等方式，將自然光引入室內(nèi)，提高室內(nèi)自然采光效果。

長三角地區(qū)采光設(shè)計(jì)關(guān)鍵布局策略：

（1）合理控制房間進(jìn)深，單側(cè)采光的房間進(jìn)深宜控制在10m以內(nèi)。

（2）結(jié)合外遮陽構(gòu)件，采取漫反射的方法，將更多的自然光引入室內(nèi)。

（3）對(duì)于大進(jìn)深和地下空間，宜優(yōu)先通過合理的建筑設(shè)計(jì)改善天然采光條件，盡可能避免無窗空間[7]。大進(jìn)深空間設(shè)置中庭、采光天井、屋頂天窗等措施[8]；地下空間宜采用下沉式庭院、半地下室、天窗。

（4）對(duì)于無法避免的情況，鼓勵(lì)采用反光、導(dǎo)光設(shè)施將自然光線引入室內(nèi)。其中地下空間常用的530mm導(dǎo)光管的采光面積可按22m2/個(gè)進(jìn)行快速估算[9]。

（5）控制建筑室內(nèi)表面裝修材料的反射比，頂棚面0.7～0.9，墻面0.5～0.8，地面0.3～0.5[8]。

（6）單一立面窗墻比＜0.4時(shí)，透光材料的可見光透射比ρ≥0.6；單一立面窗墻比≥0.4時(shí)，ρ≥0.4[10]。

4.2 采光效果速查表

本文采用軟件分析了12m（長）×10/12m（寬）×4m（高）兩個(gè)房間不同窗地比、不同透光率情況下房間的采光系數(shù)平均值。長三角地區(qū)屬于Ⅳ類光氣候區(qū)，光氣候系數(shù)K=1.1，室外天然光設(shè)計(jì)照度值Es=13 500lx，模擬房間地面、墻面、天花板反射比分別設(shè)置為0.3、0.6、0.75。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

由于自然采光效果受周邊建筑、遮陽構(gòu)件及表面反射比的影響較大，在具體設(shè)計(jì)時(shí)除查上表外，應(yīng)進(jìn)一步通過數(shù)值模擬分析進(jìn)行量化效果確認(rèn)。

5 遮陽設(shè)計(jì)定性與定量分析

5.1 遮陽設(shè)計(jì)原則與策略

遮陽設(shè)計(jì)應(yīng)考慮季節(jié)變化、朝向變化對(duì)太陽輻射的不同需求，注重遮陽設(shè)施的可調(diào)節(jié)性和氣候適應(yīng)性。

長三角地區(qū)夏季炎熱、冬季寒冷，遮陽設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以減少夏季太陽輻射得熱為主，兼顧冬季室內(nèi)得熱。在利用建筑之間或建筑自身的構(gòu)件（陽臺(tái)、構(gòu)架、挑板）、形體形成互遮陽和建筑自遮陽的基礎(chǔ)上，優(yōu)先考慮設(shè)置可調(diào)遮陽設(shè)施，尤其是東向和西向；采用固定遮陽時(shí)，需配合使用反射比高于0.6的內(nèi)部可調(diào)遮陽措施，且南向宜設(shè)置水平外遮陽，具體位置、形式、尺寸等參數(shù)可結(jié)合數(shù)值模擬確定。

表4 自然采光效果速查表（采光系數(shù)平均值：%）

綜上，長三角地區(qū)遮陽設(shè)計(jì)關(guān)鍵布局策略：1）充分利用互遮陽和自遮陽；2）優(yōu)先采用可調(diào)遮陽；3）固定遮陽結(jié)合模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5.2 遮陽效果速查表

為了方便建筑師快速選用固定遮陽的尺寸，本文采用軟件分析了長三角地區(qū)典型城市——上海、杭州、南京、合肥夏季和冬季采用不同遮陽形式的遮陽效果，并將結(jié)果整理成速查表，供建筑設(shè)計(jì)人員在初期設(shè)計(jì)根據(jù)工程預(yù)期達(dá)到的遮陽效果，快速查圖表以確定遮陽板的尺寸。本文的遮陽效果指與無遮陽工況相比，設(shè)置遮陽后立面累計(jì)太陽輻射得熱的降低幅度。限于篇幅，僅列出上海地區(qū)6個(gè)朝向的橫向遮陽設(shè)計(jì)速查表（圖4）和6個(gè)朝向的豎向遮陽設(shè)計(jì)速查表（圖5），詳細(xì)內(nèi)容可參考筆者之前的研究成果[11]。

根據(jù)分析結(jié)果，南向、東南及西南向均宜采用橫向遮陽，兼顧夏季遮陽和冬季日照，遮陽板尺寸可按照L/H（遮陽板挑出長度/窗高）在0.1～0.2之間選取；豎向遮陽設(shè)計(jì)時(shí)，建議根據(jù)遮陽效果在10%～30%查表確定遮陽板挑出長度與間距。

4 上海地區(qū)橫向遮陽效果速查表

5 上海地區(qū)豎向遮陽效果速查表

6 結(jié)語

本文基于長三角地區(qū)氣候特征的分析，結(jié)合工程案例、設(shè)計(jì)調(diào)研、多工況模擬分析，給出了該地區(qū)適用的被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略的量化建議，并提供了通風(fēng)、采光和遮陽三大被動(dòng)式技術(shù)的定性原則和量化效果的圖表，便于建筑師在方案設(shè)計(jì)階段速查確認(rèn)，以促進(jìn)被動(dòng)式綠色技術(shù)與建筑設(shè)計(jì)的有效融合。

圖片來源

表1 中武進(jìn)維綠大廈圖片來源于文獻(xiàn)[1]，太平鳥高新區(qū)男裝辦公樓圖片來源于上海建科建筑設(shè)計(jì)院，莘莊10 號(hào)樓圖片來源于上海建科文化傳媒有限公司，申都大廈、滬上生態(tài)家、寶業(yè)中心圖片來源于網(wǎng)絡(luò)；其他圖表均為作者自繪。